周興輝

(上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200438)

1 引 言

近年來，城市軌道交通高速發(fā)展，全國(guó)各地不斷新建軌道交通線路，截至2020年底，全國(guó)約有40個(gè)城市已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)線路里程約 7 000 km，車站約 5 000座。

以上海為例，運(yùn)營(yíng)線路超過700 km，車站近500座，其中高架段橋梁約 230 km，墩柱約 8 000個(gè)，軌道交通高架段長(zhǎng)期沉降測(cè)量過程中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)成果的影響有多方面，如工程活動(dòng)、測(cè)量誤差、大氣環(huán)境、地質(zhì)條件、列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)等。高架段沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常顯示道床與對(duì)應(yīng)墩柱垂直變形(垂差)不一致，變形存在明顯脫開的現(xiàn)象，此種變化不一致的情況給軌道交通高架段綜合分析帶來了困擾。

為了給軌道交通結(jié)構(gòu)變形分析提供更加準(zhǔn)確、合理的數(shù)據(jù)，本文擬從大氣環(huán)境角度、墩柱情況，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)垂差變化相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 工程概況

以軌道交通某線為例，該沿線跨越多個(gè)城市道路、高速公路、河流，整體線路高程起伏變化較大。本文選取其中四站三區(qū)間的高架段范圍為研究對(duì)象，分別為甲乙丙丁車站，該范圍線路全長(zhǎng)約 6 km，平均站間距約 2 km，共計(jì)221個(gè)墩柱，分為矩形式墩柱、門式墩柱，橋梁分為簡(jiǎn)支箱梁、結(jié)合梁、連續(xù)梁，車站為“建橋合一”的結(jié)構(gòu)形式。

3 監(jiān)測(cè)方案簡(jiǎn)介

3.1 儀器選擇

軌道交通長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)高精度的測(cè)量工作，測(cè)量?jī)x器的選擇是確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目外業(yè)測(cè)量采用高精度電子水準(zhǔn)儀、全站儀實(shí)施，水準(zhǔn)儀標(biāo)稱精度為 0.3 mm/km，全站儀標(biāo)稱精度為2″，2 mm+2 ppm，所用儀器均定期進(jìn)行年度檢定。

3.2 測(cè)量實(shí)施

(1)基本要求

監(jiān)測(cè)點(diǎn)是反映結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)，其埋設(shè)位置、點(diǎn)位穩(wěn)定性是獲取準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前提，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)該是永久性的，并且能準(zhǔn)確反映真實(shí)結(jié)構(gòu)變形的。上海市軌道交通高架段長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常根據(jù)橋梁跨度設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)，一般 30 m簡(jiǎn)支梁分別于1/4、1/2、3/4及橋梁兩端端頭處，共計(jì)布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，連續(xù)梁則從跨中向端頭等分布設(shè)[10]；矩形式墩柱在兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，門式墩柱則在每個(gè)墩柱上布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。除一般情況外，對(duì)于結(jié)構(gòu)差異處或其他特殊位置則相應(yīng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在測(cè)量前儀器進(jìn)行日常檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)時(shí)，儀器宜進(jìn)行晾置，使儀器與周邊的環(huán)境溫度趨于一致，可減小儀器軸系在測(cè)量過程中受環(huán)境影響造成的測(cè)量誤差。同時(shí)在實(shí)施觀測(cè)中宜做到四固定：人員、儀器和設(shè)備、測(cè)量方法和線路、基本相同的時(shí)段和環(huán)境[7]。對(duì)于高架軌行區(qū)中的聯(lián)系測(cè)量加密則通常采用三角高程法實(shí)施[1，2]。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集過程時(shí)，利用溫度計(jì)同步采集現(xiàn)場(chǎng)大氣環(huán)境溫度。

(2)線路敷設(shè)

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)關(guān)系著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的結(jié)構(gòu)安全，鑒于上海城市的軟土地質(zhì)特性，在控制網(wǎng)布設(shè)和選點(diǎn)關(guān)系到監(jiān)測(cè)成果的可靠性。從整個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)來講，主要分為三部分，分別為地面基準(zhǔn)網(wǎng)、聯(lián)系測(cè)量、道床及立柱測(cè)量。

