1、40施工技术CONSTUCTION TECHNOLOGY2014 年 6 月上第 43 卷第 11 期DOI: 10. 7672/sgjs2014110040铁路营业线桥涵施工测斜技术研究及变形机制分析*任高峰1， 张卅卅1， 胡仲春1， 2， 刘永成2( 1 武汉理工大学资源与环境工程学院， 湖北武汉430070; 2 中铁十四局集团有限公司， 山东济南250014) 摘要在铁路营业线桥涵施工中， 采用人工挖孔桩上架设便梁作为施工加固体系， 通过在南京宁启线某标段的下穿顶进涵施工中的实际运用， 介绍了测斜仪的工作原理及应用， 总结了测斜技术在铁路营业线桥涵施工中出现的若干关键问题， 并分别从
2、测斜管的布置、 埋设、 精度分析、 采集频率、 数据处理、 预警预报等方面进行探讨， 总结人工挖孔桩在土体开挖过程中及列车静、 动荷载影响下的变形机制及位移规律， 优化开挖施工方案， 提高铁运及施工的安全性。 关键词框架涵; 施工技术; 测斜仪; 变形; 位移 中图分类号U449. 5 文献标识码A 文章编号1002- 8498( 2014) 11- 0040- 05Study on Inclinometer Technology for Bridge and Culvert Construction onOperating ailway Line and Analysis of Deform
3、ation Mechanismen Gaofeng1，Zhang Sasa1，Hu Zhongchun1， 2，Liu Yongcheng2( 1 School of esource and Environment Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan， Hubei430070，China;2 China ailway 14th Construction Bureau Co ， Ltd ， Ji nan， Shandong250014，China)Abstract: In the bridge and culvert construc
4、tion on operating railway line，the buttress- girder temporarysupport system is used as the construction reinforcement This paper introduces the application andworking principle of portable digital inclinometer through the practical application in culvert jackingconstruction under somewhere on Nanjin
5、g Ningqi existing railway line This paper summarizes a numberof key issues of inclinometer technology in bridge and culvert construction on operating railway line anddiscusses from the aspects of the layout of inclinometer tube，laying design，accuracy analysis，collectionfrequency，data processing，earl
6、y warning and forecasting; analyzes the deformation mechanism anddisplacement rule of manual hole digging pile under the impact of soil excavation and trainsstatic anddynamic load，which optimizes the excavation and construction program，improves the safety of railwaytransportationKey words: frame cul
7、verts;construction;inclinometers;deformation;displacement*国家自然科学基金项目( 51104112) ; 湖北省自然科学基金项目( 2011CDB433) 作者简介任高峰， 副教授， 博士， E- mail: rgfwhut163 com收稿日期2013- 07- 060引言随着铁路营业线扩能、 扩建项目日益增多， 受施工地点土体性质、 列车静动荷载冲击、 施工工艺等诸多因素影响， 极易造成营业线轨道的变形， 从而导致列车晃车或更为严重的铁路交通事故发生1 。为了同时保证列车的安全不间断通行及营业线桥涵施工的安全和进度， 多采用人工挖孔
