CN108960621B - 一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法，包括实时数据采集、数据整理、建立评价模型、数据复核和模型评价结果的步骤，对桥梁结构分区后通过光纤光栅传感器实时监测采集数据，能直观地描述变形的空间传递特征，然后通过数据整理计算出能反映出桥梁结构状况的数据，运用整理后的数据建立评价模型，并设置警示阈值，对于超过警示阈值的数据进行复核确认，防止出现误判，最后根据评价模型得到模型评价结果。本发明的监测与评价方法监测范围全面、精度高、稳定性好、效率高、成本低、监测设备使用寿命长，能实现自动远程监控，减小线上监测工作对营运高铁的干扰，适用于大型工程和需长期实时监测项目的敏感监测对象。
Description
技术领域
本发明属于工程建设安全的现场监测评价领域，尤其涉及一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法。
背景技术
隧道下穿高铁桥梁施工可能会对桥墩和梁体结构的安全产生不利影响，及时掌握桥梁结构健康状态是确保高铁运营安全的重要前提。高铁通过频率高、速度快，对线路的变形要求很高，运营高铁对梁轨上监测设备的布设有着严格的管理控制，具有高度敏感性。
在桥梁的常规监测中，多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等仪器设备。这些监测设备及方法一般具有点式测量特点，测点稀疏难以反映监测结果的规律，且受到现场光线视野遮挡的限制，难以实现对被测对象的全方位监控，并且不能实现实时监控。光纤传感器特点在于测量范围广、精度高，可以实时测量光纤上任意点的应变和温度信息，根据桥梁变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标，成本较低，使用寿命长。
传统光纤的铺设有两种方式：一种是粘贴式，另一种是植入式。粘贴式主要是采用专用的或是特制的粘合剂把光纤粘贴在被监测对象上；植入式就是在把光纤直接植入被监测对象，使光纤和被监测体成为一体。对于既有结构无法进行植入式铺设；对高铁桥梁等敏感建筑或结构物，采用粘贴式光纤铺设方式需要在监测对象上刻槽或定位，可能会造成对轨道板混凝土保护层的损伤，且粘合剂有污染轨道板的可能，另外，粘贴剂可能会因为环境温度的变化产生热胀冷缩从而对光纤监测结果产生系统误差。
现阶段，学者们对隧道下穿高铁桥梁施工力学研究较多，王树英、贾瑞华等人针对隧道施工对邻近桥梁结构的影响进行了研究，芮勇勤、朱逢斌等人针对隧道施工对邻近桥梁桩基的影响进行了研究等，上述方法能通过理论计算和数值仿真较好的预测和评价隧道施工对桥梁影响的趋势，但遗憾的是，现有研究大多基于简化和假设，与实际的变形和受力存在一定的误差，故如何高效的通过现场实测来监测评价隧道施工对桥梁的影响是本领域研究人员普遍关心和急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法，本发明的监测与评价方法能够高效的通过现场实测来监测评价隧道施工对桥梁的影响，且具有监测范围全面、监测精度高、稳定性好、效率高、成本低、监测设备使用寿命长等优点。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法，包括以下步骤，
S1、实时数据采集：根据桥梁结构将监测区域进行划分，划分后的各监测区域包括多个监测对象，在各监测对象上设有多个监测点，在各监测点上设置光纤光栅传感器进行实时数据采集，需要进行数据复核的监测点还设有沉降钉和倾斜仪；
