沉降觀測技術在滬寧高鐵中的應用

李聰，羅滿建，潘元進，何美琳

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004； 2.廣西壯族自治區測繪局，廣西南寧 530004)

沉降觀測技術在滬寧高鐵中的應用

李聰1?，羅滿建2，潘元進1，何美琳1

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004； 2.廣西壯族自治區測繪局，廣西南寧 530004)

近年來，隨著中國經濟的持續快速增長，發展高速鐵路已經成為一種趨勢。在我國，已經新建了幾條高速鐵路，而測量工作在施工過程中起到了決定性的作用。本文基于滬寧城際高速鐵路的施工技術，結合沉降觀測技術在工程中的應用，分析了沉降觀測中內外業應該注意的問題。

滬寧城際高鐵；沉降觀測；水準測量；成果分析

1 引 言

沉降觀測是指對被觀測物體的高程變化所進行的測量。現行規范規定[1]:高層建筑物、高聳構筑物、重要古建筑物及連續生產設施基礎、動力設備基礎、滑坡監測等均要進行沉降觀測。而隨著我國高速鐵路技術的飛快發展，沉降觀測也被更多地應用到高鐵建設中去。本文結合滬寧城際高鐵的實際情況，對沉降觀測技術在實際施工操作過程中的應用進行了分析討論，并對相應的數據成果進行處理分析。

2 技術設計

2.1 工程概況

滬寧城際鐵路是全線采用無砟軌道的鐵路客運專線，具有高標準設計、高起點建設、高速度運行、高信息化管理及高乘坐舒適度的特點，是我國鐵路客運專線建設的發展方向。無砟軌道系統對線下工程的沉降要求非常嚴格，對沉降變形提出了很高的要求。在國外，無砟軌道施工周期一般較長，需要等到自然沉降后再鋪設無砟軌道，而滬寧城際鐵路建設因工期緊，并沒有自然沉降的過程，因此總結滬寧城際鐵路沉降觀測及成果分析非常重要。

2.2 作業要求

無砟軌道客運專線運行的高平順、高舒適性對工后沉降要求非常嚴格；要求工后沉降不應大于15 mm，路橋、路隧結構物過渡段的不均勻沉降差不大于5 mm，縱向變形折角不大于0.1%，并且必須經過分析評估滿足要求可鋪設無渣軌道，鋪設后繼續觀測1年～3年[2]。

變形觀測與分析評估是一項系統工程，涉及設計措施與計算，施工過程中的實施監測，無砟軌道鋪設條件的評估，運營期間的觀測驗證等方面。因而，沉降變形觀測及評估系統在客運專線設計中具有十分重要的意義。

3 沉降觀測技術的應用

3.1 沉降變形觀測主要技術指標

根據《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》、《滬寧城際鐵路線下工程沉降變形觀測及評估實施方案》及《國家一、二等水準測量規范》有關技術要求來確定沉降觀測的主要技術指標如表1～表3所示[3，4，5]。

沉降觀測網主要技術要求 表1

二等水準測量精度要求 表2

垂直位移觀測點的技術要求和觀測方法 表3

3.2 沉降監測控制網和觀測點網的布設

(1)水準基點

基準點采用設計水準基點，每3 km布設一個，工作基點按間距200 m左右進行加密布設，滿足線下工程沉降觀測的需求[6]。工作基點與基準點的聯測則采用天寶DINI03電子水準儀和銦瓦條碼尺進行施測，作業方法按二等水準測量規定進行，所有基準點和工作基點的水準測量路線均構成閉合環，按閉合水準路線的形式進行沉降觀測，以保證沉降觀測的精度和可靠性。

(2)測點布設

在設計里程按要求埋設沉降板，如圖1所示，每斷面基地各埋設三個沉降板，分別在路基基底左(線路中心左側 4.5 m)、中(線路中心)、右(線路中心右側4.5 m)，在堆載預壓區基層表面中心各埋設一個沉降板。在埋設沉降板前首先保證埋設里程面平整，先用細土墊平，再平整放置沉降板，再用細土和碎石壓實，隨時保證沉降板的垂直度。外部用PVC管保護，另外加三角木架子保護[2]。

