呂金華，康日兆，魯四平，彭儀普

(1．上海鐵路局寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江寧波315102;2．中鐵十七局集團，山西太原030006;3．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

寧波南站改建工程中，新建國鐵站房基坑分為五區(qū)，基坑總面積28 000 m2，其中I－1區(qū)南北結(jié)構(gòu)長245．25 m，集散廳結(jié)構(gòu)寬75 m，站房基坑開挖長度278 m，寬123．5 m，深度約9 m，地下二、三層為地鐵2號線，最大深度為24 m，該基坑設(shè)三道鋼筋砼支撐。站房與地鐵聯(lián)合基坑土方量約35 m2。為保證既有線路暢通，基坑施工期間，采用雙線臨時鐵路便橋通行，臨時鐵路便橋全長133．6 m，寬12．9 m，格構(gòu)柱91根，C40鋼筋砼梁板連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，開挖分6層并逐層安裝28a槽鋼剪刀撐，格構(gòu)柱間設(shè)3道鋼筋砼圈梁。寧波站臨時鐵路便橋立面圖見圖1。根據(jù)圈梁和剪刀撐布置層數(shù)，橋下區(qū)域土方按4個主要階段分7個土層進行開挖，具體的橋下土方開挖步驟如下:

圖1 寧波站鐵路便橋立面圖Fig．1 Elevations of temporary railway bridge in the Ningbo station

(1)開挖橋下第1層土。臨時鐵路橋修筑完畢，且運營一段時間達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)后，橋下區(qū)域土方平衡、對稱地開挖至－2．5 m(以橋面板下緣為±0基準線，下同)。其他區(qū)域土方分塊、限時開挖至－5．1 m，并分段、限時澆筑第1道混凝土圈梁。第一階段結(jié)束。

(2)開挖橋下第2層土。其他區(qū)域第1道混凝土圈梁達到設(shè)計強度后，橋下區(qū)域土方平衡、對稱地行開挖至－5．1 m，并及時焊接第1層縱向、橫向剪刀撐，澆筑橋下第1道混凝土圈梁與其他區(qū)域圈梁連接。橋下第2層土開挖完成后，其他區(qū)域土方分塊、限時開挖至－8．1 m。

(3)開挖橋下第3層土。橋下第1道混凝土圈梁達到設(shè)計強度后，橋下區(qū)域土方對稱、平衡開挖至－8．1 m，并焊接部分第2層橫向剪刀撐。橋下第3層土開挖完成后，其他區(qū)域土方分塊、限時開挖至－11．25 m，并分段、限時澆筑第2道混凝土支撐。第二階段結(jié)束。

(4)開挖橋下第4層土。其他區(qū)域第2道混凝土支撐達到強度后，橋下區(qū)域土方對稱、平衡開挖至－11．25 m，及時焊接剩余第2層縱向、橫向剪刀撐，澆筑橋下第2層圈梁與其他區(qū)域圈梁連接。橋下第4層土開挖完成后，其他區(qū)域土方分塊、限時開挖至－14．25 m。

(5)開挖橋下第5層土。橋下第2層圈梁達到設(shè)計強度后，橋下區(qū)域土方對稱、平衡開挖至－14．25 m，并焊接部分第3層橫向剪刀撐。橋下第5層土開挖完成后，其他區(qū)域土方分塊、限時開挖至－17．25 m，并分段、限時澆筑第3道混凝土支撐。第三階段結(jié)束。

(6)開挖橋下第6層、第7層土。橋下第3道混凝土圈梁達到設(shè)計強度后，橋下區(qū)域土方8 h內(nèi)對稱、平衡開挖至坑底－21．4 m，隨挖隨澆300厚C40早強加筋混凝土墊層，為加快施工進展，2．5 m厚底板分兩次澆筑，1次并澆筑1 m厚底板，便橋趨于穩(wěn)定，再澆筑1．5 m厚底板，至此，鐵路便橋開挖施工結(jié)束。第四階段結(jié)束。

