桥梁扩建施工对既有旧桥影响的监测与分析

陈杨利

(福建省永正工程质量检测有限公司 福建福州 350000)

桥梁扩建施工对既有旧桥影响的监测与分析

陈杨利

(福建省永正工程质量检测有限公司 福建福州 350000)

本文以某桥梁改造工程为背景，论述了桥梁扩建施工振动对既有旧桥影响的监测要点，通过监测数据分析，得到既有旧桥的变形和振动特征，监测工作为新桥的顺利施工和旧桥的安全运营提供了重要数据支持，其监测经验可供类似工程借鉴。

旧桥扩建施工;变形监测;振动监测

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引言

随我国经验快速发展，交通量不断增长与现有道路通行能力不足的矛盾日益突出，大量早期建成投入运营的桥梁，由于建筑施工技术水平较低，加之多年的运营使用，服务水平已经明显降低，难以满足日益增长的交通要求，甚至存在严重的问题，如交通拥挤、行车速度减慢、桥梁承载能力退化等，严重制约了城市道路交通通行能力，已成为道路运输线上的“瓶颈”，这些旧桥急需进行改建、扩建，以便增加通行能力。但在改、扩建过程中，因新旧桥结构较近，新桥施工往往会对旧桥结构带来较大的影响。

新桥施工期间，确保仍需运行的既有旧梁特别是车辆、人口通行密集的城市桥梁结构的安全尤为重要。目前已有少量学者就施工对桥梁影响进行了研究［1～4］，但尚无规范对此类工程的监测频率、监测预警值等进行明确规定。本文以某桥梁改造工程为背景，论述了桥梁扩建施工对既有旧桥影响的监测要点，并对监测结果进行分析，其经验可供类似工程借鉴。

1 工程背景

某桥梁改造工程既有旧桥为10×22.2m跨钢筋混凝土简支梁桥，结构全长235.19m，横向由7片T型梁组成，下部结构采用重力式墩台，桥墩平均高度约为12.0m。

扩建桥梁全长234.0m，为2×33.5+2×50+2 ×33.5m现浇等截面连续梁桥。新桥下部结构采用实体式桥台，花瓶式桥墩，钻孔灌注桩基础，桩基采用冲击钻孔施工方法。新、旧桥基础平面位置关系见(图1)。

2 监测概况

监测工程始于2013年12月24日，终止于2015年4月10日，贯穿新桥从基础到桥面铺装施工整个过程，其中2014年2月17日前完成了测点布置及初始数据采集.正式施工开始，截止2015年4月10日，累计进行桥面沉降监测47次、桥墩水平位移监测43次、桥面质点振动速度监测3次。主要监测内容包括桥面沉降监测、桥墩水平位移监测、桥面质点振动速度监测。

(1)桥面沉降监测:采用水准测量方法，在各墩台处桥面上、下游侧布置沉降测点，并与桥外工作基点形成闭合回路，按二级水准控制测量。上(下)游侧桥面测点由东至西依次编号为S(X)1～S(X)11。

(2)桥墩水平位移监测:采用极坐标法对桥墩水平位移进行监测，在各桥墩上游面墩身顶部及水面以上1.0m处各布设1个测点，由上至下依次编号为Hn－1～Hn－2(n为桥墩编号1～9)，水平角观测技术指标按仪器类型为DJ2考虑。

(3)桥面质点振动速度监测:采用DH5920动态信号采集系统和DH610V(H)速度传感器采集关键桥墩桥面处质点三向振动速度，根据新旧桥基础位置关系，测点布置在3#、8#、9#桥墩处桥面新桥侧。

图1 新、旧桥基础平面布置图(单位:m)

3 监测要点

3.1 数据可靠性

该改造工程为山区跨河桥梁，桥梁跨数多，河面风速较大，早晚环境温差较大，同时结构监测点数量多，结构受新桥施工及桥上交通双重的振动影响，以上各种不利因素增加了监测难度，对监测工作提出了较高要求。