圖1 路基沉降板埋設斷面示意圖

3.3 沉降觀測線路的選擇

一般的水準測量路線分為附和水準路線、支水準路線、閉合水準路線。路基水準路線觀測按國家二等水準測量精度要求形成附合水準路線，如圖2所示。

圖2 沉降觀測點位布設及水準路線觀測示意圖

觀測時，一般按后－前－前－后的順序進行，對于有變換奇偶站功能的電子水準儀，按以下順序進行[7]:

(1)往測:奇數站為后－前－前－后；偶數站為前－后－后－前。

(2)返測:奇數站為前－后－后－前；偶數站為后－前－前－后。

3.4 儀器的選擇及外業測量

(1)儀器設備

儀器標準 表4

(2)外業測量

外業測量作為所有工作中關鍵的環節，也是最艱苦的環節，首先測量工作團隊合作非常重要，測量人員都必須經過測量知識及外業操作必須注意的事項進行培訓，且每次測量人員的任務必須固定以盡量地減少操作帶來的系統誤差。

根據前面選擇的測量路線對觀測標進行往返測量，站與站之間是奇偶站交替，這是為了避免系統誤差，而全線選擇往返測量是為了對觀測值取平均值求中誤差，我們每個點的觀測值都必須滿足上面提到的精度要求。

外業測量的頻次是有一定要求的，必要滿足在一定的時間內觀測的有效數據頻次要達到12次，這是為了能夠有效地生成沉降曲線以達到對沉降結果的評估。

3.5 內業數據處理

內業數據處理是應用西南交大開發的評估軟件，該軟件按照《滬寧高速鐵路線下工程沉降變形觀測及評估實施細則》的有關規定進行外業測量質量控制檢查。施工及監理單位可按照工區及作業區設置相應測量質量控制管理單元，施工單位自行檢驗處理時，可參考使用。

通過這個軟件可以對測量的數據進行自動化處理、生成沉降曲線、對線下工程進行沉降評估，軟件的最大優勢就是可以通過數據庫對沉降數據進行系統化的管理。

4 對沉降結果的分析

4.1 沉降觀測數據

沉降觀測數據處理和計算主要包括:沉降觀測手簿的計算；沉降觀測成果的質量評定(計算每千米或每測站水準測量偶然中誤差)；沉降觀測點每期沉降量、累計沉降量的計算和繪制p－T－S和U－T－S曲線；沉降趨勢分析和預測；橋梁鋪設時機的評估。

表5是滬寧高鐵某工點沉降觀測數據及其數據的分析結果。

沉降觀測數據處理表 表5

從表5可知，測點在觀測日期內符合滬寧高速鐵路線下工程沉降變形觀測及評估實施細則的要求，每個點的平均累計沉降量都小于10 mm且平均沉降速率都小于0.05 mm/d都滿足工后沉降的要求，觀測數據處于穩定的狀態，在規定的觀測時間內沉降值收斂和趨于穩定，觀測數據波動量沒有出現較大波動。

4.2 沉降觀測評估[8]

沉降數據的分析方法包括線性回歸分析法、曲線擬合，基本原理是運用最小二乘法，現利用的雙曲線法是結合了回歸分析法和曲線擬合法的優點，來對工程中某橋墩沉降觀測進行評估。

雙曲線方程為St＝S0＋t/a＋bt，Sf＝S0＋1/b式中，St為時刻t的沉降量；Sf為最終沉降量(t＝∞)；S0為初期沉降量(t＝0)；a，b為將荷載不再改變以后的實測數據經過回歸求得的系數。沉降計算的具體順序如下:

(1)確定起點時間(t＝0)，可取填方施工結束日為t＝0；

(2)就各實測值計算t/(St－S0)，如圖3所示；

(3)繪制t與t/(St－S0)的關系圖，并確定系數a和b，其中a，b是通過回歸分析法求得，如圖4所示；

(4)計算St；

(5)由雙曲線關系推算出沉降－時間(S－t)曲線。

圖3t/(St－S0)計算圖

圖4a，b參數計算圖

4.3 沉降觀測成果分析

在沉降觀測過程中，沉降量與時間關系曲線不是單邊下行光滑曲線，而是起伏狀現象。對此進行分析和修正[1，8]:

