地鐵高架段長期沉降監(jiān)測及變形研究分析

元 萌

(上?？辈煸O(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200438)

0 引言

城市軌道交通分為地下段、地面段和高架段。軌道交通在工程地質(zhì)條件、人類工程活動和地面沉降等諸多因素的共同作用下，其隧道和高架等結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生不均勻沉降，進而影響著結(jié)構(gòu)安全和列車運行狀態(tài)[1,2]。為及時掌握軌道交通的隧道和高架結(jié)構(gòu)變形情況，分析其形變成因，評估其結(jié)構(gòu)使用狀況，為后期結(jié)構(gòu)維修提供依據(jù)，需對軌道交通進行全線長期監(jiān)測，并針對變形較明顯的區(qū)域提高監(jiān)測頻率[3,4]。

對于城市地鐵高架橋，為更全面的掌握橋梁的健康狀態(tài)，需要對梁面道床、橋墩分別進行沉降監(jiān)測。以某地鐵高架段為例，對城市地鐵高架橋的監(jiān)測方法、特點難點及解決辦法進行闡述，并對變形較大的連續(xù)梁區(qū)域進行沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可為類似工程的沉降監(jiān)測提供參考。

1 工程概況

該地鐵線路全長約6 km，均為高架區(qū)間。全線共包括3個區(qū)間、4個車站，自東向西分別為：甲站—乙站—丙站—丁站。最大站間距3.3 km，最小站間距1.1 km，平均站間距1.9 km。在丁站以西設(shè)置了約360 m的接駁折返線，車站采用“建橋合一”的結(jié)構(gòu)形式，箱形梁作為軌道梁。線路跨越多條道路、河流，并在乙站—丙站區(qū)間，相繼橫跨A高速和B高速。

區(qū)間高架橋上部結(jié)構(gòu)主要采用25 m，30 m標準跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，跨越道路或河流的橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼混疊合簡支梁結(jié)構(gòu)。其中，跨越高速公路的2座大橋采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進行一跨跨越。高架橋梁下部結(jié)構(gòu)主要采用φ600 PHC樁或φ800鉆孔灌注樁。高架線正線采用60 kg/m鋼軌的無縫線路，車場線采用50 kg/m鋼軌。道床為WJ-2型有螺栓彈性分開式扣件與混凝土短枕式縱向承軌臺整體道床。

線路通車運營后，為了全面掌握沉降變形情況，自2013年8月至2018年年底，對全線進行為期5年的長期沉降監(jiān)測，各年度的監(jiān)測頻率為1次/半年或1次/季度(見表1)。迄今為止，已完成16次監(jiān)測工作，并對跨線連續(xù)梁等重點區(qū)段進行多次加密監(jiān)測；全面的涵蓋了線路自運營至今的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)。

表1 跨線連續(xù)梁測量時間統(tǒng)計表

2 實施方案及創(chuàng)新點

2.1 測點布設(shè)

1)道床沉降點。

高架簡支梁的每跨橋梁均分上、下行線等距設(shè)5個沉降點：兩端各布設(shè)一點，跨中和1/4處各布設(shè)1點；高架連續(xù)梁在每跨梁上、下行線兩端及跨中各設(shè)一點外，其余范圍按5 m一個設(shè)置沉降點；車站段在每跨梁的上、下行線等距布設(shè)3個沉降點：兩端及中間各布設(shè)一點。

2)立柱沉降點。

高架單立柱每柱設(shè)2個沉降點，分別沿線路外側(cè)布設(shè)于立柱兩側(cè)；高架雙立柱在兩立柱內(nèi)側(cè)對稱位置處分別設(shè)置1個沉降點。

2.2 測量方法

現(xiàn)場測量按照二等水準要求進行。沿線路分別在道床和地面設(shè)兩條平行的二等水準線路。在地面每隔約15根立柱則在相應(yīng)立柱上設(shè)一個地面水準結(jié)點，車站正下方地面水準結(jié)點與臨近車站的深式水準點或城市水準點聯(lián)測；各車站站廳設(shè)一個水準結(jié)點，道床水準線路附合至站廳水準結(jié)點；每座車站站廳水準結(jié)點與地面水準結(jié)點進行上下聯(lián)系測量，由此構(gòu)成空間上的水準環(huán)[5],見圖1。

在道床水準線路測量的同時對道床沉降監(jiān)測點采用中視法進行測量。立柱測量首先進行水準線路測量，隨后用中視法分段測量立柱沉降監(jiān)測點，每一測段均附合于相鄰的兩個立柱水準結(jié)點。