(1)监测时段影响:随机选择天气晴朗的5个监测日，分别在早上7点和下午14点对桥面沉降和桥墩水平位移测点进行量测。沉降量测结果对比分析表明，14点时段所测水准数据闭合差普遍较大，各测点沉降波动性较明显;水平位移量测结果对比分析表明，早上7点量测位移较小，数值较接近，波动性较小，下午相应测点的位移较大，波动性明显。经分析，可能原因有:①结构受温度影响产生热胀冷缩效应，从而影响结构变形;②地球幅射差异造成大气折射率不稳定，从而影响仪器测量结果的稳定性;③下午14点桥面交通明显大于早上7点时段，车辆振动影响增大。因此，监测时段宜选择在早上7点左右，减小温度、交通等因素对测量工作的不利影响，提高监测数据的可靠性。

(2)测点布设影响:采用符合规范要求的全站仪对桥墩水平位移进行监测，各监测点布设棱镜，同时在部分测点布设反射片，两者量测结果对比分析表明，反射片量测所得位移范围较棱镜大2mm～3mm，数值离散性较大。因此，应采用棱镜作为水平位移测点变形响应装置，以便提高水平位移监测精度。

(3)测点数量影响:本工程包含22个水准测点和18个水平位移测点，每项量测工作需要2h左右，因量测工作持续时间较长，加大了环境温度、桥上交通等外在因素对测量精度的影响。监测结果表明，随测点数量增多，不仅监测工作量及数据分析量增大，而且测点数值波动性增大，精度变低。因此，监测过程应根据施工阶段差异、结构变形发展状况等因素对各测点实行差别化、有重点的监测，减少测点数量，提高监测效率和监测结果精度。

综上所述，变形监测应注意根据具体工程情况，对监测时段、测点布设及测点数量等进行优化，确保监测数据的可靠性。

3.2 巡视检查

该工程监测测点数量较多，数据处理工作量较大，监测数据缺乏直观性，变形监测数据无法及时反应结构的变形状况。因此，为及时发现结构异常，对结构和构件变形进行有效巡视检查至关重要。

受条件限制，本工程主要对桥面铺装、人行道及栏杆外观进行巡视，根据新桥施工情况及旧桥桥墩与施工桥墩远近关系，确定关键巡视部位，重点观测桥墩位置桥面病害发展情况。为保证巡视效果，巡视方法如下:

(1)采用油漆对各墩项处桥面铺装、人行道及栏杆裂缝初始情况进行标记并拍摄记录。

(2)监测期间，每天上、下午对旧桥各进行巡视一次，根据具体施工情况不定期对各关键点进行拍摄，按部位对照片进行分类管理。

巡视检查一定程度弥补了监测时效性的不足，能够及时发现结构异常，为施工安全顺利进行提供重要保证，且根据各关键部位在各个时间点的照片资料可直观显示桥梁病害发展状况。

3.3 监测频率

现场监测以确保旧桥运营安全为监测工作首要原则，变形观测周期的确定应以能系统地反映所测桥梁变形的重要变化过程且又不遗漏其变化时刻为原则，结合现场施工内容与进度、变形量的大小、变形特征及天气水文因素等情况设置监测频率。当监测值相对稳定时，可适当降低监测频率，当有危险事故征兆时，应实时跟踪监测。

本工程主要根据新桥施工阶段及施工振动源与旧桥位置关系等条件并结合监测经验确定监测频率。从新、旧桥基础平面关系可以看出，新桥基础施工对旧桥影响可能主要集中在新桥1#、2#、4#和5#桥墩桩基钻孔施工过程，且可能以相应桥墩桩基中紧邻旧桥的基桩施工时影响最大，因此，在上述桩基施工过程，旧桥变形监测频率为1次/2d，振动监测1次，其它常规时段的监测频率见(表1)。当监测数据达到预警值或结构受到台风、洪水等不利影响时，则加强桥面外观巡视和结构变形监测频率。

表1 常规时段监测频率

3.4 安全控制指标

(1)变形监测

新桥基础钻孔施工所引起的土体扰动及施工振动可能使邻近的旧桥基础出现滑移、下沉等不稳定变化。《城市桥梁养护技术规范》(CJJ99－2003)［5］第6.2.3条规定简支梁桥在运营阶段基础变位超过以下限值时，应及时对简支梁桥的基础进行加固:①墩台基础均匀总沉降值大于 2.0(cm);②相邻墩台均匀总沉降值大于 1.0L(cm);③墩台顶面水平位移值大于 0.5L(cm)。L为相邻墩台间最小跨径长度，以m计，跨径小于25m时仍以25m计。