(1)第二次觀測出現回升，而以后各次觀測又逐漸下降

原因:首次觀測精度過低，若回升超過5 mm時，第一次觀測作廢，若回升5 mm內，第二次與第一次調整標高一致。

(2)曲線在某點突然回升或下降

原因:水準點或觀測點被碰動，且水準點碰動后標高低于或高于碰前標高，觀測點碰后高于或低于碰前。

處理措施:需要選取相鄰另一觀測點的相同期間沉降量作為被碰觀測點的沉降量進行及時補測，若觀測周期間隔太長才發現，補測后把本次沉降量當零處理。

(3)曲線在后期基本處于平穩狀態偶爾呈現微小起伏(縱坐標最小刻度為0)現象

原因:觀測后期，建筑物下沉極微或已接近穩定，在曲線上測量誤差就比較突出處理措施:將呈現微小起伏的曲線改為水平線，后期提高測量精度等級，并適當延長觀測間隔時間。

5 結 論

沉降觀測工作在高鐵建設中具有非常重要的意義，滬寧高鐵設計速度為350 km/h，列車運營高平順性、高舒適性、高穩定性、高安全性等需要一個堅實穩定的軌道基礎，沉降觀測工作正是對軌道基礎穩定與否最直接的檢測手段，所以做好沉降觀測工作至關重要。

[1] 孫雅榮，呂品.淺談高層建筑的沉降觀測[J].測繪與空間地理信息，2006，29(6):104～106

[2] 湯志明.滬寧城際鐵路新孟河特大橋線下工程沉降觀測及注意事項[J].建筑與工程，2009(15):276

[3] GB 50026－2007.工程測量規范[S].

[4] GB12897－2006.國家一、二等水準測量規范[S].

[5] 中華人民共和國鐵道部.客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規范[S].北京:中國鐵道工業出版社，[2006]189號.

[6] 胡珂，熊春寶.建筑工程沉降監測若干問題探討[J].測繪與空間地理信息，2007，30(2):119～121

[7] 李青岳.工程測量學[M].北京:測繪出版社，1993

[8] 丁愿文.京津城際鐵路橋梁沉降觀測與評估技術[J].中國工程科學，2009，11(1):44～47

Application of Subsidence Observation and Leveling Measurement in Hu－ning High－speed Railway

Li Cong1，Luo Manjian2，Pan Yuanjin1，He Meilin1
(1.College of Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.The bureau of surveying and mapping of Guangxi zhuang autonomous region，Nanning，530004，China)

In recent years，as China's fast and sustained economic growth it has become a trend to develop highspeed railway.In China，a few high－speed railways have been newly constructed，in which the measurement plays a decisive role.Based on the construction technology of Hu－ning inter－city railway，this paper analyses the heritage matters of internal and external settlement observation，combining with the application of subsidence observation in engineering.

Hu－ning inter－city High－speed railway；subsidence observation；leveling measurement；productional analysis

廣州市城市規劃勘測設計研究院獲批設立“院士專家企業工作站”

(來源:http://www.gzpi.com.cn)

2011—03—08

李聰(1986－)，女，碩士研究生，主要研究方向:GPS與大地測量。

1672－8262(2011)05－129－04

TU433

B

近日，廣東省科學技術協會公布了《關于在廣州市城市規劃勘測設計研究院等14家單位(企業)建立“院士專家企業工作站”的決定》(粵科協普[2011]36號)，廣州市城市規劃勘測設計研究院正式獲批設立院士專家企業工作站，這是廣州市城市規劃勘測設計研究院堅持實施“科技興院”發展戰略取得的又一科技工作顯著成果，將對該院搭建引進高層次人才新平臺，解決高層次人才緊缺，推動跨越式發展產生積極的促進作用。