S2、数据整理：采集各监测点在各时间下的应变数据，计算并记录应变变化值，然后计算出位移值或轨距变化值和轨道板沉降；
S3、建立评价模型：根据计算得到的位移值及轨距变化值和轨道板沉降的大小，划分多个模型评价区域，并根据划分的模型评价区域设置警示阈值；
S4、数据复核：对超过警示阈值的数据，使用精密水准仪和铟钢尺对相应的监测点进行测量和数据复核；
S5、模型评价结果：结合数据复核的结果，根据划分的模型评价区域将模型评价结果分为多类，针对每一类模型评价结果给出相应的结果评价。
上述的监测与评价方法，优选的，所述步骤S1中，将监测区域以桥梁梁体为界限划分为线上监测区域和线下监测区域两个部分，所述线上监测区域包括线路轨道板、桥梁梁体和站台，所述线路轨道板、桥梁梁体和站台处均设有光纤光栅传感器，所述线下监测区域包括桥墩底端和桥墩顶端，所述桥墩底端和桥墩顶端均设有光纤光栅传感器，所述桥墩底端和桥墩顶端还设有沉降钉和倾斜仪，所述沉降钉和倾斜仪的设置位置与光纤光栅传感器的设置位置相同。划分为线上监测区域和线下监测区域能够实现对桥梁结构全方位的监测，由于线下监测区域的变形直接影响线上监测区域的变形，分为线上和线下两个部分可以描述这种变形的空间传递特征，高铁桥梁的线上部分由于安全敏感、需要过车等原因采用常规的人工监测特别不方便，因此除了在报警的情况下主要依靠光纤光栅传感器进行自动化监测，高铁桥梁的线下部分在光纤光栅传感器监测的基础上还辅以人工监测，保证监测结果的准确性，同时还能节省铺设大量光纤的成本。
上述的监测与评价方法，优选的，采用光纤扣件进行光纤的铺设，所述光纤扣件包括套管压片、螺栓和螺母，所述螺栓钻入所述套管压片两侧的混凝土中，所述螺母分设于套管压片两侧的螺栓上，所述套管压片的两侧被所述螺母压紧固定于螺母与混凝土之间，所述螺栓上还设有用于调节套管压片紧固程度的垫片，光纤被固定于套管压片和混凝土之间。采用光纤扣件固定安装光纤方便，对于分布式光纤监测沿线每隔1米设置一个光纤扣件，光纤从套管压片中穿出，将光纤拉直，使光纤微微受力绷紧，并用垫片将套管压片紧固至适当程度，通过调节光纤扣件能使光纤底部紧密贴合于混凝土轨道板又不产生预压应力，避免产生测量系统误差，能获得更加精确可靠的数据，对轨道板影响小，适用于高铁桥梁。该光纤铺设方案可使结构受到外界荷载影响时将带动光纤发生同步变形，根据分布式的数据采集可得到桩身每一点的应变数据，可反映高铁桥的沉降和隆起，根据应变结合混凝土的弹性模量和截面面积可推算梁轨的轴力分布，根据截面两侧的轴力分布可反算梁轨受到的弯矩情况，根据每个截面的轴力和弯矩可反算出高铁桥梁每个截面的安全系数。
上述的监测与评价方法，优选的，光纤铺设之后根据施工的进度情况设定传感器测试的范围、频率、精度等参数，按照监测方案的要求进行数据的采集。对线下监测部分进行传统精密水准仪、铟钢尺和倾斜仪的复核监测。每一次数据采集都需要对光纤波谱等信息进行检查，对异常数据点进行修正并查明原因。
上述的监测与评价方法，优选的，所述步骤S2中，以光纤光栅传感器安装完成并读数稳定的时刻为基准记录初始数据，采集各监测点在各时间下的应变数据，通过公式Δεn＝εn-εn0计算各监测点的应变变化值，Δεn为各监测点处的应变变化值，εn为各监测点处的应变，εn0为各监测点处的应变初始值，n表示以开挖面距监测对象为顺序的各监测点的标号，通过公式Δln＝Δεn×ln计算位移值，Δln为桥墩和桥梁体位移值或站台变形位移值或轨距变化值和轨道板沉降，ln为各监测点在应变方向上的长度。
上述的监测与评价方法，优选的，所述步骤S3中，根据Δln值的大小划分A区、B区和C区三个模型评价区域；