8、桩2 支墩上架设 D 型便梁作为施工临时防护体系。同时响应 “和谐铁路”3 的号召， 施工人员必须及时掌握桥涵施工期间防护体系的位移变形值， 采用先进的观测技术及设备通过高精度监测， 科学地指导营业线桥涵安全施工， 通过分析土体开挖过程中挖孔桩的测斜数据， 为施工人员提供调整参考。测斜技术由于能够监测桩体或岩土体深部变形特征， 在重大建筑物施工和环境工程中得到了广泛应用， 其中在深基坑工程中的应用尤为广泛。谢桂娟等4 对深基坑测斜技术进行了探讨， 总结了测斜技术在深基坑监测中出现的若干关键问题; 黄毅等5 结合上海地铁工程实际情况， 通过大量的测斜数据挖掘分析， 提出了基于远程监控管理系统的深
9、基坑测斜数据分析及变形警戒值; 丁宁华6 根据对某深基坑工程土方开挖过程中测斜数据的变化分2014 No 11任高峰等: 铁路营业线桥涵施工测斜技术研究及变形机制分析41析， 总结其规律， 优化了土方开挖方案; 陈开圣等7 将测斜仪应用于滑坡变形监测中， 分析测斜曲线数据并与钻探成果对照， 较好地对滑动面的分布情况和滑动机制作出预判; 王义锋8 通过对向家坝水电工程马延坡蠕滑变形体的内部位移监测， 提出变形曲线与蠕滑变形体形态的对应关系， 阐明蠕滑变形机制; 刘继平9 结合宁启铁路既有线提速改造工程， 分析涵洞接长或顶进、 架设便梁等影响既有线轨道几何状态的主要因素， 提出加强既有线轨道几何状
10、态动静态监控、 加强线路沉降观测和线路检查等措施; 蒋清吉等10 将测斜仪应用于码头变形监测中， 分析高桩码头的工作原理、 损伤机理及测斜仪的局限性。虽然测斜仪应用广泛， 但在铁路营业线桥涵施工中却用之甚少， 以上研究工作对营业线桥涵施工中人工挖孔桩测斜数据分析起到一定启发作用。本文以南京市六合区横梁镇宁启线某下穿顶进涵为施工背景， 采用 D24 型便梁加固线路11 ， 以 4 个人工挖孔桩支墩承载便梁， 从测斜管的布置埋设、精度分析、 采集频率、 数据处理、 预警预报等方面进行探讨， 监测在土体开挖过程中及列车静、 动荷载影响下的人工挖孔桩支墩不同深度的内部位移， 总结测斜数据的变形规律，
11、及时预警并优化开挖施工方案， 提高铁运及施工的安全性。1测斜仪工作原理测斜仪一般由测斜管、 探头、 电缆、 数据采集仪( 读数仪) 4 部分组成。在营业线桥涵施工应用中，首先在人工挖孔桩浇筑前预埋测斜管， 当桩体发生变形后， 测斜管也随之产生相应变形， 通过拉放电缆使测斜探头滑轮顺槽逐点量测， 可精确测出桩体不同深度的水平位移量。然后根据位移大小、 变化率及累计位移量， 作出曲线图及预报， 为施工提供指导及调整参考。测斜仪工作原理如图 1 所示。在测斜过程中， 测斜仪每个测试间距所测得的测斜管偏移量为 Di， 其中 Di= Lsini， L 为测试间距，设定为 0. 5m; i为某一深度倾斜角
12、。当人工挖孔桩深入基岩或相对稳定土层时， 可认为测斜管底部不发生位移， 即为位移基准点， 管口的水平位移值 Dn为各个测试分段位移变化量的总和。Dn=ni =1Di=ni =1Lsini当人工挖孔桩周围为软泥等不稳定土体时， 测斜管底部可能也要发生位移， 不能再作为位移基准点， 此时要首先确定测斜管顶端水平位移量 Dn， 再从上往下依次推算出各个深层的测点位移量 Dm:图 1便携式数字测斜仪工作原理Fig 1Working principle of portabledigital inclinometerDm= Dnni = m+1Lsini采集的测斜数据可以通过 Excel 软件生成直观明确
13、的数据曲线图及报表， 清楚地了解在桥涵施工中人工挖孔桩的内部深层位移情况， 预判施工的安全性， 降低施工及铁运风险。2桥涵施工概况本文研究对象是位于南京市六合区横梁镇某区段的宁启线下穿顶进涵施工， 现场采用 D24 型便梁加固既有铁路线进行施工顶进， 以 4 个人工挖孔桩支墩承载便梁， 挖孔桩支墩采用直径 1. 5m、 桩长13m， C30 混凝土支墩。在顶进开挖面一侧的左、 右人工挖孔桩中预埋 PVC 测斜管， 列车限速 40km/h，本项目为平改立工程， 改建为 1 9m 框架涵， 净高5. 1m， 本段为双绕段， =5 000m， 箱身长 19m， 立交箱身中心线与铁路中心线法线夹角为
14、32， 如图 2， 3所示; 框架涵箱身基底设计应力 max= 114. 5kPa。地下水较发育， 地下水位埋深为 0. 3 1. 2m， 主要是赋存于黏性土中的潜水， 由地表径流及大气降水补给。1) 地层岩性地表土层为素填土， 褐黄色， 厚约 1m; 第 2 层为粉质黏土层， 地基基本承载力为180kPa， 第 3 层为粉质黏土层， 地基基本承载力为200kPa， 厚约 3m， 该处涵洞基底位于第 3 层粉质黏土层。2) 水文地质条件地表水不发育， 仅局部水塘有水， 地下水为上部黏性土中孔隙潜水， 受大气降水补给， 水量一般， 水位随季节变化。3桥涵测斜技术探讨将便携式数字测斜仪应用于铁路营
15、业线桥涵顶进施工中， 体现出桥涵基坑开挖施工精细化管理的趋势， 测斜分层控制指标体现着过程控制的思想12 ， 与基坑变形系统过程的“预测控制再预42施工技术第 43 卷图 2桥涵顶进施工横断面Fig 2The cross section in bridge and culvertjacking construction图 3桥涵顶进施工测斜管布置Fig 3The layout of inclinometer tube in bridge andculvert jacking construction测再控制” 思想相同， 将挖孔桩变形控制从最终总量控制前移到过程控制， 更好地保护营业线轨道参数
