客運專線路基沉降變形觀測與評估

摘要：本文介紹了客運專線路基沉降變形觀測的內容、觀測斷面和觀測點的布設、變形觀測元件的選取及埋設、變形觀測的具體實施過程以及測量精度和測量頻率的要求，對路基沉降評估的方法及注意事項進行了舉例和詳細闡述。

關鍵詞：客運專線 路基 沉降變形 觀測 評估

0 引言

客運專線路基變形包括三個部分：列車動荷載作用下路基面彈性變形、列車動荷載作用下路基基床產生的累計變形、地基及路堤工后壓密沉降。路基面彈性變形，是在列車動荷載作用下可恢復的變形，與基床表面支承剛度密切相關，采用強化基床，一般在1mm左右。路基基床累計變形，是基床巖土在列車荷載反復作用下出現的不可恢復的塑性變形，與基床巖土材料、動強度、動模量密切相關。采用強化基床，基床累計變形很小，其累計變形值約在1～2cm以內，累計變形率在1～2mm/年。地基及路堤工后壓密沉降，受地基巖土性質及相應地基處理措施、填料性質及壓實標準影響較大，不確定因素多，是工程建設管理控制的重點。

復雜和多樣的環境，同樣復雜和多樣的巖土，以及巖土材料本身固有的不確定性和變異性，使路基工程十分復雜，路基工程的沉降變形迄今為止尚無準確的計算方法計算。因此，為有效控制客運專線路基工程的變形，必須采取措施：建立線下構筑物沉降變形觀測網，采取高精度測量儀器對線下構筑物變形進行觀測；采取科學有效的方法對線下構筑物工后沉降變形進行預測和評估；采取信息化施工方法，工后沉降不能滿足設計要求時，應采取必要的加速或控制沉降措施。

1 變形觀測的內容和觀測點布置

根據不同的路基高度及不同的地基條件，主要內容有：①路基面的沉降變形觀測；②路基基底沉降變形觀測；③路堤本體的沉降變形觀測。

觀測斷面及觀測點布設基本原則：

①路基沉降變形觀測應以路基面沉降和地基沉降觀測為主。沉降變形觀測斷面應根據不同的地基條件，不同的結構部位等具體情況設置；沉降變形觀測點的布設位置應滿足設計要求，同時還應針對施工掌握的地質、地形等情況調整或增設。

②沉降變形觀測點應設在同一橫斷面上，這樣有利于測點保護，便于集中觀測、統一觀測頻率，更重要的是便于各觀測項目數據的綜合分析。

③路基面變形觀測斷面沿線路方向的間距一般不大于50m；地勢平坦、地基條件均勻良好的路塹、高度小于5m的路堤可放寬到100m；地形，地質條件變化較大地段應適當加密觀測斷面。

④一般路基填筑至基床表層頂面，而加載預壓的路堤填筑至基床底層表面后，在路基面設觀測樁，進行路基面沉降變形觀測，時間不少于6個月。根據觀測結果，分析評價地基的最終沉降量完成時間，及時調整設計措施使地基處理達到預定的控制要求。同時作為竣工驗收時控制沉降量的依據。

⑤觀測點及觀測元器件的埋設位置要符合設計要求，并且埋設準確、穩定。觀測期間要對觀測點采取有效的保護措施，防止施工機械的碰撞，人為因素的破壞，務必使觀測工作能善始善終，取得滿意成果。

⑥觀測斷面的設置及觀測內容、元件的布設應根據地形、地質條件、地基壓縮層厚度、路堤高度、地基處理方法、堆載預壓等具體情況，結合沉降預測方法和工期要求具體確定。

2變形觀測元件的選取和埋設

變形觀測元件的選取應滿足工后沉降的評估需要以及精度要求。路基面采用沉降觀測樁觀測，地基面采用沉降板、剖面沉降管和電測元件相結合進行觀測。

對于剖面觀測管、單點沉降計等電測元件檢測儀器的選配，要選用高靈敏度、高精度、高可靠性好的儀器；儀器企業廠家應具有相應的生產許可證、計量器具許可證和質量等證明文件，并具有良好的工程應用業績和信譽評價。

