武廣鐵路客運專線路基沉降監(jiān)測技術(shù)及元器件埋設(shè)方法

賀胡國

(中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司,西安 710054)

1 概述

無砟軌道的出現(xiàn)對我國傳統(tǒng)鐵路設(shè)計、施工、檢測、養(yǎng)護維修提出了新的挑戰(zhàn),在許多方面深化和改變了傳統(tǒng)的設(shè)計觀念和思想。由于普通鐵路路基工程是按強度破壞設(shè)計的,而無砟軌道路基的主要控制因素是變形問題。無砟軌道路基在達到強度破壞之前,可能已出現(xiàn)不允許的過量變形。因而無砟軌道路基在設(shè)計、施工、檢測等方面必須比普通鐵路有較大的改善和提高。對無砟軌道路基進行沉降監(jiān)測的儀器和方法隨著工業(yè)化的發(fā)展在不斷地發(fā)生變化,總的趨勢是快速、準確地滿足施工的需要。

2 武廣鐵路客運專線路基沉降監(jiān)測原則及元器件埋設(shè)方法

客運專線無砟軌道路基變形控制十分嚴格,在設(shè)計使用年限內(nèi)工后沉降一般不應(yīng)超過15 mm,路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm,過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000,以免引起列車與線路劇烈地相互作用及線路頻繁的養(yǎng)護維修。根據(jù)路基填筑高度、壓縮層厚度、路基填料類型以及填筑原地面的坡度來進行路基沉降監(jiān)測類型的選擇。無砟軌道路基施工中應(yīng)進行沉降變形動態(tài)監(jiān)測,在路基完成或施加預(yù)壓荷載后應(yīng)有6～18個月的觀測和調(diào)整期,分析評估沉降穩(wěn)定滿足無砟軌道鋪設(shè)要求后方可鋪設(shè)無砟軌道。武廣鐵路客運專線在路塹基床(主要為土質(zhì)路塹、全風(fēng)化層)和路堤基底、填筑層、路基面布置監(jiān)測點,構(gòu)筑縱橫向立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。下面對武廣鐵路客運專線采用的幾種監(jiān)測方法的結(jié)構(gòu)形式和工作原理作一簡單介紹,并根據(jù)監(jiān)測實際情況提出幾點建議。

2.1 路基面沉降樁

對于基底壓縮層較簿且填筑不高的路堤及路塹地段,以路基面沉降監(jiān)測為主,主要在路基面布設(shè)沉降監(jiān)測樁進行路基沉降監(jiān)測。

(1)元器件埋設(shè)(圖1)

采用φ20 mm底端帶彎頭的鋼筋,鋼筋原長不小于40 cm,底部做成帶彎鉤狀。一般路基填筑至基床表層頂面,加載預(yù)壓路堤填筑到基床底層頂面后,挖坑埋置于設(shè)計位置,坑深30 cm,邊長15 cm,采用砂漿澆筑固定。采用水準儀按國家一等精密水準測量方法測量沉降監(jiān)測樁高程變化。

圖1 沉降樁示意(單位：mm)

(2)數(shù)據(jù)采集

以加密后的工作基點為控制點,以沉降板、沉降樁為待測點,進行閉合或符合水準導(dǎo)線或網(wǎng)測量。采用標稱精度為0.4 mm/km的電子水準儀及配套的銦鋼條碼尺進行測量,遇到轉(zhuǎn)點時應(yīng)用2.5 kg尺墊作為轉(zhuǎn)點,且尺墊要用腳踩實,防止下沉。測量中前后視距不大于50 m,且前后視距差不大于1.0 m,在任意一點上前后視距差累計不大于3.0 m。每一閉合環(huán)或符合導(dǎo)線最終測站數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。采用奇數(shù)站后-前-前-后,偶數(shù)站前-后-后-前的方法進行測量。

2.2 沉降板

用于測試基底沉降。由鋼底板、金屬測桿(φ40 mm厚壁鍍鋅鐵管)及保護套管(直徑不小于φ75 mm、壁厚不小于4 mm的硬PVC管)組成,鋼底板尺寸為50 cm×50 cm,厚1 cm；具體按設(shè)計圖樣焊接組裝(圖2)。采用水準儀按國家一等精密水準測量方法測量沉降板高程變化。

