盾构隧道近距离下穿武广高铁桥梁变形监测分析

盾构隧道近距离下穿武广高铁桥梁变形监测分析
阐述了全自动桥梁变形监测原理方法，并通过全自动桥梁变形监测系统，实时监测盾构下穿高铁过程中高铁桥墩及梁体的变形。

监测数据表明，盾构下穿期间桥墩及梁体变形未达到报警值，全自动监测系统为区间盾构顺利下穿高铁桥梁及时提供了变形信息反馈，确保了高铁安全正常运营。

标签：轨道交通；盾构隧道；下穿高铁；桥梁变形监测
1 工程概况
武汉市轨道交通某区间盾构下穿武广高铁高架桥下行线和上行线。

盾构左线从6#、7# 桥墩之间穿越，盾构右线从7#、8# 桥墩之间穿越，6#、7#、8# 桥墩桥跨间距均为32.6 m 简支梁。

下穿处武广高铁线间距 5 m，设计速度350 km/h。

6#、7#、8# 桥墩桩基桩长分别为18 m、18.5 m 和19 m，桩顶距地面约2.5 m，隧道底部距桩底分别为1.504 m、0.975 m 和0.473 m。

区间隧道顶部覆土约15.06 m，与桥桩结构水平最小净距为8.12 m（图1）。

下穿处土层由杂填土、一般黏性土、老黏性土组成，基岩埋藏较浅。

区间沿线为三级阶地剥蚀堆积垅岗区，下穿武广高铁盾构隧道洞身位于20a-2 中风化泥岩，地面至隧道顶地层主要为杂填土、10-2 粉质黏土、20a-1 强风化泥岩。

2 盾构施工
盾构机采用 2 台土压复合式平衡盾构机，盾构机外径 6.44 m。

盾构隧道采用通用型管片错缝拼装，用M30彎螺栓连接，管片环宽 1.5 m，外径 6.2 m，内径5.5 m，厚度0.35 m，楔形量40 mm。

左线盾构从2016 年11 月9日开始进入武广高铁核心保护区20 m 范围，2016 年11月13 日盾尾脱出高铁核心保护区20 m 影响范围；右线盾构从2016 年11 月15 日开始进入武广高铁核心保护区20 m 范围，2016 年11 月19 日盾尾脱出高铁核心保护区20 m 影响范围。

左、右线盾构施工期间以12 环/天左右的速度向前推进。

3 桥梁变形监测
本工程采用全自动监测系统对武广高铁桥梁的变形进行实时监测，自动变形监测系统由测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形点等 5 部分组成（图2）。

远程计算机通过因特网控制远程GPRS 模块或通过数据连接线远程监视和控制监测系统的运行，系统在无需操作人员干预的条件下实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。

3.1 监测原理方法
监测仪器为测量机器人，又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照
准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。

测量机器人配置了动力驱动系统、CDD 相机以及相应的目标识别软件，首次粗略瞄准目标并通过按键或系统软件向全站仪下达指令后，全站仪中的CDD 相机可自动借助目标识别软件对返回的信号进行逻辑分析，准确判断出棱镜中心的位置。

日常观测时，不再需要人为操作仪器进行瞄点，只要下达观测指令后，全站仪启动伺服马达驱动软件，自动完成系列测量动作。

测量机器人测量精度高，能够同时测距和测角，从而自动完成空间三维绝对坐标的测算，常采用自由设站法和固定设站法（极坐标法）来进行测量，其中又以固定设站法（极坐标法）居多。

极坐标法的基本原理就是将全站仪架设到已知点上，然后通过后视已知点来确定观测目标点与已知方向间的水平夹角、垂直角和斜距，通过这些观测量和设站点的坐标来求得目标点的三维坐标。

3.2 观测墩设置
为了提高监测数据的准确性和监测的连续性，在不影响施工又便于观测的位置设置了2 个观测墩，这样可以保证测站稳定。

2 个观测墩可同时对 3 个桥墩及梁体进行观测，相互校检提高观测精度，并且可以实现连续不间断监测（图3）。

3.3 监测点设置
为了测出桥墩的沉降，顺桥向和横桥向位移、倾斜，在每个桥墩处设置 4 个监测点。

其中，2 个监测点布置在桥墩顶部两端位置，2 个监测点布置在桥墩底部两端对应位置，3 个桥墩共计布置12 个桥墩监测点。

考虑到简支梁与桥墩的相互关系以及高速铁路行车安全，在监测梁体沉降、横顺桥向水平位移时，在6#、7# 和7#、8# 桥跨间对应简支梁梁端底各布置1 个梁端监测点，共布置4 个（图4）。