變形觀測元件的埋設方法如下：

①沉降觀測樁：

沉降觀測樁的制作及埋設：采用Φ20mm底端帶彎頭的鋼筋，鋼筋原長不小于40cm，底部做成帶彎鉤狀，觀測點鋼筋頭為半球狀，高出埋設表面5mm，表面做好防銹工作。一般路基填筑至基床表層頂面，加載預壓路堤填筑到基床頂面后，挖坑埋置于設計位置，坑深30cm，邊長15cm，用砂漿澆注固定，見下圖1示。

②沉降板：

沉降板的組成：由鋼底板、金屬測桿（Φ40mm厚壁鍍鋅鐵管）及保護套管（直徑不小于Φ75mm、壁厚不小于4mm的硬PVC管）組成，鋼底板尺寸為50cm*50cm，厚1cm，見下圖2示。

路基沉降板的埋設：①埋設位置按設計要求的位置確定，沉降板埋在褥墊層頂部并嵌入其內10cm，采用中粗砂回填密實，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定保護套筒，完成沉降板的埋設工作。②采用水準儀按國家一等精密水準測量方法測量埋設就位的沉降板測桿桿頂標高作為初始讀數，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1m為宜，接長前后測量桿頂標高變化量確定接高量。金屬測桿用內接頭連接，保護套筒用PVC管外接頭連接。

3 變形觀測方法及要求

3.1 路基變形觀測的一般要求

①變形監測網按二等變形測量等級技術要求建立，變形觀測點的水準測量采用一等變形觀測測量技術要求。②建立變形觀測網，布設水準基點和工作基點。在沿線施工已設水準基點的基礎上，按距離不大于1km增設水準點，水準基點應設在變形區以外的巖石或原狀土層上，亦可利用穩固的建筑物、構筑物設立水準點。為滿足沉降變形觀測精度要求在兩水準基點之間沿線路方向按間距不大于200m、距路基中心距離小于100m布設工作基點。工作基點應布設在不受施工干擾的穩定土層內，以便長期保存和使用的地點。采用Φ20mm長60cm頂端圓滑的鋼筋打入土中，樁周上部30cm用混泥土澆注固定并編號。高程采用施工高程控制網系統并與施工高程控制網聯測。全線二等水準測量貫通后，將變形監測網與二等水準點聯測，統一歸化為二等水準基點上。③所使用的儀器和設備定期檢查并作詳細記錄，每次測量采用同一儀器，固定觀測人員，采用相同的觀測路線和觀測方法，在基本相同的環境和觀測條件下工作。④各種原始測量記錄真實、可靠，并有可追溯性；計算成果和圖表清晰、簽署齊全，并妥善保存。

3.2 觀測頻度要求

①所有觀測元件埋設后，必須測試初始讀數，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。

②路基施工各階段沉降觀測頻度應滿足下表1要求：

③測試過程中發現異常必須及時查明原因，盡快妥善處理。

3.3 觀測方法及測量精度要求

①所有高程水準測量應滿足二等變形等級測量技術要求，按國家一等精密水準測量方法施測（國家一等水準的要求：DS0.5型儀器，視線長度≤15m，前后視距差≤0.3m，視距累積差≤1.5m。往返較差、附和或環線閉合差≤0.15mm視線高度最小讀數0.5mm）。測量精度：±1mm；讀數取值0.1mm。

②單點沉降計采用智能型頻率檢測儀器進行測試，單點沉降計量程200mm，精度1%，靈敏度0.05mm。

③剖面沉降采用剖面沉降儀進行測試，精度8mm/30m，靈敏度0.01mm。

④靜力水準儀采用智能型頻率檢測儀器進行測試，靜力水準儀量程100mm，精度1mm，靈敏度0.01mm。

3.4 元件保護要求

①各工程項目部應成立專門監測測試小組，進行元器件的埋設、觀測和保護工作，小組人員分工明確，責任到人。

②元件埋設前應根據現場情況進行編碼，有導線的元件應將導線引出至路基坡腳觀測箱內，并做好觀測箱的保護。

③所有觀測元件埋設或觀測過程中損壞要及時補埋或經設計、監理確認采取其它替代措施。

④沉降板埋設后，制作相應的標示旗或保護架插在上方，凡沉降板一米范圍內的土方要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，以確保沉降板不受損壞。

