客運專線路基沉降變形觀測與評估

中鐵十五局集團有限公司 張宏廷

客運專線路基沉降變形觀測與評估

中鐵十五局集團有限公司 張宏廷

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(chǎn)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(xiàn)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。

復雜多樣的環(huán)境，同樣復雜多樣的巖土，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計算迄今為止尚無準確的計算方法。因此，為有效控制客運專線路基工程的變形，必須采取以下措施：建立線下構筑物沉降變形觀測網(wǎng)，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。

一、變形觀測的內容和觀測點布設

根據(jù)不同的路基高度及不同的地基條件進行變形觀測，主要內容有：路基面的沉降變形觀測、路基基底沉降變形觀測、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如下。

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(jù)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、地形等情況進行調整或增設。

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(tǒng)一觀測頻率，更重要的是便于各觀測項目數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)。

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(wěn)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，取得滿意結果。

6. 觀測斷面的設置及觀測內容、元件的布設應根據(jù)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。

二、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的辦法進行觀測。

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、高可靠性的儀器；儀器廠家應具有相應的生產(chǎn)許可證、計量器具生產(chǎn)許可證等，并具有良好的工程應用業(yè)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。采用Φ20mm底端帶彎頭的鋼筋，鋼筋原長不小于40cm，底部做成彎鉤狀，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，用砂漿澆筑固定，如圖1所示。

2. 沉降板。沉降板由鋼底板、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，如圖2所示。

路基沉降板的埋設方法如下。

（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(wěn)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(shù)，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。

三、變形觀測方法及要求

1.路基變形觀測的一般要求。

（1）變形監(jiān)測網(wǎng)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(wǎng)，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(qū)以外的巖石或原狀土層上，亦可利用穩(wěn)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(wěn)定土層內，以便長期保存和使用。采用Φ20mm長60cm頂端圓滑的鋼筋打入土中，樁周上部30cm用混凝土澆筑固定并編號。高程采用施工高程控制網(wǎng)系統(tǒng)并與施工高程控制網(wǎng)聯(lián)測。全線二等水準測量貫通后，將變形監(jiān)測網(wǎng)與二等水準點聯(lián)測，統(tǒng)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(huán)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。

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(shù)，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(shù)。

（2）路基施工各階段沉降觀測頻度應滿足表1要求。

表1 路基沉降觀測頻次

（3）測試過程中發(fā)現(xiàn)異常，必須及時查明原因，盡快妥善處理。

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，測量精度±1mm，讀數(shù)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。

4. 元件保護要求。

（1）各工程項目部應成立專門監(jiān)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(jù)現(xiàn)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工作。

（3）所有觀測元件埋設或觀測過程中如有損壞，要及時補埋或經(jīng)設計、監(jiān)理確認采取其他替代措施。

（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1m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(wěn)妥的保護措施并認真執(zhí)行，確保元器件不因人為、自然等因素而破壞。

5. 資料整理要求。

（1）所有測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)，以保證各相關單位在觀測過程中時隨時監(jiān)控。觀測中如有沉降異常情況，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(shù)據(jù)進行整理、分析、匯總，繪制有關分析曲線并完成有關報告。

（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(wěn)定后再恢復填土，必要時采取卸載措施。

（5）觀測數(shù)據(jù)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(jù)。

四、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(wěn)定。

2. 觀測基點必須定期與CPⅠ、CPⅡ或水準基點聯(lián)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：人員固定；儀器固定；水準點固定；日期、方法及路線固定。

5. 觀測點首次觀測數(shù)據(jù)是以后各次觀測用以比較的根據(jù)，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(jīng)過培訓才能上崗。

7. 觀測設施的保護。確保施工過程中觀測設施不受擾動或破壞，發(fā)現(xiàn)或懷疑工作基點擾動，立即與水準基點聯(lián)測，找出原因，采取相應的補救措施。

8. 及時提交觀測數(shù)據(jù)和相關資料，并對觀測數(shù)據(jù)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(wěn)定、分工明確。

11. 愛護測量儀器設備，規(guī)范操作，定期維修保養(yǎng)，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有以下幾點：沉降曲線在第二次觀測即發(fā)生回升現(xiàn)象，因首次觀測精度不高；沉降曲線在中間某點突然抬升，因水準點或觀測基點被擾動；沉降曲線自某點起逐漸回升，因水準點或觀測基點下沉；沉降曲線波浪起伏，因測量誤差。