該項目于2011年起列車擺渡到臨時鐵路便橋上開始實施，2011－12－05臨時鐵路便橋下第1層土方開始開挖，2012－01－06臨時鐵路便橋下第1層土方開挖結(jié)束;2012－03－04臨時鐵路便橋下第2層、第3層土方開始開挖，2012－03－22臨時鐵路便橋下第2層、第3層土方開挖結(jié)束;2012－04－16臨時鐵路便橋下第4層、第5層土方開始開挖，2012年5月2日臨時鐵路便橋下第4層、第5層土方開挖結(jié)束;2012－05－30臨時鐵路便橋下第6層、第7層土方開始開挖，2012－06－08臨時鐵路便橋下第6層、第7層土方開挖結(jié)束，1 m厚鋼筋混凝土底板澆筑完畢。2012－06－15總共2．5厚鋼筋混凝土底板上全部澆筑完畢，便橋變形基本穩(wěn)定。

為確保寧波南站深基坑的施工質(zhì)量和臨時鐵路便橋運營安全，驗證便橋和基坑設(shè)計所采取的各種假設(shè)和參數(shù)的正確性，指導(dǎo)基坑開挖、便橋支撐及支護結(jié)構(gòu)的施工，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化技術(shù)管理，需要對該新型臨時鐵路便橋的實施動態(tài)監(jiān)測［1－3］。本文擬對該橋梁動態(tài)監(jiān)測情況進行技術(shù)總結(jié)、分析和研究，希望對今后類似工程的監(jiān)測實施有所借鑒。

1 監(jiān)測目的和意義

(1)檢驗設(shè)計所采取的各種假設(shè)和參數(shù)的正確性，指導(dǎo)基坑開挖和支護結(jié)構(gòu)的施工。

(2)確?；又ёo結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全。

(3)積累工程經(jīng)驗，為提高基坑工程的設(shè)計和施工的整體水平提供依據(jù)。

(4)通過對實時監(jiān)測結(jié)果的分析，以及與理論分析結(jié)果進行比較，判別出橋梁結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計要求和安全可靠。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

寧波火車站臨時鐵路便橋動力響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)組成［4－5］，見圖 2。

2．1 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)包括應(yīng)變、振動位移和加速度、溫度、荷載等多種傳感器及相應(yīng)的信號放大和接口裝置，主要完成便橋在運營狀態(tài)下的各種動態(tài)響應(yīng)信號的檢測、轉(zhuǎn)換和傳輸功能。

圖2 寧波火車站臨時鐵路便橋?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig．2 Real－ time monitoring system diagram of the temporary railway bridge in the NingBo Railway Station

根據(jù)理論計算，結(jié)合程經(jīng)驗制定傳感器的布設(shè)點，隨著便橋下基坑的進展，傳感系統(tǒng)以分批次布設(shè)的方式架構(gòu)完成。

第一批傳感器共8個，分別為4個941拾振器和4個AI500加速度傳感器。于2011－07－20至2011－07布設(shè)到位。用于監(jiān)測便橋橋面在列車通過時的動力響應(yīng)情況。第一批次傳感器位置如圖3所示，1－1和1－3為豎向941拾振器，1－2和1－4為橫向941拾振器，2－1和1－7為豎向AI500加速度傳感器，2－2和1－8為橫向AI500加速度傳感器。

