高速铁路运营期线桥结构沉降监测及安全评估

徐明伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251)

高速铁路运营期线桥结构沉降监测及安全评估

徐明伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300251)

采用InSAR差分干涉技术及精密工程测量网进行桥梁墩台及线上构筑物的差异沉降监测和变形监测，对桥梁结构和轨道结构进行安全性分析及评估。

高速铁路 运营监测 安全评估

高速铁路运行速度快，对线桥结构的稳定性有很高的要求。高速铁路下部建筑物的沉降直接影响到线桥设备的质量状态，只有通过全面、细致、高精度的运营监测，才能掌握线桥结构的具体变化情况，尤其是对处在不均匀区域地面沉降范围内的线桥结构进行有效监测并及时对线桥结构物的安全性做出合理评价就显得尤为重要，对于确保高速动车组运行安全具有十分重要的意义。

1 监测内容及目的

1.1 区域性地面沉降监测

为了得到沿线大范围地面沉降等值线图，一般采用InSAR差分干涉技术进行大范围面状区域的地面沉降测量，以得到铁路沿线地面沉降的宏观情况。目前，为了提高InSAR的测量精度，一般采用D-InSAR技术及PS技术进行数据处理及相关分析，主要流程为复型影像数据的配准、干涉条纹图的生成、相位解缠、高程计算等。如图1，左右两幅图为沉降等值线图的不同表达方式，从沉降等值线图中能够直观反映高速铁路沿线较大范围地面沉降的现实情况，从而为监测方案的合理制定提供直接依据。

图1 沉降等值线图

1.2 精密工程控制网的沉降监测

在运营期间，通过对高速铁路建设期间建设完成的精密工程控制网(主要是精密高程控制网)进行周期性复测，以维护铁路沿线高程基准有较高的高程精度。同时，也是确定铁路沿线水准点以点成线而形成的浅层地表沉降(埋深较浅的普通水准点)和深层地面沉降(埋深较深的深埋水准点，埋深一般在40～70 m)的直接观测资料。如图2，通过周期性的对高程控制网进行复测，在维护高程基准精度的同时，对合理划分重点沉降区段具有重要意义。

1.3 桥墩及相邻墩台间差异的沉降监测

运营期间对桥梁墩台进行逐墩观测，通过普查性的逐墩观测可以在建设期间桥墩沉降监测的基础上，更为准确地监测到桥梁运营期间的沉降变化趋势，为确定重点监测地段及桥梁相邻墩台间差异沉降变化情况提供准确数据。如图3，可以清晰反映某段桥墩监测中相邻墩台间差异沉降变化情况，而图4是反映监测段落内桥梁墩台的纵向沉降趋势，图3和图4所用数据是进行桥梁安全性评价的重要依据，也是后续梁体安全整治的数据基础。

图2 水准点沉降曲线

图3 桥墩间高差变化

图4 桥墩高程变化

1.4 线上构筑的变形监测

线上结构物的监测中，轨道控制网(CPⅢ)平面及高程的周期性复测是主要工作内容，通过对CPⅢ的复测，可以准确监测线桥结构物最为直接的沉降变形情况，同时也是维护线上控制网精度的主要方式，为轨顶高程测量及线路结构物的静态检测(包括轨距、轨向、高低、水平、扭曲等检测指标)提供基础数据(如图5所示)。

图5 轨道控制网高程变化曲线

线上结构物的监测中，轨顶高程测量是直接测定轨道面纵向差异沉降变化趋势的主要途径，为准确分析轨道面长波及短波不平顺性提供了直接的观测数据。通过对轨面平顺性的分析，为进一步进行轨道静态检查和轨道整治方案的制定提供数据支持。

在线路结构差异沉降变化情况影响最大的范围内，最易发生线上结构病害的地段设置观测断面，以监测轨道面、轨道板、梁面等结构物之间在线路横向上的相对变化情况。通常监测断面设置如图6和图7。

图6 桥梁监测断面的设置

图7 路基监测断面设置

1.5 其他监测方式

根据监测内容和监测目的的多样性，在运营监测过程中，根据不同的结构特点和监测精度，合理选择其他监测手段，主要包括：构筑物面状变形可以采用近景摄影测量、地面LiDAR扫描、微波干涉测量等技术；构筑物的倾斜变形、扭曲变形等可以采用精密水准、全站仪测点等常用技术；构筑物特征点的实时变形观测可以采用各种形式的位移传感器测量；对于沉降机理方面的监测可以采用监测地下水水位的水位计测量、不同地层沉降差异的深井分层标测量等手段。