16、正常及铁运施工安全。3. 1测斜管布置埋设及保护选用合理的测斜管布置位置至关重要， 是决定能否反映营业线铁轨变形情况的关键因素， 是整个监测项目及施工铁运预警预报成败的关键所在。在铁路营业线桥涵顶进施工中， 人工挖孔桩首当其冲， 由于受到周围土体的开挖剥离及营业列车静、动荷载的影响， 变形位移问题必然会发生， 因此将测斜管布置在能够及时反映变形情况的顶进面一侧的左、 右人工挖孔桩中， 有效地监测顶进施工中土体及铁轨的变形位移情况， 如图 3 所示。确定测斜管布置位置后， 正确稳定地埋设、 保护测斜管是营业线桥涵施工中的重中之重， 因为只有准确稳定、 内壁洁净的测斜管才能测出正确有效的数据， 才
17、能为施工提供正确的变形曲线图及指导建议。为了保护测斜管免于外界干扰及杂物的侵入等威胁， 应该做好以下工作: 测斜管下放之前，一定要检查底部封闭盖是否封盖严实牢固， 避免泥浆或混凝土侵入; 绑扎时， 使测斜管底部标高高于钢筋笼底部 0. 5m， 防止钢筋笼扎入硬岩， 损坏测斜管底部封闭盖; 将测斜管中互相垂直的导槽分别对向平行于铁轨方向和垂直于铁轨方向， 尽量减少测斜管的扭曲变形; 在钢筋笼吊装到位后， 应该逐层检查测斜管的方向， 确保导槽的方向; 分段测斜管连接部位应该密封处理， 并在浇筑混凝土过程中适时向管内注入清水， 防止泥浆或混凝土渗入， 同时减小测斜管变形; 测斜管连接、 截取和安放过
18、程中， 避免异物土屑等落入管内， 保证测斜仪探头沿导槽滑行顺畅; 测斜管埋设完成后， 其顶端高出挖孔桩支墩表面 20cm， 盖上醒目的红色塑料管盖， 防止周围道砟掉入管内， 有利于保护测斜管。3. 2变形机制与数据分析在营业线框架涵顶进施工土体开挖之前， 桩体周围的土体保持稳定不变， 此时左、 右人工挖孔桩只受到列车静、 动荷载影响， 如表 1 所示， 从左测斜管 A 方向( 平行于铁轨方向， 面向图 2 所示右侧) 前4 次测斜数据观察分析， 测斜管各个测深的数据都在减小， 但日平均变化位移值很小， 并且测斜管底部 9. 5m 深度位移基本保持稳定不变， 可视为基准起算点; 如表 2 所示，
19、 挖孔桩 0. 5m 测深处累计变化位移量为 4. 55mm， 变化速率为 1. 138mm/d; 挖孔桩 9. 5m 测深处累计变化位移量为 0. 70mm， 变化速率为 0. 175mm/d; 如图 4 所示， 测次 4 数据曲线基本是线性的， 这都说明测斜管底部起算点的稳定、 可靠性， 挖孔桩基本上是以底端为转轴向西发生直线刚体倾斜， 究其原因， 最大的变形机制可能是在施工期间， 该线路绝大多数列车都驶向东方，由于作用力与反作用力大小相等、 方向相反， 车轮给铁轨便梁一个反向摩擦力促使便梁带动挖孔桩向西发生倾斜， 但从数据可以看出， 挖孔桩倾斜量微乎其微， 说明列车静、 动荷载对挖孔桩及
20、轨道变形位移量影响很小， 人工挖孔桩的开挖浇筑并没有减弱施工地点原有土体的稳定性。在营业线框架涵顶进施工土体开挖后， 从第 4次测斜采集数据表明， 在开挖面到达便梁纵梁面之前， 护坡土体的顶进开挖并没有对人工挖孔桩 A 方向的倾斜造成巨大影响， 挖孔桩仍继续在营业线列车静、 动荷载影响下发生向西的微小倾斜; 但从第 5次测斜采集数据分析发现， 铁轨便梁下土体挖空后， 对挖孔桩造成了实质性巨大影响， 测斜数据表明左人工挖孔桩即使在列车反向动荷载的阻碍下，仍然开始向 A 方向正向( 东向) 发生明显位移， 即向铁轨便梁下的开挖面发生倾斜。从图 4 所示累计位移量曲线可以看出， 在铁轨便梁下土体开挖
21、完成后， 即第 5 次测量结果， 测次 5 数据曲线产生了一个明显的转折点， 该转折点位于测深 7m 左右， 7m2014 No 11任高峰等: 铁路营业线桥涵施工测斜技术研究及变形机制分析43表 1左测斜管 A 向测斜数据样本Table 1The data samples of left inclinometer tube for A directionmm测深/m测次 1( 未架设便梁前初始测量，2012- 05- 16)测次 2( 未架设便梁前隔天第 2 次测量，2012- 05- 17)测次 3( 便梁架设完成后测量，2012- 05- 18)测次 4( 顶进开挖面至纵梁处测量，201
22、2- 05- 19 上午)测次 5( 铁轨便梁下土体挖空时测量，2012- 05- 19 下午)0. 5148. 28146. 04144. 75143. 73159. 751. 0136. 99134. 60133. 53132. 35147. 621. 5127. 72125. 37124. 43123. 17136. 632. 0119. 50117. 22116. 32115. 01126. 272. 5110. 59108. 40107. 51106. 16115. 843. 0102. 52100. 4299. 6598. 22105. 963. 594. 5192. 4991.