因既有旧桥已运营50多年，现阶段技术状况属于“不合格状态”的桥梁范畴，为确保旧桥结构安全，取规范限值的一半作为桥梁变形安全控制值，具体如下:①墩顶水平位移限值:12.5mm;②相邻桥墩竖向沉降限值:25mm;③墩台基础均匀总沉降限值: 50mm。

对现场变形监测成果按黄色、橙色和红色三级预警进行控制，三级警戒状态判定见(表2)。

表2 三级警戒状态判定表

(2)质点振动速度监测

在新建桥梁桩基施工过程中加强旧桥振动状态监测，不仅可以为旧桥运营舒适性评价提供参考依据，同时还可达到调整施工工艺、优化施工方法的目的，在尽可能保证施工进度顺利条件下最大限度降低振动施工对既有桥梁正常运营的影响。目前我国针对建筑物振动影响的评价标准主要为《爆破安全规程》(GB 6722－2014)［6］，而对桥梁结构的施工振动效应评价尚没有一定的针对性标准。考虑到既有旧桥的结构特点及现状，要求施工方严格控制施工振动、采用合理施工工艺和技术以确保施工安全，经过专家审查后，该工程桥墩处质点振动安全允许速度峰值设定为1.0cm/s，并以此为预警值。

4 监测数据分析

4.1 变形监测数据分析

(1)初始值确定

变形监测是通到对各次监测值与初始值之差值进行分析比较，以确定变形是否发生或正在持续发展，因此确定初始值的大小及误差大小极为重要，是后续监测结果评定准确、有效开展的前提。《建筑变形测量规范》(JGJ/T8－2007)［7］第3.0.9条规定:“建筑变形测量的首次(即零周期)观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为变形测量初始值。”

为确保各测点初始值可靠、有效，该工程在基桩施工开始前(2013.12中旬～2014.01.25)，对各测点数据进行多次采集，对处理后的有效数据进行统计分析，确定各监测点初始数据平均值及中误差，并按《建筑变形测量规范》(JGJ/T8－2007)［7］第3.0.4条，以初始数值二倍中误差作为极限误差。将每次测点变形数据与相应初始值进行比较，当累计变形量小于极限误差时，可认为该观测点没有变动或变动不明显。经统计分析，本次监测各水准测点初始值中误差在0.2～0.9mm之间，桥墩水平位移测点初始值中误差在0～2mm之间。

(2)桥墩沉降监测分析

正式施工开始累计进行47次桥墩沉降监测，结果表明，最大下沉测点出现在2014年4月7日(新桥4#墩桩基施工期间)8#墩下游侧测点 X8，大小为5.7mm，沉降值未超过黄色预警值42.5mm。

(图2)为各次沉降监测下沉极值点分布图，从图中可以看出，历次沉降最大值在0mm～5.7mm之间，主要分布在6#～9#墩，结合现场巡查，在新桥基桩施工期间，6#～9#墩处桥面振动较明显，显然，6#～9#墩受新桥施工影响明显，监测结果证明对应测点沉降波动较大。

(图3)为8#墩沉降测点历次监测沉降值随时间变化情况，从图中可以看出，该桥墩沉降测点在新桥基桩4#墩桩基施工期间沉降值出现较大波动，测点沉降整体呈现绕零值附近波动变化，未出现单调变化规律。

(3)桥墩水平位移监测分析

正式施工开始累计进行43次水平位移监测，(图4)为桥墩历次监测水平位移横桥向偏位极值点分布图，横桥向偏位最大值为－6mm～7mm，主要集中在6 #～10#墩，以8#墩横桥向水平位移最大;(图5)为历次监测水平位移纵桥向偏位极值点分布图，纵桥向偏位最大值为－4mm～4mm，主要集中在5#～9#墩。

(图6)为旧桥8#墩水平位移监测点历次监测水平位移值(合成绝对值)随时间变化情况，结果表明，在2014年4月12日新桥4#墩桩基施工期间8#墩墩顶测点出现水平位移最大值8mm，未超过黄色预警值10.6mm，测点水平位移整体呈现波动变化，未出现单调变化规律。