圖2 沉降板示意(單位：cm)

(1)埋設(shè)要求

①沉降板埋設(shè)位置應(yīng)按試驗設(shè)計測量確定,沉降板埋在褥墊層頂部并嵌入其內(nèi)10 cm,采用中粗砂回填密實,再套上保護套管,保護套管略低于沉降板測桿,上口加蓋封住管口,并在其周圍填筑相應(yīng)填料穩(wěn)定保護套管,完成沉降板的埋設(shè)工作。

②采用水準儀，按國家一等精密水準測量方法測量埋設(shè)就位的沉降板測桿桿頂高程作為初始讀數(shù),隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測桿和保護套管,每次接長高度以1 m為宜,接長前后測量桿頂高程變化量確定接高量。金屬測桿用內(nèi)接頭連接,保護套管用PVC管外接頭連接。

沉降觀測：沉降觀測采用水準儀進行，利用底座位置的變化來測定土體的垂直位移，即當土體發(fā)生沉降或隆起時,埋設(shè)在土中的底座或沉降樁也跟隨一道移動,測定觀測桿、沉降樁的頂面高程,即可推算出待測點的沉降值。

(2)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集方法見沉降樁。

2.3 單點沉降計

在路基壓縮層較厚(≥20 m)處,為測試基底沉降、或路基填料為改良土?xí)r或基底為膨脹土?xí)r為測試隆起值,采用單點沉降計。單點沉降計是一種埋入式電感調(diào)頻類智能型位移傳感器,由電測位移傳感器、測桿、錨頭、錨板及金屬軟管和塑料波紋管等組成。采用鉆孔引孔埋設(shè),鉆孔孔徑φ108 mm,鉆孔垂直,孔深應(yīng)與沉降儀總長一致,孔口應(yīng)平整。

(1)埋設(shè)要求

①當?shù)鼗捎脴短幚頃r,單點沉降計應(yīng)埋置于樁間形心處。

②采用鉆孔引孔埋設(shè),鉆孔孔徑φ108 mm,鉆孔垂直,孔深應(yīng)與沉降儀總長一致,應(yīng)達到硬質(zhì)穩(wěn)定層(最好為基巖),孔口應(yīng)平整密實。

③安裝前先在孔底灌漿,固定底端錨板。

④沉降計安裝時,錨板朝下,法蘭沉降板朝上,注意要用拉繩保護以防止元件自行掉落,采用合適方法將沉降計底端錨板壓至設(shè)計深度。

⑤每個測試斷面埋設(shè)完成后,將位移計導(dǎo)線用鋼絲波紋管保護好后引出,且應(yīng)挖槽集中從一側(cè)引出路基,引入坡腳觀測箱內(nèi),注意導(dǎo)線應(yīng)適當松弛。

⑥元件埋入之前應(yīng)采取措施保證孔徑滿足安裝要求,一般埋設(shè)完成后3～5 d待縮孔完成后測試初讀數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)采集

采用測試儀,測試每次的絕對沉降量和相對沉降量,不同時期測量的數(shù)據(jù)之差,為該段時間該點的沉降。

2.4 靜力水準儀

靜力水準儀主要用于測試路橋過渡段的不均勻沉降。靜力水準儀是一種電感調(diào)頻類智能型位移傳感器,由多個精密液位計組成。安裝時將多個液位計設(shè)置在被測點,一個精密液位計設(shè)置在不動點,并用連通管連接。

(1)埋設(shè)安裝(圖3)

圖3 靜力水準儀現(xiàn)場安裝

①布點：根據(jù)設(shè)計方案,確定好水平基點(相對不動點)、沉降觀測點。在橋臺上先用M10膨脹螺栓安裝專用的安裝支架,并用水平尺調(diào)平,使其安裝平面處于水平作為水平基點,如圖4所示。

圖4 埋入式靜力水準儀安裝示意(單位：mm)

