基于滬杭高鐵運營維護監測的技術設計研究

徐幸福

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200333)

1 概述

隨著國家高速鐵路“五縱、七橫、八連線”的近、中期規劃實施，我國的高速鐵路(簡稱“高鐵”)建設從零開始，至2012年9月20日，高鐵在建項目達10 000 km，開通運營里程6 895 km。我國高鐵技術雖然引自國外，但經創新發展，現已引領世界。如何掌握高鐵線路運行狀態和持久保持軌道結構的高穩定、平順性，以確保高鐵列車安全、高速、平穩運行，客觀、全面的運營維護監測是基礎和依據，科學、合理的維修養護是關鍵。

1.1 項目概況

滬杭高鐵自上海虹橋交通樞紐站引出，由松江區進入浙江省，經嘉善、嘉興、桐鄉、海寧進杭州。該高鐵設計正線165 km，采用無砟軌道設計，設計速度350 km/h，其中橋梁工程占87%。項目自2009年2月開工建設，歷時一年半于2010年10月26日通車營運。該線運營維護監測工作始于2010年12月，為國內率先全線應用監測技術的高鐵無砟軌道線路。

1.2 沿線工程地質與區域環境

滬杭高鐵沿線地質構造屬華東沖海積平原，基巖隱覆，由巨厚的第四系覆蓋，水系發達，地下古河道、暗浜縱橫交錯，軟土層多，分布復雜；區域經濟發達，過度開采水資源和城市地下空間、工程基坑開挖等導致地下水嚴重下降，區域地面沉降嚴重[9，10]。

1.3 工程構筑物變形

文中所述高鐵工程變形，主要指軌道工程及相關建構筑物的變形移位(如連續梁結構梁體的豎、橫向形變和梁體縱向伸縮及該伸縮引起的粱縫兩側鋼軌支承點豎向相對位移等)、構筑物工后沉降(如橋墩臺、基床等)、區域地面沉降和工程地面沉降等。工后沉降是指軌道鋪設完成后，建構筑物可能繼續發生的沉降，如圖1。

圖1 工后沉降示意

1.4 變形監測

變形監測主要采用測量方法、儀表感應傳輸法觀測，是依據建(構)筑物的變形類型、特征，采用斷面法布點觀測，以測定其變形量(垂直位移量和水平位移量)，綜合分析、研究變形規律和預測變形發展趨勢。本文結合項目執行，著重探討工后沉降監測技術。為便于描述，文中所述的線上、線下監測是以基床(橋面、隧面)為據劃分。

2 監測工作內容與監測項

2.1 工作內容

運營維護監測工作內容主要為：全線復測建設期的各級平面與高程控制網，建立運營期的線下工程變形監測控制網，建立運營期的線上工程變形監測控制網(軌道維護基標網)，軌道運營維護監測。

2.2 監測對象

運營維護監測工作是依據規范、設計和運營管理要求[1-8]，結合高鐵運行狀態、周邊近距區域的環境變化，開展定期、不定期監測。線上監測主要有：基床(或橋、隧面)、混泥土底座、軌道板、軌道及站設備等；線下主要有：基體及邊坡、橋墩臺、梁體形變移位和環境監測(高鐵沿線交叉、穿越地段及病害整治跟蹤控制監測)等。

3 技術準備

3.1 資料收集

(1)工程資料

收集項目勘察設計、竣工驗收文件(含靜、動態驗收檢測數據分析及評估結果)，項目建設期的各級控制網測量成果和咨詢、評估意見，尤其是各單項工程施工過程中的監測資料、趨勢分析和評估成果等。

(2)相關資料

收集項目沿線國家或地方各級監測部門的區域沉降監測資料，調查沿線水井分布及地下水開采情況，收集新近水文地質資料和水文地質條件的變化趨勢評估資料等。

3.2 踏勘調查

在分析研究基礎上，劃分重點監測項、監測區段，制定監測預案并實地踏勘落實。技術設計中要著重研究開展單項、單位工程及軌道維護監測控制網的技術條件；要結合施工、維修養護記錄，以及設計、驗收文件，重點對不良或特殊巖土條件地段、過渡段不均勻沉降段落、站段咽喉區等進行調查和技術論證。

