高速鐵路路基沉降觀測的技術與要求

陳波

（中國葛洲壩集團第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設更加發(fā)展迅猛。然而，速度達200km/h以上的高速鐵路，其路基、軌道和橋梁的列車動力作用遠大于普通鐵路，軌道的不平順對快速行車引起的列車振動也遠比相同條件下普通速度的列車嚴重，即旅客感受的舒適度因速度的提高而惡化。因此，高速鐵路對軌道的平順性提出了更高的要求。路基是鐵路線路工程的一個重要組成部分，是承受軌道結構重量和列車載荷的基礎，也是線路工程中最薄弱最不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)。路基沉降觀測對控制鐵路工程質(zhì)量，確保工后沉降滿足設計要求至關重要。本文結合漢宜高速鐵路對路基沉降的嚴格要求，對路基沉降觀測技術和要求進行了深入研究，通過正確、完整地觀測及分析，掌握、控制路基觀測可以預測沉降趨勢，驗證和指導工程設計及施工，以保施工質(zhì)量和運營安全，也可為今后路基沉降測量提供參考。

漢宜高速鐵路區(qū)間正線路基工后沉降控制標準按設計速度200km/h控制：一般地段150mm；路橋過渡段80mm；沉降速率40mm/年。漢宜鐵路HYZQ-6標段六項目部門起止里程樁號為DK265+490.27～DK275+849.3,共計10.36公里，其中路基約4.3公里，沿線以黏土、粉質(zhì)黏土為主。其沉降觀測分以下內(nèi)容。

1 沉降觀測的目的

1）根據(jù)觀測數(shù)據(jù)控制、調(diào)整填土速率；2）預測沉降趨勢，確定預壓卸載時間和結構物及路面施工時間；3）提供施工期間沉降土方量的計算依據(jù)；4）預測工后沉降，使工后沉降控制在設計允許范圍之內(nèi)；5）通過實測沉降量，預測沉降量并驗證設計合理性；進行設計的再優(yōu)化，控制和保證工程的建設量。

2 儀器設備、人員素質(zhì)的要求

美國 Trimble（DINI）精密水準儀，銦合金水準尺；索佳SET1X全站儀。

人員素質(zhì)的要求：必須接受專業(yè)學習及技能培訓，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、具體情況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。

3 路基沉降觀測技術與要求

3.1 觀測斷面設置原則

3.1.1 路基工程沉降變形觀測以路基面沉降觀測和地基沉降觀測為主，路基沉降觀測斷面根據(jù)不同的地基條件，不同的結構部位等具體情況設置。同時應根據(jù)施工過程中掌握的地形、地質(zhì)變化情況調(diào)整或增設觀測斷面。

3.1.2 觀測斷面一般按以下原則設置，同時應滿足設計文件要求：

1）a.基底沉降監(jiān)測：每200m設一個監(jiān)測斷面。b.地表沉降觀測：松軟土地基地段沿線縱向每40m左右設一個沉降觀測斷面，且每個工點不小于2個觀測斷面，橋路過渡段起始位置各設一個觀測斷面。c.路基面沉降監(jiān)測：在路基面中心及左右兩側路肩處設路基面沉降觀測樁，觀測樁采用C15混凝土樁，每100m設一個監(jiān)測斷面，并保證每工點至少有一個觀測斷面。2）路堤與不同結構物的連接處應設置沉降觀測斷面。路橋過渡段、路基橫向結構物兩側均應設置沉降觀測斷面。3）一個沉降觀測單元（連續(xù)路基沉降觀測區(qū)段為一單元）應不少于2個觀測斷面。4）對地形橫向坡度大于1：5或地層橫向厚度變化的地段應布設不少于1個橫向觀測斷面。5）軟土及松軟土路堤填筑時，沿線路縱向每隔20～50m，在兩側坡腳外約2.0m、10m處設水平位移觀測木樁。

3.2 觀測點設置原則

3.2.1 為有利于觀測點看護，集中觀測，統(tǒng)一觀測頻率，各觀測項目數(shù)據(jù)的綜合分析，各部位觀測點須設在同一橫斷面上。

3.2.2 為了能夠反映出路基的準確沉降情況，沉降觀測點要埋設在最能反映沉降特征且便于觀測的位置。特別要考慮到因施工而破壞或掩蓋住觀測點，不能連續(xù)觀測而失去觀測意義。

