自动化监测在地铁施工穿越桥梁桩基托换工程中的应用

摘要:

随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断加快，城市基础设施的不断完善，我国积极发展城市轨道交通建设，地铁建设项目数量和规模日益增大，新建地铁不可避免地会影响到既有城市基础设施的安全和正常使用。北京地铁十号线二期工程公主坟站～西钓鱼台站盾构区间下穿新兴桥北异形板17-3#墩柱和17-10#墩柱，新兴桥是复兴路和西三环路的交通枢纽，位于北京交通主干道上，直接影响北京市交通的正常畅通与否；新兴桥北异形板为不规则形状，对沉降及差异沉降异常敏感。为了确保桥梁的正常使用和安全，本工程除了传统的人工监测外，还引进了自动化监测系统，其高精度、高频率、自动化、信息化的监测模式能够准确、及时、有效的反应桥梁变形情况，指导各个施工工序的正常进行。区间左右线分别从新兴桥北异形板17-3#墩柱和17-10#墩柱下穿过，左、右线间距70米，施工对桥梁17-3#墩柱和17-10#墩柱的影响是独立的，本文以区间右线下穿新兴桥北异形板17-10#墩柱为例，对自动化监测的原理以及其在地铁施工穿越桥梁桩基托换中的应用进行说明，以期为类似工程提供有益借鉴。

关键词：自动化监测、桥梁桩基托换、地铁建设

中图分类号：U231文献标识码： A

随着科学技术的发展，建设工程的复杂程度不断的提高，就需要我们提供高精度、自动化、信息化的测量手段，以满足现代工程建设的需要，做到科技化、信息化施工。现代测量技术的不断发展，促进设计与施工技术不断进步与发展，加快现代化城市建设步伐。

一、工程概况

北京地铁十号线二期工程公主坟站～西钓鱼台站区间采用盾构法施工，由公主坟站站始发，往北至西钓鱼台站；新兴桥北异形板分为东侧板和西侧板，以桥梁中心线分界，南北向最大跨径布置均为19m+19.5m+13.5m=52m，板厚0.76m,桥面铺装为8cm厚沥青砼，板顶设防水层。上部结构为预应力混凝土实体异型板，下部结构17-10#墩柱采用1.2m×0.9m的矩形墩柱，墩柱下接6.5m×3.0m×2.5m的两桩承台，承台下接人工挖孔扩底桩，桩基直径1.5m，桩长8.5m，桩底为扩大端头，位于卵石层；盾构区间右线从17-10#墩柱东侧桥桩正下方穿过，设计隧道顶距离桥桩底距离为2.711m。

图1-1公～西区间与新兴桥北异形板平面关系图

图1-2公～西区间右线与新兴桥北异形板17-10#墩柱剖面关系图

图1-317-10#墩柱新桩与旧桩剖面关系图

新兴桥北异形板为混凝土异形板，结构受力复杂，桥梁墩柱的沉降和不均匀沉降容易引起原有异形板内应力的变化，造成异形板的变形与开裂，影响整个异形板的结构安全。

为了保证公主坟站～西钓鱼台站盾构区间右线下穿新兴桥北异形板17-10墩柱施工时桥梁的安全，在盾构施工前，先对17-10#墩柱进行桩基托换。桩基托换共分为7个步序。第一步：托换墩位附近设钢支撑，支撑顶部设千斤顶顶紧桥面备用；然后逐根施工托换桩，桩底进行压浆；施工过程中须对原有桩基进行保护，同时监测上部桥梁变形，如托换墩沉降达到2mm，则启动备用千斤顶顶回。第二步：施工钢承台，在钢承台顶面与原承台相接处焊接垫板，保证钢梁与原承台底面密贴。第三步：开挖新承台基坑，凿除原承台砼垫层，并进行深度凿毛，原承台底贴钢板；桩顶设置千斤顶，钢梁就位后与原承台下钢板焊接；为保证施工过程中承台稳定，千斤顶两侧放置钢垫块。第四步：调整顶升的力，使作用在旧承台上的力转移到钢承台与托换桩上。第五步：旧承台上70%的力转移到钢承台与托换桩后再进行盾构施工。第六步：在盾构施工时应该严格控制桥梁墩柱沉降，当累积变形达到预警值时，应根据现场监测数据及施工情况，必要时启动备用千斤顶顶回，确保桥梁墩柱沉降及差异沉降不超控制值。第七步：监测数据基本稳定后，将旧承台上90%的力转移到钢承台与托换桩上，再进行旧承台与钢承台的固结，钢承台与新桩的固结。

