高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)研究

周金國，崔書珍，朱成飛

(1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 430007)

高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)研究

周金國1，崔書珍2，朱成飛1

(1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 430007)

針對高速鐵路線路高平順性特征及路基線下工程的日常維護(hù)與整治，通過布設(shè)監(jiān)測斷面、選擇橋梁上穩(wěn)定CPⅢ點(diǎn)作為路基沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)和采用監(jiān)測線路中CPⅢ點(diǎn)作為轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承的觀測方法，設(shè)計(jì)了高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測技術(shù)方案，解決了地面沉降區(qū)沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)選擇難和維護(hù)監(jiān)測施工時(shí)間短的難題，并在長三角高鐵網(wǎng)路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測中得以實(shí)施，取得了良好效果，能夠滿足高速鐵路運(yùn)營期三等變形測量技術(shù)要求。

鐵道工程；高速鐵路；維護(hù)監(jiān)測；差異沉降；基準(zhǔn)點(diǎn)

0 引 言

隨著我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí)施，目前國內(nèi)高速鐵路運(yùn)營里程已超過1×104km。高速鐵路要保證高速安全運(yùn)行，軌道平順性要求極高，這就要求有一個(gè)穩(wěn)定的線下基礎(chǔ)。路基作為高速鐵路線路工程的重要組成部分，其穩(wěn)定性決定了高速鐵路安全性。2010年，原鐵道部運(yùn)輸局下發(fā)了“關(guān)于發(fā)布《高速鐵路運(yùn)營沉降監(jiān)測管理辦法》的通知”文件，要求對高速鐵路運(yùn)營期沉降監(jiān)測進(jìn)行規(guī)范管理，各高速鐵路運(yùn)營線路維護(hù)部門也相繼開展了線下沉降監(jiān)測和精密網(wǎng)復(fù)測等相關(guān)工作[1]。

目前，國內(nèi)對高速鐵路沉降監(jiān)測技術(shù)開展了一系列的研究，除了傳統(tǒng)精密幾何水準(zhǔn)測量方法之外，基于液力測量原理的高速鐵路路基面沉降變形長期監(jiān)測傳感器被應(yīng)用于京滬高速鐵路運(yùn)營期周邊施工影響沉降監(jiān)測中，該方法采用精密水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行了校核和驗(yàn)證[2]；光纖光柵傳感器器沉降監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)長距離準(zhǔn)分布、多測點(diǎn)、多參量的測量，在鄭西客專中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[3]；InSAR技術(shù)監(jiān)測地面沉降和線狀地物也在某些城際客?；蚋咚勹F路線中開展了相關(guān)研究[4-5]；尚金光等[6]對高速鐵路沉降中工程沉降和區(qū)域地面沉降區(qū)分提出了有益的方法。以上監(jiān)測手段或方法是對高速鐵路沉降監(jiān)測技術(shù)的積極創(chuàng)新與嘗試，其成本和穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高。精密幾何水準(zhǔn)測量方法具有成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，仍然是高速鐵路沉降監(jiān)測的主要方法。筆者所述技術(shù)方案是針對高速鐵路路基運(yùn)營期沉降監(jiān)測特點(diǎn)，對傳統(tǒng)精密幾何水準(zhǔn)測量方法的改進(jìn)與優(yōu)化。高速鐵路處于運(yùn)營階段，維護(hù)沉降監(jiān)測需在列車運(yùn)行“天窗點(diǎn)”(夜間零點(diǎn)至凌晨四點(diǎn))進(jìn)行，可利用時(shí)間較短，且鐵路線路處于完全封閉狀態(tài)，給維護(hù)監(jiān)測帶來諸多不便。此外，長三角高鐵網(wǎng)多處于區(qū)域地表沉降地區(qū)，對運(yùn)營維護(hù)監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇提出了更高要求，同時(shí)還需要考慮高速鐵路線路高平順性特點(diǎn)。

筆者針對上述高速鐵路運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測方案。通過布設(shè)監(jiān)測斷面、選擇橋梁上穩(wěn)定CPⅢ點(diǎn)作為路基沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)和采用監(jiān)測線路中CPⅢ點(diǎn)作為轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承的觀測方法，提出了高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測技術(shù)方案，解決了地面沉降區(qū)沉降監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)選擇難和維護(hù)監(jiān)測施工時(shí)間短難題，既保證了維護(hù)監(jiān)測的順利實(shí)施，又考慮了線路的高平順性，突出差異沉降，為鐵路運(yùn)營維護(hù)與整治提供參考依據(jù)。沉降監(jiān)測路基段的確定，一般是通過高速鐵路動檢車線路檢測或CPⅢ精密網(wǎng)復(fù)測分析完成的。