3.2.3 路基水準路線觀測按國家二等水準測量精度要求形成附合水準路線，沉降觀測點位布設及水準路線觀測示意圖如圖1所示：

3.3 觀測元件與埋設技術要求

3.3.1 沉降觀測樁：沉降觀測樁采用C15混凝土方樁或圓樁 (邊長或直徑0.1m)，其中埋設Φ16mm鋼筋一根，樁長0.6m，埋入基床表層以下0.55m；待基床表層級配碎石施工完成后，通過測量埋置在設計位置，樁周0.15m用C15混凝土澆筑固定，完成埋設后用水平儀按二級測量標準測量樁頂標高作為初始讀數(shù)。

3.3.2 沉降板：應嚴格按設計要求進行埋設，一般情況如下：由鋼底板、金屬測桿（φ20mm鋼管）及保護套管（φ50mm PVC管）組成。鋼底板尺寸為30cm×30cm，厚8mm。采用二級測量標準測量沉降板標高變化。

1）沉降板位于路堤中心，基底鋪設碎石墊層的地段埋設于墊層頂面，基底設混凝土地板地段置于板頂面；沉降板埋設位置應按試驗設計測量確定，埋設位置處可墊10cm砂墊層找平，埋設時確保測桿與地面垂直。2）放好沉降板后，回填一定厚度的墊層，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填料穩(wěn)定套管，完成沉降板的埋設工作。3）按二等水準標準測量埋設就位的沉降板測桿桿頂標高讀數(shù)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0.5m～1.0m為宜，接長前后測量桿頂標高變化量確定接高量。金屬測桿用內(nèi)接頭連接，保護套管用PVC管外接頭連接。4）接長套管時應確保垂直，避免機械施工等因素導致套管傾斜。

圖1 沉降觀測點位布設及水準路線觀測示意圖

3.3.3 路堤位移邊樁：采用Φ10cm的圓木，長度不小于1.0m。頂部圓心處釘一小鐵釘。

1）邊樁埋置深度在地表以下不小于0.9m，樁頂露出地面不應大于10cm。2）完成埋設后采用全站儀測量邊樁標高及距線路中線垂線或法線方向距離作為初始讀數(shù)。

3.4 觀測技術要求

3.4.1 監(jiān)測元件保護要求

沉降觀測設備的埋設是在施工過程中進行的，施工單位的填筑施工要與設備的埋設做好協(xié)調(diào)，做到互不干擾、影響。觀測設施的埋設及沉降觀測工作應按要求進行，不能影響路基填筑質(zhì)量；路基施工不能影響到觀測設備。

1）各工程項目部應成立專門試驗小組，進行元器件的埋設、測量和保護工作，小組人員分工明確，責任到人。2）元件埋設時應根據(jù)現(xiàn)場情況進行編號，有導線的元件應將導線引出至路基坡腳觀測箱內(nèi)。3）凡沉降板附近一米范圍內(nèi)土方應采用人工攤平及小型機具碾壓，不得采用大型機械推土及碾壓，并配備專人負責指導，以確保元器件不受損壞。4）各施工隊應制定穩(wěn)妥的保護措施并認真執(zhí)行，確保元器件不因人為、自然等因素而破壞。元器件埋設后，制作相應的標示旗或保護架插在上方。路堤填筑過程中，派專人負責測試斷面的元件保護。

3.4.2 路堤地段從路基填土開始進行沉降觀測，路基填筑完成后應有不少于6個月的觀測期。觀測數(shù)據(jù)不足以評估或工后沉降評估不能滿足設計要求時，應延長觀測時間或采取必要的加速或控制沉降的措施。

3.4.3 路基填筑過程中應及時整理路堤中心沉降觀測點的沉降與邊樁的位移量，當中心地基處沉降觀測點沉降量大于10mm/天或邊樁水平位移大于5mm/天、豎向位移大于10mm/天時，應及時通知項目部，并要求停止填筑施工，待沉降穩(wěn)定后再恢復填土，必要時采用卸載措施。

3.4.4 觀測方法及精度要求

沉降板、沉降監(jiān)測樁、邊樁沉降等所有標高測量應達到二級水準測量標準，測量精度應達到±1mm；邊樁位移采用全站儀或經(jīng)緯儀進行測量。

路基沉降觀測水準測量的精度為±1.0mm，讀數(shù)取位至0.01mm；位移觀測測距誤差±3mm；方向觀測水平角誤差為±2.5″，水平角觀測技術要求應滿足導線邊長測量,讀數(shù)至毫米.距離和豎直角各觀測2測回。

