高铁工程沉降测量方法与数据处理研究
引言
高铁客运专线无碴轨道对工程的工后沉降要求严、标准高，要求线下工程工后沉降和差异沉降必须满足铺设无碴轨道的需要，工后沉降的预测是以施工中的沉降变形观测数据为基础，通过统计拟合分析来实现的。而沉降观测及其分析评估作为沉降控制的核心和关键，是判定线下工程工后沉降是否达到设计预期值的唯一依据，也是决定无碴轨道铺设时间的关键。 为加强线下工程沉降变形观测的管理，保证顺利、有效地完成施工期的沉降变形观测工作，准确预测线下工程的工后沉降量，确保工程质量，依据《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估指南》、《客运专线无碴轨道铁路工程测 量暂行规定》（铁建设【2006】189号）、《大西客专（原平至西安段）线下工程沉降变形观测及评估方案》等标准制定本测量与数据处理方法。 1 概述 大同至西安铁路客运专线（大西高铁）是国家《中长期铁路网规划》的重要组成部分，线路北起山西省大同市，自北向南贯穿山西省中部，向南经山西省朔州市、忻州市、太原市、晋中市、临汾市、运城市，在山西永济市跨黄河进入陕西省渭南市，经临潼至西安。 运城至西安段客运专线，东起山西省运城市，向西于永济跨越黄河天堑，经大荔、渭南等县市分别跨越洛河、渭河，西至西北门户西安市。正线长度211.07km（运城北站至西安北站中心），线路行经晋、陕两省的晋南地区与关中平原东部。本项目北端与南同蒲通道相连接，向北可经太原直达首都北京及华北地区，西端通过西安枢纽直达西南、西北（川、渝、兰州）腹地。是西安-太原-大同快速铁路通道的组成部分。 2沉降观测的内容及要求 2.1沉降观测的内容 2.1.1路基 1）路堤：根据不同的路基高度和地基条件，路基沉降观测的主要内容有：路基面沉降观测；路基基底沉降观测；路基两侧路肩沉降观测；路基两侧坡脚沉降观测。 2）路堑：根据不同的路基高度和地基条件，路基沉降观测的主要内容有：路基面的沉降观测；路基基底沉降观测；路基两侧路肩的沉降观测。 根据过渡段的设计形式，沉降观测的主要内容有：路桥过渡段沉降观测；路堤与涵洞过渡段沉降观测；路堤与路堑过渡段沉降观测。 1）桥梁：根据不同的桥梁高度和地基条件，桥梁沉降观测的主要内容有：承台的沉降变形观测；墩身沉降变形观测。 2）徐变：预应力混凝土梁的徐变上拱变形沉降观测。 3）涵洞：根据涵洞的设计形式，沉降观测的主要内容有：涵洞自身的沉降观测外，涵洞顶填土的沉降观测。 2.2沉降观测网的主要技术要求 表2-1沉降观测精度 Tab.2-1 Settlement observation accuracy 垂直位移测量 变形观测点的高程中误差/mm ±0.5 相邻变形观测点的高程中误差/mm ±0.3 表2-2沉降变形观测网的主要技术要求 Tab.2-2 Requirements of the settlement observation network 等级 相邻基准点高差中误差/mm 每站高差中误差/mm 往返较差、附合或环线闭合差/mm 监测已测高差较差/mm 二等 1.0 0.3 3观测点布置 3.1路基观测断面的布置原则 一般情况下沿线路方向间隔不大于50m布设一个观测断面，地基条件复杂、地形起伏大应适当加密，25m布设一个断面。一个沉降观测单元（连续路基沉降观测区段为一个单元）应不少于2个观测断面。 3.2过渡段观测断面的布置原则 3.3桥涵观测点的布置原则 1）岩石地基、嵌岩桩基础的桥涵基础沉降可选择典型墩(台)、涵进行观测；对原材料变化不大、预制工艺稳定、批量生产的预应力混凝土预制梁，徐变变形观测可每30孔选择I孔进行；其余桥梁变形观测应逐跨、逐墩(台)布置测点，涵洞应逐个布置。 2）桥梁墩台观测点布置可在墩顶、墩身或承台上布置，每个墩台的测点总数不应少于4个。 4沉降观测方案设计 4.1路基沉降观测 4.1.1沉降观测元件的埋设 图4-1 路基面沉降观测桩参考图（单位：mm） Fig.4-1 Subgrade settlement observation pile reference surface (unit: mm) 观测频次要求见表4-1要求。 表4-1 路基沉降观测频次 Tab.4-1 Frequency of settlement observation to the road 观测阶段 观测频次 填筑或堆载 一般 1次/天 沉降量突变 2～3次/天 两次填筑间隔时间较长 1次/3天 堆载预压或 路基施工完毕 第1个月 1次/周 第2、3个月 1次/10天 6个月以后 1次/月 冬季：冻结期与冻融期 观测频次比平常期增加一倍 第2、3个月 1次/月 3～12个月 1次/3月 4.2过渡段沉降观测 4.3桥涵沉降变形观测 a. bridge piers b. culvert 图4-2 沉降观测点布设示意图 Fig.4-2 Schematic of settlement observation Points 2）预应力混凝土梁徐变上拱变形观测点设置在箱梁四个支点和跨中截面两侧腹板梁顶处，每孔梁的测点数应不少于6个。 