地面基準(zhǔn)網(wǎng)作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的首級(jí)控制網(wǎng)，水準(zhǔn)線路敷設(shè)與測(cè)量，通常沿城市且坡度小的道路進(jìn)行水準(zhǔn)線路測(cè)量，盡量避免行人、車輛繁忙、大的河流地區(qū)[7]。聯(lián)系測(cè)量、道床及立柱水準(zhǔn)測(cè)量作為次級(jí)控制網(wǎng)，其水準(zhǔn)線路敷設(shè)與測(cè)量首先從甲車站的地面城市水準(zhǔn)點(diǎn)開始，沿甲車站方向至甲車站立柱工作基點(diǎn)，再由甲車站立柱工作基點(diǎn)至乙車站立柱工作基點(diǎn)，最后由乙車站立柱工作基點(diǎn)附合至乙車站地面城市水準(zhǔn)點(diǎn)。由甲車站立柱工作基點(diǎn)沿樓梯測(cè)至甲車站工作基點(diǎn)上，再分別沿地鐵道床附合于乙車站工作基點(diǎn)，最后聯(lián)測(cè)至乙車站立柱工作基點(diǎn)上[10]。對(duì)于三角高程的敷設(shè)，則綜合考慮區(qū)間長(zhǎng)度及道床與立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高差確定，測(cè)量時(shí)同時(shí)控制垂直角與邊長(zhǎng)，垂直角通常為15°～20°左右，邊長(zhǎng)通常為 30 m～50 m，中間法觀測(cè)完成[2]。水準(zhǔn)測(cè)量線路示意圖如圖1所示。

圖1 水準(zhǔn)測(cè)量線路示意圖

(3)觀測(cè)方法及技術(shù)要求

高校要增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)意識(shí)形態(tài)安全的使命感和責(zé)任感，從加強(qiáng)黨的執(zhí)政安全和國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度，清醒地認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域斗爭(zhēng)的長(zhǎng)期性和復(fù)雜性，采取切實(shí)可行的措施引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)輿情，確保大學(xué)生在復(fù)雜的新媒體空間保持清醒的認(rèn)識(shí)。高校必須強(qiáng)化互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管意識(shí)，研究新媒體發(fā)展帶來的新情況和新問題，把握新媒體的發(fā)展規(guī)律，提高網(wǎng)絡(luò)意識(shí)形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)輿情的分析研判能力，探索并建立大學(xué)生網(wǎng)絡(luò)意識(shí)形態(tài)安全教育與管理機(jī)制，提高大學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)謠言和錯(cuò)誤思潮的鑒別能力，使他們能在各種詆毀社會(huì)主義的思潮面前堅(jiān)持立場(chǎng)、明辨是非，增強(qiáng)對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義理論、道路和制度的認(rèn)同感。

在精密水準(zhǔn)測(cè)量中，影響觀測(cè)成果質(zhì)量的因素很多。如奇偶站觀測(cè)次序，此種觀測(cè)順序可消除測(cè)量時(shí)儀器、水準(zhǔn)尺升沉帶來的誤差[7]。地面基準(zhǔn)網(wǎng)按照一等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)要求執(zhí)行，聯(lián)系測(cè)量、立柱及軌行區(qū)按照二等水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)要求執(zhí)行，作業(yè)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與水準(zhǔn)線路同時(shí)測(cè)量完成。視線長(zhǎng)度、視距差、往返不符值、環(huán)線閉合差等指標(biāo)應(yīng)符合《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》GB/T 12897-2006中的相關(guān)技術(shù)要求[6]。水準(zhǔn)線路控制網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及信息整理如表1所示，對(duì)于聯(lián)系測(cè)量而言，其測(cè)站平均為16站，但線路長(zhǎng)度短，綜合考慮取 1 km作為其線路長(zhǎng)度。

表1 水準(zhǔn)線路往返不符值及線路閉合差信息統(tǒng)計(jì)表

3.3 數(shù)據(jù)處理

(1)平差計(jì)算

利用專業(yè)軟件帶權(quán)法對(duì)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差[8，9]，首級(jí)控制網(wǎng)按照一等網(wǎng)平差，獲取沿線城市水準(zhǔn)點(diǎn)高程；次級(jí)控制網(wǎng)按二等網(wǎng)平差，獲取道床及立柱工作基點(diǎn)高程。根據(jù)平差后的工作基點(diǎn)高程按照附合線路計(jì)算地鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程值，對(duì)于附合線路的閉合差按照測(cè)站進(jìn)行平差。其地鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程為：

(1)

式(1)中：W為測(cè)段閉合差，hi為測(cè)站高差，HB、HA為已知點(diǎn)高程，k為待求點(diǎn)的測(cè)站數(shù)，n為測(cè)段總測(cè)站數(shù)，HE(A)為由A點(diǎn)起算的待求點(diǎn)E的高程。

(2)精度評(píng)定

分別由測(cè)段高差往返不符值計(jì)算每公里偶然中誤差，由環(huán)線閉合差計(jì)算每公里全中誤差，即有：

(2)

式(2)中：M△為每公里偶然中誤差，△為測(cè)段往返不符值，R為測(cè)段長(zhǎng)度，n為測(cè)段數(shù)。

(3)

式(3)中：Mw為每公里全中誤差，W為環(huán)線閉合差，L為環(huán)線長(zhǎng)度，N為環(huán)線個(gè)數(shù)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 問題分析