对于桥墩和桥梁体变形，以桥墩和桥梁体位移值Δln来划分，当Δln＜1mm为A区，当1mm＜Δln＜2mm为B区，当Δln＞2mm为C区；
对于站台变形，以站台变形位移值Δln划分，当Δln＜2.5mm为A区，当2.5mm＜Δln＜4mm为B区，当Δln＞4mm为C区；
对于轨道平顺性，以轨距变化值和轨道板沉降Δln划分，当Δln＜0.5mm为A区，当0.5mm＜Δln＜1mm为B区，当Δln＞1mm为C区；
由于应变数据采集方便，位移值Δln又可以通过应变数据计算所得，同时位移值能够非常直观地反映出被监测对象的受力状态，因此选择Δln值来划分模型评价区域，在保证监测对象结构体系和周边环境安全的条件下，根据工程监测等级施工法、周围施工法、周围岩土特征结构特点以及设计计算结果对模型评价区域进行等级划分，通过等级更为直观地反映出各时间下高铁桥梁各处的受力状况，便于对其进行评价和分析。
上述的监测与评价方法，优选的，所述步骤S3中，警示阈值包括预警值和报警值，所述A区的上限为预警值，所述B区的上限为报警值；
上述的监测与评价方法，优选的，根据模型评价区域将模型评价结果分为A类、B类和C类三种类型；
落入模型评价区域中A区的为A类，对于A类高铁桥梁不需要采取保护措施；
落入模型评价区域中B区的为B类，对于B类高铁桥梁虽然处于变形允许状态，但可能会发生超过允许值的变形，必须加强测量和监控，采取相应的整治方案；
落入模型评价区域中C区的为C类，对于C类高铁桥梁处于危险状态，须采取相应的整治方案。
上述的监测与评价方法，优选的，对于所述B类模型评价结果，包括以下整治方案，改进盾构掘进方案，优化掘进参数，以减小地层损失。
上述的监测与评价方法，优选的，对于所述C类模型评价结果，包括以下整治方案，要求盾构隧道停工，桥上高铁降速处理，在采取地层加固保护措施和改进盾构掘进方案后，恢复盾构隧道施工。
上述的监测与评价方法，优选的，所述改进盾构掘进方案和优化掘进参数包括改变盾构掘进模式、出土量控制和注浆控制。改变盾构掘进模式选优的是将盾构掘进模式改为全土压平衡模式，将被刀具切削下来的土体充满土仓，利用这种土压与作业面的土压与水压平衡，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，有效控制开挖面稳定，在出渣平衡的情况下不易引起地层沉降与隆起；出土量控制优选的是在盾构掘进过程中的出渣量进行过程控制，按照理论计算每掘进约16.3cm即出1斗渣土，盾构掘进过程中，螺旋机的出渣速度和推进速度相互匹配，控制每环掘进出渣量在9～10斗左右，以此为标准检查推进过程中是否有超挖或出渣过多的情况，如有出渣过量则及时调整推进参数和螺旋机出渣速度；注浆控制优选的是针对高铁桥隆起，降低注浆压力和注浆量，针对高铁桥沉降，改善浆液质量，加快浆液凝固时间，采用双液注浆工艺，及时足量注浆。
上述的监测与评价方法，优选的，所述地层加固保护措施包括根据地质情况夯实地层，选用袖筏管注浆加固、旋喷桩、搅拌桩等施工方法，加固顺序从加固范围的外圈开始加固，使外圈能首先形成一圈保护加固土体，然后向里圈施工对桩基的影响会降至最低。
上述的监测与评价方法，优选的，还包括将实时采集的数据、整理后的数据、数据对应的模型评价区域和模型评价结果信息通过网络传输至客户端的步骤，通过编制无线监测子系统实现自动化数据采集和数据分析，可以迅速地获得高铁桥梁线上轨道板或轨枕道床拉压应变、桥墩倾斜、桥墩沉降二维位移分布及其变化规律，满足实时监测的需要，并能将结果以客户端的形式及时准确地反馈于施工方。
