吳 斌

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

該文以柳州市航二路延長線市政道路下穿柳南客專的工程為背景，對該工程線路加固方法進行分析，基于箱涵頂進施工技術(shù)難點，建立施工過程自動監(jiān)測技術(shù)及建立施工過程可視化監(jiān)控系統(tǒng)，以期能夠給類似工程項目的施工提供參考。

1 工程概況

柳州市航二路延長線為城市主干路，從柳工大道西側(cè)的規(guī)劃路口起，道路沿西東走向與柳工大道相交，直線依次下穿柳州西鵝貨運中心、柳州南編組站Ⅳ場、Ⅰ場，至柳南客運專線止?？蚣苡贙1+691.49處與柳南客專正線74°斜交，下穿柳南客專正線2股道，線路為有砟軌道，采用為P60鋼軌，雙向線路間距4.6m。相交段鐵路位于緩和曲線范圍，經(jīng)實測線路縱坡是水平的，曲線最小半徑為1200m，最大超高值為8cm，最大曲線內(nèi)側(cè)加寬值7.9mm。航二路延長線下穿柳南客專采用兩座間距2m分離并排框架，框架長度為24m，寬14.4m，高9.6m，左右幅均采用預制頂進施工，框架中心線與航二路道路中心線重合。框架在柳南客專下行線工作坑內(nèi)預制，向柳南客專上行線方向頂進。

2 箱涵下穿鐵路線路加固技術(shù)

2.1 技術(shù)難點

技術(shù)難點有2個：①因為客運專線的線上施工僅能在夜間列車運行“天窗”時間段，時間緊，施工環(huán)境條件較差，要求所采用的線路加固方案要盡量減少封鎖要點的次數(shù)及時長。②同時要保障線路加固施工措施安全，線路加固體系變形及應(yīng)力狀態(tài)可控，在列車限速45km/h的車況下能夠安全穩(wěn)定地行駛。

2.2 線路加固技術(shù)分析

2.2.1 架空縱梁的選擇

以往箱涵下穿普通鐵路線路加固的縱梁一般采用工字形型鋼[1]，但對高速鐵路來說，由于速度差異較大，對線路的承載力、變形及安全穩(wěn)定性的要求更高。參考現(xiàn)有鐵路線路加固方法并結(jié)合以往施工經(jīng)驗，該項目的線路縱梁加固采用預制式的D24、D20、D16型便梁[2]，共4孔，D型便梁可以重復性利用，工廠化加工制作，規(guī)格統(tǒng)一。長期的施工實踐證明，其具有施工安裝簡便、強度高及抗傾覆能力強的優(yōu)點，同時在列車運行時的動力荷載作用下抗彎曲能力強，能夠滿足高速鐵路對線路加固的技術(shù)參數(shù)要求。

2.2.2 D型便梁支承方式選擇

D型便梁的支墩采用孔樁，孔樁嵌入地基承載層內(nèi)，其良好的承載能力及安全穩(wěn)定性能夠滿足要求。因為該項目箱涵下穿雙線高速鐵路，如果將孔樁支墩設(shè)置于D型便梁的支座下方，則須在線路上行線與下行線之間設(shè)置5排共10個支墩。但現(xiàn)場實際是需要在施工過程中，保證鐵路的持續(xù)運營。同時按《南寧鐵路局高速鐵路營業(yè)線施工安全管理實施細則（試行）》有關(guān)規(guī)定，鐵路營業(yè)線上的施工，均需要晚上封鎖線路后實施，然而孔樁支墩施工持續(xù)工期長，意味著孔樁施工將長時間對動車的正常運營造成影響，安全防護成本高。該項目采取在營業(yè)線設(shè)備安全界限外側(cè)設(shè)置孔樁支墩，采用截面尺寸為16m×2m×1.8m（長×寬×高）預應(yīng)力砼橫抬梁作D型便梁的支撐梁，橫抬梁在線路外的一側(cè)預制后頂進就位，頂進前對運營線路臨時加固，從而減少頂進施工對線路的行車干擾[3]。

