宁波南站上跨深基坑铁路便桥静态监测技术*

鲁四平，彭仪普，康日兆，李 林

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.中铁十七局集团，山西 太原 030006)

宁波南站改建工程中，新建国铁站房基坑分为5区，基坑总面积为28000 m2，其中I－1区南北结构长为245.25 m，集散厅结构宽为75 m，站房基坑开挖长度为278 m，宽123.5 m，深度约9 m，地下第2和3层为地铁2号线，最大深度为24 m，该基坑设3道钢筋砼支撑。站房与地铁联合基坑土方量约35 m2。为保证既有线路畅通，基坑施工期间，采用双线临时铁路便桥通行，临时铁路便桥全长133.6 m，宽12.9 m，格构柱91 根，C40 钢筋砼梁板连续刚构结构，开挖分6层并逐层安装28a槽钢剪刀撑，格构柱间设3道钢筋砼圈梁。该项目于2011年3月列车摆渡到临时铁路便桥上开始实施，2011年12月5日临时铁路便桥下第1层土方开始开挖，2012年1月6日便桥下第1层土方开挖结束;2012年3月4日便桥下第2层土方开始开挖，2012年3月22日便桥下第2层土方开挖结束;2012年4月16日便桥下第3层土方开始开挖，2012年5月2日便桥下第3层土方开挖结束。开挖结束后，每层随即施工剪刀撑和格构间钢筋砼圈梁。为确保宁波南站深基坑的施工质量和临时铁路便桥运营安全，验证便桥和基坑设计所采取的各种假设和参数的正确性，指导基坑开挖、便桥支撑及支护结构的施工，实现动态设计和信息化技术管理，中南大学承担了该新型临时铁路便桥的施工监测技术工作。本文拟对该桥梁静态监测情况进行技术总结、分析和研究，希望对今后类似工程的监测实施有所借鉴。

1 监测内容和目的

监测目的:(1)确保基坑施工期间，临时铁路便桥的健康状态和正常通行能力，保证运营线路安全;(2)验证临时铁路便桥承重结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工。具体监测内容和频率如下。

(1)铁路便桥的三维(水平位移、沉降)监测。临时铁路便桥变形监测的核心内容是对桥梁上各重要点的空间位置变化进行精密观测，通过观测布设在桥梁上关键部位上观测点的三维坐标在一定时期内变化来实现，三维坐标变化包括水平位移和沉降。

(2)铁路便桥梁板的应力监测。在临时铁路便桥主梁支座和主梁跨中位置布置钢筋正应力测点，以监测在铁路运营和基坑开挖施工过程中这些截面的应力变化与应力分布情况，评估桥梁结构的可靠度。

(3)监测频率。①桥面隆沉:10 mm，2 mm/d;桥面水平位移(X向):10 mm，1 mm/d;桥面水平位移(Y向):10 mm，1 mm/d。②桥面相邻测点差异隆沉:5 mm，1 mm/d;桥面相邻测点差异水平位移(X向):3 mm，1 mm/d。③钢筋应力200 N/m2。④桥面隆沉每天至少1次，桥面位移每12 h 1次，钢筋应力每天1次，特殊情况另定。

2 技术方案

2.1 三维监测控制网

概念:基准点指远离施工铁路便桥(施工场地)，且本身稳定用于检核和观测工作基点稳定性的点;工作基点指基本稳定，且靠近基坑，用于测量变形点的位置或沉降变化的点(工作基点一般埋设带强制对中的观测墩);监测点指埋设在变形体上反映监测对象变形的点。根据现场条件，铁路便桥三维(水平沉降位移)监测采用由基准点监测工作基点、再由工作基点监测变形点的两级观测层次。

两级水平位移监测均采用边角网方案。根据模拟设计，观测以精密光电测距为主，方向观测为辅。基准网观测技术要求:光电测距中误差不大于±1.0 mm;方向观测中误差不大于 ±2.0″。为提高初始值的可靠性，首次观测(零周期)的观测量加倍。