上述的监测与评价方法，优选的，客户端为手机、平板电脑或PC机。客户端安装方便，适用平台范围广，通过网络将监测数据及评价信息与客户端PC机或者移动设备连接在一起，实现远程监控，同时结合数据分析程序可开发出可视化实时监控系统和变形预警系统以及结构健康诊断及施工建议系统。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法包括实时数据采集、数据整理、建立评价模型、数据复核、模型评价结果等步骤，根据桥梁结构分区后通过光纤光栅传感器对各个监测点进行实时监测采集数据，由于是根据桥梁结构进行分区，因此可以直观地描述变形的空间传递特征，且监测范围全面、精度高、稳定性好、效率高、成本低，监测设备使用寿命长，数据整理过程能将测量的应变数据转化为能直观反映出桥梁结构状况的数据，运用整理后的数据建立评价模型，并设置警示阈值，对于超过警示阈值的数据进行复核确认，防止出现误判，最后根据评价模型得到模型评价结果，并针对每一类评价结果给出施工建议，本发明的监测与评价方法能实现自动远程监控，减小线上监测工作对营运高铁的干扰，适用于大型工程和需长期实时监测项目的敏感监测对象，相比于使用简化假设模型来进行理论计算和数值仿真，现场实时监测能更为真实直观地反映隧道施工对桥梁的影响。
附图说明
图1为实施例中桥梁监测与评价方法的流程图。
图2为实施例中光纤扣件的结构示意图。
图3为实施例中光纤铺设的结构示意图。
图例说明：
1、套管压片；2、螺栓；3、螺母；4、垫片；5、光纤。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
以广州某城际铁路盾构隧道下穿某废弃高铁桥梁为例：某城际铁路盾构施工从某路下高架桥孔间穿过，埋深13.3～15.7m，洞身地层主要为强风化和弱风化含沙泥岩，遇水容易软化，上覆土主要为粉细砂层及黏土层，盾构段采用两台土压平衡盾构机开挖，直径为8.84m。某城际铁路盾构施工下穿高架桥段长度约330m，下穿2座废弃高铁桥梁。隧道外边线离桥下桩基最近距离为6.78m。
本实施例的盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法，如图1所示，包括以下步骤，
S1、如表1所示，将监测区域以桥梁梁体为界限划分为线上监测区域和线下监测区域两个部分，线上监测区域包括线路轨道板、桥梁梁体和站台，线路轨道板、桥梁梁体和站台处均设有光纤光栅传感器，站台采用光纤扣件的扣件式固定方式设置基于布里渊光纤传感技术的分布式光纤光栅传感器，线下监测区域包括桥墩底端和桥墩顶端，桥墩底端和桥墩顶端设置静力水准光纤光栅传感器监测点，并在相同的监测点位置设置传统的沉降钉和倾斜仪，便于采用精密水准仪、铟钢尺复核；
表1本实施例的桥梁的监测内容表
如图2和图3所示，本步骤中采用光纤扣件进行光纤5铺设，光纤扣件包括套管压片1、螺栓2和螺母3，螺栓2钻入套管压片1两侧的混凝土中，螺母3分设于套管压片1两侧的螺栓2上，套管压片1的两侧被螺母3压紧固定于螺母3与混凝土之间，螺栓2上还设有用于调节套管压片1紧固程度的垫片4，光纤5被固定于套管压片1和混凝土之间；通过调节光纤扣件能使光纤5底部紧密贴合于混凝土轨道板又不产生预压应力，避免产生测量系统误差，能获得更加精确可靠的数据，适用于本实施例的高铁桥梁；
S2、以光纤光栅传感器安装完成并读数稳定的时刻为基准记录初始数据，采集各监测点每一天的应变数据，通过公式Δεn＝εn-εn0计算各监测点的应变变化值，Δεn为各监测点处的应变变化值，εn为各监测点处的应变，εn0为各监测点处的应变初始值，n表示以开挖面距监测对象为顺序的各监测点的标号，通过公式Δln＝Δεn×ln计算位移值，Δln为桥墩和桥梁体位移值或站台变形位移值或轨距变化值和轨道板沉降，ln为各监测点在应变方向上的长度；