其施工流程：樁基施工→線路應(yīng)力放散→線路臨時加固橫抬梁頂進就位→調(diào)整枕距軌枕間距（按670mm左右的間距調(diào)整好軌枕間距，并將多余的軌枕抽出）→穿入橫梁（在調(diào)整好的軌枕間距內(nèi)扒除部位道碴并穿入橫梁，同時墊好橡膠支座，上好鋼軌扣件）→吊運縱梁并就位（將橫梁兩端頭及以外的道砟清除，分別將縱梁就位，并安裝連接板及牛腿）→擰緊配件→全面檢查并放通線路→基坑開挖及支護→隧道框架預制及頂進就位→路基回填及線路恢復→拆除D便梁→臨時加固線路，抽出橫抬梁→恢復線路。

線路加固后根據(jù)支護形式，采用放坡開挖基坑（加固線路下路基及道床），使線路完全架空，如圖1所示。邊坡坡率為1∶1（分為兩級），坡面采用土釘墻噴錨支護。

圖1 柳南客專施工立面圖

2.3 D便梁的監(jiān)測技術(shù)

D便梁現(xiàn)場監(jiān)測指標主要有應(yīng)力應(yīng)變、撓度、振動參數(shù)，監(jiān)測設(shè)備分別為應(yīng)變傳感系統(tǒng)、靜力水準系統(tǒng)和測振系統(tǒng)，同時為了更直觀地觀測D便梁形態(tài)變化，利用高清攝像系統(tǒng)采集不同工況下的D便梁圖像。4種監(jiān)測設(shè)備具體安裝步驟如下。

2.3.1 應(yīng)變傳感系統(tǒng)

2.3.1.1 測點選擇

由于框架橋頂進方向完全覆蓋第三孔D20便梁，為了分析所有工況，同時考慮監(jiān)測工作量和便利性，因此選擇上行線第三孔內(nèi)外兩側(cè)D20便梁進行監(jiān)測。監(jiān)測階段分為兩個階段，即橫抬梁未頂進就位前和D便梁調(diào)整到橫抬梁后，橫抬梁未頂進就位前測點位置選擇為便梁跨中翼緣內(nèi)側(cè)上部，D便梁調(diào)整到橫抬梁之后測點選擇為便梁兩端翼緣內(nèi)側(cè)上部。

2.3.1.2 設(shè)備安裝

首先利用卷尺找到便梁的中點位置，并噴漆做好標記；將應(yīng)變傳感器安裝到配套基座上，清洗好便梁上的污漬，并利用膠水或者其他材料將基座連同應(yīng)變傳感器固定在便梁上，注意便梁中點位置以基座中點對應(yīng)；便梁內(nèi)側(cè)的信號接收線要鐵軌下部穿過，必要時采取一定程度的包裹保護措施，防止線路磨損破壞；信號收集模塊集結(jié)箱安裝在上行線行車安全限界之外，并做好標識和保護措施；信號線鏈接到集結(jié)箱，并通過電腦對信號接收系統(tǒng)進行調(diào)試，確保監(jiān)測時設(shè)備完好。

2.3.1.3 監(jiān)測

通過鐵路部門獲取列車的大致載重、通過時間點以及速度，并提前到達監(jiān)測地點，在列車通過前1min內(nèi)開啟監(jiān)測系統(tǒng)，獲取列車通過時D便梁的應(yīng)變變化，并通過應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換公式，求出對應(yīng)的應(yīng)力值。

2.3.2 靜力水準系統(tǒng)

2.3.2.1 測點選擇

考慮到受力特點和安裝可行性，選擇上行線第三孔外側(cè)D20便梁進行監(jiān)測，同時為與應(yīng)變傳感器錯開，橫抬梁未頂進就位前測點位置選擇為便梁跨中翼緣外側(cè)側(cè)上部，D便梁調(diào)整到橫抬梁之后測點選擇為便梁兩端翼緣外側(cè)上部。

2.3.2.2 設(shè)備安裝

首先在便梁翼緣和腹板上各焊接一個固定螺栓，具體位置需要靜力水準系統(tǒng)進行比對；清洗測點，并在翼緣部位涂一層石膏；將設(shè)備對準螺栓之后，扭緊螺帽，將設(shè)備與便梁連接為一體；在周圍尋找一個穩(wěn)定且與測點高程相近的點安裝其他配套設(shè)備；在行車安全限界之外安裝信號收集模塊集結(jié)箱，并調(diào)試設(shè)備。

