大張高速鐵路跨越活動斷裂帶監(jiān)測方法研究

鄒 鑫

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著中國高速鐵路的發(fā)展，工程建設規(guī)模的不斷擴大，跨越地質斷裂帶不可避免。 斷裂帶分為活動斷裂帶與非活動斷裂帶兩大類，活動斷裂帶是指晚更新世(1 萬年～12 萬年)以來曾經活動，未來仍可能活動的斷裂帶，與地震的發(fā)生具有密切關系。 活動斷裂不僅可直接錯斷工程構筑物，還可能誘發(fā)其他地質災害。因此，活動斷裂帶監(jiān)測對于發(fā)現災害、認識災害、減災避災十分重要。

目前，多采用“水準測量+鋼尺丈量” 的監(jiān)測方法進行活動斷裂帶監(jiān)測，具體步驟為:在活動斷裂兩側布設固定標志，用鋼尺進行距離丈量，獲得平面位置變化情況；用水準儀測量兩點的高差，獲得高度位置變化情況。另外，對活動斷裂進行水平位移監(jiān)測還可以采用水平位移計。 其工作原理為:若錨固點在水平方向上發(fā)生位移，可通過一端固定在錨固板上的銦鋼絲(或鋼纜)傳遞給位移傳感器，從而得到測點處的水平位移。

大同至張家口高速鐵路東起張家口，西至晉北“煤都”大同，是晉北與北京、河北省交流的快速客運通道，也是華北北部地區(qū)鐵路快速客運網主要客運干線。 該線設計速度為250 km/h，線路長141.3 km，全線控制性工程為長13.4 km 的大梁山隧道。

根據區(qū)域地質資料及《地震安全性評價報告》，影響本線的主要斷裂帶為懷安鎮(zhèn)盆地南緣斷裂帶、天鎮(zhèn)—陽高盆地北緣斷裂帶及恒山北麓斷裂帶[2]。 這些斷裂帶東起天鎮(zhèn)縣，向西經瓦窯口、孫仁堡，止于大同鎮(zhèn)川堡，全長約90 km。 斷裂帶與大張高鐵相交于大梁山隧道出口段(斷層編號為F011，為正斷層)，線路里程為DK68+810 ～DK68+935，總體走向NW，產狀186∠65°，斷距大于15 m，斷層寬3 m，破碎帶寬約200 m。 斷裂帶分布見圖1。

圖1 大張高鐵斷裂帶平面范圍示意

2 監(jiān)測思路

應根據活動斷裂帶的分布、埋深、類型、性質、交叉關系等設計活動斷裂帶地區(qū)監(jiān)測方案，原則上，需通過監(jiān)測及時發(fā)現高速鐵路構筑物受活動斷裂帶位移的影響(含水平位移與垂直位移)，以保證鐵路施工與運營安全，并為工程建設及鐵路運營維護提供可靠的數據和信息。

由于活動斷裂帶監(jiān)測是一個長期的實時性的監(jiān)測工程，人工測量無法滿足其要求。 因此，決定采用自動化監(jiān)測為主，人工監(jiān)測為輔的方式。 其中，隧道結構的水平、垂直位移監(jiān)測依托中國鐵設自主開發(fā)的高鐵(城軌)綜合監(jiān)測和檢測系統(tǒng)平臺實現。

3 自動化監(jiān)測方法

本次大張高鐵活動斷裂帶監(jiān)測設計有兩套方案:①采用全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)對活動斷裂帶的水平與垂直位移進行監(jiān)測，并通過人工監(jiān)測手段對監(jiān)測點的水平與垂直位移進行季度性檢測；②采用陣列式位移傳感器(SAA)監(jiān)測系統(tǒng)對隧道內垂直位移進行監(jiān)測，并通過人工監(jiān)測手段對隧道內監(jiān)測點的垂直位移進行季度性檢測。

3.1 全站儀自動化監(jiān)測

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)由3 部分組成:數據采集端、服務器端(負責數據解算、發(fā)布等)、用戶端(登錄數據發(fā)布網站瀏覽、下載數據)。