外業(yè)測量使用Leica DNA03/LS10電子水準儀進行,歷次測量前，對儀器i角進行檢測，根據(jù)多年測量經(jīng)驗，在i角不大于4″時可使用，否則應(yīng)校準。歷次外業(yè)測量應(yīng)遵守：固定儀器、人員、線路、測站的“四固定”原則[5]。

2.3 測量創(chuàng)新點

1)車站上下聯(lián)測的溫度修正。

該項目監(jiān)測的時間段，經(jīng)歷盛夏和隆冬，在一年中兩個極端氣象條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮變形比較明顯：混凝土熱膨脹系數(shù)為0.000 01 ℃-1，即每升溫1 ℃，每米混凝土膨脹0.01 mm。一般來說，盛夏和隆冬的平均溫差為30 ℃，對于10 m高的高架立柱，溫度變化引起的變形達到了3 mm，這對高架結(jié)構(gòu)監(jiān)測來說，是無法忽視的。為此，本項目在監(jiān)測過程中，加入了溫度改正，對由于溫度變形所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形進行了修正，避免了由于正常的溫度變形所帶來的“假性”沉降變化。

2)大跨度連續(xù)梁的測量精度控制方法。

線路中跨A高速和跨B高速的兩處橋梁均為三跨連續(xù)梁。其中，跨B高速連續(xù)梁，全長280 m，由三跨組成(75 m+130 m+75 m),該梁斜跨B高速公路，道床與地面高差超過20 m，是一座跨度大，高度高的地鐵連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。在對三跨連續(xù)梁測量時，由于受到橋梁下方高速往來車輛的震動影響，儀器鏡頭會出現(xiàn)視線跳動的情況。因此，對測量精度控制提出了較高的要求。在實施中，合理選取線路節(jié)點，縮短測站視距，采用多臺儀器同時測量，在盡可能短的時間段內(nèi)完成作業(yè)等方法，解決了大跨度連續(xù)梁的測量精度控制問題。

3)重點關(guān)注連續(xù)梁區(qū)域，與溫度結(jié)合進行變形分析。

在前期測量成果顯示：2處大跨連續(xù)梁跨中下沉明顯，且下沉的趨勢與溫度變化有一定的相關(guān)性。在后續(xù)測量及數(shù)據(jù)分析中，嚴格記錄測量時的溫度，并在保證歷次監(jiān)測數(shù)據(jù)精度滿足要求的前提下，結(jié)合大跨連續(xù)梁自身的結(jié)構(gòu)特性，著重分析了以下幾個方面：

a.自運營起，連續(xù)梁下?lián)系陌l(fā)展趨勢和規(guī)律；b.歷次變形與溫度的相關(guān)性；c.中跨下?lián)?、邊跨上拱及下方橋墩的沉降之間的差異，是否會對橋梁結(jié)構(gòu)整體造成損傷等。

3 測量結(jié)果分析

3.1 全線沉降變形分析

以2013年8月測量值為初值，2018年下半年全線累計沉降曲線圖如圖2所示。

測量結(jié)果顯示：

1)線路部分區(qū)段出現(xiàn)立柱、道床的不均勻沉降或整體下沉，累計沉降量集中在-10 mm～-15 mm左右。這是由于自線路開通以來，位于地鐵安全保護區(qū)內(nèi)的建(構(gòu))筑物距離線路較近且施工密集，其進行的打樁、開挖、工程降水等一系列工程活動，對地鐵結(jié)構(gòu)的變形有明顯影響。隨著保護區(qū)內(nèi)施工的結(jié)束，對應(yīng)區(qū)段高架橋的沉降變形趨于穩(wěn)定。

2)位于乙站—丙站區(qū)間的兩處跨線連續(xù)梁受混凝土徐變、溫度、自身結(jié)構(gòu)及行車等因素影響，產(chǎn)生的變形較為明顯，因此在特定時期，對連續(xù)梁進行了一定頻率的加密監(jiān)測。經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：兩處跨線連續(xù)梁橋在沉降趨勢、撓度發(fā)展、變形受溫度影響等方面均有很強的相似性，由于篇幅限制，僅對變形最為明顯的跨B高速連續(xù)梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 跨B高速連續(xù)梁橋沉降分析

橫跨B高速的連續(xù)梁全長280 m(75 m+130 m+75 m)，采用三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進行一跨跨越。