利用上述DOL的定義公式計算經(jīng)營杠桿系數(shù)，必須同時取得利潤變動率和銷售變動率，這些都是事后反映的數(shù)據(jù)，不便于DOL的預測。因此，要設法推導出只需基期數(shù)據(jù)計算經(jīng)營杠桿的公式，即假定該企業(yè)產(chǎn)品的成本、銷量和利潤保持線性關系，產(chǎn)品可變成本在銷售收入中所占的比例不變，固定成本在一定產(chǎn)能范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，則經(jīng)營杠桿系數(shù)可通過銷售額和成本的關系來表示。

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3.4.5 觀測頻次要求

所有元件埋設后，必須測試初始讀數(shù)，在路堤正式填筑前，必須對所有元件進行復測，作為正式初始讀數(shù)。路基沉降觀測的頻次應根據(jù)沉降的發(fā)生與發(fā)展規(guī)律及沉降大小確定，一般應按照如下觀測頻率進行：路堤填筑期間，應每天觀測一次，各種原因暫時停工期間，前2天每天觀測一次，以后每3天測試一次。施工完成后，前15天內(nèi)每3天觀測一次，第15～30天每星期觀測一次，第30～90天每15天觀測一次，以后每個月觀測一次。測量數(shù)據(jù)突變時，每天觀測2～3次。監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)異常必須及時查明原因并加密監(jiān)測次數(shù)，盡快妥善處理。

注：架橋機（運梁車）通過時觀測要求：每1次/3天，連續(xù)3次；以后1次/1周，連續(xù)3次；以后1次/2周。

實際工作進行時，觀測時間的間隔還要看地基的沉降值和沉降速率。當兩次連續(xù)觀測的沉降差值大于4mm時應加密觀測頻次；當出現(xiàn)沉降突變、地下水變化及降雨等外部環(huán)境變化時應增加觀測頻次。觀測應持續(xù)到工程驗收交由運營管理部門繼續(xù)觀測。

3.4.6 安全控制要求

觀測點(標)的設置應設在安全穩(wěn)定處，監(jiān)測人員在元件埋設和測試過程中應裝備好相關安全設備，按規(guī)范要求進行操作，避免不必要安全事故發(fā)生。

4 沉降觀測數(shù)據(jù)處理

4.1 統(tǒng)計表匯總

1）根據(jù)各觀測周期平差計算的沉降量，列統(tǒng)計表，進行匯總。2）繪制各觀測點的下沉曲線（如示意圖2和3）首先建立下沉曲線坐標，橫坐標為時間坐標，縱坐標上半部為荷載值，下半部為各沉降觀測周期的沉降量。將統(tǒng)計表中各觀測點對應的觀測周期所測得沉降量畫于坐標中，并將相應的荷載值也畫于坐標中，連線，就得到對應于荷載值的沉降曲線。3）根據(jù)沉降量統(tǒng)計表和沉降曲線圖，我們可以預測路基沉降趨勢，將沉降情況及時的反饋到有關主管部門，正確地指導施工。

通過正確、完整地觀測及分析，及時掌握、控制路基觀測，可以預測沉降趨勢，驗證和指導工程設計及施工，控制和保證工程的建設質(zhì)量。

4.2 沉降觀測中常見問題及其處理措施

1）曲線第二次觀測即出現(xiàn)回升，至第三次后，曲線又逐漸下降

原因：一般都是由于首次觀測成果存在較大誤差引起

措施：第一次觀測成果作廢，采用第二次的觀測成果作為首次成果。

2）曲線在中間某點突然回升

圖2 荷載-時間-沉降圖（示意）

圖3 荷載-時間-沉降速率圖（示意）

原因：水準點或觀測點被碰動所致，且水準點碰后標高低于碰前標高，觀測點碰后高于碰前

措施：取相鄰另一觀測點的相同期間沉降量作為被碰觀測點之沉降量。

3）曲線自某點起漸漸回升

原因：一般是水準點下沉所致

措施：確定水準點下沉值，與高級水準點符合測量，確定下沉量。

4）曲線在后期呈現(xiàn)微小波浪起伏現(xiàn)象

原因：觀測后期，建筑物下沉極微或已接近穩(wěn)定，在曲線上測量誤差就比較突出

措施：將波浪曲線改為水平線，后期提高測量精度等級，并適當延長觀測間隔時間。