①數據采集端

主要由控制器和全站儀組成，控制器定期啟動全站儀對目標點進行多測回觀測，并將數據發(fā)往服務器。采用精度為0.5″級全站儀機器人。

②服務器端

負責接收監(jiān)測現場發(fā)送的原始觀測數據，并進行數據質量檢查與解算，以及通過網站向用戶發(fā)布監(jiān)測成果。

③用戶端

用戶通過電腦、手機等遠程登錄數據發(fā)布網站實現在線查詢、下載監(jiān)測信息，以及報表輸出等。

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖2 所示。 其實現步驟如下。

(1)全站儀及基準點布設

在DK68+700、DK68+900 附近各布設1 臺全站儀，在遠離監(jiān)測區(qū)間大小里程端25 m 和50 m 左右位置各布設4 個基準點，作為全站儀觀測的基準點。 在DK68+780、DK68+820 各布設1 對連接棱鏡，作為兩臺全站儀觀測的公共點，以保證監(jiān)測網的整體性。 具體布設位置見表1。

全站儀通過固定支架安裝在線路一側的洞壁上，架設高度為2 m，基準點埋設高度為軌道板以上1.5 m。 全站儀安裝示意見圖3，基準點布設見圖4，連接棱鏡布設見圖5。

圖2 全站儀監(jiān)測系統(tǒng)構成

表1 基準點、全站儀布設里程

圖3 全站儀設置

圖4 基準點設置

圖5 連接棱鏡設置

(2)監(jiān)測點布設

依據Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》的規(guī)定，結合大張客?，F場實際情況，共布設20 個監(jiān)測斷面(見表2)。

表2 監(jiān)測點斷面分布

大張高鐵為運營鐵路，在隧道拱頂安裝測點比較困難，且易對行車安全造成隱患。 因此，決定將拱頂測點舍去。 另外，考慮隧道活動斷裂帶對隧道變形的影響在mm 級，為盡可能減少在運營高鐵隧道內安裝檢測設備，僅在隧道洞壁上布設1 條測線，在隧道左右線側壁上各埋設1 個監(jiān)測點(單個斷面)，埋設高度為距離地面約3 m(如圖6)。

圖6 隧道洞壁監(jiān)測點布設示意(單位：m)

(3)基準網測量

①平面基準網

使用獨立假定坐標系，利用全站儀對布設的基準點采用自由設站邊角交會網的方法進行整網測量，構建相對坐標系。 沿鐵路方向設為X，垂直于鐵路線路方向設為Y。 取3 次測量成果均值為基準點初始值，后續(xù)復測采用同級擴展的方式更新。

②高程基準網

利用電子水準儀對布設的基準點進行高程測量，高程基準網按照變形測量三等規(guī)定執(zhí)行。

(4)監(jiān)測點測量

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測點采用坐標法和三角高程法進行施測。 為保證測量精度，對監(jiān)測點進行分組，按照每3 個斷面為一組(如圖7)。

(5)數據發(fā)布

平臺通過圖形化與數字化呈現數據，采用先宏觀后微觀的形式向用戶展示監(jiān)測信息，可一目了然地把控變形狀態(tài)(如圖8、圖9)。

(6)全站儀監(jiān)測系統(tǒng)特點

圖7 監(jiān)測點測量示意

圖8 監(jiān)測點位置平面

圖9 監(jiān)測點位置實景

①高度集成，插入手機Sim 卡，接通電源即可運行，無需其他附件；

②帶有硬件電源管理模塊，可實現超低功耗運行；

③帶有硬件電量檢測模塊，可自動實時檢測電量，并在電量低時及時發(fā)送短信通知用戶；

④帶有電源輸出開關，可在全站儀死機的情況下，對全站儀斷電、通電進行硬重啟；

⑤帶有硬件“看門狗”，可保證數據采集控制器的可靠性；

⑥帶有數據存儲功能，在網絡不穩(wěn)定的情況下(如采用手機網傳數據，信號不理想時)，不影響數據的完整性；

⑦可遠程修改數據采集控制器的相關配置；

⑧采用多測回全圓觀測法對監(jiān)測點觀測。

3.2 陣列式位移傳感器(SAA)變形監(jiān)測

SAA 監(jiān)測系統(tǒng)由現場監(jiān)測數據采集和遠程監(jiān)控中心兩部分組成。 現場監(jiān)測數據采集部分包括:SAA傳感器、數據采集器、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等模塊。 遠程監(jiān)控中心部分包括:數據處理分析系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)。 其組成結構如圖10、圖11 所示。