由偶然中誤差、全中誤差的精度評(píng)定結(jié)果來看，水準(zhǔn)測(cè)量的成果及精度理論上是滿足的，然而在基于采集的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過平差計(jì)算獲取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)道床與立柱變形明顯脫開。選取2017年半年時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，2017年8月相對(duì)于2017年2月期間垂差也是最大(即年中相對(duì)于年初)，且此期間溫差基本為全年最大，道床與立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差在 11.0 m～22.3 m之間，高差最大區(qū)域也是垂差最大處[3]，階段垂差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差曲線圖如圖2所示。

圖2 線路道床與立柱垂差及監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差曲線圖

通過計(jì)算1 326個(gè)道床與立柱垂差數(shù)據(jù)，中誤差為 ±1.9 mm，垂差位于1、2、3倍中誤差內(nèi)的占比分別為37.2%、75.3%、95.4%，垂差數(shù)據(jù)離散度大，其中最大值為 9.3 mm，最小值為-2.5 mm，平均值 2.6 mm?？梢哉f明該垂差數(shù)據(jù)的測(cè)量精度無法滿足變形監(jiān)測(cè)的相應(yīng)要求。同時(shí)整理聯(lián)系測(cè)量及相應(yīng)期間溫度數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)歷次所測(cè)高差之差，最大變化在-4.40 mm～+3.21 mm之間，聯(lián)系測(cè)量高差之差及溫度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)對(duì)各車站聯(lián)系測(cè)量進(jìn)行相關(guān)圖形繪制，從曲線圖可以看出聯(lián)系測(cè)量高差之差與溫度變化趨勢(shì)基本一致，其曲線圖如圖3所示。

表2 聯(lián)系測(cè)量高差之差及溫度統(tǒng)計(jì)表

圖3 高差之差及溫度變化曲線圖

另可知混凝土熱脹冷縮的原理，其膨脹系數(shù)為0.00001℃，即溫度每升高1℃，每米混凝土膨脹 0.01 mm。對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目來講，通常一次測(cè)量周期為1～2個(gè)月，此期間溫差可達(dá)10℃～20℃，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差 20 m、溫差20℃為例計(jì)算，聯(lián)系測(cè)量受溫度及混凝土膨脹的影響，對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量環(huán)閉合差的影響可達(dá) 4 mm以上，此影響也將直接導(dǎo)致測(cè)量成果的不合格。

4.2 誤差分析

根據(jù)匯總整理后的歷次軌道交通長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見表1所示，計(jì)算水準(zhǔn)測(cè)量線路各測(cè)段測(cè)量中誤差，其公式為：

(4)

式(4)中：△為往返不符值，n為個(gè)數(shù)。

以每公里偶然中誤差作為單位權(quán)中誤差，通過對(duì)歷次數(shù)據(jù)整理計(jì)算，水準(zhǔn)線路單位權(quán)中誤差為σ=±0.37mm[8]。以線路長(zhǎng)度定權(quán)，即有：

(5)

式(5)中：Pi為第i測(cè)段的權(quán)，C為單位權(quán)中誤差線路長(zhǎng)，Si為測(cè)段長(zhǎng)度，σ為單位權(quán)中誤差，σi為第i測(cè)段中誤差。

水準(zhǔn)測(cè)量按長(zhǎng)度定權(quán)并計(jì)算各測(cè)段中誤差如表3所示。

表3 各測(cè)段水準(zhǔn)線路中誤差統(tǒng)計(jì)表

4.3 精度分析

在基于誤差分析及線性回歸分析的結(jié)果，根據(jù)溫度變化與聯(lián)系測(cè)量相關(guān)性，對(duì)其進(jìn)行高差修正，其中誤差及垂差數(shù)據(jù)如表4所示。針對(duì)個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大的情況，經(jīng)過分析主要原因?yàn)楸O(jiān)測(cè)期間點(diǎn)位破壞補(bǔ)設(shè)后，數(shù)據(jù)銜接異常所致。

表4 誤差分布及垂差數(shù)據(jù)表

綜合上述，說明垂差變化的一致性主要受溫度及混凝土膨脹影響，結(jié)合溫度與聯(lián)系的相關(guān)性，對(duì)聯(lián)系測(cè)量高差修正后，有效提高了測(cè)量精度，其精度滿足監(jiān)測(cè)要求，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整體性。

5 結(jié) 語

軌道交通長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性是其結(jié)構(gòu)安全分析評(píng)估重要基礎(chǔ)。溫度變化引起的混凝土膨脹對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響是顯著的。因此，在從事軌道交通結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)時(shí)，水準(zhǔn)線路測(cè)量及平差計(jì)算要充分考慮其影響。

本文主要從溫度對(duì)垂差影響進(jìn)行研究和分析，通過實(shí)際工程案例說明溫度的變化是影響高架橋梁道床與立柱垂差變化一致性的重要因素。在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中采集溫度信息并進(jìn)行相關(guān)修正，可確保變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性，同時(shí)為結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有其重要意義。