鐵路工程沉降變形觀測技術(shù)若干問題探討

藺愛軍

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043

我國不同區(qū)域氣候環(huán)境差異大，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。在列車高頻動載和多重環(huán)境作用下，如何建設(shè)高質(zhì)量鐵路工程，確保其毫米級沉降變形控制及長期可靠耐久，是高速鐵路工程建設(shè)面臨的重大挑戰(zhàn)［1-3］。

沉降變形觀測與評估技術(shù)是高速鐵路工程建設(shè)技術(shù)管理和質(zhì)量控制重要組成部分，其目的是確保線下工程穩(wěn)定性滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和軌道工程鋪設(shè)條件。Q/CR 9230—2016（以下簡稱《規(guī)程》）在鐵建設(shè)〔2006〕158號《客運(yùn)專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》基礎(chǔ)上，總結(jié)高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路的建設(shè)、運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果，并借鑒國外高速鐵路成功經(jīng)驗(yàn)編制而成?！兑?guī)程》在指導(dǎo)我國高速鐵路工程沉降變形觀測與評估工作方面發(fā)揮著重要作用，但在理解個別技術(shù)條款和條文說明時可根據(jù)實(shí)際情況合理執(zhí)行。本文針對《規(guī)程》在變形觀測標(biāo)志及其設(shè)置、沉降變形觀測方法、變形測量等級及精度要求、沉降變形觀測路線等沉降變形觀測方面，由于工程的具體情況，現(xiàn)場實(shí)際執(zhí)行個別技術(shù)條款時需注意的問題展開分析，并提出解決方案。

1 變形觀測標(biāo)志及其設(shè)置

1.1 路基面沉降觀測樁設(shè)置

路基面沉降觀測樁設(shè)置參考圖1，存在問題及相關(guān)建議如下。

圖1 路基面沉降觀測樁設(shè)置參考（單位：mm）

1）由圖1可知，路基面沉降觀測樁埋設(shè)于級配碎石中，并高出路基面（有砟）或封閉層（無砟），應(yīng)理解為達(dá)到驗(yàn)收移交條件的觀測標(biāo)。部分技術(shù)人員可能誤認(rèn)為觀測樁是在基床表層級配碎石填筑后才埋設(shè)。而在高速鐵路路基沉降觀測實(shí)踐中，完成路基基床底層填筑（主要恒載加載完成）時即埋設(shè)臨時觀測樁，并開始沉降觀測工作，在基床表層施工完成后再進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)埋設(shè)，路基沉降變化是相對緩慢的，轉(zhuǎn)點(diǎn)埋設(shè)并進(jìn)行斷高處理后不會影響沉降觀測的連續(xù)性。如果級配碎石填筑完成后再埋樁觀測，受施工工期制約，沉降觀測期往往是不足的。

2）考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用因素，施工期基底頂面臨時觀測標(biāo)可采用普通鋼筋；路基封閉層施工后埋設(shè)的沉降觀測標(biāo)在運(yùn)營期長期使用，建議采用頂部為球形的預(yù)制不銹鋼棒。

3）鋼筋頭高出路基（封閉層）面10 mm，對車輛輪胎和行人可能產(chǎn)生影響，不利于觀測標(biāo)保護(hù)。建議改為高出3 mm左右，水準(zhǔn)尺能自由轉(zhuǎn)動，方便立尺即可。

1.2 沉降板規(guī)格及制作

1）給出的沉降板厚度（3～5 mm）明顯偏薄，路基填筑過程中可能被壓裂。在沉降觀測實(shí)踐中，大多采用10 mm厚鋼板。

2）在保證沉降板測桿接長后，由于長細(xì)比的加大，穩(wěn)定性會降低；在施工過程，沉降板周圍本應(yīng)進(jìn)行人工夯實(shí)，但偶爾會受到重車或壓路機(jī)的碾壓，造成損壞。需注意以下要點(diǎn)：

