基于無定向?qū)Ь€鐵路路基水平位移監(jiān)測方法的探討

魏福軍, 孫　煜, 孫志強, 劉　學(xué), 張　軍, 喬　彪

(中鐵七局集團第一工程有限公司，河南洛陽 471000)

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基于無定向?qū)Ь€鐵路路基水平位移監(jiān)測方法的探討

魏福軍, 孫煜, 孫志強, 劉學(xué), 張軍, 喬彪

(中鐵七局集團第一工程有限公司，河南洛陽 471000)

【摘要】鐵路路基變形監(jiān)測是路基修建過程中必不可少的工序，但由于鐵路工程帶狀的特點以及施工干擾大，傳統(tǒng)的路基水平位移監(jiān)測方法效率低，勞動強度大。針對以上問題，文章首先介紹水平位移的監(jiān)測目的、點位埋設(shè)，然后通過理論分析，提出了可采用基于無定向?qū)Ь€的方法監(jiān)測鐵路路基水平位移。該方法具有測站擺放靈活、無需對中、效率較高的特點，特別實用于鐵路路基帶狀結(jié)構(gòu)且施工干擾較大的區(qū)域。

【關(guān)鍵詞】鐵路；路基；水平位移；無定向?qū)Ь€

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,交通運輸業(yè)特別是高速鐵路的建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展，高速鐵路線路較長,沿線可能經(jīng)過多座大、中、小橋和涵洞以及厚度不等的軟土地區(qū),路堤填筑高度也較高。在水網(wǎng)地區(qū)和軟土地區(qū)進(jìn)行這樣高標(biāo)準(zhǔn)鐵路的建設(shè),在保證施工安全和施工質(zhì)量的前提下提高施工進(jìn)度,是施工單位和各級政府共同希望和追求的目標(biāo)。當(dāng)前,在不良地質(zhì)條件下進(jìn)行道路和建筑物的施工,一般都通過變形觀測及其分析來調(diào)節(jié)施工速率,以保證路堤施工安全。通過變形觀測還可以驗證設(shè)計沉降值、水平位移值,并為今后進(jìn)行類似工程的施工積累經(jīng)驗,沉降量、水平位移量可以作為工后計量支付的重要依據(jù)[1-2]。

鑒于高速鐵路帶狀的特點、所處的地形地質(zhì)條件、施工環(huán)境以及傳統(tǒng)的路基水平位移監(jiān)測方法精度低、勞動強度大的特點[3]，本文首先介紹水平位移的監(jiān)測目的、點位埋設(shè)，最后通過理論分析，提出可采用基于無定向?qū)Ь€的方法監(jiān)測鐵路路基水平位移。其方法具有測站擺放靈活、無需對中、效率較高的特點，特別實用于鐵路路基帶狀結(jié)構(gòu)且施工干擾較大的區(qū)域。

1水平位移監(jiān)測概述

1.1水平位移監(jiān)測目的

如圖1所示，路基底部在受到外界荷載作用下，其本身會產(chǎn)生豎直方向的變形，稱為撓度變形。在這種變形的帶動下，會引起距離坡腳1～2 m左右的B、C點到距離坡腳10～12 m左右的A、D點橫向范圍內(nèi)產(chǎn)生水平方向的不均勻變形，通過對每個斷面這4個點的水平位移進(jìn)行監(jiān)測，可以監(jiān)視其在施工和運營期間上述變形的大小和規(guī)律，并根據(jù)變形量預(yù)測和預(yù)報其變形趨勢，從而確保施工和運行的質(zhì)量和安全。

圖1　水平位移監(jiān)測點受力情況示意

1.2水平位移基準(zhǔn)點和監(jiān)測點的位置設(shè)計與埋設(shè)

1.2.1基準(zhǔn)點的位置設(shè)計與埋設(shè)

在涵洞頂上合適位置布設(shè)路基水平位移監(jiān)測的工作基點，由于涵洞本身也屬于變形體，很難保證其上工作基點的穩(wěn)定性，為獲取監(jiān)測點準(zhǔn)確的水平位移變形量，擬在遠(yuǎn)離線路相對穩(wěn)定的地方設(shè)置4個水平位移監(jiān)測的基準(zhǔn)點，以便對工作基點進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測。基準(zhǔn)點是變形觀測的基礎(chǔ)，必須保證其堅固和穩(wěn)定，因此點位應(yīng)選在變形區(qū)以外、地質(zhì)條件好、能夠永久保存的地方，為此水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點應(yīng)布設(shè)在遠(yuǎn)離線路且地形穩(wěn)定的位置。