2 桥梁结构安全性分析

2.1 简支梁安全性分析

均匀的区域性地面沉降，对桥梁结构不会造成影响，只有不均沉降总量的增加会造成线路坡度的变化，影响桥上线路坡度。沉降地段的桥梁安全性主要根据桩基形式及桩长与地面沉降压缩土层深度之间的关系来确定，一般地面沉降压缩土层深度大于桩长时，从地面沉降预测趋势及结构受力分析，桥梁本身是安全可靠的。结合简支结构的特点，在出现较大的相邻桥墩不均匀沉降现象时，梁体本身有着较大的适应性，以32 m梁为例，即使相邻桥墩出现100 mm的不均匀沉降，其附加坡度为0.31%，梁体本身也不会出现破坏情况。同时，在区域沉降段落一般采用可调支座，增加结构对沉降的适应能力。可调高支座类型不同，调高高度不同，对线路坡度的调节能力也不同，一般对设计坡度的调整量最大可达到2%。

2.2 连续梁结构安全性分析

在连续梁地段出现较大差异沉降时，需要对连续梁结构的安全性进行具体分析。根据连续梁结构形式，对梁部结构进行了理论计算，按照原设计模型，以相同的计算精度，根据现状不均匀沉降值进行结构受力理论分析，计算得到现状主要截面正应力(主跨和边跨的支点、跨中、边跨中的受力情况)。根据现状主要截面正应力与设计模型对比分析墩台所对应的梁体位置的应力及安全系数变化情况，分析确定当前主梁截面正应力、剪应力、主应力，以及强度、抗裂安全系数是否满足规范要求。一旦出现不利因素，立即进一步开展必要的桥梁监测，采取必要的防范措施，避免梁体开裂等病害发生。

3 轨道结构安全性分析

以CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为例。根据工程实际沉降情况，对相邻墩台和台后过渡段(摩擦板、端刺)发生沉降后的无砟轨道结构进行安全性试算分析。试算步骤如下：

(1)根据轨道所处地段结构特点(桥梁段主要分为简支梁和连续梁，路基段主要为台后过渡段)，以设计资料为依据，合理确定试算模型。

(2)根据轨道结构的设计参数，合理确定试算参数。

(3)通过简支梁结构对计算结果进行初步分析。简支梁墩台差异沉降对轨道结构的耐久性和安全性影响上，曲线地段相邻墩台差异沉降大于15 mm时，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm；直线地段相邻墩台差异沉降超过35 mm时，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm；曲线地段，当相邻墩台差异沉降超过70 mm时，底座板与梁体间固结机构的纵向力超过设计荷载，影响结构安全；直线地段，当相邻墩台差异沉降超过75 mm时，底座板与梁体间固结机构的纵向力超过设计荷载，影响结构安全。

(4)通过连续梁结构对计算结果进行初步分析。连续梁墩台差异沉降对轨道结构的耐久性和安全性影响上，当相邻墩台差异沉降超过15 mm时，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm，影响结构耐久性，进而影响结构安全。相邻墩台沉降差异在计算范围内，底座板与梁体间固结机构的纵向力未超过设计荷载，不影响结构安全。

(5)通过台后过渡段(摩擦板、端刺)结构对计算结果进行初步分析，当过渡段沉降差大于50 mm/50 m时，底座板裂纹宽度可能超过0.3 mm，影响结构耐久性，进而影响结构安全。

4 结论

高速铁路的运营监测工作需要运用多种测量手段，从整体到局部、从全面到重点地开展各项监测内容，通过对多种监测数据和结果的综合分析，必要时及时调整监测方案，做到监测项目合理有效、经济实用，尤其是在重点地段的线桥结构物变形监测工作中，必须根据结构物特点开展切实有效的监测工作，为结构物安全性分析提供有效监测数据。通过对线桥结构物在既有沉降量的基础上的建模分析，确定结构物安全预警的限值或预判安全空间。

[1] 李树伟.高速铁路沉降监测方法的应用探讨[J].铁道勘察，2011(6):16-18

[2] 陈希成.高速铁路板式轨道结构力学分析[D].成都：西南交通大学，2008

[3] 乔永平.桥梁结构极限承载力分析及安全性评估[D].南宁：广西大学，2009

PreliminaryDiscussionontheSettlementMonitoringandSaftyAssessmentofHigh-speedRailway’sStructureofTrackandBridgeDuringOperation

XU Ming-wei

2014-05-08

徐明伟(1982—)，男，2005年毕业于西南交通大学测绘工程专业，工程师。

1672-7479(2014)04-0020-04

TU433

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