23、8190. 3196. 244. 086. 7984. 8884. 2282. 6786. 844. 579. 7077. 9177. 2875. 6978. 025. 071. 4769. 7969. 2067. 5768. 875. 562. 4560. 9560. 3358. 6459. 496. 053. 6852. 3051. 7050. 0550. 526. 546. 1344. 9344. 3642. 7942. 437. 038. 1937. 1736. 6435. 1634. 567. 529. 2128. 4027. 8426. 5026. 168. 020. 6620.
24、1019. 5218. 3618. 148. 513. 8913. 4912. 9712. 0411. 959. 07. 727. 527. 006. 386. 409. 53. 383. 282. 862. 682. 72表 2左测斜管 A 向测次 4， 5 测斜累计位移量Table 2The accumulated amount of displacement of the fourth and fifth measurement for A directionmm测深/m0. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 54. 04. 55. 05. 56. 06. 57. 07.
25、58. 08. 59. 09. 5测次 44. 55 4. 64 4. 55 4. 49 4. 43 4. 30 4. 20 4. 12 4. 01 3. 90 3. 81 3. 63 3. 34 3. 03 2. 71 2. 30 1. 85 1. 340. 70测次 511. 4710. 638. 916. 775. 253. 441. 730. 051. 68 2. 60 2. 96 3. 16 3. 70 3. 63 3. 05 2. 52 1. 94 1. 320. 66图 4测次 4， 5 测斜数据累计位移量曲线Fig 4The accumulated amount of disp
26、lacementfor the fourth and fifth measurement以下的挖孔桩仍然以挖孔桩底部为转轴向背离 A向发生微小倾斜， 数据曲线基本上为线性; 而 7m 以上的挖孔桩则以 4 倍于 7m 以下的倾斜速率向 A 向开挖方向倾斜， 以 7m 处为转轴， 数据曲线也基本上为线性， 挖孔桩顶端 0. 5m 处最大累计位移量为11. 47mm， 并未达到预警值 20mm， 所以施工在安全可控范围内。究其变形机制， 7m 之所以为数据曲线图的转折点， 是因为预制框架涵的底部滑板水平位于挖孔桩 7m 深度的水平， 当铁轨便梁下的土体挖空后， 挖孔桩由于附近土体卸荷及应力重分布发
27、生折点倾斜， 虽然未达到预警位移值， 但此转折点会发生高应力集中现象， 在列车静、 动荷载及开挖影响下存在一定的折裂风险。3. 3施工预警及建议在任何施工中， 测量都只是一种手段， 而预警才是施工的本质， 施工需要预警来降低施工风险，而预警则需要测量数据来科学支撑。在本次营业线顶进涵施工中， 根据会审施工方案确定人工挖孔桩支墩表面累计水平位移变化预警值为 16mm， 因此测量累计位移量值小于预警值， 并未预警， 铁运施工处于安全可控范围内。但从图 4 中曲线深度分析发现， 7m 之所以为数据曲线图的转折点， 是因为预制框架涵的底部滑板水平位于挖孔桩 7m 深度的水平， 当铁轨便梁下的土体挖空后
28、， 挖孔桩由于附近土体卸荷及应力重分布发生折点倾斜， 虽然未达到预警位移值， 但此转折点会发生高应力集中现象， 在列车静、 动荷载及开挖影响下存在一定的折裂风险， 因此开挖时一定要在此水平挖孔桩周围附近保留一定厚度的土体， 阻挠挖孔桩的变形折裂、位移等现象， 提高施工安全性。由于人工挖孔桩支墩与土方基坑开挖之间的协调关系， 开挖速度必须适中， 速度过慢虽然保证44施工技术第 43 卷图 5铁路营业线桥涵施工测斜仪工作流程Fig 5The work flow of inclinometer in bridge and culvert construction on operating railw