⑤各施工隊應制定穩妥的保護措施并認真執行，確保元器件不因人為、自然等因素而破壞。

3.5 資料整理要求

①所有測試數據應真實、可靠，并有可追溯性；記錄必須清晰，不得涂改；測試、記錄人員必須簽名。

②人工測試數據要當天及時輸入電腦，核對無誤后在計算機內保存，自動采集測試數據要及時在計算機內備份，沉降觀測資料及時輸入沉降觀測管理信息系統，以保證各相關單位在觀測過程中時隨時監控。觀測中有沉降異常情況應及時通知有關各方及時處理。

③按照資料提交要求及時對測試數據進行整理、分析、匯總，繪制有關分析曲線及完成有關報告。

④路基填筑過程中要及時整理中心沉降觀測點的沉降量，當路堤中心地基處沉降觀測點沉降量大于10mm/天時，要及時通知項目部，并要求停止填筑施工，待沉降穩定后再恢復填土，必要時采取卸載措施。

⑤觀測數據和觀測報告作為鋪設無碴軌道前評判路基工后沉降是否滿足要求，以及作為工程竣工驗收的依據。

4 保證變形觀測質量的措施

①觀測基點和觀測點必須堅固穩定。②觀測基點必須定期與CPⅠ、CPⅡ或水準基點聯測。③觀測儀器的精度必須滿足反映變形的要求。④觀測工作應盡可能做到四個固定：第一、人員固定；第二、儀器固定；第三、使用固定的水準點；第四、按照固定的日期、方法及路線進行觀測。⑤觀測點首次觀測數據是以后各次觀測用以比較的根據，必須提高首次測量的精度，宜在同期進行兩次觀測后確定。⑥參與觀測人員必須經過培訓才能上崗。⑦觀測設施的保護，確保施工過程中不受擾動或破壞，發現或懷疑工作基點擾動，立即與水準基點聯測，找出原因，采取相應的補救措施。⑧及時提交觀測數據和相關資料，并對觀測數據的真實、可靠性負責。⑨野外測量應備詳細的測量記錄，記錄要清晰、整齊、不得涂改，應做長期保存。⑩成立變形觀測小組，并且人員穩定、分工明確。 愛護測量儀器設備，規范操作，定期維修保養，變形觀測儀器要有專人進行安全妥善地保管、要定期進行年檢，確保儀器的正常使用。

沉降變形觀測異常原因分析：①沉降曲線在第二次觀測即發生回升現象的原因，首次觀測精度不高。②沉降曲線在中間某點突然抬升的原因，水準點或觀測基點被擾動。③沉降曲線自某點起逐漸回升的原因，水準點或觀測基點下沉。④沉降曲線波浪起伏的原因，測量誤差。

5 變形觀測結果的分析、評估

5.1 一般規定

①路基上鋪設無碴軌道前，應對路基變形系統的評估，確認路基的工后沉降和變形符合設計要求。

②路基填筑完成或預壓荷載后應有不少于6個月的觀測和調整期，觀測數據不足以評估時要繼續觀測；工后沉降評估不能滿足設計要求時，應采取必要的加速或控制沉降措施。

③評估時發現異常現象或對原始記錄資料存在疑問，可進行必要的檢查。

5.2 計算和實測沉降的比較

①比較計算的總沉降量與實測總沉降量主要目的是：審核設計階段的沉降計算模型和參數是否符合實際；估計真實的路基壓縮模量Es，以便確定鋪設無碴軌道結構（自重）產生的附加沉降；如果施工期觀察到的沉降明顯大于計算沉降量，超過設計20％及以上時，而且經過檢查排除測量儀器和人為錯誤，可盡早檢查修改設計，保證路基的工后沉降滿足要求。