2.3.2.3 監(jiān)測

監(jiān)測時間與應(yīng)變傳感系統(tǒng)一致。

2.3.3 測振系統(tǒng)

2.3.3.1 測點選擇

測振系統(tǒng)分為水平測振和豎直測振2個立方體傳感器，2個傳感器測點位置選擇靠近靜力水準系統(tǒng)的兩側(cè)。

2.3.3.2 設(shè)備安裝

測點位置的翼緣部位焊接一個固定螺栓，并在附近涂好

石膏；將傳感器對準螺栓，并扭好螺帽；在行車安全限界之外安裝信號收集模塊集結(jié)箱，并調(diào)試設(shè)備。

2.3.3.3 監(jiān)測

監(jiān)測時間與應(yīng)變傳感系統(tǒng)一致，監(jiān)測完成后由配套分析系統(tǒng)，導出速度、加速度、振動振幅、振動系數(shù)等有關(guān)參數(shù)。

3 箱涵下穿鐵路頂進施工技術(shù)

3.1 技術(shù)難點

技術(shù)難點有以下2點：1）箱涵下穿頂進施工時頂進線路偏位難以準確控制，特別是在頂進過程出現(xiàn)頂進線路偏移需要及時調(diào)整，從而避免既有運營鐵路線路的失穩(wěn)。2）由于箱涵頂進施工是一個需要實時監(jiān)測的動態(tài)過程，現(xiàn)場施工情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)需要進行實時監(jiān)控。

3.2 基于自動測量機器人的頂進線路智能監(jiān)測技術(shù)

3.2.1 設(shè)備布置

根據(jù)設(shè)計圖紙，找到頂推箱涵頂進路線的中線PQ，其中Q為頂推箱涵頂進方向的對側(cè)且為穩(wěn)定基準點。N和M分別為頂推箱涵底板中線中線上的前端和后端，A、B、C、D為頂推箱涵頂板下部靠近頂角的部位。為了能夠采用全站儀對頂進過程的偏移和高差進行監(jiān)控，需要六個棱鏡分別安裝在A、B、C、D、M、N六個部位。

3.2.2 監(jiān)控

在Q點將全站儀設(shè)站完畢，以備監(jiān)測箱涵頂進過程中頂進線路的偏位。

3.2.3 系統(tǒng)

自動監(jiān)測系統(tǒng)需要編制能控制全站儀測試并讀取其中數(shù)據(jù)的程序，并能做如下操作：輸入P（XP，YP，ZP）點和Q（XQ，YQ，ZQ）點坐標，并代入方程Y=aX+b，（其中Y為P、Q點縱坐標；X為P、Q點橫坐標;a為點PQ連線確定的在XY平面內(nèi)直線的斜率；b為點PQ連線確定的在XY平面內(nèi)直線的縱軸截距）求出a和b的值；在頂進之前通過程序控制全站儀對A、B、C、D、M、N（圖2）6個點進行初始化掃描，記為A0（XA0，YA0，ZA0），B0（XB0，YB0，ZB0），C0（XC0，YC0，ZC0），D0（XD0，YD0，ZD0），M0（XM0，YM0，ZM0），N0（XN0，YN0，ZN0），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標系的橫坐標、縱坐標及高程坐標。

圖2 智能監(jiān)測測點布置圖

當頂進進行到第i階段時，控制全站儀依次對6個點A、B、C、D、M、N進行掃描，記為Ai（XAi，YAi，ZAi），Bi（XBi，YBi，ZBi），Ci（XCi，YCi，ZCi），Di（XDi，YDi，ZDi），Mi（XMi，YMi，ZMi），Ni（XNi，YNi，ZNi），其中X、Y、Z分別代表基于空間三維坐標系的橫坐標、縱坐標及高程坐標。