为便于分解水平变形量，平面坐标采用独立坐标系，坐标轴与便桥桥梁中线平行，X轴向东为正，Y轴向北为正。高程采用独立高程系。

基准网由3个基准点和5个工作基点构成(图1)。基准点选择在远离基坑的稳定位置，测量标志采用固定微型棱镜。基准网采用LeicaTCA全站仪观测角度和距离各四测回，经严密平差后，方向观测中误差为 ±1.8″，光电测距中误差为 ±0.8 mm，最大点位误差为 ±0.4 mm;最大点间误差 ±0.3 mm，满足测量精度要求。基准网点高程采用Trimble数字水准仪DINI03(±0.3 mm/km)施测。

图1 三维变形控制网布置示意图Fig.1 3D deformation control network layout diagram

便桥北侧和南侧各布设2个工作基点(便桥北侧C和D，便桥南侧A和B)，选择在便桥东西侧桥台的较稳定位置处，采用强制对中砼固定观测墩，见图2;安装精密型不锈钢强制对中盘，见图3。轴套和插轴公差小于0.1 mm。

2.2 铁路便桥的三维(水平位移、沉降)监测

根据现场条件，在4个工作基点(桥台处A，B，C和D，如图4所示)架设Leica TCA1201+精密全站仪，对铁路便桥南侧(S1～S25)和北侧(N1～N25)的变形点进行三维监测。变形点安装采用角钢用膨胀螺栓强制固定在桥梁两侧格构柱的位置，精密小棱镜始终强制固定在角钢上，保证桥梁与小棱镜同步变形，变形监测点布置如图5所示。

为了保证观测精度，将监测区域划分为2个区:便桥北侧、便桥南侧(图4)，并采用统一监测基准和观测方法。便桥南侧和北侧以S13和N13分界，南侧即在工作基点A架设全站仪，后视工作基点B，监测三维变形点S1～S13，然后在工作基点B架设全站仪，后视工作基点A，监测三维变形点S14～S25;北侧即在工作基点D架设全站仪，后视工作基点C，监测三维变形点N1～N13，然后在工作基点C架设全站仪，后视工作基点D，监测三维变形点N14～N25。从而保证监测的距离在桥梁全长的一半内(即133.6/2)内，大幅减小测量误差，保证测量的精度。在4个工作基点(桥台处A，B，C和D)旁灌注桩上用测量杯托布置4个沉降测量工作基点，如图6所示，保证高程的精确传递。

图2 固定观测墩(工作基点)Fig.2 Fixed observation pier(working base point)

图3 强制对中盘Fig.3 Forced to set disc

图4 三维变形监测点平面布置图Fig.4 3D deformation monitoring points layout

Leica TCA 1201+全站仪(标称精度:测角±1.0″，测距±1 mm+1PPm)，由于采用强制对中和监测棱镜固定方案，这样桥梁横向(垂直于桥轴线方向)和高程误差主要由测角误差引起，桥梁纵向误差(平行于桥轴线方向)主要由测距误差引起。精度估算如下:

其中:mmax横和mmax竖为桥梁横向和桥梁竖向最大中误差。桥梁纵向方向(即桥梁长度方向)最大中误差为全站仪的最小测距误差±1 mm。

2.3 铁路便桥梁板的应力监测

根据对多种应力测试仪器的性能比较，考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，选用长沙金码高科生产的钢弦式应变计(埋入式)和配套的频率接收仪作为应力观测仪器。该应变计的温度误差小、性能稳定、抗干扰能力强，适合于应力长期观测。四芯屏蔽导线连接至桥端安全位置监测。四芯屏蔽导线连接至桥端安全位置监测。应力监测点在便桥上具体位置如图7所示。

图5 三维变形监测点现场布置图Fig.5 3D deformation monitoring site layout

图6 沉降测量工作基点现场布置Fig.6 Settlement measurement base point site layout

图7 便桥应力现场监测Fig.7 Temporary bridge stress monitoring

3 数据分析

临时铁路便桥下土方共分3次开挖，每一层开挖后，施工剪刀撑和浇筑格构间钢筋砼圈梁，各层土方开挖过程中，监测情况分析如下。

(1)便桥下第1层土方开挖期间，便桥北侧长度缩短11.7 mm，便桥南侧长度缩短11.6 mm，造成便桥东西侧方向向便桥中间纵向变形，变形最大为东西侧桥台位置5～6 mm，趋势向便桥中间方向递减，便桥中间纵向基本不变。

