沉降變形觀測與評估在鐵路建設(shè)中的重要作用

蘇 維

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

鐵路工程線下沉降變形觀測與評估是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及路基、橋梁、隧道、軌道等結(jié)構(gòu)工程，以及測量工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域，各專業(yè)有機(jī)協(xié)調(diào)，不可分割。觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠與分析評估方法的科學(xué)合理為沉降變形評估體系的兩個(gè)核心環(huán)節(jié)，其中前者是技術(shù)體系的基礎(chǔ)，若觀測數(shù)據(jù)的來源不可靠或采集的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不合格，則沉降變形評估工作就是空中樓閣。

高速鐵路對線下工程毫米級工后沉降量要求嚴(yán)格，理論方法計(jì)算的精度受制于土體本構(gòu)模型、土體工程力學(xué)指標(biāo)、設(shè)計(jì)者的工程經(jīng)驗(yàn)等諸多因素，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，必須系統(tǒng)地開展現(xiàn)場沉降變形觀測數(shù)據(jù)采集工作，才能獲得線下工程沉降變形最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

1 沉降變形觀測與評估工作的發(fā)展過程

1.1 2008年以前客運(yùn)專線建設(shè)模式

我國2008年以前建設(shè)的無砟軌道客運(yùn)專線，如京津城際、武廣客專及鄭西客專等，沉降評估體系存在以下問題：

（1）重視評估工作，輕視觀測環(huán)節(jié)，僅對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析。

（2）無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平差處理與數(shù)據(jù)管理軟件，需對海量電子表格進(jìn)行曲線生成、曲線擬合的重復(fù)性操作，工作量大，工作效率低下。

（3）觀測與評估環(huán)節(jié)相對脫節(jié)，無法對線下工程沉降變形觀測過程進(jìn)行有效的監(jiān)控，缺少評估過程的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。例如武清車站和耒陽車站，在鋪設(shè)無砟軌道后，仍有超過允許工后沉降量的沉降變形現(xiàn)象發(fā)生，后期又花費(fèi)了時(shí)間和財(cái)力采取補(bǔ)救措施。但如果評估過程中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉降變形未收斂，在建設(shè)過程中提前采取有效的加速沉降完成的措施，將可避免此類問題。

（4）所采用的規(guī)范與實(shí)際情況脫節(jié)，為評估而評估。《客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》（鐵建設(shè)〔2006〕158號）中推薦了11種沉降變形曲線擬合的方法，但通過對大量的實(shí)測沉降變形數(shù)據(jù)擬合分析發(fā)現(xiàn)，80%以上的測點(diǎn)（主要集中在嵌巖樁基礎(chǔ)橋梁、圍巖級別較高的隧道以及地質(zhì)條件較好的路塹）均無法開展沉降變形曲線擬合。

1.2 2008年以后高速鐵路建設(shè)模式

以京滬高鐵、京福高鐵等為代表的高速鐵路，在沉降變形觀測與評估方面有了質(zhì)的發(fā)展。

（1）開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件。中鐵二院成立軟件攻關(guān)小組，廣泛調(diào)研了國內(nèi)外相關(guān)軟件開發(fā)、使用現(xiàn)狀，開發(fā)出了集觀測數(shù)據(jù)平差處理、觀測成果儲(chǔ)存、曲線擬合三模塊為一體的《沉降觀測數(shù)據(jù)處理與分析評估系統(tǒng)》，該軟件實(shí)現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)平差處理一鍵化操作，以文件夾存儲(chǔ)方式管理觀測數(shù)據(jù)的模式生成觀測曲線、沉降速率曲線、單個(gè)測點(diǎn)沉降曲線，具有全線累計(jì)沉降曲線以及采用多種擬合算法進(jìn)行曲線擬合的功能。同一項(xiàng)目的各參建單位采用同一款沉降評估軟件后，采用相同數(shù)據(jù)管理模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，極大地提高了數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理的能力。

