地铁施工引起的高铁桥梁基础变形监测研究

第1章绪论

1.1研究背景及意义
随着我国经济的高速发展，城市化进程正在逐步加快，人民的生活水平不断提高，城市规模日益扩大，城市人口急剧增加，居民出行和物资交流越来越频繁，城市交通将面临严峻的挑战。因此，地铁这种动力大、不占用地面空间的交通设施，正在各大城市建设中悄然兴起，并成为解决城市交通拥挤的最佳选择。地铁交通以其速度快、运能大、污染少的优点，越来越受到人们的青睐。新世纪开始，国家首次把“发展地铁交通”列入国民经济“十五”计划发展纲要⑴，并作为拉动国民经济持续发展的重大战略。目前，我国己经拥有地铁的城市分别是北京、上海、广州、成都等多个城市，正在建设或己获得批复建设地铁的城市有重庆、成都、武汉、苏州等众多城市。
另一方面，为了满足人们日常生活的需要，我国大力发展高速铁路是大势所趋。目前，我国已经开通了多条客运高速铁路专线，武广、郑西、京沪等高速铁路的建设并且投入运行，有力地促进了区域经济的高速发展。根据2004年I月国家通过的《中长期铁路网规划》规划到2020年，中国将建成客运专线1.2万km,形成“四纵四横”客运专线骨架，建成环勸海圈、长江三角洲、珠江三角洲地区快速客运系统铁路2000krn。这对促进国民经济持续快速增长、全面建设和谐社会，是十分必要的。
在我国大力发展城市地铁交通和高速铁路的背景下，按照我国目前交通领域“零换乘”的规划设计理念[3]，高铁车站与城市地铁必须集中在一起，因此在已建成的高铁车站附近进行地铁施工是不可避免的。另外，高铁线路大部分路段都以桥梁的形式通过，所以在城市地铁施工过程中会碰到穿越己经开通运营的高速铁路的问题。而地铁施工过程中会对周围的土壤产生扰动，使得地层移动，这将会直接导致邻近既有的高铁桥梁基础产生平面位移、倾斜及沉降等变形[4]。由于高速铁路需要具备高速度、高舒适度、高安全性和高密度连续运营等特点[5]，必须及时对高速铁路桥梁的基础形变进行监测。因此，对地铁施工中造成高铁桥梁基础的形变量为本文研究重点。
在南京地铁6号线工程中，地铁險道从京沪高铁桥梁下穿越，需要先要对高铁桥梁进行加固保护。采用的方法是先在險道线路与京沪高铁桥填之间设置隔离防护桩，用以控制地铁隧道施工对高铁桥壞的影响，而隔离防护桩施工本身也会对京沪高铁桥梁带来不良影响。本文希望通过对隔离防护桩施工及地铁險道施工期间对高铁桥徵的监测数据分析，找出施工过程中对邻近桥梁的影响规律，为今后类似工程的施工控制应用和借鉴作用。因此本文研究的内容具有一定的理论和实践意义。
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1.2国内外研究现状
随着现代科学技术的飞速发展，变形监测技术方法也不断的更新换代[6]。以测量机器人为代表的现代地面监测方法改变了以水准仪、经炜仪、全站仪等常规大地测量方法。以倾斜传感器、静力水准仪等为代表的自动化监测方法，正实现测量方法的数字化、自动化和智能化[7]。这不仅能提高测量的速度，降低测量作业的劳动强度，而且对实时监控建筑物的安全、提高测量精度等都有着重要的意义。
1.基于测量机器人的监测方法
大地测量方法是传统的变形监测方法，该类方法是利用水准仪、经玮仪、全站仪等传统测绘仪器，理论和方法成熟，测量数据可靠，精度较高。但是也存在一定的缺点，如不易实现自动化监测等[8]。随着光电技术、精密机械制造技术和计算机技术的快速发展，测量机器人的出现改变了传统的变形监测方法。基于测量机器人的监测方法不但测量数据可靠，精度高，而且它还能自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标等，实现了测量数据的自动化获取[9.10]。这对传统的变形监测带来了巨大的改变，极大地降低了外业劳动强度，大幅度提高了监测效率和可靠性，在桥梁自动化变形监測方面的优势很强[n]。姜成光等阐述了测量机器人的基本特征，提出了利用测量机器人实时监测桥梁三维动态变形的想法，并进行了实际工程检验，证实了利用测量机器人进行桥梁三维动态变形的实时全程监测是完全可行的。周访滨等[11]简述了测量机器人在桥梁变形监测中的应用模式，并以测量机器人在江龙大桥维修加固工程中用于监测该桥墩顶平面位移为例，分析了测量机器人的自动观测精度，并通过试验得出测量机器人自动采集数据的最佳观测距离，同时也证明了测量机器人用于桥梁墩台平面位移监测可获得很高精度。白利锋等[13]利用测量机器人采集二郎河大桥主桥填在施工期间的部分观测数据，分析了桥壞变形量和影响变形的因素，并对使用测量机器人过程中出现的问题进行分析。王嘉等曾在天津某盾构隧道下穿既有桥梁监测中釆用了基于测量机器人的监测方法，实现了高精度测量，保证了观测成果的准确性和可靠性，为工程的顺利施工提供有力支持。
2、基于倾斜传感器的监测方法
基于倾斜传感器的监测方法是一种常用的监测桥梁变形的方法[15]。由于倾斜传感器是一种小型密封的微电子器件，因此对比水准仪、全站仪等传统的监测方法，它具有使用灵活、监测方便、能适合恶劣环境下长期自动工作等优点[I6]。在国内外该方法已被大量用于桥梁变形监测中。Sanli[i7^出倾斜传感器因安装方便、使用灵活、精度高等优点己越来越多地用于施工监控及桥梁结构测试中，其结果也结果表明这种方法有较好的稳定性和可靠性，适合对桥梁结构的变形监测。徐化轩等[18]利用基于倾斜传感器的监测方法，测量塞浦路斯高速公路罗密欧高架桥桥徵填顶转角位移的方式来实现测量桥鐵顶部位移，并成功实时显示了填顶水平位移的数值和曲线，确保了大桥的施工质量和安全。潭靖等[19]利用倾斜传感器对重庆向家坡立交桥塌进行监测，根据所得的数据分析了该桥壞壞顶在桥梁运营过程中的变化，讨论了环境温度对桥壤结构变形的影响，说明了这种方法在桥梁的监测中能够取得很好的效果。
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第2章变形监测方案设计