1)立柱。

跨B高速連續(xù)梁的橋墩對應(yīng)里程及2018年12月累計沉降量(以2013年8月測量值為初始值)見表2。

表2 跨B高速連續(xù)梁橋墩里程統(tǒng)計表

由表2中可知，橋墩自運營起5年內(nèi)累計下沉量小于5 mm，沉降處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

2)道床。

若將連續(xù)梁靠近乙站一端、位于立柱上方的道床沉降點作為參考點，歷年第四季度連續(xù)梁上其他沉降點相對一側(cè)梁端參考點的累計變化量曲線如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可知，連續(xù)梁累計沉降變形曲線呈明顯“海鷗形”。

a.中跨跨中相對兩端呈現(xiàn)下沉趨勢，且下沉量逐年增大。截至2018年12月，上、下行線跨中點相對于乙站一側(cè)梁端的沉降量分別為-57.1 mm，-56.7 mm。

b.兩側(cè)邊跨呈上拱狀態(tài)，尤其是近丙站一側(cè)邊跨，截至2018年12月，上、下行線相對參考點的最大上抬量分別為+21.5 mm，+20.6 mm。

c.連續(xù)梁上最大下沉點和最大上抬點之間的相對沉降量持續(xù)增大，無穩(wěn)定跡象，并在2018年11月～12月呈現(xiàn)加劇狀態(tài)。

以上行線為例，繪制2018年下半年歷次相對沉降量曲線，并對測量時溫度進行統(tǒng)計,見圖5。

表3 2018年下半年測量時溫度統(tǒng)計

由圖5，表3可以看出：2018年下半年，沉降變化主要發(fā)生在9月～11月、11月～12月。以上兩個時間段內(nèi)，溫度均發(fā)生下降，同時中跨跨中下沉、邊跨跨中上拱的趨勢發(fā)展較明顯。12月14日～12月19日之間，溫度發(fā)生上升，中跨隨之發(fā)生上抬，邊跨下沉，相對沉降有一定減小。由此可見，跨B高速連續(xù)梁的沉降變形與溫度有一定相關(guān)性。

3)跨中沉降與溫度相關(guān)性分析。

以乙站一側(cè)梁端沉降點為參考點，跨中點歷次相對累計變化量與測量時溫度的匹配曲線圖見圖6～圖8。

由圖6可知：測量溫度較上次升高時，中跨跨中發(fā)生小幅度的上抬或保持不變；溫度較上次下降時，中跨跨中則發(fā)生較明顯的下沉。中跨跨中的變形與溫度變化有一定的相關(guān)性，但從歷時來看，中跨跨中僅在溫度明顯升高時，有小幅度上抬，整體上仍處于持續(xù)下沉的狀態(tài)，且2018年下半年下沉的速率較往年有所增加,詳見表4。

表4 歷年跨中沉降量統(tǒng)計表 mm

由圖7，圖8可知：測量溫度較上次升高時，邊跨跨中發(fā)生小幅度的下沉或保持不變；溫度較上次下降時，邊跨跨中則發(fā)生上抬。邊跨跨中的變形也與溫度變化有一定的相關(guān)性，但從歷時來看，邊跨跨中在整體上仍處于持續(xù)上拱的狀態(tài)。尤其是靠近丙站一側(cè)邊跨，上拱較為明顯，近半年上拱速率有所增大。

4 結(jié)語

1)全線沉降變形明顯的區(qū)域為兩處跨線連續(xù)梁。其中，跨B高速連續(xù)梁區(qū)段，中跨跨中持續(xù)下沉，邊跨跨中上拱。截至2018年度，中跨和邊跨跨中最大相對沉降已達到70 mm；中跨跨中最大累計沉降量為-59.3 mm，跨中撓度為-54.9 mm。跨B高速連續(xù)梁變形量已臨近加固預(yù)警值。

2)為保證連續(xù)梁結(jié)構(gòu)安全，需對兩座橋梁的結(jié)構(gòu)裂縫、自振頻率和支座滑動等情況進行全面檢查檢測，并對其進行頻率為2次/月的加密監(jiān)測。

3)該項目通過上下聯(lián)測溫度修正法、大跨度連續(xù)梁測量精度控制法，保證了測量數(shù)據(jù)準確性。

4)將連續(xù)梁變形與溫度變化結(jié)合起來進行分析，發(fā)現(xiàn)線路中兩處連續(xù)梁的變形對溫度變化較為敏感。

5)為地鐵高架段長期變形監(jiān)測及地鐵大跨度連續(xù)橋梁的監(jiān)測及變形研究提供參考。