②計算和實測沉降值的比較：具體操作時，應對路基工點每一觀測斷面的各觀測面（數據見表2-3）沉降繪制施工過程（包括觀測期）沉降隨時間發展的曲線，如下圖3-4（以武廣客運專線DK1948+106為例）。在此基礎上由評估單位對每一路基工點進行各觀測面的最終沉降分析。并對每一路基工點應制作沉降分析結果匯總表，如下表4（以武廣客運專線DK1948+106為例）。

③沉降分析和觀測結果比較應按要求及時送業主咨詢、設計單位，如果發現測定的沉降明顯大于計算沉降，超過設計值20％及以上時，應及時通知設計方、咨詢方和業主，由咨詢方組織進行分析討論，確定原因，采取相應措施。

5.3 推導各觀測斷面沉降變形擬合曲線

①為了盡可能準確的預測工后沉降，應對基床表層部（沉降觀測樁或超載預壓時為沉降版）觀測的沉降進行曲線擬合，對路堤區段可根據路堤填筑完成后沉降觀測樁（或在超載預壓時為沉降板）觀測的結果為基準。曲線擬合一般以中心觀測樁結果為主，路肩觀測樁為參考。對路基橫斷面不對稱區段（例如基底地面橫坡≥1：5應相應考慮路肩監觀樁測定結果）。

②擬合曲線的推導一般以三個月為周期反復進行以不斷逼近路基的真實變形狀況。具體的說，在路堤完成填筑、安裝沉降觀測樁后，按規定的周期測定三個月后可根據三個月的沉降觀測結果推導第一個擬合曲線S1(t)。根據這個沉降擬合曲線可外推（預測）六個月后的沉降S1（t=6個月），然后繼續觀測三個月，并檢查第一次預測結果是否合理。然后根據總共六個月觀測的結果推導第二個更接近時間的沉降擬合曲線S2（t），以這種方式不斷逼近真實的路基變形發展。應當指出，在推導沉降擬合曲線時后期的沉降觀測結果特別重要，要重點考慮。

③通常采用的沉降擬合曲線有以下幾種：

雙曲線法：假定沉降量st隨時間t的發展過程符合雙曲線方程，用下式表示

St= S0+

式中S0－初期沉降量(t=0)；St－t時刻沉降量；to－起點時間，一般取填方施工結束日；α、β－實測數據經過曲線回歸求得的系數。

三點法：假定沉降量s t 隨時間t 的發展過程可用下式進行描述：St= S∞+

式中 sd－瞬時沉降； s∞－最終沉降量；α、β－實測數據經過曲線回歸求得的系數。

Asaoka（淺崗法）法：假定沉降量st 隨時間t的發展過程可用下式進行描述

該關系式是根據一維條件下以體積應變表示的固結方程推導得到。

指數曲線法：實測沉降曲線自拐點B(t0，s0) 點開始，近似采用指數曲線延伸。

指數曲線方程可由下式表示

式中η－待定常數；

拓展雙曲線法：假設沉降時程曲線近似于雙曲線，可以用以下方程式進行描述

St=其中

式中t－自土方工程開工以來時間(天)；st－t時刻的沉降(mm)；σ－t時刻的荷載(kPa)；σmax－設計最大荷載(kPa)。

5.4 各觀測斷面工后沉降的預測

①路基沉降預測應采用曲線回歸法，并滿足以下要求：根據路基填筑完成或堆載預壓不少于3個月的實際觀測數據作多種曲線的回歸分析，確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關系數不應低于0.92；沉降預測的可靠性應經過驗證，間隔不少于3個月的兩次預測最終沉降的差值不應大于8mm；路基填筑完成或堆載預壓后，最終的沉降預壓時間應滿足下列條件s(t)/s(t=∞)≥75%，式中：s(t)預測時的沉降觀測值，s(t=∞)：時間t時預測的最終沉降值（時間起點t=0為沉降觀測樁安裝后觀測算起）。

②在觀測沉降三個月后（以完成路堤填筑埋設沉降觀測樁為始點），即完成第一個擬合曲線推導后可進行第一次工后沉降預測。

為了進行工后沉降預測，除了對路基工點各觀測斷面以迭代方式確定相應的沉降擬合曲線s(t)外，還應根據具體施工組織計劃確定以下時間點：a預計鋪設無碴軌道時間點T0，b預定運營完成的時間點T3（100年）。

