盾构隧道近距离下穿武广高铁桥梁变形监测分析

傅江华

（中国铁路武汉局集团有限责任公司，湖北武汉 430071）

1 工程概况

武汉市轨道交通某区间盾构下穿武广高铁高架桥下行线和上行线。盾构左线从 6#、7# 桥墩之间穿越，盾构右线从 7#、8# 桥墩之间穿越，6#、7#、8# 桥墩桥跨间距均为 32.6 m 简支梁。下穿处武广高铁线间距 5 m，设计速度350 km/h。6#、7#、8# 桥墩桩基桩长分别为 18 m、18.5 m 和 19 m，桩顶距地面约 2.5 m，隧道底部距桩底分别为1.504 m、0.975 m 和0.473 m。区间隧道顶部覆土约15.06 m，与桥桩结构水平最小净距为 8.12 m（图 1）。

下穿处土层由杂填土、一般黏性土、老黏性土组成，基岩埋藏较浅。区间沿线为三级阶地剥蚀堆积垅岗区，下穿武广高铁盾构隧道洞身位于 20a-2 中风化泥岩，地面至隧道顶地层主要为杂填土、10-2 粉质黏土、20a-1 强风化泥岩。

2 盾构施工

盾构机采用 2 台土压复合式平衡盾构机，盾构机外径 6.44 m。盾构隧道采用通用型管片错缝拼装，用 M30弯螺栓连接，管片环宽 1.5 m，外径 6.2 m，内径 5.5 m，厚度 0.35 m，楔形量 40 mm。左线盾构从 2016 年 11 月 9日开始进入武广高铁核心保护区 20 m 范围，2016 年 11月 13 日盾尾脱出高铁核心保护区 20 m 影响范围；右线盾构从 2016 年 11 月 15 日开始进入武广高铁核心保护区20 m 范围，2016 年 11 月 19 日盾尾脱出高铁核心保护区20 m 影响范围。左、右线盾构施工期间以 12 环/天左右的速度向前推进。

图1 盾构下穿武广高铁剖面图（单位：m）

3 桥梁变形监测

本工程采用全自动监测系统对武广高铁桥梁的变形进行实时监测，自动变形监测系统由测量机器人、监测站、控制计算机房、基准点和变形点等 5 部分组成（图 2）。远程计算机通过因特网控制远程 GPRS 模块或通过数据连接线远程监视和控制监测系统的运行，系统在无需操作人员干预的条件下实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。

图2 自动变形监测系统组成示意图

3.1 监测原理方法

监测仪器为测量机器人，又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。测量机器人配置了动力驱动系统、CDD 相机以及相应的目标识别软件，首次粗略瞄准目标并通过按键或系统软件向全站仪下达指令后，全站仪中的 CDD 相机可自动借助目标识别软件对返回的信号进行逻辑分析，准确判断出棱镜中心的位置。日常观测时，不再需要人为操作仪器进行瞄点，只要下达观测指令后，全站仪启动伺服马达驱动软件，自动完成系列测量动作。

测量机器人测量精度高，能够同时测距和测角，从而自动完成空间三维绝对坐标的测算，常采用自由设站法和固定设站法（极坐标法）来进行测量，其中又以固定设站法（极坐标法）居多。极坐标法的基本原理就是将全站仪架设到已知点上，然后通过后视已知点来确定观测目标点与已知方向间的水平夹角、垂直角和斜距，通过这些观测量和设站点的坐标来求得目标点的三维坐标。

3.2 观测墩设置

为了提高监测数据的准确性和监测的连续性，在不影响施工又便于观测的位置设置了 2 个观测墩，这样可以保证测站稳定。2 个观测墩可同时对 3 个桥墩及梁体进行观测，相互校检提高观测精度，并且可以实现连续不间断监测（图 3）。

图3 观测墩图

3.3 监测点设置

为了测出桥墩的沉降，顺桥向和横桥向位移、倾斜，在每个桥墩处设置 4 个监测点。其中，2 个监测点布置在桥墩顶部两端位置，2 个监测点布置在桥墩底部两端对应位置，3 个桥墩共计布置 12 个桥墩监测点。考虑到简支梁与桥墩的相互关系以及高速铁路行车安全，在监测梁体沉降、横顺桥向水平位移时，在 6#、7# 和 7#、8# 桥跨间对应简支梁梁端底各布置 1 个梁端监测点，共布置 4 个（图 4）。