S3、根据Δln值的大小划分A区、B区和C区三个模型评价区域；
对于桥墩和桥梁体变形，以桥墩和桥梁体位移值Δln来划分，当Δln＜1mm为A区，当1mm＜Δln＜2mm为B区，当Δln＞2mm为C区；
对于站台变形，以站台变形位移值Δln划分，当Δln＜2.5mm为A区，当2.5mm＜Δln＜4mm为B区，当Δln＞4mm为C区；
对于轨道平顺性，以轨距变化值和轨道板沉降Δln划分，当Δln＜0.5mm为A区，当0.5mm＜Δln＜1mm为B区，当Δln＞1mm为C区；
根据划分的三个模型评价区域设置警示阈值，警示阈值包括预警值和报警值，所述A区的上限为预警值，所述B区的上限为报警值；
S4、对超过预警值和报警值的数据，使用精密水准仪和铟钢尺对相应的监测点进行测量和数据复核；
S5、根据模型评价区域将模型评价结果分为A类、B类和C类三种类型；
落入模型评价区域中A区的为A类，对于A类高铁桥梁不需要采取保护措施；
落入模型评价区域中B区的为B类，对于B类高铁桥梁虽然处于变形允许状态，但可能会发生超过允许值的变形，必须加强测量和监控，采取以下整治方案：改进盾构掘进方案，优化掘进参数，以较小地层损失；
落入模型评价区域中C区的为C类，对于C类高铁桥梁处于危险状态，须采取以下整治方案：要求盾构隧道停工，桥上高铁降速处理，在采取地层加固保护措施和改进盾构掘进方案后，恢复盾构隧道施工。
本实施例中，实时采集的数据、整理后的数据、数据对应的模型评价区域和模型评价结果信息均通过网络传输至客户端。
表2为本实施例的盾构隧道施工通过某废弃高铁桥序号4轨道部分拉伸变形的监测数据整理后的数据整理表，从表从可以得到11月18日和11月19日，线上轨道板LS8-1和LS8-3两个监测点的累积沉降值超过0.5mm，该高铁桥处于B类，虽然处于变形允许状态，但可能会发生超过允许值的变形，光纤实时反应出预警后，立即安排人员通过传统精密水准仪、铟钢尺和倾斜仪对监测点进行复核监测，验证数据的准确性后及时向施工单位提出安全预警，及时将盾构掘进模式改为土压平衡模式，将被刀具切削下来的土体充满土仓，利用这种土压与作业面的土压与水压平衡，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，有效控制开挖面稳定，在出渣平衡的情况下不易引起地层沉降与隆起，控制盾构掘进出土量，调整注浆压力和注浆量，改善浆液质量，加快浆液凝固时间，以防止过大变形对高铁桥和线上高铁的通行造成重大影响。
表2实施例中轨道拉伸变形的数据整理表
本实施例的桥梁监测与评价方法，全方位实时的反馈了盾构隧道下穿对高铁桥梁的在变形和受力方面的影响，保障了隧道下穿高铁桥施工期间的安全性，保证了工程的顺利进行。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种盾构隧道施工下穿高铁桥梁的桥梁监测与评价方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、实时数据采集：根据桥梁结构将监测区域进行划分，划分后的各监测区域包括多个监测对象，在各监测对象上设有多个监测点，在各监测点上设置光纤光栅传感器进行实时数据采集，需要进行数据复核的监测点还设有沉降钉和倾斜仪；
S2、数据整理：采集各监测点在各时间下的应变数据，计算并记录应变变化值，然后计算出位移值或轨距变化值和轨道板沉降；
S3、建立评价模型：根据计算得到的位移值及轨距变化值和轨道板沉降的大小，划分多个模型评价区域，并根据划分的模型评价区域设置警示阈值；
S4、数据复核：对超过警示阈值的数据，使用精密水准仪和铟钢尺对相应的监测点进行测量和数据复核；