3.3 設備及軟件

本項目采用幾何測量法監測，全站儀選用具有自動目標搜索、觀測、記錄功能，標稱精度不低于(±1″， ±(1+2×-6D) mm)；幾何水準測量監測的水準儀不低于DS1級；測量儀器和測量桿件、器具及溫度、氣壓計等必須按規定檢測，以確保滿足規范精度要求。數據采集與處理選用專用軟件，須按規定審定并獲通過。如本項目采用DMS數據采集軟件；監控網解算及平差計算分別采用Topcon Pinnacle 、TGO、GeoTrans和COSA GPS、COSA_CODAPS等軟件。

3.4建設期控制網復測評估

(1)平面復測評估

采用GPS測量技術，同精度復測并評估建設期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網，主要技術要求見表1；采用全站儀自由設站邊角交會法同精度復測并評估建設期平面CPⅢ網，主要技術要求與精度指標見表5。

(2)高程復測評估

同精度復測并評估建設期各級高程控制網，主要技術指標要求見表2。

表1 建設期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網復測的主要技術要求

表2 高程控制網復測主要技術要求

3.5 監測方案評審

以高鐵建設期的施工監測和咨詢、評估驗收資料為基礎，結合靜、動態檢測數據分析及評估結果，對高鐵運營(試)線沉降及設備狀態進行檢測分析，在系統評估、研究的基礎上設計監測方案并送相關部門審，在方案獲評審通過后開展監測技術設計。

4 技術設計

4.1 設計原則

(1)系統客觀性

監測控制網以經復測滿足要求的建設期控制網為基礎建設，結合建設期監測成果、趨勢分析和評估意見，在整體、系統的基礎上突出重點、要點，力求監測數據能系統、客觀、全面反映變形規律。

(2)準確可靠性

高鐵運營維護監測技術設計，要突顯技術先進、方案科學，做到監測頻次設計科學、合理和技術成熟，方法簡單，要利用系統功效性減少測設誤差，提高監測精度，以確保數據準確和成果可靠。

(3)相關因素性

在監測基準網、工作網及監測點的技術設計中，強調系統基礎上的獨立與相關性。工后沉降應充分考慮結構應變和區域(或工程)地面沉降和沉降“差異”的影響，重點關注路基、過渡段(塹堤、路橋、路隧、站咽喉區等) 的“差異”工后沉降監測，對監測環境因素(如溫度、季節)開展研究，以求監測成果客觀、真實。

(4)重點關鍵性

監測項重點為軌道工程、路基工程、過渡段、不良巖土條件地段建構筑物工程，監測工作重點為監控網點的沉降變化，過渡段的“差異”沉降分析和特殊設計的結構變形、變位(如項目轉體橋的梁豎向殘余徐變變形，橋面處梁端水平折角等)監測分析。監測工作的關鍵是監測成果分析，變形趨勢判析與預報、預警等。

(5)經濟合理性

經濟合理性取決于監測技術、方法的先進合理性和對監測工作的把控能力，原則是在確保技術先進，安全、可靠的前提下，采用簡單直觀，成熟有效的技術和方法，做到科學、合理監測。

4.2 標準依據

項目監測內容、技術設計，嚴格按《高速鐵路工程測量規范》、《高速鐵路設計規范》、《建筑變形測量規范》、《高速鐵路運營沉降監測管理辦法》、《上海鐵路局滬杭高鐵無砟軌道線路維修管理辦法(暫行)》等規范和標準要求執行[1-8]。

4.3 技術設計

監測控制網技術設計遵循“從整體到局部”的逐級控制原則，由監測點精度要求確立各監測控制網精度。變形監測分水平位移和垂直位移監測，監測控制網分基準點網、工作基點網，變形測量點分為基準點、工作基點和變形觀測點。