（2）強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場觀測的重要性。觀測與評估兩個(gè)環(huán)節(jié)都十分重要，因此必須注重過程質(zhì)量控制。沉降變形觀測工作是指導(dǎo)軌道系統(tǒng)鋪設(shè)的唯一手段。在建設(shè)期內(nèi)，及時(shí)更新測點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成沉降變形曲線，分析曲線發(fā)展趨勢，提前發(fā)現(xiàn)線下工程沉降變形的異常點(diǎn)，如路基持續(xù)下沉、墩身左右側(cè)不均勻沉降、墩身沉降突變、隧道仰拱隆起等，或者因外部環(huán)境變化如暴雨、地下水抽取、棄渣堆積等導(dǎo)致的線下工程沉降變形異常。

一般高速鐵路正常沉降變形曲線表現(xiàn)為約90%的路基沉降板測點(diǎn)累計(jì)沉降量小于20mm，占93%的路基面觀測樁累計(jì)沉降量小于5mm。這說明路基本體沉降變形在填筑完成后很快趨于穩(wěn)定，且路基填料質(zhì)量和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)高，填土本身的沉降很小。路基沉降的主要原因在于地基部分的沉降變形。在摩擦樁基礎(chǔ)橋梁架梁前后，墩臺(tái)測點(diǎn)普遍存在0.5～3.0mm的沉降突變量，架梁前后在梁體荷載作用下，沉降突變值存在一定差異，這與橋墩所在地段地質(zhì)條件、樁基礎(chǔ)成樁工藝有關(guān)。架梁后6個(gè)月，累計(jì)沉降較架梁后3個(gè)月累計(jì)沉降量有0.5～1.5mm的沉降變化量，結(jié)合以上分析可以認(rèn)為，架梁后3個(gè)月內(nèi)為墩身沉降發(fā)展階段，架梁后3～6個(gè)月為墩身沉降趨于穩(wěn)定階段。隧道測點(diǎn)累計(jì)沉降量均小于5mm，仰拱開挖完成后1個(gè)月內(nèi)易出現(xiàn)隆起負(fù)變形。例如，京滬高鐵蘊(yùn)藻浜特大橋因城市建筑垃圾和棄土單側(cè)堆積在橋墩旁，偏壓荷載造成橋墩兩側(cè)不均勻下沉和偏移；京福高鐵福建段多座橋梁墩臺(tái)在架梁后產(chǎn)生了10cm左右的沉降突變，且后期沉降變形不收斂，這是因?yàn)闃蛄簶痘至訛樵颇甘⑵瑤r，遇水后承載力大幅下降；京福高鐵安徽段巢湖東站由無砟軌道變更為有砟軌道；石武客專因地下水變化產(chǎn)生區(qū)域沉降等。

沉降變形觀測與評估是對線下工程沉降變形發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行監(jiān)控，能隨時(shí)掌握測點(diǎn)沉降變形規(guī)律，及時(shí)提出存在的問題，供建設(shè)單位和各參建單位分析研討，從而采取控制沉降變形的工程措施，縮短建設(shè)工期并節(jié)省建設(shè)成本。在建設(shè)過程中，沉降變形觀測工作可將可能產(chǎn)生的隱患消除在建設(shè)期，為鐵路安全運(yùn)營保駕護(hù)航。

（3）更新相關(guān)規(guī)范條款。總結(jié)已開展的沉降變形觀測與評估工作的經(jīng)驗(yàn)，成果已列入《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9230—2016），并于2016年11月施行，主要體現(xiàn)在增加了沉降變形評估單位同步進(jìn)行平行觀測，更新了測量技術(shù)與要求，更新了隧道觀測標(biāo)埋設(shè)方式與測點(diǎn)個(gè)數(shù)，完善了沉降變形評估體系。

2 沉降變形觀測與評估的工作范圍

《客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》（鐵建設(shè)〔2006〕158號）主要指導(dǎo)客運(yùn)專線無砟軌道鋪設(shè)條件的評估，隨著鐵路網(wǎng)的進(jìn)一步規(guī)劃，2016年我國頒布了《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9230—2016），無砟軌道和設(shè)計(jì)時(shí)速200km及以上的有砟軌道也隨之興建。

