寒區(qū)鐵路客運(yùn)專線路基凍脹變形監(jiān)測方法

馬天馳

（黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

哈齊鐵路客運(yùn)專線是黑龍江省第一條開建的省內(nèi)客運(yùn)專線，是黑龍江省省會哈爾濱到黑龍江省第二大城市齊齊哈爾之間的高速鐵路，是國家“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)工程。該高速鐵路自哈爾濱站引出，經(jīng)哈爾濱北、肇東、安達(dá)、大慶東、大慶西、泰康、紅旗營東，止于齊齊哈爾南站，線路全長286km，正線為雙線，速度目標(biāo)值250km／h，預(yù)留300km／h的行車條件。

沿線大部屬于中溫帶亞濕潤～亞干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。沿線最冷月平均氣溫均低于－15℃，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，均屬嚴(yán)寒地區(qū)。

根據(jù)建設(shè)方要求，對選取段落進(jìn)行路基面變形監(jiān)測，包括2012年度未進(jìn)行監(jiān)測但目前已施工至表層或表層已完成的段落約17.2km，上年度監(jiān)測凍脹變形大于8mm段落約3.6km，凍脹補(bǔ)強(qiáng)增設(shè)滲水盲溝段落約10.3km，濕地范圍和地下水位較高的低路堤段落約4.6km，代表性過渡段約59處（路涵過渡段53處，路橋過渡段6處），道岔區(qū)段落約2.0km，監(jiān)測段落共計(jì)約33.1km。

1 路基凍脹監(jiān)測的基礎(chǔ)工作

1.1 線下高程監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

以建設(shè)期間建立的線下精密水準(zhǔn)網(wǎng)為基準(zhǔn)，經(jīng)復(fù)測后采用水準(zhǔn)聯(lián)測或三角高程的方式將水準(zhǔn)基點(diǎn)引測至線上，作為路基凍脹變形監(jiān)測的基準(zhǔn)網(wǎng)。

由于自然條件的變化、人為破壞等原因，不可避免地有個(gè)別監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)位會發(fā)生變化。每次監(jiān)測前需對線下基準(zhǔn)網(wǎng)按照二等水準(zhǔn)精度進(jìn)行一次復(fù)測，并對變化的點(diǎn)進(jìn)行合理修正。

1.2 線上高程監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

根據(jù)建設(shè)期間在線上埋設(shè)的路基變形監(jiān)測點(diǎn)，對路基凍脹變形進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，建立變形監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評估，指導(dǎo)運(yùn)營維護(hù)。進(jìn)行監(jiān)測分析時(shí)與地質(zhì)、路基及軌道等各專業(yè)對接，并結(jié)合運(yùn)營單位動(dòng)靜態(tài)檢測和靜態(tài)檢查結(jié)果進(jìn)行綜合分析，提出綜合性建議及解決方案。

2 線上水準(zhǔn)基點(diǎn)布設(shè)及聯(lián)測

2.1 線上水準(zhǔn)基點(diǎn)布設(shè)

為了滿足路基變形監(jiān)測精度要求，減少線上下高程聯(lián)測的頻次，需在線下原精密水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，布設(shè)線上路基變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)。新布設(shè)的線上水準(zhǔn)基點(diǎn)間的距離應(yīng)滿足沿線路方向小于1km。新設(shè)線上水準(zhǔn)基點(diǎn)直接利用路基兩端橋上的CPⅢ點(diǎn)，當(dāng)路基長度超過1km時(shí)，需在路基中部的涵洞帽石上埋設(shè)線上水準(zhǔn)基點(diǎn)。

2.2 水準(zhǔn)聯(lián)測

為了把線下高程基準(zhǔn)傳遞到線上，首先需要進(jìn)行線上與線下的高程聯(lián)測。進(jìn)行高程聯(lián)測時(shí)，盡可能采用水準(zhǔn)測量或三角高程測量方式把線下基準(zhǔn)引測至路基兩端的橋上CPⅢ點(diǎn)。然后以路基頭尾的兩個(gè)CPⅢ基點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)測路基中部涵洞帽石上的基準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行平差計(jì)算。

如果引測至線上路基兩端橋上CPⅢ點(diǎn)間不滿足二等水準(zhǔn)的要求，需對線下水準(zhǔn)基點(diǎn)進(jìn)行檢核并重新平差計(jì)算。

當(dāng)線上線下水準(zhǔn)基點(diǎn)水準(zhǔn)聯(lián)測存在困難時(shí)，則采用不測量儀器高和棱鏡高的中間設(shè)站三角高程測量法傳遞，每次觀測兩遍，且要求儀器變換儀器高，觀測4個(gè)測回。

中間設(shè)站三角高程測量方法就是在沒有儀器高和棱鏡高量取誤差的情況下，求出點(diǎn)A和點(diǎn)B的高差。其測量原理如圖1所示。

中間設(shè)站三角高程測量的主要技術(shù)要求應(yīng)滿足表1、表2的要求。測量中，前后視必須是同一個(gè)棱鏡。觀測時(shí)，棱鏡高不變；儀器與棱鏡的距離不宜大于100m，最大不應(yīng)超過150m。前后視距應(yīng)盡量相等，一般距離差值不宜超過5m。觀測時(shí)，要準(zhǔn)確測量溫度、氣壓值，以便進(jìn)行邊長改正。

圖1 三角高程聯(lián)測

表1 中間設(shè)站三角高程測量的垂直角測量技術(shù)要求

表2 中間設(shè)站三角高程測量的距離測量技術(shù)要求

2.3 線上水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)處理

線上水準(zhǔn)測量按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB12897－2006）二等標(biāo)準(zhǔn)施測，水準(zhǔn)路線起閉于線下水準(zhǔn)基點(diǎn)。