(1)工作原理

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構

圖11 SAA 組成示意

SAA 可進行高頻率測量，最高頻次為30 s/次，短期(監(jiān)測時間＜10 d)測量精度為0.5 mm/32 m，長期(監(jiān)測時間＞1 年)測量精度為1.5 mm/32 m。

SAA 的每個節(jié)段內均包含一套三軸加速度計，通過檢測重力場，可以計算出節(jié)段各軸之間的彎曲角度θ，利用計算得到的彎曲角度和已知節(jié)段長度L，可確定每節(jié)段SAA 的變形Δx，即Δx=θ×L；同理，也可以計算出Δy 和Δz。 單節(jié)段示意如圖12 所示。

圖12 單節(jié)段示意

單個節(jié)段變形量為Δx、Δy、Δz，假設基準點坐標為(x0，y0，z0)，依次連續(xù)對各節(jié)段變形量算術求和，就得到各個關節(jié)位置的坐標值(xi，yi，zi)，進而得到整套SAA 的三維坐標。 一旦任何位置發(fā)生變化， SAA 的三維坐標也隨即發(fā)生改變，兩次坐標變化值為對應關節(jié)的變化量。 多節(jié)段示意如圖13 所示。

圖13 多節(jié)段示意

(2)陣列式位移傳感器(SAA)布設

由于DK68+600 ～DK69+000 段位于大梁山隧道出口附近，出口段為有砟軌道，在地面布設的SAA 陣列式位移傳感器易受列車運行所導致的道砟位移變化影響。 因此，決定將SAA 沿線路水平布設(布設在隧道洞壁，高于軌道2 m)，僅用于觀測隧道垂直位移變化。

(3)數據發(fā)布

SAA 監(jiān)測系統(tǒng)依托于中國鐵設開發(fā)的鐵路(城軌)綜合檢測監(jiān)測平臺，實現監(jiān)測工作的實時化、精確化、信息化、自動化。 SAA 沉降監(jiān)測系統(tǒng)如圖14 所示。

圖14 SAA 沉降監(jiān)測系統(tǒng)

(4)SAA 變形監(jiān)測系統(tǒng)特點

①測量精度高，SAA 總長度小于32 m 時精度優(yōu)于1 mm；

②可進行高頻率數據采樣，最高頻率為30 s/次；

③防水、防塵、抗壓(可在水下300 m 正常工作)；

④穩(wěn)定性好，監(jiān)測精度不受外界環(huán)境的影響，可在隧道、水底、施工現場等環(huán)境下正常工作；

⑤故障率極低；

⑥安裝簡單，可遠程采集、查看數據。

4 優(yōu)缺點分析及方案確定

各監(jiān)測方案的優(yōu)缺點分析見表3。

表3 各監(jiān)測方案的優(yōu)缺點分析

由表3 可知，全站儀僅能對監(jiān)測斷面間的相對位移形變進行監(jiān)測(現方案最小監(jiān)測斷面距離為10 m)，無法判斷斷面間發(fā)生的個別形變。 而陣列式位移傳感器布置是連續(xù)的，其監(jiān)測點也是連續(xù)的，故可判別監(jiān)測范圍內任意位置的形變情況。 另外，陣列式位移傳感器可根據需要盡可能小的設置監(jiān)測頻次。

由于以上兩點優(yōu)勢，推薦采用陣列式位移傳感器(SAA)監(jiān)測系統(tǒng)僅對大張高鐵活動斷裂帶的垂直位移進行監(jiān)測，同時采用人工監(jiān)測手段對現場情況進行季度性巡檢。

5 結語

高速鐵路跨越活動斷裂帶監(jiān)測方法的選擇，首先應根據區(qū)域地質資料及地震安全性評價報告進行活動斷裂的確認鑒定判識工作，再根據具體的監(jiān)測內容、監(jiān)測周期、監(jiān)測頻次及監(jiān)測精度選取合適的監(jiān)測方法進行項目應用。