若沉降觀測點已經(jīng)填實,則需把沉降觀測點挖深至所需的安裝深度。一般要求觀測點與基準點高程一致(即在同一水平面上),基準點也可略低于沉降觀測點(一般為全量程的60%左右),即使基準點的液位傳感器的讀數(shù)處于全量程的80%左右,而被測點的液位傳感器處于全量程的20%左右,以充分利用其量程范圍。如圖5所示。

圖5 埋入式靜力水準儀典型安裝方式

在沉降觀測點應(yīng)用混凝土澆筑出可供安裝的固定平臺(用水平尺調(diào)水平),可預(yù)埋4個M10地腳螺栓或打入4個M10膨脹螺栓,以便固定安裝儀器。

②根據(jù)各測試點的距離,準備好適當長度的液管、氣管、PVC鋼絲軟管,長度應(yīng)比安裝距離略長(一般長10%),以保證在沉降過程中有一定自由延展,防止連通管被拉脫。將各點之間用密封接頭連通,并保證密封。

③在灌液前先把灌液口堵頭打開,往高端灌入防凍液使其有一定高低差以利于流動,另一端則排氣(注意只允許從選定的高端灌注防凍液,以利于連通管內(nèi)的空氣排盡)。灌注好防凍液后,用纏好密封生料帶的堵頭把灌液口、排氣口堵住完全封閉。在安裝點用M10螺母將儀器固定,并用水平尺調(diào)平。同時應(yīng)將放置連通液管、氣管的溝槽布置好,并澆筑混凝土以保護連通管。

④在灌液的同時應(yīng)用綜合測試儀隨時讀液位傳感器的數(shù)值,來判斷液位高低的變化是否處于要求的合適位置,以確定灌液量。一般使基準點的讀數(shù)在全量程的80%左右,被測點的讀數(shù)在20%左右,以充分利用其量程范圍,若不夠,則灌加至要求的液位為止。

⑤安裝完畢后,應(yīng)檢查液管、氣管各連接接頭以及灌液口等所有密封情況是否完好,必須保證其完全密封,然后對安裝部位及布管溝槽進行回填壓實。記錄好各埋入式靜力水準儀的埋設(shè)位置、編號、日期、天氣、埋設(shè)人員等相關(guān)資料。

⑥將導(dǎo)線用PVC鋼絲軟管保護好,并引到指定的位置。

(2)數(shù)據(jù)采集

因通過液管和氣管連通,所以液缸中的液體始終處于同一水平面上。當被測點發(fā)生沉降時,浮筒隨液位上升，則被測點的液位傳感器讀數(shù)將增加(差值為正),基準點的浮筒液位下降，液位傳感器讀數(shù)將減小(差值為負)。即：被測點的沉降量=被測點液位傳感器讀數(shù)差值-基準點液位傳感器的讀數(shù)差值。測試時采用測試儀讀取不同時間的被測點的沉降量,差值為該點的沉降量。

2.5 剖面沉降管

可連續(xù)測讀結(jié)構(gòu)物下部的地表沉降量，不影響地表以上的施工,不破壞上部結(jié)構(gòu)的完整。用于測試基底坡度較大、半填半挖或過渡段位置斷面的不均勻沉降。

采用專用PVC塑料硬管,其抗彎剛度應(yīng)適應(yīng)被測土體的豎向位移要求,導(dǎo)管內(nèi)十字導(dǎo)槽應(yīng)順直,管端接口密合。剖面沉降測量是將剖面沉降儀探頭導(dǎo)輪卡至于預(yù)埋剖面沉降管的十字導(dǎo)槽內(nèi),從一端按一定間隔依次讀數(shù)。起始端管口高程采用水平儀按國家一等精密水準測量方法進行測量,再通過數(shù)據(jù)處理計算求出不同位置處地基的沉降量，剖面沉降管埋設(shè)在基底碎石墊層中間的土工格柵上,復(fù)合地基平面應(yīng)布置在觀測斷面附近加固孔之間中心處,埋設(shè)剖面沉降管的上下各墊10 cm左右的砂墊層,中部填砂盡可能抬高,使剖面沉降管埋設(shè)呈向上拱的圓順弧線狀,但上拱高度不超過計算沉降量的一半。如圖6、圖7所示。

