酈 曄

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，江蘇 南京 200142)

隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)建設(shè)的日益完善，與既有高鐵線發(fā)生并線的鐵路線路越來(lái)越多，例如魯南高鐵在曲阜東站接入京滬高鐵、南沿江城際鐵路在江寧站引入寧杭高鐵等。既有高鐵線鄰近施工極易引起地層擾動(dòng)從而產(chǎn)生位移變形，影響既有高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和軌道的平順性，成為威脅高鐵列車安全運(yùn)行的又一風(fēng)險(xiǎn)源。利用現(xiàn)代沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握鄰近施工對(duì)既有高鐵線路變形的影響，成為確保鄰近施工有序?qū)嵤┖图扔懈哞F線路安全運(yùn)營(yíng)的有效保障。陳成剛、楊秉輝等基于靜力水準(zhǔn)原理，構(gòu)建了自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，并成功將其應(yīng)用于臨近施工對(duì)既有線沉降變形監(jiān)測(cè)[1,2]；閔永智等構(gòu)建了基于圖像檢測(cè)技術(shù)的沉降在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)砟軌道表面監(jiān)測(cè)，累積誤差小于1.0 mm[3]；郭高冉等提出一種基于光纖振動(dòng)加速傳感陣列的高速鐵路無(wú)砟軌道基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)方法，但該方法無(wú)法直接得到沉降變形值[4]；此外，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)等先進(jìn)測(cè)量技術(shù)也開始在鐵路沿線沉降變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用[5,6]，但因該方法測(cè)試精度稍低、易受天氣等因素影響，故常用于區(qū)域大范圍監(jiān)測(cè)中，對(duì)于局部結(jié)構(gòu)的沉降變形監(jiān)測(cè)仍處于研究探索階段。

本文基于靜力水準(zhǔn)測(cè)試原理，構(gòu)建了既有鐵路橋梁、路基等基礎(chǔ)設(shè)施沉降變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于鄰近施工的高鐵線路結(jié)構(gòu)沉降變形監(jiān)測(cè)，保證了既有高鐵線路的安全運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

新建南沿江城際鐵路為高鐵客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)速度350 km/h，正線長(zhǎng)度278.145 km，部分區(qū)段與既有寧杭高鐵存在并行區(qū)間。因新建客運(yùn)專線相對(duì)既有高鐵下部基礎(chǔ)的不同，存在不同并行方式：橋穿橋、橋并橋、路并橋、路并路，各類并行方式對(duì)應(yīng)的典型工況如表1所示。

在并行線路區(qū)段范圍內(nèi)，因新建線與既有線間距較小，新建線施工必然對(duì)既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，也是既有線高鐵列車運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)段。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

針對(duì)臨近施工影響范圍內(nèi)的既有高鐵基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建沉降變形數(shù)據(jù)采集-傳輸-存儲(chǔ)-分析-預(yù)警自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)及報(bào)表等會(huì)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)管理、施工、監(jiān)理單位及既有線工務(wù)段等相關(guān)單位負(fù)責(zé)人，便于及時(shí)有效的進(jìn)行信息溝通和交流，為既有線的安全運(yùn)營(yíng)和臨近施工工藝的優(yōu)化提供準(zhǔn)確可靠的支撐，也便于超限預(yù)警后應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施。

表1 新建南沿江城際鐵路與寧杭客專典型并行區(qū)段

2.1 理論評(píng)估

為評(píng)估新線建設(shè)施工對(duì)既有線結(jié)構(gòu)沉降變形的影響，采用有限元分析軟件建立典型并行區(qū)段的三維仿真分析模型，其中各工況對(duì)應(yīng)的三維有限元分析模型見圖2、圖3。

圖2 Q1工況有限元模型及結(jié)果

圖3 不同工況有限元分析模型

圖2模型中假定各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布，并采用修正摩爾-庫(kù)倫模型模擬土體的本構(gòu)關(guān)系；摩擦樁采用梁?jiǎn)卧M，土體、橋墩及承臺(tái)等均采用實(shí)體單元模擬；橋梁的上部結(jié)構(gòu)通過自重形式加載于橋墩上；土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。為減小邊界條件的影響，模型全長(zhǎng)320 m，寬150 m，高60 m。由圖2(b)可知， 87號(hào)橋墩沉降量最大，為1.1 mm。

通過計(jì)算得到，Q2、Q3及L4工況下既有線橋墩或路基因新線施工引起的最大沉降量分別為0.6 mm、3.0 mm及3.1 mm。相對(duì)Q2工況，Q1工況對(duì)應(yīng)的承臺(tái)最小距離、最小樁間距更小，故其受臨近施工影響更顯著，對(duì)應(yīng)的橋墩沉降量更大。對(duì)比四種工況，因新線路基施工對(duì)地層擾動(dòng)較橋梁施工顯著，既有線結(jié)構(gòu)無(wú)論是橋梁還是路基，其沉降量較橋穿橋、橋并橋工況均較大，甚至?xí)斐杉扔芯€部分位置沉降量超限[7]。因此，需要對(duì)既有線結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降變形監(jiān)測(cè)，獲取新線實(shí)際施工對(duì)既有線結(jié)構(gòu)沉降的影響規(guī)律，從而指導(dǎo)新線施工。

2.2 測(cè)點(diǎn)選擇及傳感器布設(shè)