1.2.2監(jiān)測點的位置設(shè)計與埋設(shè)

監(jiān)測點的布設(shè)應(yīng)能反映路基填土荷載下引起的路基底部水平位移；點位應(yīng)布設(shè)在便于觀測、點位穩(wěn)定和施工干擾小的地方；點的數(shù)量應(yīng)能反映基底變形情況，并滿足變形分析的需要。因此，結(jié)合實際，在每個觀測斷面兩側(cè)路堤坡腳外1～2 m處、10～12 m處各設(shè)置一個位移觀測樁。要求在路基填土前埋設(shè)，位移觀測樁采用C15鋼筋混凝土預(yù)制，斷面采用15 cm×15 cm正方形，長度不小于1.5 m，并在樁頂預(yù)埋半圓形不銹鋼耐磨測頭。邊樁埋置深度在地表以下不小于1.4 m，樁頂露出底面不大于10 cm。埋置方法采用洛陽鏟打入設(shè)計深度，將預(yù)制邊樁放入孔內(nèi)，樁周以C15混凝土澆筑固定，確保邊樁埋置穩(wěn)定。埋設(shè)要求如圖2所示。

圖2　水平位移監(jiān)測點埋設(shè)要求示意(單位:cm)

2水平位移監(jiān)測方法

工作基點和基準(zhǔn)點是變形觀測的基準(zhǔn)，其精度和穩(wěn)定性將直接影響變形觀測的成果質(zhì)量，因此精確測定工作基點和基準(zhǔn)點的精度和穩(wěn)定性尤其重要。根據(jù)該標(biāo)段變形監(jiān)測控制網(wǎng)的范圍、精度要求以及周圍地形條件，平面控制網(wǎng)(由工作基點和基準(zhǔn)點組成)將采用全站儀無定向?qū)Ь€的方法進(jìn)行測量，按《建筑變形測量規(guī)范》二級精度要求施測[4]。

為準(zhǔn)確提供變形觀測基準(zhǔn)，平面控制網(wǎng)應(yīng)定期復(fù)測，復(fù)測周期應(yīng)根據(jù)點位穩(wěn)定情況確定，一般一個月復(fù)測一次為宜。由于工作基點位于變形體附近，為獲取水平位移監(jiān)測點準(zhǔn)確的變形量，在位移監(jiān)測點測定前應(yīng)對工作基點的穩(wěn)定性進(jìn)行檢核和修正。當(dāng)工作基點的穩(wěn)定性出現(xiàn)異常時，應(yīng)及時進(jìn)行分析并對監(jiān)測點的監(jiān)測成果進(jìn)行修正。工作基點的穩(wěn)定性監(jiān)測應(yīng)為每周期復(fù)測一次。

由于每個斷面均有4個水平位移監(jiān)測點，并且考慮線路的帶狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)路基周圍地形、地質(zhì)條件以及水平位移的監(jiān)測精度要求，水平位移的監(jiān)測擬采用無定向?qū)Ь€方法進(jìn)行，即在涵洞頂上加密控制點，架設(shè)全站儀，觀測監(jiān)測點相對測站的水平角和水平距離，從而計算各監(jiān)測點各周期的平面坐標(biāo)，則不同周期同一個監(jiān)測點坐標(biāo)的變化量，即為該監(jiān)測點在這一周期監(jiān)測得到的水平位移。

2.1加密控制點的監(jiān)測方法

采用無定向?qū)Ь€測量的方法[5]進(jìn)行監(jiān)測，測量原理如下：

圖3　無定向?qū)Ь€法加密控制點

如圖3所示，在1點架設(shè)儀器，后視A點，測定轉(zhuǎn)角β1角，并測定A1、12間平距D1、D2。平距測量由于受各種條件限制,不能直接測定,可通過測定傾斜距離,加入傾斜等各項改正,換算為平距。然后在2點架設(shè)儀器,后視1點,測定β2角,并測出23點間平距D3。同理測定β3、β4角和34、4B間平距D4、D5[6]。

