宁波南站上跨深基坑铁路便桥动态监测技术*

吕金华，康日兆，鲁四平，彭仪普

(1．上海铁路局宁波铁路枢纽工程建设指挥部，浙江宁波315102;2．中铁十七局集团，山西太原030006;3．中南大学土木工程学院，湖南 长沙410075)

宁波南站改建工程中，新建国铁站房基坑分为五区，基坑总面积28 000 m2，其中I－1区南北结构长245．25 m，集散厅结构宽75 m，站房基坑开挖长度278 m，宽123．5 m，深度约9 m，地下二、三层为地铁2号线，最大深度为24 m，该基坑设三道钢筋砼支撑。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。宁波站临时铁路便桥立面图见图1。根据圈梁和剪刀撑布置层数，桥下区域土方按4个主要阶段分7个土层进行开挖，具体的桥下土方开挖步骤如下:

图1 宁波站铁路便桥立面图Fig．1 Elevations of temporary railway bridge in the Ningbo station

(1)开挖桥下第1层土。临时铁路桥修筑完毕，且运营一段时间达到稳定的工作状态后，桥下区域土方平衡、对称地开挖至－2．5 m(以桥面板下缘为±0基准线，下同)。其他区域土方分块、限时开挖至－5．1 m，并分段、限时浇筑第1道混凝土圈梁。第一阶段结束。

(2)开挖桥下第2层土。其他区域第1道混凝土圈梁达到设计强度后，桥下区域土方平衡、对称地行开挖至－5．1 m，并及时焊接第1层纵向、横向剪刀撑，浇筑桥下第1道混凝土圈梁与其他区域圈梁连接。桥下第2层土开挖完成后，其他区域土方分块、限时开挖至－8．1 m。

(3)开挖桥下第3层土。桥下第1道混凝土圈梁达到设计强度后，桥下区域土方对称、平衡开挖至－8．1 m，并焊接部分第2层横向剪刀撑。桥下第3层土开挖完成后，其他区域土方分块、限时开挖至－11．25 m，并分段、限时浇筑第2道混凝土支撑。第二阶段结束。

(4)开挖桥下第4层土。其他区域第2道混凝土支撑达到强度后，桥下区域土方对称、平衡开挖至－11．25 m，及时焊接剩余第2层纵向、横向剪刀撑，浇筑桥下第2层圈梁与其他区域圈梁连接。桥下第4层土开挖完成后，其他区域土方分块、限时开挖至－14．25 m。

(5)开挖桥下第5层土。桥下第2层圈梁达到设计强度后，桥下区域土方对称、平衡开挖至－14．25 m，并焊接部分第3层横向剪刀撑。桥下第5层土开挖完成后，其他区域土方分块、限时开挖至－17．25 m，并分段、限时浇筑第3道混凝土支撑。第三阶段结束。

(6)开挖桥下第6层、第7层土。桥下第3道混凝土圈梁达到设计强度后，桥下区域土方8 h内对称、平衡开挖至坑底－21．4 m，随挖随浇300厚C40早强加筋混凝土垫层，为加快施工进展，2．5 m厚底板分两次浇筑，1次并浇筑1 m厚底板，便桥趋于稳定，再浇筑1．5 m厚底板，至此，铁路便桥开挖施工结束。第四阶段结束。

该项目于2011年起列车摆渡到临时铁路便桥上开始实施，2011－12－05临时铁路便桥下第1层土方开始开挖，2012－01－06临时铁路便桥下第1层土方开挖结束;2012－03－04临时铁路便桥下第2层、第3层土方开始开挖，2012－03－22临时铁路便桥下第2层、第3层土方开挖结束;2012－04－16临时铁路便桥下第4层、第5层土方开始开挖，2012年5月2日临时铁路便桥下第4层、第5层土方开挖结束;2012－05－30临时铁路便桥下第6层、第7层土方开始开挖，2012－06－08临时铁路便桥下第6层、第7层土方开挖结束，1 m厚钢筋混凝土底板浇筑完毕。2012－06－15总共2．5厚钢筋混凝土底板上全部浇筑完毕，便桥变形基本稳定。

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，需要对该新型临时铁路便桥的实施动态监测［1－3］。本文拟对该桥梁动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 监测目的和意义

(1)检验设计所采取的各种假设和参数的正确性，指导基坑开挖和支护结构的施工。

(2)确保基坑支护结构和相邻建筑物的安全。

(3)积累工程经验，为提高基坑工程的设计和施工的整体水平提供依据。

(4)通过对实时监测结果的分析，以及与理论分析结果进行比较，判别出桥梁结构是否符合设计要求和安全可靠。

2 监测系统构成

宁波火车站临时铁路便桥动力响应监测系统主要由传感系统、数据采集与处理系统、预警系统组成［4－5］，见图 2。

2．1 传感系统

传感系统包括应变、振动位移和加速度、温度、荷载等多种传感器及相应的信号放大和接口装置，主要完成便桥在运营状态下的各种动态响应信号的检测、转换和传输功能。

图2 宁波火车站临时铁路便桥实时监测系统框图Fig．2 Real－ time monitoring system diagram of the temporary railway bridge in the NingBo Railway Station