1）數(shù)據(jù)傳輸和預(yù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，利用隨機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和預(yù)處理，得到各測段高差距離文件。

2）精度分析。根據(jù)各測段觀測數(shù)據(jù)，分析各段往返測高差不符值情況，均應(yīng)滿足的要求。按測段往返測高差不符值計(jì)算每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差：

式中：MΔ應(yīng)小于1mm。

根據(jù)（復(fù)測）觀測高差及既有水準(zhǔn)點(diǎn)的高程，統(tǒng)計(jì)得到既有成果資料與（復(fù)測）觀測高差的附合情況，綜合分析各線路水準(zhǔn)基點(diǎn)的穩(wěn)定性。

3）線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)平差。以路基兩端的CPⅢ基準(zhǔn)點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行整體平差計(jì)算，得到整網(wǎng)平差成果。平差時(shí)采用清華山維Nasew或武漢大學(xué)科傻控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Cosawin等軟件進(jìn)行。當(dāng)閉合差超限時(shí)，需檢核線下基準(zhǔn)網(wǎng)并重新進(jìn)行平差。

3 路基凍脹變形監(jiān)測

3.1 凍脹變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

沿線路方向每50m設(shè)置一個(gè)觀測斷面，路涵路橋等過渡段增設(shè)6個(gè)斷面，橋臺后5.0m、10.0m、15.0m，涵洞過渡段設(shè)置在涵洞邊墻外5.0m、10.0m、15.0m。

根據(jù)哈齊鐵路客運(yùn)專線當(dāng)時(shí)的工況，人工觀測斷面有以下兩種情況：

1）填料基床每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)觀測點(diǎn)，即線路中心和底座板外邊緣；

2）混凝土基床每個(gè)斷面在兩側(cè)距混凝土基床外邊緣0.5m左右布設(shè)觀測點(diǎn)。

3.2 凍脹變形監(jiān)測點(diǎn)的埋設(shè)要求

監(jiān)測點(diǎn)（見圖2）規(guī)格要求：直徑為30cm，厚10cm的監(jiān)測樁，監(jiān)測樁采用C15素混凝土現(xiàn)澆，添加防凍劑，做好保溫防護(hù)工作。觀測墩中心埋設(shè)長10cm，直徑14mm的鋼筋作為觀測標(biāo)志，保證觀測標(biāo)志露出監(jiān)測樁面5mm，且標(biāo)頭平滑；混凝土基床上觀測點(diǎn)采用鉆孔植入鋼筋作為觀測標(biāo)志，保證觀測標(biāo)志露出監(jiān)測樁面5mm，且標(biāo)頭平滑。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)

3.3 監(jiān)測樁的保護(hù)

由于路基正在施工，運(yùn)梁車和預(yù)壓土卸載運(yùn)輸車輛可能對監(jiān)測點(diǎn)造成損壞，影響觀測連續(xù)性和凍脹變形數(shù)據(jù)分析。監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)要充分考慮這些期對全線的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行巡視，對損壞的監(jiān)測點(diǎn)及時(shí)修補(bǔ)。

3.4 凍脹變形監(jiān)測方式

綜合考慮監(jiān)測頻次、監(jiān)測成本等情況，路基監(jiān)測觀測方式如下：

1）每次觀測都要聯(lián)測線上水準(zhǔn)基點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)觀測，建立線上監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)。每次路基凍脹變形監(jiān)測前，采用二等水準(zhǔn)測量方式對線上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核。如果各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間滿足二等水準(zhǔn)的限差要求，則采用原值；如果不滿足可采用內(nèi)插法進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)內(nèi)插法無法調(diào)整時(shí)，需重新聯(lián)測線下基準(zhǔn)點(diǎn)并對線上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核并調(diào)整。

2）路基凍脹監(jiān)測時(shí)，以面向大里程最右側(cè)的路基凍脹變形監(jiān)測為主水準(zhǔn)路線的轉(zhuǎn)點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)往返測的形式測量，以中視方式觀測另外2個(gè)斷面監(jiān)測點(diǎn)，并保證每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)往返測時(shí)是以相同的CPⅢ點(diǎn)測量兩次。水準(zhǔn)路線附合到路基兩端橋梁的線上水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)上，并聯(lián)測路基中部涵洞或框構(gòu)橋上的水準(zhǔn)基點(diǎn)。

3）首次觀測應(yīng)編制好水準(zhǔn)線路圖，以后每次觀測均固定水準(zhǔn)路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。按路線固定觀測人員、儀器、標(biāo)尺，以增加觀測數(shù)據(jù)的可比性。

4）每次監(jiān)測完成之后，需對各期數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，形成單點(diǎn)、橫向及縱向變形圖，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)凍脹變形

4 結(jié)束語

哈齊鐵路客運(yùn)專線路基凍脹變形監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測環(huán)境惡劣，質(zhì)量要求高，監(jiān)測成果直接關(guān)系到高速鐵路的運(yùn)營安全，責(zé)任重大。項(xiàng)目實(shí)施過程中，精心設(shè)計(jì)監(jiān)測方案，使用先進(jìn)的高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀，嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測成果可靠；與地質(zhì)、路基及軌道等各專業(yè)對接，數(shù)據(jù)分析過程合理，結(jié)論可靠，與期望值吻合。經(jīng)專家驗(yàn)收，質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀，獲得黑龍江測繪地理信息學(xué)會2014年優(yōu)秀測繪地理信息工程金獎(jiǎng)，對高寒地區(qū)鐵路建設(shè)和運(yùn)營有指導(dǎo)和借鑒意義。

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