3.4 监测频率及报警值
结合国内已有盾构穿越铁路的工程经验、相关规范要求，制定武广高铁桥墩及梁体变形预警值及报警值如表1。

当实测值超过报警值时，分析其原因并采取相应的安全措施。

根据盾构下穿施工对武广高铁桥的影响程度，制定相应的监测频率如表2，其中，在盾构左线下穿期间监测频率加密至 1 次/ h。

3.5 监测结果分析
3.5.1 桥梁沉降
图5、图6 分别为左、右线盾构下穿期间武广高铁桥墩及梁体累计沉降变化曲线，从图5、图 6 中可以看出梁体沉降大小及沉降变形趋势基本与桥墩一致。

左线盾构进入高铁正下方前一段时间，各桥墩及梁体呈隆起趋势，但隆起量
较小，最大隆起量为0.2 mm；左线盾构进入高铁正下方后，桥墩及梁体开始出现沉降变形趋势，桥墩累计最大沉降为6#墩和7#墩，沉降值为-0.4 mm；梁体沉降最大测点为6# -5、7# -6 测点，沉降值为-0.4 mm，随后开始出现隆起，这与二次注浆有关。

右线盾构下穿期间，桥墩及梁体沉降变形趋势与左线下穿类似，桥墩隆起最大为8#墩，隆起值为0.3 mm，最大沉降为7#，沉降值为-0.4 mm；梁体隆起最大测点为8# -5，隆起量为0.3 mm，沉降最大测点为7# -6，沉降值为-0.4 mm。

整个盾构下穿期间，桥墩及梁体累计最大沉降未达到报警值。

3.5.2 桥梁水平位移
图7、图8 分别为盾构下穿期间桥墩及梁体累计横向水平位移变化曲线图，图9、图10 分别为盾构下穿期间桥墩及梁体累计顺向水平位移变化曲线图。

从图中可以得出，盾构刀盘进入高铁桥正下方前一段時间，各桥墩水平位移均较小，进入高铁桥下方后，无论横向位移还是顺向位移均出现较明显的变化，与沉降变形相比，盾构下穿引起桥墩及梁体水平位移变化较大。

左线盾构穿越期间，桥墩横向水平位移最大的为6#墩，位移量为+0.8 mm （图7），梁体横向位移最大的为7# -5、7# -6，位移量为+ 0.7 mm（图8）。

桥墩顺向水平位移最大的为6#墩，位移量为+0.4 mm（图9），梁体顺向水平位移最大的为7# -6，位移量为+0.5 mm（图10）。

右线盾构穿越期间，桥墩及梁体横向水平位移变化较小，最大位移量为+0.4 mm（图7、图8）。

桥墩顺向水平位移最大的为7#墩，位移量为-0.7 mm（图9），梁体顺向水平位移最大的为6# -5，位移量为-0.5 mm（图10）。

各桥墩横、顺桥向水平位移均未达到报警值。

3.5.3 桥墩倾斜率
图11、图12 分别为盾构下穿期间桥墩累计横、顺桥向倾斜率变化曲线。

从图中可以得出，盾构施工进入高铁桥下方后，6#墩、7#墩、8# 墩无明显倾斜变化。

桥墩横向倾斜变化最大的为7#墩，最大累计倾斜为0.04%，桥墩顺向倾斜变化最大的为8#墩，最大累计倾斜为-0.02%。

4 结论
（1）在整个盾构穿越武广高铁桥梁过程中，各监测点最大变形值均未超过1.0 mm，均未达到报警值。

（2）盾构下穿对桥墩及梁体沉降影响较小，对桥墩、梁体水平位移影响相对较大。

（3）盾构穿越武广高铁桥施工中，利用以全自动全站仪为核心的全自动监测系统，对桥墩和梁端的位移进行监测可真实地反应盾构施工对铁路的影响。

参考文献
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责任编辑朱开明。