研究高鐵沉降觀測技術的應用與發展

梁志強 卞魁明 韓湘冰

摘要：隨著中國經濟的持續快速增長，高速鐵路的發展已成為一種趨勢。而高鐵沉降觀測技術的應用在高速鐵路施工過程中有著重要的作用。本文首先分析沉降觀測技術在高鐵建設中的應用現狀，并在此基礎上探究其發展狀況。

關鍵詞：高鐵；沉降觀測技術；應用；發展

中圖分類號： TU198 文獻標識碼： A

1、前言

沉降觀測是通過測量物體的高程變化以反映其沉降量的一種測量途徑。高速鐵路要求的是高速度、高平順性、高舒適性和高安全性，因此客運專線沉降觀測不同于一般的水準測量，精度技術要求較高，其中重要一項就是保證工后的“零”沉降。由于結構物的沉降量一般都比較小，如果測量精度不高，就不能正確地反映建筑物沉降量的大小及規律，如果出現嚴重沉降變形，將會對運營帶來不可估量的損失。為了確保高鐵橋墩和路基的施工安全和使用壽命，我們必須將沉降觀測運用到對高鐵客運專線的施工中，以保證高鐵順暢運營。

2、沉降觀測技術要點分析

2.1、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15mm，路橋、路隧結構物過渡段的不均勻沉降差不大于5mm，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1~3年。

2.2、觀測精度

路基觀測樁，沉降板及橋涵隧道觀測樁均按二等變形觀測（及國家一等水準測量）方法進行測量，精度宜達到±0.1mm，讀數保留0.01mm。單點沉降計則采用振頻弦頻率檢測儀自動采集系統進行測量，精度達到測量值的1%，靈敏度不低于0.02mm。剖面沉降管采用剖面沉降儀進行測試，剖面沉降管的測量精度為８mm/30.m，靈敏度為0.01mm。

2.3、觀測及采集數據方法

對于單點沉降計，剖面沉降管等電子元器件，采用人工智能讀數儀及電腦自動采集兩種方法，較為快捷，對于路基沉降板和路面觀測樁及橋涵隧道觀測樁標，采用高精度電子水準儀進行測量采集數據，并注意測量閉合。

2.4、橋墩沉降觀測

在橋墩和承臺上分別設置觀測標；承臺為臨時觀測標，當墩身觀測標正常使用后，承臺觀測標隨基坑回填將不再使用。一般設置兩個觀測標，墩身的觀測點位于墩身兩側，在墩底高出地面或水位1.0m 左右。如果墩身較矮立尺比較困難時，可將橋墩觀測標位置降低或設置在對應墩身埋標位置的墩帽上。

2.5、路基沉降觀測

無論是在路基的設計過程中，還是在施工過程中，在路基強度達到破壞之前就可能出現不能容許的大變形，而路基變形直接反映到軌面上，過大或不均勻的變形將造成軌道的不平順，這就無法滿足高速運營的要求。因此如何認真做好路基沉降觀測，嚴格控制路基工后沉降，這將是高速鐵路和客運專線路基修建的重點。不同的結構部位、不同的填方高度 、不同的地基條件需設置不同的沉降觀測斷面。

2.6、觀測斷面的設置原則

沉降觀測斷面沿線路方向的間距一般不大于50m；對地基條件均勻良好而且地勢平坦的路塹、填方高度小于5m且地基條件均勻良好的路堤可放寬到100m。對地形、地質條件變化較大地段應加密斷面，一般間距不大于25m，在變化點附近應設沉降觀測斷面，以確保能夠反映真實差異沉降。一個沉降觀測單元（連續路基沉降觀測區段為一單元）應不少于2個觀測斷面。對地形橫向坡度大于1：5或地層橫向厚度變化的地段應布設不少于1個橫向觀測斷面。

3、目前沉降觀測存在的問題

3.1、埋設的不方便性

沉降觀測板要在路基處理完畢時方能埋設，若原件本身比較沉重，體積較大，必須等一段路基基礎全部處理完才能集中一次埋設。因搬運困難，埋設不方便。

3.2、施工不便

沉降觀測板的連接桿是一直伸出路基表面的，它必須有外套PVC套管保護其能自由沉降。如果PVC管破壞，連接桿接觸路基填料就會影響其自由沉降，不能真實反映路基沉降量，甚至被卡死而不能沉降。其次，觀測樁周圍的路基要采用人工攤平及小型機具碾壓，不能采用大型機械推土及碾壓，這會嚴重影響施工進度，尤其是過渡段施工，觀測樁較多，大型機械不能開展作業面，既影響了施工速度，也不能保證施工質量。