综上变形监测数据分析，施工对既有旧桥影响主要集中在6#～10#墩，变形值均在安全控制指标范围内。最大变形测点出现在8#墩，而非与新桥基础距离最小的3#墩，表明施工振动对既有旧桥影响与振源距并非成正比关系，还可能因场地地质条件、结构工作状态、基础及地基条件等因素差异而不同。

图2 历次沉降监测极值点分布图

图3 8#墩沉降测点时程变化曲线

图4 历次监测水平位移横桥向偏位极值点分布图

4.2 振动监测数据分析

振动监测时既要考虑质点振动的幅值强度，又要注意其频率。根据新桥基桩与旧桥基础远近程度，选取3#、8#和9#墩作为振动速度监测对象，测点布置在相应墩顶处新桥侧桥面，测试结果表明实测最大振动速度出现在8#墩，横桥向、纵桥向及竖向振动速度实测最大值依次为0.17c m/s、0.10 cm/s和0.52cm/s，振动速度未超过安全控制指标1.0cm/s，(图7)为对应测点三向振动速度时程曲线图。

图5 历次监测水平位移纵桥向偏位极值点分布图

图6 8#墩水平位移测点位移时程变化曲线

图7 8#墩处振动测点三向振动速度时程曲线图

显然，施工振动对旧桥影响以竖向为主，横桥向次之，纵桥向最小。通过频率分析，主振频率为23.9Hz，远大于桥梁自振频率(5.27Hz)，因此桥梁不会发生共振现象。

5 小结

本文首先论述了某桥梁改造工程中既有旧桥监测的要点，通过对监测数据的分析，得到既有旧桥在新建桥梁施工过程中的变形和振动特征:

(1)施工振动对既有旧桥影响与振源距并非成正比关系，监测结果表明，新桥施工过程，既有旧桥变形和振动较明显位置集中在6#～10#墩范围，而非距离最近的3#墩，因此，振动影响还可能因场地地质条件、结构工作状态、基础及地基条件等因素差异而不同;

(2)新桥施工振动对旧桥影响以竖向为主，横桥向次之，纵桥向最小。施工振动影响下，旧桥所检测点振动速度最大值为0.52cm/s，对应主振频率为23.9Hz，远大于桥梁自振频率(5.27Hz)，桥梁不会发生共振现象。

本次监测工作为新桥的顺利施工和旧桥的安全运营提供了重要数据支持，其监测经验可供类似工程借鉴。

［1］董学智，李胜，李爱民.变形监测技术在桥梁监测中的应用［J］.测绘.2012.02，35(01).

［2］朱敏.拓宽改建桥梁对老桥下部结构的影响分析［J］.中国市政工程.2012.12(06):90～93.

［3］吴玉林，王凤娟.桥区航道水下爆破对桥梁振动影响研究［J］.公路工程.2015.05.

［4］马继兵，蒲黔辉，夏招广.施工振动对旧桥影响的监测与分析［J］.交通建设.2008.06，33(03).

［5］CJJ99－2003，城市桥梁养护技术规范［S］.中华人民共和国建设部，2003.

［6］GB 6722－2014，爆破安全规程［S］.中华人民共和国国家质量监测检验检疫总局，2014.

［7］JGJ/T8－2007，建筑变形测量规范［S］.中华人民共和国建设部，2007.

Monitoring and Analysis of the Impact of the Bridge Expansion Construction on Existing Bridges

CHENYangLi

(Fujian YongZheng Construction Quality Inspection Co.，Ltd，Fuzhou 355000)

In this paper，a bridge reconstruction projectwas selected as the sample of the required engineering background.Themonitoring points were discussed to study the influence of the bridge expansion construction vibration on the existing bridge.With themonitoring data analysis，the deformation and vibration characteristics of the existing bridgewere summarized.Themonitoringwork provided important data support for the construction of the new bridge and the safety operation of the existing bridge.Themonitoring experience can be used for reference to the similar projects.

Bridge expansion construction of Existing bridge;Deformation monitoring;Vibrationmonitoring

［TU997］

A

1004－6135(2015)11－0097－05

陈杨利(1986－ )，男，工程师。

2015－09－05

陈杨利(1986－ )，男，硕士，检测工程师，主要从事桥梁结构检测、监测及基桩检测等方面研究。