2、控制值指标

根据北京市市政工程设计研究总院的《北京市地铁十号线二期工程新兴桥桥桩托换工程北异形桥》，异形板桥梁墩柱区域桥梁墩柱绝对沉降-3.0mm，相邻墩柱差异沉降为2.0mm。

3、自动化监测在本工程变形监测中的应用

鉴于本工程的高风险性，控制指标严格，监测精度要求高，为实时有效反映桥梁的变形情况，为设计单位、施工单位及产权单位提供坚实可靠的数据基础，保证桥梁的安全，本工程引入自动化监测系统，其高精度、高频率、自动化、信息化的监测特点完全满足该工程的监测要求。

二、自动化监测

2.1自动化监测系统简介

自动化监测系统一般由硬件和软件两部分组成，其中，系统硬件主要由一些自动化数据采集仪器构成，系统软件由主要数据处理和信息等软件构成。本文所涉及的自动监测系统是由南京南瑞集团公司大坝工程监测分公司开发的智能分布式安全监测数据采集系统。图2.1为远程自动化监测系统构成图。

图2.1 远程自动化监测系统构成图

2.2 静力水准仪测量原理

本工程采用的是RJ型电容式静力水准仪，由图2.2-1所示，仪器由主体容器、连通管、电容传感器等部分组成。当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容体相对于位置产生液面变化，引起装有中间极的浮子与固定在容器顶的一组电容极板间的相对位置发生变化，通过测量装置测出电容比的变化即可计算得液面的相对变化。

图2.2-1电容式静力水准仪结构图

将整条测线的静力水准仪通过管道连接起来，依据连通管原理的方法，用电容传感器，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。

如图2.2-2所示，设共布设有n个测点，1号点为相对基准点，初始状态时各测点安装高程与基准参考高程面H0间的高差则为：Y01、Y02……Y0i…Y0n(i为测点代号i=0，1……n)；各测点安装高程与液面间的高差则为h01、h02、h0i…h0n则有：

Y01＋h01＝Y02＋h02＝…Y0i＋h0i＝…Y0n＋h0n …………………… (2-1)

当发生不均匀沉陷后，设各测点安装高程与基准参考高程面H0间高差的变化量为：Δhj1、Δhj2…Δhji…Δhjn (j为测次代号，j=1，2，3 ……)，各测点容器内液面相对于安装高程的距离为hj1、hj2、…、hji、…、hjn。由图可得：

(Y01＋Δhj1)+hj1＝(Y02＋Δhj2)＋hj2

＝(Y0i＋Δhji)＋hji

＝(Y0n＋Δhjn)＋hjn ……………………………………………………… (2-2)

则j次测量i点相对于基准点1的高差变化量Hi1

Hi1＝Δhji－Δhj1 ………………………………………………………… (2-3)

由(2-2)式可得：

Δhj1－Δhji＝(Y0i＋hji)－(Y01＋hj1)

＝(Y0i-Y01)＋(hji-hj1) …………………………………………………… (2-4)

由(2-1)式可得：

(Y0i－Y01)＝－(hoi－h01) ………………………………………………… (2-5)

将(2-5)式代入(2-4)得：

Hi1＝(hji－hj1)－(hoi－h01) ……………………………………………… (2-6)

即只要用电容传感器测得任意时刻各测点容器内液面与该点安装高程之间的高差hji(含hj1及首次的h0i)，则可求得该时刻各点相对于基准点1的高差变化量。如把任意点g(1，2…i，n)做为相对基准点，将f测次做为基准值，则按(2-6)式同样可求出任意测点i相对于基准点g的高差变化量Hig：

Hig＝(hji－hjg)－(hfi－hfg) ……………………………………………… (2-7)

图2.2-2测量原理示意图

2.3 静力水准测量误差来源

液体静力水准测量中的误差，主要来自仪器误差和外界条件的影响两个方面，但后者是主要误差来源。其中，仪器误差主要包括：仪器的安置误差、液体静力水准器观测头倾斜误差、测量设备误差、观测头组合部件温度变化产生的误差、液体漏损误差等。外界条件影响主要包括：温度对液体静力水准测量的影响、气压变化对液面位置的影响、仪器容器中的液体蒸发影响、液体被弄脏的影响等。本文讨论的电容式静力水准仪是通过电感传感器来测定液面高度变化的遥测仪器，容器中充填的是防冻液体，可以削弱温度变化的影响。