2.1工程概况
南京地铁6号线机场段工程始于胜太路站，止于南京南站。地铁区间隧道在该段采用盾构法施工，盾构机由5#竖井始发，西转穿越农花河，沿机场高速公路向南行进，穿越京沪高铁跨机场高速公路连续梁桥群后，由东北向西南穿行，下穿秦淮河后到达盾构接收井4#竖井，如图2-1所示。盾构隧道与京沪高铁跨机场高速公路桥群的平面位置关系如图2-2所示。其中，京沪高铁跨机场高速公路桥群主要由京沪高速铁路、沪汉蓉铁路、宁安城际铁路及南京南动车走行线3、5、6线组成，除京沪高铁是无石乍轨道外，其他线路都是有昨轨道，因此本文以京沪高铁桥墩为主要研究对象。

由于随道推进时不可避免的扰动周围土体27],地层应力及变形传递到邻近的既有桩基，引起柱基承载力的损失，导致桩基会发生位移、倾斜及沉降等变形，影响既有桥梁的使用安全，严重时可导致结构出现失稳破坏[4]。因此，为了高速铁路安全正常的运营，拟在盾构到达此段前，需要制定邻近桩基沉降控制标准，采取相应的保护、加固柱基方法，才能将隧道开挖施工造成的影响控制在允许范围之内，以期最大程度地减小地铁在施工过程中对铁路桥鐵的影响。该铁路桥群为群桩基础，桩深约29m，隧道在此处璲顶埋深约29.4m，最近处水平距离6.4m，随道主要在中风化砂岩中穿过，險道与桥墩之间的距离关系如图2-3所示。
为确保隔离防护桩在施工过程中桥梁基础的变形没有超过限值，有必要对隔离防护桩施工引起的桥梁变形进行验证。宁安城际5#桩基与隧道右线最小净距为6.4m,同京沪高铁38#柱基与隧道左线净距一样，故先在宁安城际5#东侧进行隔离防护试桩，用于指导京沪高铁隔离防护桩的施工。待宁安城际5#试桩完成后，平面位移、倾斜及沉降等均在容许范围以内，方可对京沪高铁进行隔离桩防护施工。

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2.2监测方案设计依据
根据对变形施工现场实地踏勘情况，结合设计单位提供的高铁桥梁基础结构变形设计要求，并通过与施工单位沟通，对施工的进度安排情况进行了解，综合考虑各方面因素，制定了该项目的变形监测方案。