圖6 沉降管端頭保護

圖7 沉降管埋設(shè)

(1)埋設(shè)要點

①剖面沉降管埋設(shè)在基底碎石墊層頂部,在碎石褥墊層頂面開槽埋設(shè),槽底采用5 cm左右中粗砂找平,剖面管頂面回填5 cm中粗砂并與褥墊層相平。

②剖面沉降管埋設(shè)時應(yīng)按設(shè)計用螺釘進行組裝,導(dǎo)管用外接頭連接至大于埋設(shè)長度約2 m(兩端各伸出1 m左右),兩端用管蓋封住,并預(yù)先在導(dǎo)管內(nèi)穿一條鍍鋅鋼絲繩作測試時來回牽引沉降儀用。

③剖面沉降管內(nèi)十字導(dǎo)槽方向應(yīng)與地面垂直,兩頭應(yīng)砌筑觀測井,以方便觀測并對孔口進行長期保護,同時應(yīng)做好井內(nèi)及其周圍的排水。

④待上部一層填料壓實穩(wěn)定后,連續(xù)監(jiān)測數(shù)日,取穩(wěn)定讀數(shù)作為初始讀數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)采集

采用精密水準測量采集起始端管口高程,使剖面測試儀處于工作狀態(tài),將測頭導(dǎo)輪插入沉降管導(dǎo)槽內(nèi),由一端開始自左而右沿導(dǎo)槽全長每隔0.5 m測讀1次,記錄測點位置和讀數(shù),測讀完后,將測頭旋轉(zhuǎn)180°,插入同一對導(dǎo)槽,按以上方法再測1次,測點位置與第1次相同。不同時間測試值,同一位置之差為該剖面該點的沉降量,各點連接后為該剖面的沉降量。

3 路基沉降監(jiān)測技術(shù)

3.1 建立高精度的沉降觀測網(wǎng)

武廣鐵路客運專線沉降觀測采用國家二等水準技術(shù)要求進行觀測。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)可根據(jù)需要獨立建網(wǎng),按二等水準測量精度施測,高程采用施工高程控制網(wǎng)系統(tǒng),不能利用水準基點的監(jiān)測網(wǎng),在施工階段至少與一個施工高程控制點聯(lián)測,使垂直位移監(jiān)測網(wǎng)與施工高程控制網(wǎng)高程基準一致；全線二等水準貫通后,將垂直位移監(jiān)測網(wǎng)與二等水準基點聯(lián)測,將垂直位移監(jiān)測網(wǎng)高程基準歸化到二等水準基點上。觀測時按國家一等水準測量的技術(shù)要求施測。

3.2 配備高精度的測量儀器及高素質(zhì)的觀測人員

客運專線沉降觀測精度要求高,沉降觀測應(yīng)使用精密水準儀(DS05或DS1級),水準尺也應(yīng)使用受環(huán)境及溫差變化影響小的高精度銦瓦水準尺。電子讀數(shù)儀應(yīng)采用高質(zhì)量的儀器,在首次觀測前要對所用儀器的各項指標進行檢測校正,必要時經(jīng)計量單位予以鑒定。連續(xù)使用3～6個月重新對所用儀器、設(shè)備進行檢校。在作業(yè)過程中,每次作業(yè)開始后第一周內(nèi)應(yīng)每日檢校i角一次,連續(xù)使用時當i角較穩(wěn)定,可延續(xù)檢校時間,但不應(yīng)大于15 d。

人員素質(zhì)的要求,熟練掌握儀器的操作規(guī)程,熟悉測量理論，能針對不同工程特點采用不同的觀測方法及觀測程序,對實施過程中出現(xiàn)的問題能夠分析原因并正確的運用誤差理論進行平差計算,做到按時、快速、精確地完成每次觀測任務(wù)。在觀測過程中,操作人員要相互配合,工作協(xié)調(diào)一致,認真仔細,做到步步有校核,測量應(yīng)進行往返觀測。