图4 桥墩及梁端监测点图

3.4 监测频率及报警值

结合国内已有盾构穿越铁路的工程经验、相关规范要求，制定武广高铁桥墩及梁体变形预警值及报警值如表 1。当实测值超过报警值时，分析其原因并采取相应的安全措施。根据盾构下穿施工对武广高铁桥的影响程度，制定相应的监测频率如表 2，其中，在盾构左线下穿期间监测频率加密至 1 次 / h。

表1 桥墩及梁体变形预报警值 mm

表2 监测频率 次/天

3.5 监测结果分析

3.5.1 桥梁沉降

图5、图 6 分别为左、右线盾构下穿期间武广高铁桥墩及梁体累计沉降变化曲线，从图 5、图 6 中可以看出梁体沉降大小及沉降变形趋势基本与桥墩一致。

图5 桥墩累计沉降变化曲线

图6 梁体累计沉降变化曲线

左线盾构进入高铁正下方前一段时间，各桥墩及梁体呈隆起趋势，但隆起量较小，最大隆起量为 0.2 mm；左线盾构进入高铁正下方后，桥墩及梁体开始出现沉降变形趋势，桥墩累计最大沉降为 6#墩 和 7#墩 ，沉降值为 -0.4 mm；梁体沉降最大测点为 6# -5、7# -6 测点，沉降值为 -0.4 mm，随后开始出现隆起，这与二次注浆有关。

右线盾构下穿期间，桥墩及梁体沉降变形趋势与左线下穿类似，桥墩隆起最大为 8#墩，隆起值为 0.3 mm，最大沉降为 7#，沉降值为 -0.4 mm；梁体隆起最大测点为 8# -5，隆起量为 0.3 mm，沉降最大测点为 7# -6，沉降值为 -0.4 mm。整个盾构下穿期间，桥墩及梁体累计最大沉降未达到报警值。

3.5.2 桥梁水平位移

图7、图 8 分别为盾构下穿期间桥墩及梁体累计横向水平位移变化曲线图，图 9、图 10 分别为盾构下穿期间桥墩及梁体累计顺向水平位移变化曲线图。从图中可以得出，盾构刀盘进入高铁桥正下方前一段时间，各桥墩水平位移均较小，进入高铁桥下方后，无论横向位移还是顺向位移均出现较明显的变化，与沉降变形相比，盾构下穿引起桥墩及梁体水平位移变化较大。

图7 桥墩累计横向水平位移变化曲线

图8 梁体累计横向水平位移变化曲线

图9 桥墩累计顺向水平位移变化曲线

图10 梁体累计顺向水平位移变化曲线

左线盾构穿越期间，桥墩横向水平位移最大的为 6#墩，位移量为 +0.8 mm（图 7），梁体横向位移最大的为 7# -5、7# -6，位移量为 + 0.7 mm（图 8）。桥墩顺向水平位移最大的为 6#墩，位移量为 +0.4 mm（图 9），梁体顺向水平位移最大的为 7# -6，位移量为+0.5 mm（图 10）。

右线盾构穿越期间，桥墩及梁体横向水平位移变化较小，最大位移量为 +0.4 mm（图 7、图 8）。桥墩顺向水平位移最大的为 7#墩，位移量为 -0.7 mm（图 9），梁体顺向水平位移最大的为 6# -5，位移量为 -0.5 mm（图 10）。各桥墩横、顺桥向水平位移均未达到报警值。

3.5.3 桥墩倾斜率

图11、图 12 分别为盾构下穿期间桥墩累计横、顺桥向倾斜率变化曲线。从图中可以得出，盾构施工进入高铁桥下方后，6#墩、7#墩、8# 墩无明显倾斜变化。桥墩横向倾斜变化最大的为 7#墩，最大累计倾斜为0.04%，桥墩顺向倾斜变化最大的为 8#墩，最大累计倾斜为 -0.02%。

图11 桥墩累计横向倾斜率变化曲线

图12 桥墩累计顺向倾斜率变化曲线

4 结论

（1）在整个盾构穿越武广高铁桥梁过程中，各监测点最大变形值均未超过 1.0 mm，均未达到报警值。

（2）盾构下穿对桥墩及梁体沉降影响较小，对桥墩、梁体水平位移影响相对较大。

（3）盾构穿越武广高铁桥施工中，利用以全自动全站仪为核心的全自动监测系统，对桥墩和梁端的位移进行监测可真实地反应盾构施工对铁路的影响。