則其它導(dǎo)線邊的真方位角為：

根據(jù)已測得邊和解算出的真方位角即可解算出B點的真坐標(biāo),但與已知坐標(biāo)存在一定差值即δX、δY,δX、δY可通過平差進(jìn)行改正[7]。

根據(jù)已知點A的坐標(biāo)和求得的各邊的坐標(biāo)增量,可依次求得未知點1、2、3、4點的坐標(biāo)。

因為A1的方位角α′為假定的，所以計算出的各點坐標(biāo)并不在A、B點的坐標(biāo)系中。計算出坐標(biāo)初值后，再進(jìn)行坐標(biāo)平差，各點坐標(biāo)即旋轉(zhuǎn)到A、B點所在的坐標(biāo)系中。

2.2水平位移觀測樁的監(jiān)測

位移觀測樁用極坐標(biāo)法計算，用全圓觀測法觀測兩測回。

第一個周期測量的坐標(biāo)分別為：

(1)

第二周期測量時，可得到該目標(biāo)點的第二周期觀測坐標(biāo)，則同一目標(biāo)點的兩周期X、Y坐標(biāo)的差值，即為該目標(biāo)點在這兩周期觀測期間的X、Y方向的水平位移值，即：

(2)

精度分析與精度設(shè)計

對式(2)取全微分得：

(3)

對式(3)按誤差傳播定律轉(zhuǎn)化為中誤差關(guān)系式并合成后，可得目標(biāo)點的點位中誤差關(guān)系式為：

(4)

當(dāng)S=150 m按全站儀的標(biāo)稱精度代入式(4)，可估算出目標(biāo)點的點位中誤差為±1.76 mm。考慮到水平位移為同一監(jiān)測點的兩周期坐標(biāo)的差值，且X、Y方向按同精度算，則X、Y方向位移量的中誤差將均是±1.76 mm。顯然，這樣高的精度能滿足路基水平位移監(jiān)測的精度要求，因此路基水平位移監(jiān)測的精度設(shè)計為測角精度不低于±2″和測距精度不低于±(2 mm+2 ppm),由此說明采用無定向?qū)Ь€的測量方法監(jiān)測鐵路路基水平位移是可行的。

3結(jié)論

鐵路線路基礎(chǔ)是否穩(wěn)定，需要進(jìn)行定期的變形監(jiān)測才能有明確的答案，因此在建的高速鐵路在線下工程施工期間必須進(jìn)行變形監(jiān)測。本文從鐵路路基帶狀工程以及施工干擾大的特點入手，結(jié)合無定向?qū)Ь€的理論，介紹了采用無定向?qū)Ь€監(jiān)測鐵路路基水平位移的方法。

(1)可采用無定向?qū)Ь€的方法監(jiān)測路基水平位移，其方法在理論上是可行的，可達(dá)到為路基施工快速、準(zhǔn)確反饋變形信息的目的；

(2)無定向?qū)Ь€具有線路行走靈活、測站無須對中的特點，特別實用于鐵路路基帶狀結(jié)構(gòu)且施工干擾較大的區(qū)域，能一定程度提高監(jiān)測效率。

參考文獻(xiàn)

[1]郭光權(quán).客運專線路基沉降和變形監(jiān)控[J]．鐵道工程學(xué)報,2007(增刊).

[2]趙歡,李東升.哈大客運專線路基穩(wěn)定性的監(jiān)測與分析[J].路基工程,2014(1).

[3]席麗萍,蘆小輝,楊雪峰. 基于自由測站的鐵路路基水平位移監(jiān)測方法探討[J]. 四川建筑,2012(6).

[4]JGJ 8-2007建筑變形測量規(guī)范[S].

[5]王永志.無定向邊導(dǎo)線測量及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2007(15).

[6]宋志誠.無定向?qū)Ь€在線路工程測量中應(yīng)用的可靠性分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2008,18(16).

[7]武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組. 誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社, 2003.

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號】U213.1+57

[作者簡介]魏福軍(1984～)，男，工程師。

[基金項目]中鐵七局集團第一工程公司研究課題資助，項目名稱:基于智能型全站儀高鐵施工的高程上橋測量與放樣軟件系統(tǒng)研制，項目編號： 14A01；項目名稱:CRTSⅢ無砟軌道施工方法與工藝研究,項目編號：14B01。

[定稿日期]2015-03-17