第i階段頂推箱涵4個頂角的高差分別為ΔAi=ZAi-ZA0，ΔBi=ZBi-ZB0、ΔCi=ZCi-ZC0，ΔDi=ZDi-ZD0。

若ΔAi為負值，輸出A頂角下沉ΔAi，若ΔAi為0，輸出A頂角高差沒有變化，若ΔAi為正值，輸出A頂角上升ΔAi。

若ΔBi為負值，輸出B頂角下沉ΔBi，若ΔBi為0，輸出B頂角高差沒有變化，若ΔBi為正值，輸出B頂角上升ΔBi。

若ΔCi為負值，輸出C頂角下沉ΔCi，若ΔCi為0，輸出C頂角高差沒有變化，若ΔCi為正值，輸出C頂角上升ΔCi。

若ΔDi為負值，輸出D頂角下沉ΔDi，若ΔDi為0，輸出D頂角高差沒有變化，若ΔDi為正值，輸出D頂角上升ΔDi。

將XMi、XNi分別代入Y=aX+b，求得Y′Mi、Y′Ni，再將YMi、YNi分別代入Y=aX+b，求得X′Mi、X′Ni。

若Y′Mi=YMi，輸出頂推箱涵后端沒有偏移中線；否則輸出頂推箱涵后端偏移值，如公式（1）所示。

式中：XMi、YMi分別為M點初始橫坐標及縱坐標，X′Mi、Y′Mi分別為M點頂進第i階段的橫坐標及縱坐標。

當YQ＜YP且a＜0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為右偏，否則輸出M點左偏；若YQ＜YP且a＞0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為左偏，否則輸出M點右偏；若YQ＞YP且a＜0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為左偏，否則輸出M點右偏；若YQ＞YP且a＞0時，若Y′Mi＜YMi，輸出M點為右偏，否則輸出M點左偏。

同理，若Y′Ni=YNi，輸出頂推箱涵前端沒有偏移中線；否則輸出頂推箱涵前端偏移值，如公式（2）所示。

式中：XNi、YNi分別為M點初始橫坐標及縱坐標，X′Ni、Y′Ni分別為N點頂進第i階段的橫坐標及縱坐標。

當YQ＜YP且a＜0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為右偏，否則輸出N點左偏；當YQ＜YP且a＞0時，當Y′Ni＜YNi，輸出N點為左偏，否則輸出N點右偏；當YQ＞YP且a＜0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為左偏，否則輸出N點右偏；當YQ＞YP且a＞0時，若Y′Ni＜YNi，輸出N點為右偏，否則輸出N點左偏。

3.3 預制箱涵頂推過程可視化監(jiān)控系統(tǒng)

在預制頂推箱涵上，安裝了用于監(jiān)測箱涵高差變化的4個360°棱鏡、用于監(jiān)測箱涵頂推偏移量的2個360°棱鏡、用于監(jiān)測頂推過程箱涵應(yīng)力的4個應(yīng)變傳感器以及用于接收應(yīng)變數(shù)據(jù)的信號接收器；在既有鐵路上安裝了用于監(jiān)測軌道變形的布里淵分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)；在預制頂推箱涵對側(cè)，安裝了用于讀取棱鏡讀數(shù)的自動測量機器人、用于控制自動機器人的PC電腦、用于捕捉頂推過程視頻圖像的高清攝像頭；在預制頂推箱涵對側(cè)穩(wěn)定處，設(shè)置了用于監(jiān)控頂推整個過程的可視化監(jiān)控室。

4 結(jié)論

航二路延長線下穿柳南客?？蚣茼斶M工程已經(jīng)順利完成，采用了上述D型便梁+預應(yīng)力混凝土橫抬梁線路加固體系以及D便梁應(yīng)力變形監(jiān)測方法，不但保證了架空線路的剛度、強度及穩(wěn)定性，還加快了施工進度，并在一定程度上節(jié)約了工程施工成本。在箱涵頂進施工過程中，采用智能自動監(jiān)測技術(shù)及頂進過程可視化監(jiān)控技術(shù)，不但能夠?qū)崟r糾偏箱涵頂進偏位，保證頂進施工的可靠性，還能進行施工過程全天候遠程在線監(jiān)控，具有較高的推廣應(yīng)用價值。