五、變形觀測結果的分析、評估

1. 一般規(guī)定。

（1）路基上鋪設無碴軌道前，應對路基變形系統(tǒng)進行評估，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(shù)據(jù)不足以評估時要繼續(xù)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(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象或對原始記錄資料存在疑問，可進行必要的檢查。

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有以下幾點：審核設計階段的沉降計算模型和參數(shù)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(chǎn)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(jīng)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點沉降繪制施工過程（包括觀測期）沉降隨時間變化的曲線，并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，并對每一路基工點制作沉降分析結果匯總表。

（3）沉降分析和觀測結果比較應按要求及時送業(yè)主、設計單位。如果發(fā)現(xiàn)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(yè)主，由咨詢方組織進行分析討論，確定原因，采取相應措施。

3. 推導各觀測斷面沉降變形擬合曲線。

（1）為了盡可能準確地預測工后沉降，應對基床表層部（沉降觀測樁或超載預壓時為沉降板）觀測的沉降進行曲線擬合，對路堤區(qū)段可以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。

（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。具體地說，在路堤完成填筑、安裝沉降觀測樁后，按規(guī)定的周期測定三個月后，可根據(jù)三個月的沉降觀測結果推導第一個擬合曲線S0（t）。根據(jù)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(xù)觀測三個月，并檢查第一次預測結果是否合理。然后根據(jù)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，以這種方式不斷逼近真實的路基變形發(fā)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(fā)展符合雙曲線方程，用下式表示：

式（1）中，S0為初期沉降量（t = 0）；St為t 時刻沉降量；t0為起點時間，一般取填方施工結束日；α、β為實測數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線回歸求得的系數(shù)。

三點法。假定沉降量St隨時間t 的發(fā)展過程可用下式進行描述：

式（2）中，Sd為瞬時沉降；S∞為最終沉降量；α、β為實測數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線回歸求得的系數(shù)。

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

該關系式是由一維條件下以體積應變表示的固結方程推導得到。

指數(shù)曲線法。實測沉降曲線自拐點B（t0，S0） 點開始，近似采用指數(shù)曲線延伸。指數(shù)曲線方程可由下式表示：

式（4）中，η為待定常數(shù)。

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：

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

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(jù)路基填筑完成或堆載預壓不少于三個月的實際觀測數(shù)據(jù)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(shù)不應低于0.92；沉降預測的可靠性應經(jīng)過驗證，間隔不少于三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St/S∞≥ 75%，式中St為預測時的沉降觀測值，S∞為時間t時預測的最終沉降值（時間起點t=0以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St外，還應根據(jù)具體施工組織計劃確定以下時間點：預計鋪設無碴軌道時間點t0。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技術指南》的要求后，進行工后沉降計算。根據(jù)《武廣客運專線沉降變形觀測系統(tǒng)實施細則》的規(guī)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為預計鋪設無碴軌道時間點；t3為預定運營完成的時間點（t3＝ t0＋100 年）；S（t3-t0）為路基在鋪軌后至運營完成所發(fā)生的沉降；Sst為鋪設無碴軌道結構自重發(fā)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(jù)原始觀測數(shù)據(jù)，采用軟件預測得到，即可以很方便地計算S（t3-t0）。由于無碴軌道結構自重不大，且在鋪軌前路基已經(jīng)過了一個趨于穩(wěn)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(wěn)定后所施加的結構荷載所引起的沉降量是有限的。據(jù)《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》，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為第k 級荷載增量引起的最終沉降量；ΔPk為第k級荷載增量。應用上述原則，將軌道結構層看作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Pk與ΔPk的比例系數(shù)C可根據(jù)鋪軌前沉降觀測資料確定，即C= S∞/γh，Ssk= C ΔPk，式中 S∞為利用鋪軌前觀測資料預測的最終沉降量；γ為路基平均填土容重；h為路基填土總高度。則結構層引起的沉降量為Ssk= C ΔPk=ΔPkS∞/γh，式中ΔPk為軌道結構層荷載。另外，由于拓展雙曲線法引入了荷載系數(shù)的概念，其荷載系數(shù)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?？刹捎孟铝泄接嬎氵^渡路基段相臨結構物之間的折角：

式（6）中，ΔL為結構物與過渡路基段間的距離，ΔSR為結構物與過渡路基段間的工后沉降差。

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(jù)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：

同時審核其預測工后沉降差異是否≤5mm，折角≤1/1 000。

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，預測的工后沉降則具有足夠的可信度。

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。