2.3监测目的及内容
通过监测隔离防护桩施工和地铁隧道施工期间京沪高铁桥梁基础的平面位移、倾斜和墩身沉降，实时监测施工对高铁桥缴的影响，从而为南京6号线的隧道施工提供监测信息。在此基础上对监测数据进行对比分析，得出桥梁在施工过程中的的变形规律，说明将测量机器人、倾斜传感器及静力水准仪相结合的方法能够在强干扰的监测工程中取得较好的效果。
本次变形监测的内容是根据地铁施工的三个阶段来进行的。第一阶段是对宁安城际5#施工隔离防护桩，以用于试桩(如图2-4所示)，待试桩安全后方可对京沪高铁隔离防护桩施工。在此期间对宁安城际5#墩进行平面位移、倾斜和沉降三个部分的监测。第二阶段是对京沪高铁桥墩进行隔离防护桩施工，如图2-5所示。为减小隔离防护桩施工过程中对铁路桥梁的影响，此次施工将分多批次钻孔灌注，等前一批次防护桩灌注完成后，再施工下一批次防护桩，并在施工时采取对称钻孔的方式，即在桥塌基础两侧同时钻孔灌注同一施工批次对应的防护桩，先对第1、4排防护桩施工，然后再对第2、3排防护桩施工。在该阶段对京沪高铁37#、38#、39#墩进行平面位移、倾斜和沉降三个部分的监测。第三阶段为隧道开挖期，由于地铁隧道施工过程中会对周围构造物产生较大的影响，因此，该阶段的监测周期比较长，其监测内容为宁安城际5#和京沪高铁37#、38#、39#四个堪的平面位移、倾斜和沉降三个部分。
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第3章高铁桥墩平面位移监测..................................14
3.1基于测量机器人的平面监测系统..................................14
3.2数据处理方法..................................14
3.3数据分析..................................15
3.4本章小结..................................23
第4章高铁桥墩倾斜监测..................................24
4.1基于倾斜传感器的自动化监测系统..................................24
4.2数据处理方法..................................24
4.2.1卡尔曼滤波法..................................24
4.2.2平面位移求倾斜量的原理..................................27
4.3数据分析..................................27
4.4本章小结..................................36

 第5章高铁桥墩沉降监测

桥墩的异常沉降常常是失稳和事故的前兆，因此沉降是高铁桥墩安全监控的重要内容。传统监测沉降的方法是采用水准仪和全站仪，但其缺点是不能实现实时在线监测，不能及时发现问题消除隐患。静力水准仪因其具有精度高、自动化性能好，实时测量等优点逐渐应用于沉降监测中[45+46]。因此本次沉降监测就是采用基于静力水准仪的监测系统对高铁桥墩墩身沉降变化进行实时监测。

5.1基于静力水准仪的自动化沉降监测系统
基于静力水准仪的自动化沉降监测系统主要包括静力水准仪、光纤光栅传感器，光纤光栅解调仪，传感器安装支座光纤，光缆线管、线槽，相应的气、液管连接管，防冻液等。
5.1.1静力水准仪
1.工作原理静力水准仪是由一系列含有光纤光栅式液位传感器的容器组成，容器之间由充液管相互连通，如图5-1所示。基准水准器位于一个稳定的基准点，测量水准器位于与基准水准器大约相同标高的测点。当测点竖向位移发生变化，即发生沉降时，该处测M水准器内液位将发生变化[47]。利用光纤光栅液位传感器测量液面变化量即可读得测点处墩身的沉降量。该系统特别适合竖向位移的高精度监测[48]，可以监测到最小0.01mm的高程变化。


2.技术参数
本项目采用的型静力水准仪的具体技术参数如表5-1。

5.1.2数据采集系统
本次采用的静力水准仪是通过光纤光栅传感器来量测浮筒内的液面变化[49]，因此数据釆集系统采用美国Geokon公司生产的便携式光纤光栅解调仪，实现全自动化釆集数据，如图5-4所示，主要技术参数如表5-2所示。


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第6章结论

近年来，随着我国城市现代化进程的不断加快和高速铁路事业的飞速发展，高速铁路、地铁等各种轨道交通会越来越多地出现在我们的生活中。按照我国目前的交通“零换乘"的规划设计理念，高铁车站与城市地铁集中在一起，所以对于已经开通运营的高铁车站基础附近进行地铁施工是不可避免的。由于高铁线路大部分路段都以桥梁的形式通过，因此在地铁施工过程中会碰到穿越高铁桥梁的问题。这将对高速铁路的桥梁形变产生一定的影响，从而给高速铁路的运营带来安全隐患。为了保证高速铁路的正常运营和人民的财产安全，必须及时对高速铁路的安全状态做出有效的评估，因此对桥梁变形监测研究具有非常重要的意义。
本文以南京地铁穿越高速铁路桥群的变形监测项目为背景，以实测数据为基础，通过理论研究和实测数据分析，得到了以下结论：
1.在地铁隧道开挖过程中，桥梁基础会向隧道沿线方向靠近，且在一定范围内桥梁的基础变形量与距离成正相关。
2.在隔离防护桩施工过程中，桥梁基础会向上隆起，且在一定范围内桥梁的基础变形量与距离成正相关。
3.在高铁桥梁与隧道线路之间釆取隔离防护桩加固措施对减小桥量基础变形量的效果明显。
4.平面数据与倾斜数据的变化趋势一致，变化量略有差异，但前者数据波动较大，这说明了测量机器人在监测时易受外界施工干扰。      
由于时间有限，本文仍有不足之处，一些工作有待进一步研究
1.数据处理后的成果都是以图表的形式给出，今后可以尝试结合GIS等软件，实现变形点三维可视化。
2.本文仅从观测的数值上结合施工情况进行分析得到桥墩受地铁施工的影响规律，没有深入的从影响机理上分析。
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参考文献（略）