①測桿接頭絲扣長度不小于5 cm，確保接管穩(wěn)固。絲扣短會引起接管不穩(wěn)，導(dǎo)致沉降觀測數(shù)據(jù)失真。

②保護(hù)測桿的塑料套管壁厚度應(yīng)在5 mm以上。管壁太薄，抗壓強(qiáng)度低，周圍填料擠壓作用下，套管易被擠破而失去保護(hù)測桿作用。

1.3 橋涵和隧道變形觀測點(diǎn)設(shè)置

1）鋼筋頭高出周圍仰拱面10 mm，對車輛輪胎和行人可能產(chǎn)生影響，不利于觀測標(biāo)保護(hù)。

2）即使采用頂部為球形的預(yù)制不銹鋼標(biāo)志，也不宜高出周圍仰拱面10 mm。沉降觀測實(shí)踐中，在不同隧道工點(diǎn)曾發(fā)生多起重型出渣車長期碾壓磨損仰拱沉降觀測標(biāo)頭的情況，導(dǎo)致觀測標(biāo)高程逐漸降低，沉降曲線不收斂，而仰拱實(shí)際上并沒有沉降。觀測標(biāo)設(shè)置方法和位置不合理，間接導(dǎo)致了沉降曲線不能真實(shí)反映仰拱穩(wěn)定性狀態(tài)。隧道沉降觀測標(biāo)設(shè)置建議選不易被車輛碾壓的位置，在仰拱面取芯埋設(shè)；取芯直徑120 mm（以便于立尺為宜），深度不小于30 cm，標(biāo)頭頂部高出錨固砂漿頂面約3 mm、低于仰拱面約3 cm；取芯口設(shè)標(biāo)志保護(hù)蓋。

3）不宜采用普通鋼筋作為橋涵永久觀測標(biāo)材質(zhì)。長期日曬雨淋條件下，暴露在外的普通鋼筋觀測標(biāo)可能成為橋涵結(jié)構(gòu)鋼筋的銹蝕通道，降低混凝土保護(hù)層作用。

4）標(biāo)志外露墩身尺寸（50 mm）偏大，不利于觀測標(biāo)保護(hù)。

5）如果觀測標(biāo)因埋設(shè)不穩(wěn)固而發(fā)生轉(zhuǎn)動時，倒L形標(biāo)志頭高程在橋墩穩(wěn)定的情況下可能發(fā)生變化，沉降觀測數(shù)據(jù)將不能反映橋墩穩(wěn)定性狀態(tài)。建議橋墩沉降觀測標(biāo)采用圖2所示通用元器件，標(biāo)頭為?20 mm球形不銹鋼觀測標(biāo)，標(biāo)志外露墩身30 mm，在墩身拆模后打孔，用植筋膠或錨固砂漿固定埋設(shè)。

圖2 橋墩沉降觀測標(biāo)志（單位：mm）

6）關(guān)于橋涵和隧道沉降觀測標(biāo)設(shè)置，在實(shí)踐中會遇到《規(guī)程》中沒有涉及的情況，進(jìn)行如下處理：

矮墩或異形墩不便在墩身上設(shè)置沉降觀測標(biāo)時，可設(shè)置承臺觀測標(biāo)代替橋墩觀測標(biāo)。若承臺埋深較大，可在承臺頂面澆筑鋼筋混凝土立柱（采用壁厚不小于3 mm的PVC管模筑，立柱直徑不小于20 cm），立柱頂面與地面大致同高，標(biāo)志（不銹鋼材質(zhì)）設(shè)置于立柱中央，標(biāo)頭高于立柱混凝土面約5 mm。

2 沉降變形觀測方法

1）剖面沉降儀在早期建設(shè)的高速鐵路路基沉降觀測中進(jìn)行了試用，設(shè)置和測試過程復(fù)雜，對觀測人員技術(shù)水平要求較高，實(shí)際應(yīng)用和觀測效果較差，測量精度低［4］。近十年新建高速鐵路設(shè)計文件中，已不再采用剖面沉降儀作為路基沉降觀測設(shè)備。

2）由于現(xiàn)場條件限制，位于江河湖泊水庫和復(fù)雜山區(qū)溝谷橋墩的沉降觀測在架梁前不方便或不能用水準(zhǔn)測量方式，實(shí)踐中一般采用中間設(shè)站光電測距三角高程測量方式。為確保觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)在陰天或晚上大氣比較穩(wěn)定時觀測，觀測距離一般應(yīng)小于150 m。如觀測視距超過150 m，可在江河水庫中搭建觀測平臺以縮短觀測距離或采用特殊觀測和數(shù)據(jù)處理方法，確保觀測精度。

3 變形測量等級及精度要求

1）適當(dāng)提高線路水準(zhǔn)基點(diǎn)高程復(fù)測更新標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路高程控制測量目前按照國家二等水準(zhǔn)精度要求建立線路水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)，相鄰線路水準(zhǔn)基點(diǎn)間既有高差和復(fù)測高差較差絕對值不大于（Ri為測段長度），則認(rèn)為水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定，其高程不更新。對于變形觀測基準(zhǔn)網(wǎng)，上述水準(zhǔn)點(diǎn)高程成果更新的限差要求相對偏低，原因分析如下。