(1)監測等級與精度指標設計

監測測量的等級選擇因監測項精度指標設計而定，精度指標設計是以監測項的變形測量中誤差小于允許變形值1/10～1/20為原則，本項目變形監測等級與精度設置見表3。

表3 變形觀測等級與精度指標要求

(2)監測控制網技術指標設計

監測控制網的技術指標因監測項需求和監測精度要求而異，主要技術指標見表4。

表4 垂直位移監測各級控制網點的主要技術要求

軌道及軌道構筑物的監測基準點網為CPⅠ、CPⅡ及CPⅢ加密和線路上的二等水準及加密點，工作網為維護基標網，維護基標網主要技術指標見表5。

表5 CPⅢ網、維護基標網約束平差后的主要技術要求

(3)監測頻率設計

監測頻次是以監測項客觀、系統地反映變形過程和合理的監測量為前提，依據監測項、目的，以及變形量大小、速率等因素確定。如本項目的路基、軌道工程觀測頻率為1次/3月，七段重點路基為1次/1月等。

(4)變形預警值設計

構筑物形變預警值設計原則是依據規范、設計和運營維護要求確定。本項目預警值設計為：當監測變形值大于1/2且小于2/3允許變形值時，列為關注；當大于2/3允許變形值時，列為重點關注，重點關注項要及時上報委托方并啟動應急預案。

4.4 變形監測

監測是依據測量及相關規范和高鐵建(構)筑物的設計技術要求、變形類型及特征要求確定監測項，在構筑物上設置特定觀測點并按技術設計規定要求觀測。

(1)路基與軌道工程構筑物監測

軌道構筑物監測的斷面、觀測點布設，是沿上、下行同斷面的維護基標點(重點地段在CPⅢ點加密)布設6個觀測點(含工作基點)，以基標點為工作基點，觀測基床(橋面、隧道底面板)、混泥土底座和軌道板等構筑物的垂直位移(沉降、墩臺監測周期間溫差豎向徐變等的綜合)；監測斷面間隔一般不大于50 m，本項目以CPⅢ、維護基標點為工作基點，故斷面間距為30 m。

(2)過渡段與軌道工程構筑物監測

依據設計要求[1-2]：路涵、路橋、路隧等過渡段交界處的差異沉降應不大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應大于1/1 000。

過渡段主要有路涵、路塹、路橋、路隧等，其監測觀測點布設原則與路基工程相同，但監測斷面按需加密，主要在結構銜接處附近按5～10 m間隔布設加密斷面(如橋臺背2.0 m、涵中)，按技術要求觀測。對重點監測對象、地質復雜及病害區段，按需開展水平位移監測。

(3)軌道靜態幾何狀態檢測

軌道靜態幾何狀態檢測的觀測點為維護基標點和軌道。檢測方法有軌檢小車法和量測法。小車法是采用軌檢小車系統，以采集軌道的軌距、超高、軌向、高低、水平、扭曲等幾何數據和軌道坐標數據，檢測項多，信息量大；量測法是測量線路三維坐標和量測偏距，應用設計線位資料，通過解析計算來檢測軌道形態情況。

(4)橋墩臺變形監測

橋墩(臺)體變形監測主要是工后沉降觀測，每墩布2個觀測點，原則是建設期施工沉降監測的延續。但橋承梁面變形監測較為復雜，其垂直位移是結構徐變位移與墩臺沉降的綜合。沿線二等水準為基準控制網點，工作網結合現場橋的結構特點和觀測點分布情況按規定布設，垂直變形按監測三等要求實施。橋梁的工后沉降限差要求見表6。

表6 構筑物工后沉降限差要求

(5)構筑物徐變監測

依據橋梁設計要求：構筑物徐變監測，無砟橋面當L≤50 m時，梁體豎向變形不大于10 mm；當L>50 m時，梁體豎向變形應不大于L/5 000且不大于20 mm。為此，通常簡支梁徐變監測斷面點布設于支點及跨中，觀測點布設于左右防撞墻內側；連續梁斷面依據橋跨大小，分別布設于支點、1/4邊跨、中跨中、1/4邊跨處，觀測點布設于左右防撞墻內側；當橋跨數多于3跨時，其中跨布點原則不變。對特殊結構設計工程，按設計要求布設觀測點、斷面，如本項目跨滬杭高速公路的轉體梁橋，其布點及監測見圖2。監測方法有水準測量法、儀表自動監測法(如光纖光柵靜力儀系統)，本項目采用二等水準進行監測觀測。