29、ay line了防护体系及铁运的安全， 但对施工工期有很大影响， 增加了施工成本; 土体开挖速度过快虽然有效缩短了工期， 但由于未能充分掌握挖孔桩变形规律和趋势， 不能科学可靠地提供施工及轨道参数调整建议。在开挖面到达顶进侧挖孔桩时， 由于土体发生显著的应力释放卸荷现象， 挖孔桩势必会发生明显的变形位移， 此时必须加大测斜仪测量频率， 充分监测不同工况下挖孔桩的深层位移规律， 一旦列车经过、 观测值超出预警值或出现异常情况， 必须立刻停止开挖， 采取相应的应急预案或补救措施，严重时可请求停运列车， 直至观测值恢复正常后方可继续开挖及通车。在计算机 PC 端对数据进行对比计算分析， 可以清晰地发
30、现人工挖孔桩支墩在一定时间区间段内的倾斜方向及位移大小， 可间接计算出位移变化速率等参数; 数据的图表可视化分析包括数据曲线图， 从中可快速发现位移数据的极值、 变化速率、 变化趋势等，通过确定合理的测量频率， 实现对桥涵施工现场的可靠监测， 轨道参数的动态调整以及挖孔桩支墩稳定性的及时预警。研究人工挖孔桩变形位移与现场地质、列车静动载及土体开挖空间之间的内在关系， 及时对施工进行安全评估及提供调整建议， 实现施工科学化、 预警有据化、 铁运安全化。铁路营业线桥涵施工测斜仪工作流程如图5 所示。4结语1) 将便携式数字测斜仪应用到铁路营业线桥涵施工中， 并分别从测斜管的布置、 埋设、 数据处理
31、、 预警预报等方面进行探讨， 介绍了测斜仪的工作原理及应用， 总结人工挖孔桩在土体开挖过程中及列车静、 动荷载影响下的变形机制与位移规律，优化开挖施工方案。2) 通过对测斜仪监测数据进行曲线图表分析，确定了在土体开挖前， 挖孔桩支墩以挖孔桩底端为转轴向大多数列车行驶相反方向( B 方向) 发生微小线性倾斜， 倾斜方向平行于轨道线路方向。3) 在营业线桥涵施工土体开挖后， 挖孔桩在框架涵滑板水平产生折点， 下面部分以挖孔桩底端为转轴仍然向 B 方向发生缓慢线性倾斜， 上面部分以折点为转轴向土体开挖A 方向发生基本线性倾斜， 倾斜速率是挖孔桩在列车静、 动荷载单独影响下的 4 倍， 挖孔桩折点处产
32、生高应力集中现象， 弯矩最大。4) 提供施工调整建议及施工应急预案， 通过数据分析， 并没有超过预警标准， 但一旦达到预警应该加宽开挖面至挖孔桩的距离， 加大挖孔桩周围掩埋土体的厚度， 阻挠挖孔桩折点的变形折裂、 应力集中等现象， 提高施工安全性。5) 采取合适测量频率， 实现营业线桥涵支护体系的动态监测， 提供轨道参数调整数据及建议、 挖孔桩支墩稳定性的及时预警。实际应用表明， 本便携式测斜仪可以及时体现列车运营及土体开挖过程中挖孔桩的变形、 位移情况。参考文献:1周金保 浅议营业线施工中行车安全存在的问题及对策J郑铁科技， 2012( 1) : 43- 452雷鹏飞 人工挖孔桩在铁路营业线
33、施工防护中的应用J 科学之友， 2010( 3) : 45- 473高志华 构建和谐铁路 建设服务文化J 理论学习与探索， 2006( 6) : 27- 294谢桂娟， 李晓莉， 朱志春 深基坑测斜技术探讨J 测绘与空间地理信息， 2012， 35( 3) : 208- 210， 2165黄毅， 刘国彬， 张伟立， 等 基于远程监控管理系统的深基坑测斜数据分析J 岩土工程学报， 2008， 30( S1) : 461- 4646丁宁华 某工程深基坑土方开挖测斜规律分析J 江苏建筑， 2006( 6) : 59- 607陈开圣， 彭小平 测斜仪在滑坡变形监测中的应用J 岩土工程技术， 2006(
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