高速鐵路沉降變形觀測相鄰變形點(diǎn)高差中誤差和變形點(diǎn)高程中誤差限差分別為0.5 mm和1 mm，精度要求高。鐵路相鄰水準(zhǔn)基點(diǎn)相距約2 km，水準(zhǔn)路線測段長度一般大于2.5 km ；可能大于9 mm，即基準(zhǔn)點(diǎn)間既有高差和復(fù)測高差的較差超過9 mm才更新水準(zhǔn)點(diǎn)高程值。沉降觀測時導(dǎo)致高差中誤差和高程中誤差超限的原因往往不是現(xiàn)場測量不規(guī)范，而是由于水準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)測成果更新的技術(shù)要求相對偏低，高程現(xiàn)勢性差，導(dǎo)致沉降觀測附合路線閉合差和相鄰變形點(diǎn)高差改正數(shù)較大，致使相鄰變形點(diǎn)高差中誤差和變形點(diǎn)高程中誤差超限。

2）《規(guī)程》條文說明3.3.4條規(guī)定：水準(zhǔn)測量至少使用DS05級水準(zhǔn)儀，三角高程測量使用0.5″級全站儀，以保證觀測精度。

①高速鐵路線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)測量等級為二等，二等水準(zhǔn)測量的最低儀器型號為DS1級，沉降變形觀測以線路水準(zhǔn)基點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，采用的水準(zhǔn)儀最低精度型號不會高于線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)的要求。采用DS1級水準(zhǔn)儀精度是滿足高速鐵路沉降觀測工作要求的。

②三角高程的精度取決于測角和測距兩個測量項(xiàng)目的綜合精度，對全站儀只描述測角精度要求是不完整的，且全站儀自動目標(biāo)識別功能可減小人為照準(zhǔn)誤差，提高觀測效率［5-7］。建議對全站儀的性能要求修改為“三角高程測量采用的全站儀應(yīng)具有自動目標(biāo)識別功能，儀器標(biāo)稱精度不低于0.5″、1 mm+1×10-6D（D為測量距離）”。

4 沉降變形觀測路線

4.1 路基沉降觀測路線

1）TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》、TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》等均規(guī)定路基沉降觀測斷面間距一般不大于50 m，即使在地質(zhì)情況良好、路堤填筑高度不大于5 m的情況下也不能大于100 m。因此，被結(jié)構(gòu)物分隔的兩路基一次觀測時觀測斷面間距大于等于100 m時，按“鐵路工程路基、涵洞沉降變形水準(zhǔn)觀測路線宜按圖3（a）”進(jìn)行。實(shí)際測量中同一路基段按規(guī)程中“觀測斷面間距小于100 m時，可按圖3（b）”進(jìn)行。

圖3 路基和涵洞沉降變形觀測水準(zhǔn)路線

2）水準(zhǔn)路線優(yōu)化。

①沉降觀測實(shí)踐中，交通涵一般在涵洞邊墻設(shè)置標(biāo)志，在路基下方進(jìn)行橋涵沉降觀測，不與路基觀測標(biāo)一起觀測。下方觀測的優(yōu)勢在于觀測標(biāo)易保護(hù)，沉降觀測工作不受路基面交叉施工干擾，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有保證。

②條文說明3.3.7條規(guī)定：當(dāng)斷面間隔較近（小于100 m）時，儀器架設(shè)在兩個相鄰斷面中間，一次設(shè)站觀測各點(diǎn)視距都不超限且前后視距大致相等時，按照圖5（b）另設(shè)一站觀測環(huán)水準(zhǔn)路線，和主水準(zhǔn)路線構(gòu)成附合結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，或采用CPⅢ高程矩形環(huán)網(wǎng)觀測。在實(shí)際觀測中：一般每個路基沉降觀測斷面至少3個觀測標(biāo)，如果在兩個相鄰斷面中間一次設(shè)站完成環(huán)線上所有觀測標(biāo)的觀測，即使觀測視距不超限，前后視距差或視距累積差往往也會超限，不滿足二等水準(zhǔn)測量要求，條文說明推薦的方法在實(shí)際工作中不便實(shí)施；一條環(huán)水準(zhǔn)路線中所有高差測量應(yīng)不少于2次設(shè)站，只設(shè)1站觀測完環(huán)線上所有高差，高差值之間相關(guān)不獨(dú)立，這是不允許的；如觀測完主水準(zhǔn)路線，再返回來觀測環(huán)水準(zhǔn)路線，實(shí)際增加了現(xiàn)場工作量，在沉降觀測實(shí)踐中可不采用該水準(zhǔn)路線進(jìn)行沉降觀測工作。