3.3 最佳路徑的選擇

觀測標設(shè)置較多或施工場地狹小時,須對現(xiàn)場進行合理規(guī)劃,確定儀器安放的位置。結(jié)構(gòu)物上所有沉降觀測標與工作基點在觀測時均要在閉合線路上,在保證各測站儀器所需最小視距的前提下,選擇最短閉合線路作為最佳觀測路徑,同時注意最佳路徑應(yīng)盡量減少測站、轉(zhuǎn)點,所設(shè)測站盡可能觀測到最多的觀測標,減少累計誤差。并根據(jù)選定的水準點、安放儀器的位置以及觀測路線繪制觀測路線圖。

3.4 選擇合理有效的觀測方法

客運專線沉降觀測工作量較大,種類繁多,變形觀測點設(shè)置比較密集,因此,觀測方法的選擇也直接影響到觀測成果的可靠性。

(1)選擇合理的觀測時間

觀測時間應(yīng)選在標尺分劃線成像清晰和穩(wěn)定的條件下進行觀測。不在日出后或日出前約半小時、太陽中天前后、風(fēng)力大于四級、氣溫突變時以及標尺分劃線的成像跳動而難以照準時進行觀測,晴天觀測時,使用測傘為儀器遮蔽陽光。

(2)堅持“五定”原則

沉降觀測的自始至終要遵循“五定”原則,所謂“五定”,即通常所說的沉降觀測依據(jù)的基準點、工作基點和被觀測線路上的沉降觀測點,點位要穩(wěn)定；所用儀器、設(shè)備要穩(wěn)定；觀測人員要穩(wěn)定；觀測時的環(huán)境條件基本固定；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。以上措施在客觀上盡量減少觀測誤差的不定性,使所測的結(jié)果具有統(tǒng)一的趨向性,保證各次復(fù)測結(jié)果與首次觀測的結(jié)果可比性更一致,使所觀測的沉降量更真實。

(3)測站操作

每測段往測與返測的測站數(shù)應(yīng)為偶數(shù),否則應(yīng)加入標尺零點差改正。由往測轉(zhuǎn)向返測時,兩標尺應(yīng)互換位置,并應(yīng)重新整置儀器。應(yīng)使前后視距相等,在同一測站上觀測時,不得兩次調(diào)焦。轉(zhuǎn)動儀器的傾斜螺旋和測微螺旋時,最后旋轉(zhuǎn)方向均應(yīng)為“旋進”方向。

3.5 選擇合適的沉降評估預(yù)測模型

客運專線無砟軌道對路基的工后沉降要求很嚴格,要求工后沉降不大于15 mm,在進行無砟軌道施工前,必須進行沉降評估。沉降評估的一項重要內(nèi)容就是沉降預(yù)測,本文研究范圍內(nèi)采用雙曲線模型。

4 結(jié)論

(1)在各種沉降監(jiān)測方法中,沉降板法適用條件最廣,而且由于其成本低,在武廣鐵路客運專線上得到大量應(yīng)用,沉降樁埋設(shè)在基床表層,其沉降量很小,可以與沉降板一起作為校核作用。靜力水準儀用于路橋過渡段,由于其成本高,長期穩(wěn)定性需進一步考慮,應(yīng)與沉降樁一起作為校核用。剖面沉降管由于其精度限制,建議只用于沉降量較大(≥50 mm)地段。單點沉降計由于其成本較高,可以考慮用于重點監(jiān)控地段。

(2)在高速鐵路施工中要因時、因地制宜地選擇合理的路基沉降監(jiān)測方法,使之既能滿足工程所需的精度,又要操作簡便,經(jīng)濟合理。

(3)無砟軌道對路基工后沉降要求嚴格。因此需要對路堤施工的全過程實施沉降與穩(wěn)定監(jiān)測的動態(tài)控制,合理確定土部結(jié)構(gòu)鋪裝時間,以獲得高標準穩(wěn)定路基及平順線路。

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