圖3 第一批布點位置示意圖Fig．3 Schematic diagram of the first batch of point location

第二批傳感器共10個，分別為2個941拾振器，2個 AI500加速度傳感器，6個應(yīng)變計。于2011－12－10至2011－12－12即便橋跨中第1層土開挖完畢后布設(shè)到位。第二批測點主要是用于測量的橋面板下方的鋼格構(gòu)柱的動力響應(yīng)。第二批次傳感器位置如圖4所示;其中:1－5為格構(gòu)柱上的豎向941拾振器;1－6為格構(gòu)柱上 的豎向941拾振器;2－3為格構(gòu)柱上的豎向AI500加速度傳感器;2－4為格構(gòu)柱上的橫向AI500加速度傳感器;5－1，5－3和5－6為格構(gòu)柱上的豎向應(yīng)變計;5－2，5－4和5－5為格構(gòu)柱上的橫向應(yīng)變計。第三批傳感器共4個 AI500加速度傳感器，于2011－12－17到2011－12－19即便橋邊跨第二層土開挖完畢后布設(shè)到位。第三批測點主要為加強對邊跨格構(gòu)柱動力響應(yīng)的監(jiān)控。第三批次傳感器位置如圖5所示，其中:2－5和3－4為格構(gòu)柱上的豎向AI500加速度傳感器;2－6和2－7為格構(gòu)柱上的橫向AI500加速度傳感器。

圖4 第二批布點位置示意圖Fig．4 Schematic diagram of the second batch of point location

圖5 第三批布點位置示意圖Fig．5 Schematic diagram of the third batch of point location

第四批增加的傳感器類型為AI500加速度傳感器和動態(tài)應(yīng)變計。主要分布于橋下第二層與第三層的格構(gòu)柱上。于2012－04－18至2012－04－20間布設(shè)到位，并經(jīng)過一段時間的調(diào)試校正于2012年4月25日正式投入使用。其中，第二層布設(shè)的通道有:格構(gòu)柱豎向加速度通道4－1和4－7;格構(gòu)柱豎向加速度通道4－2和4－8;格構(gòu)柱應(yīng)變通道7－3，7－4，7－7。第三層布設(shè)通道為格構(gòu)柱應(yīng)變通道7－2，7－5和7－6。如圖6和圖7所示。

圖6 第四批新增傳感器布點位置立面圖Fig．6 Schematic diagram of the fourth batch of point location

圖7 現(xiàn)場圖Fig．7 Scene pictures

傳感器的多次調(diào)試后，目前各通道工作情況良好，信號采集正常。部分通道采集結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 中跨第二層格構(gòu)柱應(yīng)變波形圖Fig．8 Strain waveform graph of latticed column laced columns in the span of second layer

圖9 中跨第二層格構(gòu)柱加速度波形圖Fig．9 Acceleration waveform graph of latticed column laced columns in the span of second layer

2．2 信號采集與處理系統(tǒng)

信號采集與處理系統(tǒng)是實現(xiàn)監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)主要功能如下。

(1)信號采集。由各種傳感器采集到的振動信號以電信號的形式由專用導(dǎo)線傳輸經(jīng)放大器放大后由晶明儀器公司的動態(tài)采集儀轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給控制終端。采集系統(tǒng)為實時工作狀態(tài)。對經(jīng)過便橋的每一趟列車都將自動進行多通道不同采樣頻率信號的并行連續(xù)記錄。并將數(shù)據(jù)以二進制形式存儲于工控機。

(2)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分為我方自主研發(fā)的振動信號分析程序，并針對寧波南站鐵路便橋的實際情況，進行了相應(yīng)的改進。該程序為后臺運行，對所有寫入硬盤的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。一旦得到采集系統(tǒng)給予的特殊信號便會將該批由采集儀寫入的原始二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MATLAB格式，再根據(jù)安全監(jiān)測的需要，采用MATLAB程序語言對各種原始信號進行判斷、分解和變換以提取特征參數(shù)，并將這些參數(shù)構(gòu)成一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，形成描述橋梁狀態(tài)的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫。

(3)數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)的通訊流程為:振動響應(yīng)—電信號—數(shù)字信號—二進制數(shù)據(jù)—MATLAB格式數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

另外，針對工地現(xiàn)場存在較為復(fù)雜的噪聲干擾，采取對儀器接地以及對信號濾波的方式加以消除。

2．3 安全運營預(yù)警系統(tǒng)