根據(jù)不同鐵路等級和軌道類型，線下工程需要進(jìn)行變形觀測的范圍也不盡相同。按軌道類型、設(shè)計(jì)時(shí)速進(jìn)行區(qū)分，歸納整理新建鐵路沉降變形觀測的工作范圍如下。（1）采用無砟軌道結(jié)構(gòu)的鐵路：沉降變形觀測范圍為所有線下工程，即路基工程（含過渡段）、橋涵工程（含梁體徐變）和隧道工程。（2）有砟軌道、設(shè)計(jì)時(shí)速不低于250km的高速鐵路：沉降變形觀測范圍為所有線下工程，即路基工程（含過渡段）、橋涵工程（不含梁體徐變）和隧道工程。（3）有砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速為200km，客貨共線鐵路：沉降變形觀測范圍僅為路基工程，對于路涵、路橋過渡段，需根據(jù)實(shí)際條件判斷是否設(shè)置觀測內(nèi)容。（4）有砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速為200km以下的鐵路：沉降變形觀測范圍為軟土、松軟土等特殊地段路基。（5）嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)無砟軌道和設(shè)計(jì)時(shí)速250km及以上的有砟軌道鐵路路基應(yīng)進(jìn)行凍脹變形觀測。

上述分類不包括特殊結(jié)構(gòu)物的變形觀測，如橋梁特殊結(jié)構(gòu)墩臺(tái)沉降變形、梁體徐變等，可由設(shè)計(jì)單位專門提出變形觀測要求。

3 現(xiàn)階段沉降變形觀測與評估存在的問題

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件差異大，隨著高速鐵路路網(wǎng)的進(jìn)一步規(guī)劃加密，從東南方的軟土、松軟土到北方的凍土，再到西南山區(qū)丘陵、喀斯特、特殊巖土等，在不同地質(zhì)條件下修建高速鐵路會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)。例如，我國北方鐵路的季節(jié)性凍土凍脹，西南山區(qū)膨脹巖土地段隧道、深路塹上拱變形不收斂，跨喀斯特、溶洞橋梁基礎(chǔ)沉降不收斂，等等。這些挑戰(zhàn)在目前修建的成蘭鐵路、川藏鐵路、渝昆高鐵均會(huì)出現(xiàn)，需要不斷總結(jié)既有經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)去克服和創(chuàng)新。

4 沉降變形觀測與評估工作展望

4.1 開展沉降變形觀測的信息化管理

中國鐵路總公司工程管理中心開展鐵路沉降觀測信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用，對沉降變形觀測進(jìn)行信息化管理，如高速鐵路工程沉降變形觀測數(shù)據(jù)與評估管理系統(tǒng)V2.0、鐵路工程管理平臺(tái)等，進(jìn)一步對沉降變形觀測的時(shí)效性進(jìn)行全過程監(jiān)督管理。

4.2 加強(qiáng)鐵路運(yùn)營期的基礎(chǔ)變形觀測管理工作

經(jīng)過1～2個(gè)雨季與冬季循環(huán)，已建成的鐵路易出現(xiàn)沉降變形方面的問題。比如，哈大鐵路凍脹，蘭新高鐵隧道因膨脹土遇水膨脹引起仰拱上拱，京津城際區(qū)域地面沉降最大年沉降速率超過了150mm，差異沉降日益增大，嚴(yán)重影響了軌道的平順性和行車安全等。為規(guī)范鐵路運(yùn)營階段的變形觀測，中國鐵路總公司發(fā)布了《運(yùn)營高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測管理辦法》（技術(shù)規(guī)章編號：TG/GW 260-2015）（鐵總運(yùn)〔2015〕113號）文件。

4.3 引進(jìn)新設(shè)備、新材料和新工藝的監(jiān)測系統(tǒng)

除人工測量，在高寒地區(qū)、地理地勢險(xiǎn)峻的工點(diǎn)引進(jìn)了自動(dòng)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。目前應(yīng)用于鐵路工程變形監(jiān)測的有北斗衛(wèi)星變形監(jiān)測站、分布式光纖變形監(jiān)測系統(tǒng)等。如莫斯科—喀什鐵路，采用遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三大子系統(tǒng)組成，可隨時(shí)調(diào)取測段內(nèi)沉降變形相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，文章結(jié)合我國鐵路建設(shè)過程中沉降變形觀測中的典型案例，明確了不同等級鐵路進(jìn)行沉降變形觀測的工作范圍，并從地質(zhì)條件、降水、外部荷載等方面對異常情況進(jìn)行分析，采取對癥的工程補(bǔ)救措施，以期引起后來的設(shè)計(jì)者和建設(shè)者的足夠重視，用于指導(dǎo)鐵路建設(shè)。