根据理论计算，结合程经验制定传感器的布设点，随着便桥下基坑的进展，传感系统以分批次布设的方式架构完成。

第一批传感器共8个，分别为4个941拾振器和4个AI500加速度传感器。于2011－07－20至2011－07布设到位。用于监测便桥桥面在列车通过时的动力响应情况。第一批次传感器位置如图3所示，1－1和1－3为竖向941拾振器，1－2和1－4为横向941拾振器，2－1和1－7为竖向AI500加速度传感器，2－2和1－8为横向AI500加速度传感器。

图3 第一批布点位置示意图Fig．3 Schematic diagram of the first batch of point location

第二批传感器共10个，分别为2个941拾振器，2个 AI500加速度传感器，6个应变计。于2011－12－10至2011－12－12即便桥跨中第1层土开挖完毕后布设到位。第二批测点主要是用于测量的桥面板下方的钢格构柱的动力响应。第二批次传感器位置如图4所示;其中:1－5为格构柱上的竖向941拾振器;1－6为格构柱上 的竖向941拾振器;2－3为格构柱上的竖向AI500加速度传感器;2－4为格构柱上的横向AI500加速度传感器;5－1，5－3和5－6为格构柱上的竖向应变计;5－2，5－4和5－5为格构柱上的横向应变计。第三批传感器共4个 AI500加速度传感器，于2011－12－17到2011－12－19即便桥边跨第二层土开挖完毕后布设到位。第三批测点主要为加强对边跨格构柱动力响应的监控。第三批次传感器位置如图5所示，其中:2－5和3－4为格构柱上的竖向AI500加速度传感器;2－6和2－7为格构柱上的横向AI500加速度传感器。

图4 第二批布点位置示意图Fig．4 Schematic diagram of the second batch of point location

图5 第三批布点位置示意图Fig．5 Schematic diagram of the third batch of point location

第四批增加的传感器类型为AI500加速度传感器和动态应变计。主要分布于桥下第二层与第三层的格构柱上。于2012－04－18至2012－04－20间布设到位，并经过一段时间的调试校正于2012年4月25日正式投入使用。其中，第二层布设的通道有:格构柱竖向加速度通道4－1和4－7;格构柱竖向加速度通道4－2和4－8;格构柱应变通道7－3，7－4，7－7。第三层布设通道为格构柱应变通道7－2，7－5和7－6。如图6和图7所示。

图6 第四批新增传感器布点位置立面图Fig．6 Schematic diagram of the fourth batch of point location

图7 现场图Fig．7 Scene pictures

传感器的多次调试后，目前各通道工作情况良好，信号采集正常。部分通道采集结果如图8和图9所示。

图8 中跨第二层格构柱应变波形图Fig．8 Strain waveform graph of latticed column laced columns in the span of second layer

图9 中跨第二层格构柱加速度波形图Fig．9 Acceleration waveform graph of latticed column laced columns in the span of second layer

2．2 信号采集与处理系统

信号采集与处理系统是实现监测的重要环节。该系统主要功能如下。

(1)信号采集。由各种传感器采集到的振动信号以电信号的形式由专用导线传输经放大器放大后由晶明仪器公司的动态采集仪转化为数字信号传输给控制终端。采集系统为实时工作状态。对经过便桥的每一趟列车都将自动进行多通道不同采样频率信号的并行连续记录。并将数据以二进制形式存储于工控机。

(2)数据处理。系统的数据处理部分为我方自主研发的振动信号分析程序，并针对宁波南站铁路便桥的实际情况，进行了相应的改进。该程序为后台运行，对所有写入硬盘的数据进行监控。一旦得到采集系统给予的特殊信号便会将该批由采集仪写入的原始二进制数据转换为MATLAB格式，再根据安全监测的需要，采用MATLAB程序语言对各种原始信号进行判断、分解和变换以提取特征参数，并将这些参数构成一定的数据结构形式，形成描述桥梁状态的监测信息数据库。

(3)数据通讯。数据的通讯流程为:振动响应—电信号—数字信号—二进制数据—MATLAB格式数据—数据库数据。

另外，针对工地现场存在较为复杂的噪声干扰，采取对仪器接地以及对信号滤波的方式加以消除。

2．3 安全运营预警系统

本项目建立的信号实时采集、实时分析的便桥监测系统，主要目的是为便桥的安全运营提供依据，并及时掌握基坑开挖对临时铁路便桥结构动力性能影响、主要构件的内力分布等方面的信息。通过实时监测和分析处理得出的便桥的动力响应方面的信息，对运行中出现的各种非正常情况进行预警或报警。