對每個路基工點的各個觀測斷面要分別預測其相應的工后沉降，工后沉降計算值由評估單位提供。

③工后沉降計算方法。沉降擬合曲線滿足《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估指南》(鐵建設[2006]158號)的要求后，進行工后沉降計算。根據《武廣客運專線沉降變形觀測系統實施細則》(武廣工[2007]119號)文的規定，工后沉降SR(不包括交通荷載引起的附加沉降)由兩部分組成，工后沉降的計算方法為SR=S(T3-T0)+Sst，其中T0－預計鋪設無碴軌道時間點；T3－預定運營完成的時間點(T3＝T0＋100年)；S(T3-T0)－路基在鋪軌后至運營完成所發生的沉降； Sst－鋪設無碴軌道結構自重發生的沉降。

預鋪軌時間點沉降量和運營完成時沉降量均可以根據原始觀測數據，采用軟件預測得到，即可以很方便的計算S(T3-T0)。由于無碴軌道結構自重不大(參照HEITKAMP海德坎普公司《無碴軌道下部結構沉降評估第8號報告》，結構層荷載取為15kPa)，且在鋪軌前路基已經過了一個趨于穩定的沉降變形期(要求最后觀測沉降量達到最終沉降量的75%以上)，因此，相對于路基填筑期的沉降量而言，變形趨于穩定后所施加的結構荷載所引起的沉降量是有限的。根據《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估指南》，對于多級加載的情況，在不考慮地基土的非線性特性條件下，荷載增量引起的最終沉降量與荷載大小成正比，即Sk=CΔPk，式中Sk－第k級荷載增量引起的最終沉降量；ΔPk－第k級荷載增量。應用上述原則，將軌道結構層看作為路基本體填筑完成后的一個荷載增量，其引起的沉降量與結構層荷載成正比，而沉降量Sk與ΔPk的比例系數C可根據鋪軌前沉降觀測資料確定，即C= S∞/γh Ssk= C×ΔPk，式中S∞－利用鋪軌前觀測資料預測的最終沉降量；γ－路基平均填土容重；h－路基填土總高度。則結構層引起的沉降量為Ssk=C×ΔPk=ΔPk *S∞/γh，式中ΔPk－軌道結構層荷載。另外，由于拓展雙曲線法引入了荷載系數的概念，其荷載系數的計算過程中實際已考慮了結構荷載的影響。因此，在采用拓展雙曲線法進行沉降預測分析時，其工后沉降量不能按照上述公式進行計算。按照德國相關軌道工程實際采用的方法，工后沉降SR為預測出的最終沉降值與觀測的當前沉降值之差SR=Smax-St。

④過渡段折角計算方法。可采用下列公式計算過渡路基段相臨結構物之間的折角：α=1/(ΔL/ΔSR)

其中ΔL－結構物與過渡路基段間的距離；ΔSR－結構物與過渡路基段間的工后沉降差。

5.5 鋪設無碴軌道技術條件的評定

對每個路基工點應以三個月為周期根據最新推導的沉降擬合曲線進行工后沉降預測至少兩次以上，并檢查所有觀測斷面的預測工后沉降是否滿足以下要求：SR=S(T3-T0)+Sst≤15mm，同時審核其預測工后沉降差異是否≤5mm，折角≤1/1000。

此外，還應檢查同一個觀測斷面前后兩次工后沉降預測值的差異，如果其差值≤8mm，可以為預測的工后沉降具有足夠的可言度。

設計預計總沉降量與通過實測資料預測的總沉降量的差值不宜大于10mm。

如果一個路基工點所有的觀測斷面滿足以上要求，該路基工點可以鋪設無碴軌道。

參考文獻：

[1]《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設[2006]158號）.

[2]《客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規定》（鐵建設[2006]189號）.

[3]《新建鐵路工程測量規范》（TB10101-9989號）.

[4]《武廣客運專線沉降變形觀測系統實施細則》（武廣工[2006]119號）.