圖2 轉體梁徐變監測觀測標布設與斷面監測

(6)區域沉降監測

依據項目收集的監測資料[9，10]：2010年嘉興沉降中心的年沉降速率達7.3 mm，上海郊區縣6.8 mm。滬杭高鐵的工程基樁一般位于-40～-60 m，建筑物本體的工后沉降，應考慮區域性的地面沉降影響問題。又因項目受杭嘉湖平原的多個沉降“漏斗”(主漏斗水位-58.98 m、次漏斗水位-48.8 m)影響，為此應評估區域地面沉降，“差異”區域地面沉降對監測控制網、沉降監測及高鐵工程的影響。

區域沉降監測通常綜合運用水準測量、InSAR和分層標、地下水監測等手段監測。本項目當前應用區域監測站資料進行項目評估分析，存在缺乏針對性問題。

5 數據分析

5.1 數據處理

監測項的每期變形觀測結束，應及時依據誤差理論和統計檢驗原理對各監測數據進行歸類、綜合分析，以及時了解、預測構筑物的形變。

(1)數據改正與修正

數據改正主要有控制點復測后的更新改正和觀測值的儀器檢測指標改正、氣象改正等；數據修正主要有控制點穩定性監測的區域(或工程)地面沉降修正和監測期間溫差構筑物徐變的高差修正等。本項目二等水準的上橋精密光電測距三角高程測量中的高差值修正Δh1=α×Δh×Δt，鋼筋混凝土膨脹系數α取1.2×10-5，Δh為橋上與橋下的高、低聯測點的測量高差值，Δt為監測觀測的期間溫差(本次監測觀測時溫度與第一次觀測時溫度之差)。

(2)軟件選用與應用技巧

采用經評審的可靠計算軟件，數據處理人員要專職培訓，并具有熟練的軟件應用能力和技巧。

5.2 變形分析與預測

(1)原則

變形分析與預測評估遵循從局部到整體和水平位移和垂直位移相結合的原則。要求分析人員具有豐富的工程實踐經驗和分析能力，本項目采用變形幾何分析法進行基準點穩定性檢驗、分析，以評估基準點是否穩定和起算依據可靠性，進而展開監測點、監測斷面的變形相關性分析和變形趨勢分析。

(2)分析與預測

監測分析是依據監測分類，以縱、橫監測斷面為分析單元，在充分考慮構筑物分布和結構特點、變形特性的基礎上，建立變形量與變形因子關系的數學模型，對引起變形的原因進行分析和解釋，分析監測項的變形規律，對監測對象的形變發展趨勢進行預測，以指導運營維護工作。

6 結束語

高速鐵路運營維護監測是一項系統性、獨立性、相關性很強，集工程技術，統計分析，工程經驗及評估、研判于一體，是一項系統工程。而監測工作的技術設計又是關乎監測技術科學應用和對監測項監測方案、方法的合理選用，是觀測質量、監測效果和工作效率的關鍵控制因素。為此，高鐵運營維護監測要求其技術設計做到方案科學、合理，技術先進、可靠，采集數據準確、客觀、全面，綜合趨勢分析科學和趨勢預測可靠。兩年來，滬杭高鐵運營維護監測工作執行順利，及時為項目科學維修養護提供技術支持，也為病害整治決策和客觀評估高鐵運行狀態提供了科學依據。

參考文獻

[1] TB10601—2009 高速鐵路工程測量規范[S]

[2] TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S]

[3] JGJ8—2007 建筑變形測量規范[S]

[4] GB/T12897—2006 國家一、二等水準測量規范[S]

[5] 運基線路[2010]554號 關于發布《高速鐵路運營沉降監測管理辦法》通知[S]

[6] 高速鐵路無砟軌道線路維修規則(暫行)[S]

[7] 工高函[2011]124 新建高速鐵路無砟軌道維護基點測設作業指導書[S]

[8] SHG/GW358—2010 上海鐵路局滬杭高鐵無砟軌道線路維修管理辦法(暫行)[S]

[9] 浙江省地質局.浙江省地質環境公報[R].杭州：浙江省地質局，2010

[10] 王寒梅.上海地面沉降風險評價及防治管理區建設研究[J].上海地質,2010(4)