3 数据分析

临时铁路便桥下土方共分四次开挖，每一层开挖后，施工剪刀撑和浇筑格构间钢筋砼圈梁，各层土方阶段开挖过程中，监测情况分析如下［6－7］。

3．1 第一阶段的动态监测情况

由开挖前后的数据对比可知，便桥下基坑第一阶段开挖对于便桥动力特性有一定的影响，主要表现在各通道幅值上都有一定的增长。其中横向幅值的增长要比竖向的明显。而边跨的幅值的增加有要大于跨中。截止第一层开挖完成时，便桥的动态位移和动态加速度的变化情况如表1所示。

表1 便桥下基坑第一阶段开挖前后单日最大值对比Table 1 Daily maximum contrast to the first phase of the pit excavation before and after under the bridge

3．2 第二阶段的动态监测情况

便桥在第二阶段开挖中各种响应变化相对稳定，较之第一阶段要平稳很多。部分加速度通道的单日最大值出现回落迹象。第二阶段便桥的动态位移和动态加速度的变化情况如表2所示。

表2 便桥下基坑第二阶段开挖前后单日最大值比较Table 2 Daily maximum contrast to the second phase of the pit excavation before and after under the bridge

第二阶段开挖前后竖向位移从0．4 mm变化到0．3 mm。开挖过程中间出现过的最大值单日竖向位移为0．9 mm，位于中跨位置。第二阶段开挖前后横向位移从0．3 mm变化到0．2 mm，开挖过程中间出现过的最大值单日横向位移为0．37 mm，位于边跨位置。第二阶段开挖前后竖向加速度从0．8 m/s2变化到0．7 m/s2，开挖过程中间出现过的最大值单日竖向加速度为0．85 m/s2，位于边跨位置。而横向加速度开挖前后的变化不大。另外值得注意的是格构柱上的竖向位移以及格构柱应力相对第二阶段开挖前增大了不少，分别从0．01 mm增大到0．1 mm，应力从7 MPa增大到11 MPa。

3．3 第三阶段的动态监测情况

根据第三阶段监测所得到的结果来看，在开挖期间位移桥面和加速度波动较大，尤其是桥面竖向动位移较之前有了一定的增长，而格构柱位移和应力有所回落。第三阶段便桥的动态位移和动态加速度的变化情况如表3所示。

3．4 第四阶段的动态监测情况

根据第四阶段监测所得到的结果来看，在开挖期间位移桥面和加速度波动较大，尤其是桥面竖向动位移较之前有了一定的增长，而格构柱位移和应力有所回落。第四阶段便桥的动态位移和动态加速度的变化情况如表4所示。

表3 便桥下基坑第三阶段开挖前后单日最大值对比Table 3 Daily maximum contrast to the third phase of the pit excavation before and after under the bridge

表4 第四阶段开挖前后单日最大值对比Table 4 Daily maximum contrast to the fourth phase of the pit excavation before and after under the bridge

根据已经测得的便桥动态数据已经设计院提供的报警参数值，目前，便桥处于安全状态。虽然自开挖以来便桥动态响应的幅值有一定增长，但是还未达到理论计算和设计单位设定的报警值。且随着桥下格构柱剪刀撑和底部圈梁的完成，各通道的幅值已渐渐趋于稳定。

值得注意的是，开挖之后横向位移的增幅要大于竖向位移的增幅。而开挖对于加速度的影响要明显大于位移。相对而言，中跨没有边跨的变化明显。目前，中跨的竖向位移由开挖之前的0．35 mm增长到0．6 mm。中跨的横向位移由开挖前的0．07 mm增大到0．19 mm。边跨竖向位移由0．06 mm增大到0．29 mm。边跨横向位移由0．08 mm增大到0．31 mm。中跨竖向加速度由0．18 m/s2增大到0．40 m/s2。中跨横向加速度由0．21 m/s2增大到0．38 m/s2。边跨竖向加速度由0．24 m/s2增大到0．84 m/s2。边跨横向加速度由0．24 m/s2增大到 0．42 m/s2。

对于不同型号的列车过桥时所引起的响应，可以看出，各型动车的响应普遍较小，其位移与加速度通常在0．1 mm和0．3 m/s2左右，客车和货车通过时的响应相对较大，客车的位移与加速度大约为0．2 mm 和0．5 m/s2。货车为0．4 mm 和0．7 m/s2。个别车次的客车响应可能大于货车的响应。

4 结论

宁波南站上跨深基坑铁路便桥结构形式为国内首创。本文依据该工程的现场实际、结构的特点和设计的要求，制定了桥梁动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。对类似的桥梁施工动态监测有一定的指导和借鉴意义。

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