4.4技术要求 依据水准测量规范和本单位实际情况，本次水准测量外业观测采用瑞士生产的莱卡DNA型电子水准仪及配套一对因瓦条形码水准尺进行测量。仪器标称精度为每公里观测高差中误差0.3mm。仪器使用前须经仪器检定部门鉴定合格。沉降观测采用二等水准测量，观测精度不低于1mm，读数取位至0.1mm。 4.5作业方法 二等水准测量采用单路线往返观测，且测站数为偶数，水准测量观测程序是： 往测观测顺序是：前视基本分划——后视基本分划——后视辅助分划——前视辅助分划 返测时，观测顺序与往测时相反，是“后前前后”[9]。 5 观测资料的整理 1）沉降观测资料表格 沉降观测资料表格有：工点沉降观测断面、点布置表；沉降板观测资料汇总表；路基面沉降观测资料汇总表；剖面沉降管测试资料汇总表；桥梁墩台沉降观测汇总表；涵洞沉降观测汇总表；桥梁梁部徐变观测汇总表[11]。 2）观测点的平面、纵断面和横断面布置图，控制点平面布置图。 3）标石、标志规格及埋设图，仪器检测及校正资料。 4）观测记录本（簿）。 5）平差计算、成果质量评定资料及测量成果表。 6）沉降变形过程及变形图表。 7）沉降变形评估分析成果资料。 6沉降观测结果的分析与评估 6.1路基 路基沉降在荷载保持稳定条件下的地基沉降可用下列两种曲线来拟合： 双曲线： 指数曲线： 检验监测数据与拟合的沉降双曲线之间趋势的符合性。当两者之间的相关关系r，满足相关系数r 0.92时为“优”。当间隔不少于3个月的两次预测最终沉降的差值不应大于8mm，认为预测 的稳定性达到了“优”。当预测的时间满足条件 时，预测才是准确的。 式中：S(t)：预测时的沉降观测值； S(t=∞)：时间t时预测的最终沉降值 6.2过渡段 过渡段工后沉降的分析评估应沿线路方向考虑各观测断面和各种结构物之间的关系综合进行。对线路不同下部基础结构物之间以及不同地基条件或不同地基处理方法之间形成的各种过渡段，应重点分析评估其差异沉降。过渡段不同结构物间的预测差异沉降不应大于5mm，预测沉降引起沿线路方向的折角不应大于1/1000。 6.3桥涵 1）桥涵基础沉降分析评估应采用曲线回归法。对于预制梁桥，基础沉降应按墩台混凝土施工后、架梁前、后三阶段进行；对于原位施工的桥梁及涵洞，基础沉降应根据实际施工状态及荷载变化情况，划分多个阶段。 ①根据桥涵实际荷载情况及观测数据，应作多个阶段的回归分析及预测，综合确定沉降变形的趋势，曲线回归的相关系数应不低于0.92。首次回归分析时，观测期不应少于桥涵主体工程完工后3个月，对于岩石地基等良好地质的桥涵不应少于30天。 ②利用两次回归结果预测的最终沉降的差值不应大于8mm。两次预测的时间间隔一般不少于3个月，对于岩石地基等良好地质的桥涵不应少于30天。 ③桥梁主体结构完工至无碴轨道铺设前，沉降预测的时间应满足以下条件： 式中：S(t)：预测时的沉降观测值； S(t=∞)：时间t时预测的最终沉降值 2）设计预测的总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量之差不宜大于10mm。 3）处于岩石地基等良好地质的桥涵，当墩台沉降值趋于稳定且沉降总量不大于5mm时，可判定沉降满足无碴轨道铺设条件。 6.4预应力混凝土桥梁 预应力混凝土桥梁上部结构的变形要求： 1）终张拉完成时，梁体跨中弹性变形不宜大于设计值的1.05倍； 2）扣除各项弹性变形，终张拉2个月后，跨中徐变上拱：L 50m时，不应大于7mm；L 50m时，不应大于L/5000或20 mm。 3）不能满足上述要求时，应根据梁体变形的实测结果，确定梁体的实际弹性变形计徐变变形系数，并按下式估算无碴轨道的最早铺设时间t： 式中： Φ(∞)－根据实测结果确定的混凝土徐变系数终极值； Φ(t)－根据实测结果确定的铺设无碴轨道时混凝土徐变系数； ―实测梁体终张拉后的弹性变形； 4）预测的涵洞工后沉降量不应大于15mm。 7结论 安全是铁路永恒的主题，我国客运专线建设由于地质条件复杂，面临的问题较多，尤其是如何有效预测工后沉降长期困扰着工程界。因此，科学、有效地分析和预测线下工程工后沉降量是无碴轨道铺设的关键环节。 随着国民经济的发展，我国在未来的五年内还将继续在高速铁路建设上会持续加大比重。为了确保高速铁路的运行安全，沉降观测显得尤为重要。我国的沉降观测技术基本发育成熟，但是尚有不足之处，这就需要我们测量人员不断改革，技术创新，并积极借鉴国外先进的理论技术，总结经验教训，以完善自我。