便桥下第2层土方开挖期间，受温度影响，便桥北侧长度伸长9.8 mm，便桥南侧长度伸长10.2 mm，抵消了便桥下第1层土方开挖期间长度缩短现象。变形最大为南侧中间位置(S13)，向东偏移3 mm左右。

便桥下第3层土方开挖期间，便桥东西向(长度)变形较小，整体变形最大在±(2～3)mm范围内。

(2)便桥下第1层土方开挖期间，便桥南北测(横向)向北位移，呈弓形中间最大为 －1.8 mm(S14)，幅度南侧大于北侧(北侧最大约－1.0 mm)。

便桥下第2层土方开挖期间，便桥南北侧(横向)基本稳定，日常没有大的变形，目前，横向为向北位移，呈弓形中间最大－2.3 mm(N17)，幅度南侧与北侧基本相同(南侧最大约－2.0 mm，S14)。

便桥下第3层土方开挖期间，便桥南北侧(横向)基本稳定，日常没有大的变形，目前，横向为向北位移，呈弓形中间最大为－2.4 mm(S14)，幅度南侧与北侧基本相同(北侧最大约 －1.9 mm，N20)。

(3)便桥下第1层土方开挖期间，便桥南北测(高程方向呈隆起趋势)，基本呈弓形中间最大为－5.0 mm(S10)，幅度南侧大于北侧(北侧最大约为 －1.8 mm)。

便桥下第2层土方开挖期间，便桥南北测(高程方向呈隆起趋势)，基本呈弓形中间最大为－9.0 mm(N16)，幅度南侧与北侧基本相同(南侧最大约 －8.6 mm，S11)。

便桥下第3层土方开挖期间，便桥南北测(高程方向呈隆起趋势)，基本呈弓形中间最大－18.6 mm(S11)，幅度南侧大于北侧(南侧最大约－14.1 mm，N17)。高程采用独立高程系。

(4)钢筋应力以便桥2011年3月通车前，清零为初始值，所测量的数据为钢筋应变仪测量原始值，未考虑钢筋混凝土收缩徐变和温度影响;便桥下第1，2和3层土方开挖后，钢筋应力每层变化约±20 MPa。(钢筋应力报警值±200 MPa)。应力变形较平稳。

图8 第1层土方开挖期间，北侧中间点N11的时间－位移曲线Fig.8 The first layer of earth excavation period，time displacement curve of N11

图9 第2层土方开挖期间，南侧中间点S14的时间－位移曲线Fig.9 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

图10 第3层土方开挖期间，南侧中间点S13的时间－位移曲线Fig.10 The third layer of earth excavation period，time displacement curve of S14

图11 第2层土方开挖期间，便桥中间应力监测点的时间－位移曲线Fig.11 The second layer of earth excavation period，time displacement curve of stress monitoring

(5)便桥三维监测和应力监测点随时间变形曲线见图11～14。其中X方向为顺桥向，向东变形为负，向西变形为正;Y方向为横桥向，向北变形为负，向南变形为正;H方向为高程方向，隆起为负，下沉为正。

4 结论

(1)宁波南站上跨深基坑铁路便桥结构形式为国内首创。其临时铁路便桥为3.8～6 m共24跨不等跨现浇钢筋混凝土连续板桥，全长133.6 m，桥宽12.9 m，采用角钢格构柱作为临时铁路便桥的支撑，在目前铁路工程中暂无先例，且该便桥位于宁波车站的繁忙干线，在便桥下深基坑开挖的同时，须保证沿海铁路列车绝对安全平稳地通行，安全监测至关重要。

(2)本文依据该工程的现场实际、结构的特点和设计的要求，制定了桥梁静态监测的具体实施方案、数据分析与处理模式，对该桥梁变形的规律进行了分析研究，为深基坑安全和信息化施工提供了指导，保障了铁路便桥上列车安全运营。对今后类似的桥梁施工监测有一定的指导和借鉴意义。

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