本項目建立的信號實時采集、實時分析的便橋監(jiān)測系統(tǒng)，主要目的是為便橋的安全運營提供依據(jù)，并及時掌握基坑開挖對臨時鐵路便橋結(jié)構(gòu)動力性能影響、主要構(gòu)件的內(nèi)力分布等方面的信息。通過實時監(jiān)測和分析處理得出的便橋的動力響應(yīng)方面的信息，對運行中出現(xiàn)的各種非正常情況進行預(yù)警或報警。

3 數(shù)據(jù)分析

臨時鐵路便橋下土方共分四次開挖，每一層開挖后，施工剪刀撐和澆筑格構(gòu)間鋼筋砼圈梁，各層土方階段開挖過程中，監(jiān)測情況分析如下［6－7］。

3．1 第一階段的動態(tài)監(jiān)測情況

由開挖前后的數(shù)據(jù)對比可知，便橋下基坑第一階段開挖對于便橋動力特性有一定的影響，主要表現(xiàn)在各通道幅值上都有一定的增長。其中橫向幅值的增長要比豎向的明顯。而邊跨的幅值的增加有要大于跨中。截止第一層開挖完成時，便橋的動態(tài)位移和動態(tài)加速度的變化情況如表1所示。

表1 便橋下基坑第一階段開挖前后單日最大值對比Table 1 Daily maximum contrast to the first phase of the pit excavation before and after under the bridge

3．2 第二階段的動態(tài)監(jiān)測情況

便橋在第二階段開挖中各種響應(yīng)變化相對穩(wěn)定，較之第一階段要平穩(wěn)很多。部分加速度通道的單日最大值出現(xiàn)回落跡象。第二階段便橋的動態(tài)位移和動態(tài)加速度的變化情況如表2所示。

表2 便橋下基坑第二階段開挖前后單日最大值比較Table 2 Daily maximum contrast to the second phase of the pit excavation before and after under the bridge

第二階段開挖前后豎向位移從0．4 mm變化到0．3 mm。開挖過程中間出現(xiàn)過的最大值單日豎向位移為0．9 mm，位于中跨位置。第二階段開挖前后橫向位移從0．3 mm變化到0．2 mm，開挖過程中間出現(xiàn)過的最大值單日橫向位移為0．37 mm，位于邊跨位置。第二階段開挖前后豎向加速度從0．8 m/s2變化到0．7 m/s2，開挖過程中間出現(xiàn)過的最大值單日豎向加速度為0．85 m/s2，位于邊跨位置。而橫向加速度開挖前后的變化不大。另外值得注意的是格構(gòu)柱上的豎向位移以及格構(gòu)柱應(yīng)力相對第二階段開挖前增大了不少，分別從0．01 mm增大到0．1 mm，應(yīng)力從7 MPa增大到11 MPa。

3．3 第三階段的動態(tài)監(jiān)測情況

根據(jù)第三階段監(jiān)測所得到的結(jié)果來看，在開挖期間位移橋面和加速度波動較大，尤其是橋面豎向動位移較之前有了一定的增長，而格構(gòu)柱位移和應(yīng)力有所回落。第三階段便橋的動態(tài)位移和動態(tài)加速度的變化情況如表3所示。

3．4 第四階段的動態(tài)監(jiān)測情況

根據(jù)第四階段監(jiān)測所得到的結(jié)果來看，在開挖期間位移橋面和加速度波動較大，尤其是橋面豎向動位移較之前有了一定的增長，而格構(gòu)柱位移和應(yīng)力有所回落。第四階段便橋的動態(tài)位移和動態(tài)加速度的變化情況如表4所示。

表3 便橋下基坑第三階段開挖前后單日最大值對比Table 3 Daily maximum contrast to the third phase of the pit excavation before and after under the bridge

表4 第四階段開挖前后單日最大值對比Table 4 Daily maximum contrast to the fourth phase of the pit excavation before and after under the bridge