3.3、觀測困難

沉降觀測板全部埋設在路基的只能中間，而鐵路的水準基點都在路基以外，觀測時就要走較長的路線。而且根據規范要求基準點之間距離不宜超過1Km，加大了觀測的繁瑣度。遇上路基有堆載預壓的情況，同一段路基就要分三條路線觀測，若堆載土極為松軟，同樣為觀測帶來極大麻煩。

3.4、精度不能滿足要求

雖說二等水準的精度能夠滿足沉降觀測的精度要求，但通過戈壁灘觀測情況來看，路基基礎若屬于泥巖，單次沉降量差異較大，在這個量差范圍內，二等水準的觀測精度已不能反應路基本體真實的沉降量。

3.5、人力物力浪費巨大

對于沉降觀測采用觀測板這種元器件來說在前期的投入的確比較經濟， 但是因為線路長、觀測密度大、觀測周期長，所以后期的觀測投入極大。

4、針對以上問題的解決對策

4.1、完善沉降變形觀測網的建立

沉降變形觀測網的建立，應采用施工高程控制網系統與變形控制網聯測，全線二等水準測量貫通后，將沉降變形觀測網與二等水準點聯測，統一歸化為二等水準基點上，再按要求建立水準基準點和布設工作基點。

4.2、改進觀測及采集數據方法

對于單點沉降計，剖面沉降管等電子元器件，采用人工智能讀數儀及電腦自動采集兩種方法，較為快捷，對于路基沉降板和路面觀測樁及橋涵隧道觀測樁標，采用高精度電子水準儀進行測量采集數據，并注意測量閉合。

4.3、觀測注意事項

測量過程中須重視建立“零”觀測理念，實行“測量方法、測量環境條件、人員、儀器、水準點和工作基點”五項原則，保證測量數據的準確性。此外，路基一開始填筑就進行觀測，路基填筑到路面標高就埋設路面觀測樁并及時進行觀測；在路基填筑完成和橋涵主體完成到無碴軌道鋪設期間不應間斷觀測，保證觀測數據的連續性。

4.4、數據的獲取及處理方法

外業測量采用trimble DINI03 數字水準儀和條碼水準尺，通過全線往返測量使數據達到前表中要求的精度。內業數據處理是運用西南交大開發的評估軟件。通過這個軟件可以對測量的數據進行自動化的處理、生成沉降曲線、對線下

工程進行評估。

5、沉降觀測儀器應用前景

我國高鐵目前使用的沉降觀測儀器有剖面沉降管、沉降觀測板、半球型觀測標。(1)剖面沉降測量是將剖面沉降儀探頭導輪卡至于剖面沉降管的十字導槽內，從一段按一定間隔依次讀數，起始端管口標高采用水平儀按照國家一等精密水準測量方法進行測量，再通過數據處理計算出不同位置處理地基的沉降量；(2)沉降觀測板是由鋼底板(約40cm×40cm，厚1cm)、連接金屬桿(準40mm厚鍍鋅鋼管)及外套PVC保護套管組成；(3)半球形觀測標主要運用于橋梁、涵洞及隧道等混凝土結構物的變形觀測，是由不銹鋼材質加工而成。目前在建鐵路的結構物變形量測幾乎全部采用此種方法。

目前已有許多企業開始了此方面的研究，利用傳感器將路基的沉降量反映出來。如果利用傳感器實現無人化的儀器能夠在降低成本的同時完成批量化生產，其應用前景將是無限量的。首先它大大降低了外業觀測人員的工作量，不用再投入大量的人力、物力來完成此項工作。其次，因為受環境影響少可以隨時、連續的采集數據，大大減少了外界的干擾。數據的量可以顯著增加，隨著數據量的增加，可供分析的有效數據也就相應增加，減少了錯誤數據對真實成果的影響概率。最后，因為傳感器是放在路基下面，無需伸出路基填筑面，可以減少對路基填筑過程的干擾，而且可以采用大面積大型機械施工，對它的保護要求也降低了。

6、結束語

沉降觀測結果直接決定了客運專線無砟軌道鋪設的成敗，因此，沉降觀測精度控制是客運專線沉降觀測技術的關鍵。所以，我們應在現有技術基礎上緊跟科學時代的發展步調，創新高鐵沉降觀測技術，保證高鐵的順暢運營。

參考文獻：

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