測(cè)點(diǎn)布設(shè)的合理性決定了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映既有線變形空間分布的真實(shí)性和可靠性，并且與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)。對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)，臨近施工通過影響橋墩的變形改變橋上軌道結(jié)構(gòu)的幾何形位，因此其測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)于各個(gè)橋墩頂部或梁端，故Q1、Q2及Q3工況中各橋墩均設(shè)置測(cè)點(diǎn)，并且位于施工側(cè)；既有線路基結(jié)構(gòu)，臨近施工的影響程度主要與線間距相關(guān)，故在普通路基地段的沉降變形測(cè)點(diǎn)間距較大，為20 m；在路基幫填段因線間距減小，測(cè)點(diǎn)間距減小至10 m；此外，在理論分析得到沉降量較大的區(qū)段測(cè)點(diǎn)也需進(jìn)行加密。圖4為現(xiàn)場(chǎng)不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)傳感器布設(shè)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)傳感器布設(shè)

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析

以Q3段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，因數(shù)據(jù)采集頻率較高，既有線列車運(yùn)行時(shí)間間隔較短，測(cè)量數(shù)據(jù)極易受到車致振動(dòng)的影響，表現(xiàn)出較大的波動(dòng)特征。針對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，線路維護(hù)的“天窗時(shí)間”為每天0:00～4:00，此時(shí)高速列車停止運(yùn)行，車致振動(dòng)現(xiàn)象消失；同時(shí)考慮沉降變形為緩慢變化過程，故采用此時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為當(dāng)日沉降變形數(shù)據(jù)；取中位數(shù)之前需要依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則及中位數(shù)濾波等方法剔除數(shù)據(jù)中的異常值。處理后的數(shù)據(jù)如圖5所示(其中部分時(shí)間段因供電設(shè)備故障造成數(shù)據(jù)不連續(xù))。圖5中豎坐標(biāo)差異沉降表示該測(cè)點(diǎn)相對(duì)前一測(cè)點(diǎn)的沉降量，其中負(fù)值表示當(dāng)前測(cè)點(diǎn)相對(duì)前一測(cè)點(diǎn)發(fā)生下沉，正值則相反。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)(處理后)

從圖5結(jié)果看出，監(jiān)測(cè)期間相鄰橋墩間的差異沉降量均較小，在-0.66～0.89 mm之間波動(dòng)，其中最大差異沉降發(fā)生在70號(hào)橋墩位置；70號(hào)橋墩對(duì)應(yīng)的差異沉降在2020年12月20日至2021年1月20日之間的波動(dòng)范圍均較大，這是因此時(shí)間范圍新建線路基施工所致。

對(duì)L4工況，主要關(guān)注路基的累積沉降變形，圖6為截至2022年3月24日既有高鐵上下行路基累積沉降變形分布曲線，此時(shí)下行線K11+108—K11+381輕質(zhì)土幫填完成，K11+381—K11+702輕質(zhì)土幫填正在進(jìn)行，上行線K11+088—K11+513.7輕質(zhì)土幫填正在進(jìn)行。

從圖6結(jié)果看出，幫填區(qū)域的路基會(huì)發(fā)生小幅的隆起變形，因上行線幫填區(qū)域范圍稍大于下行區(qū)域，故其隆起變形幅值也稍大，上、下行線幫填區(qū)域隆起變形幅值分別為0.4 mm和0.3 mm；幫填完成區(qū)段會(huì)因土體重量增加而發(fā)生沉降變形；從整體來(lái)看，上下行區(qū)段對(duì)應(yīng)的路基沉降變形量不顯著，最大累積沉降量不到0.6 mm。

圖6 L4累積沉降量分布曲線

對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果與仿真分析可見，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的規(guī)律基本一致，但仿真結(jié)果顯著大于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，其主要原因?yàn)榉抡婺Ｐ蛯?duì)土體性能的簡(jiǎn)化，尤其是既有線下的土體，因長(zhǎng)時(shí)間受到列車荷載的作用，其性能與鄰近施工土體性能必然存在較大差異，但為簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真模型中兩者均簡(jiǎn)化性能相同的土體；此外，土層均勻性分布與實(shí)際存在較大偏差，也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。因此，依托仿真模型進(jìn)行定性分析，指導(dǎo)建立沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是掌握臨近施工對(duì)既有線沉降變形影響的重要手段，也是既有線安全運(yùn)行的重要保證。

2.4 預(yù)警預(yù)報(bào)

臨近施工對(duì)既有線路影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在達(dá)到一定水平時(shí)自動(dòng)預(yù)警預(yù)報(bào)。系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警后應(yīng)立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘、測(cè)點(diǎn)人工復(fù)測(cè)，確保信息可靠，避免誤報(bào)，并形成預(yù)警分析報(bào)告。對(duì)于非誤報(bào)情況，需要通過優(yōu)化施工工藝、調(diào)整施工開挖、填筑、鉆進(jìn)等工程措施的進(jìn)度或者加強(qiáng)既有結(jié)構(gòu)物保護(hù)措施將變形速率、累計(jì)變形量控制在預(yù)定的范圍內(nèi)，從而保證既有高鐵在施工期的運(yùn)營(yíng)安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

鄰近施工會(huì)對(duì)既有高速鐵路結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)產(chǎn)生影響，基于有限元方法開展了南沿江城際鐵路施工對(duì)鄰近寧杭高鐵橋梁和路基結(jié)構(gòu)沉降變形的影響分析，指導(dǎo)新線與既有線典型并行區(qū)段測(cè)點(diǎn)選擇，形成了集安全評(píng)估、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、應(yīng)急預(yù)案于一體的風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)體系，應(yīng)用效果良好。