根據(jù)已經(jīng)測得的便橋動態(tài)數(shù)據(jù)已經(jīng)設(shè)計院提供的報警參數(shù)值，目前，便橋處于安全狀態(tài)。雖然自開挖以來便橋動態(tài)響應(yīng)的幅值有一定增長，但是還未達到理論計算和設(shè)計單位設(shè)定的報警值。且隨著橋下格構(gòu)柱剪刀撐和底部圈梁的完成，各通道的幅值已漸漸趨于穩(wěn)定。

值得注意的是，開挖之后橫向位移的增幅要大于豎向位移的增幅。而開挖對于加速度的影響要明顯大于位移。相對而言，中跨沒有邊跨的變化明顯。目前，中跨的豎向位移由開挖之前的0．35 mm增長到0．6 mm。中跨的橫向位移由開挖前的0．07 mm增大到0．19 mm。邊跨豎向位移由0．06 mm增大到0．29 mm。邊跨橫向位移由0．08 mm增大到0．31 mm。中跨豎向加速度由0．18 m/s2增大到0．40 m/s2。中跨橫向加速度由0．21 m/s2增大到0．38 m/s2。邊跨豎向加速度由0．24 m/s2增大到0．84 m/s2。邊跨橫向加速度由0．24 m/s2增大到 0．42 m/s2。

對于不同型號的列車過橋時所引起的響應(yīng)，可以看出，各型動車的響應(yīng)普遍較小，其位移與加速度通常在0．1 mm和0．3 m/s2左右，客車和貨車通過時的響應(yīng)相對較大，客車的位移與加速度大約為0．2 mm 和0．5 m/s2。貨車為0．4 mm 和0．7 m/s2。個別車次的客車響應(yīng)可能大于貨車的響應(yīng)。

4 結(jié)論

寧波南站上跨深基坑鐵路便橋結(jié)構(gòu)形式為國內(nèi)首創(chuàng)。本文依據(jù)該工程的現(xiàn)場實際、結(jié)構(gòu)的特點和設(shè)計的要求，制定了橋梁動態(tài)監(jiān)測的具體實施方案、數(shù)據(jù)分析與處理模式，對該橋梁變形的規(guī)律進行了分析研究，為深基坑安全和信息化施工提供了指導(dǎo)，保障了鐵路便橋上列車安全運營。對類似的橋梁施工動態(tài)監(jiān)測有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］彭儀普，許 曦，楊文雅．客運專線無碴軌道精密定軌測量技術(shù)研究［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2007，4(6):78－82．PENG Yi－pu，XU Xi，YANG Wen－ya，Precisely survey for ballastless track in the passenger dedicated railway line［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(6):78－82．

［2］彭儀普，應(yīng)力軍，曾群峰．客運專線無砟軌道德國幾何尺寸驗收標準的測量誤差分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5(6):48 －52．PENG Yi－pu，YING Li－jun，ZENG Qun－feng．Analysis of survey error for acceptance standards of passenger dedicated line in German［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2008，5(6):48 －52．

［3］高速鐵路工程測量規(guī)范［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．The regulation for engineering surveying of high－speed Railway［M］．Beijing:China Railway Press，2009．

［4］李志俊，彭儀普．客運專線CPⅢ測量有關(guān)技術(shù)分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8(2):123 －128．LI Zhi－jun，PENG Yi－pu．Technical analysis of the CPⅢsurveying to the passenger dedicated railway line［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(2):123－128．

［5］卓健成．工程控制測量建網(wǎng)理論［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1996．ZUO Jian－cheng．Building net theoey of engineering control surveying［M］．Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，1996．

［6］Ashkenazi V，Roberts G W．Experimental monitoring of the Humber Bridge using一 GPS［J］．Proceedings of the Institution of Civil Engineers Civil Engineering，1997，120(4):177－182．

［7］Emin A A，Neeati C F，Kirk G A，et al．Development of a model health monitoring guide for major bridges［R］．Drexel Intelligent Infrastructure and Transportation Safety Institute，2003．