S5、模型评价结果：结合数据复核的结果，根据划分的模型评价区域将模型评价结果分为多类，针对每一类模型评价结果给出相应的结果评价；
所述步骤S2中，以光纤光栅传感器安装完成并读数稳定的时刻为基准记录初始数据，采集各监测点在各时间下的应变数据，通过公式Δεn＝εn-εn0计算各监测点的应变变化值，Δεn为各监测点处的应变变化值，εn为各监测点处的应变，εn0为各监测点处的应变初始值，n表示以开挖面距监测对象为顺序的各监测点的标号，通过公式Δln＝Δεn×ln计算位移值，Δln为桥墩和桥梁体位移值或站台变形位移值或轨距变化值和轨道板沉降，ln为各监测点在应变方向上的长度；
所述步骤S3中，根据Δln值的大小划分A区、B区和C区三个模型评价区域；
对于桥墩和桥梁体变形，以桥墩和桥梁体位移值Δln来划分，当Δln＜1mm为A区，当1mm＜Δln＜2mm为B区，当Δln＞2mm为C区；
对于站台变形，以站台变形位移值Δln划分，当Δln＜2.5mm为A区，当2.5mm＜Δln＜4mm为B区，当Δln＞4mm为C区；
对于轨道平顺性，以轨距变化值和轨道板沉降Δln划分，当Δln＜0.5mm为A区，当0.5mm＜Δln＜1mm为B区，当Δln＞1mm为C区。
2.根据权利要求1所述的监测与评价方法，其特征在于：所述步骤S1中，将监测区域以桥梁梁体为界限划分为线上监测区域和线下监测区域两个部分，所述线上监测区域包括线路轨道板、桥梁梁体和站台，所述线路轨道板、桥梁梁体和站台处均设有光纤光栅传感器，所述线下监测区域包括桥墩底端和桥墩顶端，所述桥墩底端和桥墩顶端均设有光纤光栅传感器，所述桥墩底端和桥墩顶端还设有沉降钉和倾斜仪，所述沉降钉和倾斜仪的设置位置与光纤光栅传感器的设置位置相同。
3.根据权利要求2所述的监测与评价方法，其特征在于：采用光纤扣件进行光纤(5)的铺设，所述光纤扣件包括套管压片(1)、螺栓(2)和螺母(3)，所述螺栓(2)钻入所述套管压片(1)两侧的混凝土中，所述螺母(3)分设于套管压片(1)两侧的螺栓(2)上，所述套管压片(1)的两侧被所述螺母(3)压紧固定于螺母(3)与混凝土之间，所述螺栓(2)上还设有用于调节套管压片(1)紧固程度的垫片(4)，光纤(5)被固定于套管压片(1)和混凝土之间。
4.根据权利要求1所述的监测与评价方法，其特征在于：所述步骤S3中，警示阈值包括预警值和报警值，所述A区的上限为预警值，所述B区的上限为报警值。
5.根据权利要求4所述的监测与评价方法，其特征在于：根据模型评价区域将模型评价结果分为A类、B类和C类三种类型；
落入模型评价区域中A区的为A类，对于A类高铁桥梁不需要采取保护措施；
落入模型评价区域中B区的为B类，对于B类高铁桥梁虽然处于变形允许状态，但可能会发生超过允许值的变形，必须加强测量和监控，采取相应的整治方案；
落入模型评价区域中C区的为C类，对于C类高铁桥梁处于危险状态，须采取相应的整治方案。
6.根据权利要求5所述的监测与评价方法，其特征在于：对于所述B类模型评价结果，包括以下整治方案，改进盾构掘进方案，优化掘进参数，以减小地层损失。
7.根据权利要求5所述的监测与评价方法，其特征在于：对于所述C类模型评价结果，包括以下整治方案，要求盾构隧道停工，桥上高铁降速处理，在采取地层加固保护措施和改进盾构掘进方案后，恢复盾构隧道施工。
8.根据权利要求5所述的监测与评价方法，其特征在于：还包括将实时采集的数据、整理后的数据、数据对应的模型评价区域和模型评价结果信息通过网络传输至客户端的步骤。
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