2.4自动化监测网布设

自动化监测网布设如图2.4所示：

图2.4 自动化监测布点平面图

在17-10#墩柱及板顶上各安装1台仪器，17-9#墩柱上安装1台仪器，远离施工影响范围外的17-7#墩柱上安装1台仪器作为基点，由这4台仪器组成一套监测系统。由于工期超长，北京夏天和冬天、中午和夜间温差较大，为保证监测系统的正常运行，在仪器及管路外增加一层保温材料，确保仪器内部防冻液保持液体状态，整套系统温度基本一致。

三、监测数据成果与分析

3.1监测数据统计与规律分析

本工程施工分为四个阶段施工，为前期新桩开挖浇筑过程、桩基托换预顶升过程、盾构穿越过程、旧承台受力转移及固结过程。新桩开挖过程和盾构施工过程主要是造成桥梁墩柱的沉降，桩基托换预顶升和最后顶升完成旧承台的受力转移主要是桥梁墩柱的回升过程。

图3.1 自动化监测17-10墩柱和顶板测点变化时程曲线图

从图3.1可以看出，17-10墩柱测点和板底测点监测数据变形值及规律基本一致，具体变化规律如下：

新桩刚开挖时，桥梁墩柱测点监测数据略有上浮，最大为+0.31mm，随着新桩的开挖，桥梁墩柱沉降呈明显下沉趋势，新桩施工完成后沉降量达到最大值，为-2.58mm，累计变形超报警值（-2.4mm）。

在监测数据超报警值之后，进行桩基预顶升，将旧承台上70%力转移至新桩上，监测数据回升至-1.0mm左右，监测数据基本稳定。

盾构施工正下穿通过时，桥梁墩柱沉降呈明显下沉趋势，通过期间平均速率为-0.04mm/d，盾构机通过后监测数据沉降趋于缓慢，但还是持续下沉，通过后一个月的速率为-0.02mm/d，最大沉降量为-2.27mm，累计变形超预警值（-2.1mm）。

根据监测数据及现场情况，对桩基进行托换，将旧承台受力的90%转移至钢承台和新桩上，监测数据有所回升，在完成新承台的固结后，桥梁墩柱沉降累计变形值稳定在-1.6mm～-2.0mm。

3.2自动化监测系统的特点

在本工程中，充分发挥自动化监测系统的优势，及时有效反映桥梁墩柱变形情况，确保施工过程新兴桥北异形板的桥梁安全。

2010年11月17日，对17-10墩柱进行3个小时的预顶升，将旧桩上70%的力转移至新桩上，预顶升期间17-10墩柱和板底测点变形情况如下：

图3.217-10墩柱11月17日顶升期间自动化监测沉降时程曲线图

从图3.2可以看出，17-10墩柱在钢梁变形2mm时，未发生明显位移，钢梁变形4mm时，17-10墩柱产生了约0.2mm的向上位移，并从此开始，钢梁受力每产生1mm的变形，17-10墩柱就会发生约0.1mm的向上位移，钢梁变形至9mm顶升结束后，17-10墩柱的阶段变形量约为+0.8mm，向上位移停止，并保持基本稳定。17-10墩柱上方异形板区域的变形规律与墩柱相同。

在顶升过程，自动化监测系统的1次/分钟的自动采取数据频率，0.1mm的有效监测精度保证实时反应桥梁墩柱的变形情况，及时反映预顶升加力和桥梁墩柱的变形关系，并正确指导顶升加力，有效控制桥梁墩柱的变形，保证桥梁墩柱的安全。

自动化监测系统的可以进行远程操作，保证监测数据的连续性和及时性，减小外界因素及人为因素的影响，对于分析连续盾构施工期间桥梁墩柱的变形情况提供坚实的数据基础。

结束语：

自动化监测系统作为一种新的监测手段，其高精度、高频率、信息化、自动化的特点有效的弥补目前人工监测的不足，保证实时反映重点保护建（构）筑物的细微变形情况，更好的保证建（构）筑物的安全和施工安全，在以后的施工中，尤其是地下工程穿越既有设施施工中得到长足的发展和完善。

参考文献：

1、北京市市政工程设计研究总院，北京地铁10号线二期新兴桥桥桩托换工程北异形桥施工图设计，2010.06。

2、陈伟庚，深圳地铁一期工程广深铁路桩基托换施工监测方案与实践，铁道建筑，2006.09；

3、马雪梅、吴锋波、张建全、任干，北京地铁首都机场线东直门站上跨下穿既有折返线变形监测；都市快轨交通，2007.04；

4、北京城建勘测设计研究院有限责任公司，GB50308-2008城市轨道交通工程测点规范【S】，北京：中国建筑工业出版社，2008。