③堆載預(yù)壓期間路基中線附近布設(shè)沉降板，當(dāng)兩側(cè)標(biāo)志為觀測樁時，中線和兩側(cè)觀測標(biāo)高差超過2.5 m，無法將同一斷面高差如此大的觀測標(biāo)在同一測站中完成觀測，可分上下兩條水準(zhǔn)路線進(jìn)行觀測”

4.2 橋墩沉降觀測路線

《規(guī)程》3.3.7條第3款規(guī)定：鐵路工程橋梁沉降變形水準(zhǔn)觀測路線宜按圖4進(jìn)行。在沉降觀測實(shí)踐中，采用圖4的兩條單程附合水準(zhǔn)路線開展橋墩左右側(cè)沉降觀測一般是可行的；因現(xiàn)場積水或地形原因在線路一側(cè)不能架站時，在相鄰橋墩的中央空地上設(shè)站，采用Z字形水準(zhǔn)路線是現(xiàn)場經(jīng)常采用的觀測路線，且當(dāng)?shù)貏荼容^平緩時，一次架站相鄰橋墩4個觀測標(biāo)3段高差均可以觀測，可減少設(shè)站數(shù)，提高測量效率。

圖4 橋梁墩臺沉降觀測水準(zhǔn)路線示意

4.3 隧道仰拱沉降觀測路線

《規(guī)程》3.3.7條第4款規(guī)定：鐵路工程隧道沉降變形水準(zhǔn)觀測路線宜按圖5進(jìn)行附合水準(zhǔn)觀測。圖5路線適用于貫通后的短隧道沉降觀測；在隧道貫通前，無法在不同掘進(jìn)口之間形成附合水準(zhǔn)路線進(jìn)行仰拱沉降觀測，通常是在同一掘進(jìn)洞口外不同的控制點(diǎn)之間形成附合路線。

圖5 隧道沉降觀測水準(zhǔn)路線示意

為確保工作基點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)不受施工影響，不少項(xiàng)目的沉降觀測管理人員不允許在洞內(nèi)設(shè)工作基點(diǎn)，每期沉降觀測均要從洞外控制點(diǎn)引測。當(dāng)斜井坡度大且較長時，不僅引測工作量大，而且變形點(diǎn)高程中誤差易超限，測量數(shù)據(jù)精度不高。

TB 10601—2009給出了解決上述矛盾的策略，其8.1.6條第2款“工作基點(diǎn)應(yīng)選在比較穩(wěn)定的位置”，8.1.8條“基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)建立或選設(shè)在變形影響范圍以外便于長期保存的穩(wěn)定位置”，并沒有要求工作基點(diǎn)一定要選在變形影響范圍外。根據(jù)上述規(guī)定，穩(wěn)定性良好的Ⅱ級或Ⅲ級圍巖區(qū)域二次襯砌邊墻或綜合洞室內(nèi)是可以埋設(shè)工作基點(diǎn)的；在穩(wěn)定的洞內(nèi)工作基點(diǎn)間構(gòu)成附合水準(zhǔn)路線，不僅能夠減輕觀測工作量，而且變形點(diǎn)相對于工作基點(diǎn)的測量精度較高。

4.4 沉降觀測路線修訂建議

1）兼顧觀測效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，允許測量人員根據(jù)現(xiàn)場情況自行設(shè)計沉降觀測水準(zhǔn)路線。鐵路工程不同工點(diǎn)觀測條件差異較大，無法統(tǒng)一規(guī)定路橋隧各類工點(diǎn)的沉降觀測路線。

2）路橋、路隧過渡段附近不同構(gòu)筑物的觀測斷面納入同一沉降觀測路線中。高速鐵路無砟軌道過渡段是不均勻沉降的高發(fā)地段。如果將橋臺（或隧道口）和相鄰路基過渡段納入同一水準(zhǔn)路線觀測，既方便現(xiàn)場測量，又便于相鄰構(gòu)筑物穩(wěn)定性分析。相鄰期次高差觀測值較差的累計值直接反映了路基過渡段附近不同構(gòu)筑物相鄰斷面的沉降差，不含水準(zhǔn)路線閉合差改正，數(shù)據(jù)精度較高。

5 結(jié)語

本文在高速鐵路工程沉降變形觀測實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了變形觀測標(biāo)志及其設(shè)置、沉降變形觀測方法、變形測量等級及精度要求、沉降變形觀測路線等沉降變形觀測技術(shù)在實(shí)踐中存在的問題，提出了解決問題的建議，能夠?yàn)榻ㄔO(shè)期高速鐵路工程沉降變形觀測帶來幫助。