1 主要技術(shù)要求

高速鐵路路基作為無碴軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，對沉降變形非常敏感，要求控制在非常小的范圍之內(nèi)。我國建設(shè)的高速鐵路在汲取國外沉降控制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，圍繞線路運(yùn)營、結(jié)構(gòu)允許變形，從路基竣工后扣件可調(diào)整量、20 m結(jié)構(gòu)長度范圍內(nèi)的不均勻沉降、路基與橋涵之間錯(cuò)臺差異沉降，以及軌道結(jié)構(gòu)單元之間形成的折角等多方面對路基變形做出了嚴(yán)格規(guī)定[7]，見表1。

表1 高速鐵路無碴軌道路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Control standards of post-construction embankment settlement during operation

高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)沉降監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)成附合水準(zhǔn)路線或閉合環(huán)狀，按照TB10 601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)“三等變形測量”要求執(zhí)行。沉降觀測精度要求如下：變形觀測點(diǎn)的高程誤差為±1.0 mm；相鄰變形觀測點(diǎn)的高程中誤差為±0.5 mm。沉降觀測網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)見表2。附合或閉合水準(zhǔn)路線按照二等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求施測。

表2 沉降觀測網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Primary technical indices of settlement observation network

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)選擇

目前，國內(nèi)很多高速鐵路修建在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的華北平原、長三角和珠三角地區(qū)，諸地區(qū)也是全國區(qū)域地面沉降較嚴(yán)重地區(qū)。在高速鐵路修建伊始，按照《規(guī)范》，為解決區(qū)域地面沉降問題，線路沿途每隔50 km宜修建一座基巖標(biāo)，作為高程控制測量的基準(zhǔn)，以保證高速鐵路線路的設(shè)計(jì)坡度和平順性。

在高速鐵路路基運(yùn)營維護(hù)階段，需要監(jiān)測的線下路基工程一般范圍較小(多集中在車站)，少則幾百米，多不過幾公里。采用高速鐵路施工階段遺留的基巖標(biāo)作為基準(zhǔn)點(diǎn)距離監(jiān)測區(qū)太遠(yuǎn)，聯(lián)測累積誤差較大，不能滿足要求，且不利于“天窗點(diǎn)”施工。同時(shí)，利用基巖點(diǎn)進(jìn)行路基沉降監(jiān)測時(shí)還需要對沉降路基兩端部分橋梁或非沉降路基段進(jìn)行測量，以便計(jì)算沉降路基段線路的相對調(diào)整量，保證線路的平順性，增加了監(jiān)測工作量。另外，沿途遺留的其他水準(zhǔn)點(diǎn)因地面沉降影響，亦不能作為維護(hù)監(jiān)測的高程基準(zhǔn)點(diǎn)。高速鐵路橋梁墩臺是根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件設(shè)計(jì)施工的，埋設(shè)深度一般在30～40 m，較一般水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性高，故選擇沉降路基兩端的橋梁上的CPⅢ點(diǎn)作為該段路基維護(hù)監(jiān)測的起、終基準(zhǔn)點(diǎn)，且利用橋梁上的CPⅢ點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)所獲得路基沉降量是相對于橋梁的相對沉降量，便于路基線路相對調(diào)整量計(jì)算，監(jiān)測工作量較線路沿線基巖標(biāo)基準(zhǔn)減少。起算數(shù)據(jù)采用CPⅢ精密網(wǎng)最新復(fù)測數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位分布見圖1。

圖1 水準(zhǔn)測量路線與各類監(jiān)測點(diǎn)分布示意Fig.1 Schematic for route measured by level and distribution of monitoring points of all kinds

起、終基準(zhǔn)點(diǎn)間按國家二等附合幾何水準(zhǔn)線路測量，且每期觀測時(shí)線路兩端各延伸至基準(zhǔn)點(diǎn)外相鄰3個(gè)CPⅢ點(diǎn)作為對基準(zhǔn)點(diǎn)的基本檢核，水準(zhǔn)路線布設(shè)見圖1。按照《規(guī)范》“三等變形測量”要求，每期監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)間高差閉合差應(yīng)滿足公式(1)要求，否則延伸測量路線兩端的CPⅢ點(diǎn)重新確立新基準(zhǔn)點(diǎn)，直至滿足式(1)的要求。

(1)

式中：h觀測為觀測高差；h為最新復(fù)測高差；n為測站數(shù)。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

高速鐵路路基維護(hù)沉降監(jiān)測采用水準(zhǔn)斷面監(jiān)測法，即各類監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)成縱橫斷面。為整體掌握線下路基穩(wěn)定性及差異沉降情況，根據(jù)線下路基結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點(diǎn)分別在路基兩側(cè)路堤、底座板、軌道板、軌面和雙線路基中心處，每類監(jiān)測點(diǎn)沿線路走向形成一條縱斷面。同時(shí)，路基監(jiān)測區(qū)每對CPⅢ對應(yīng)位置布設(shè)成一條基本橫斷面，并根據(jù)監(jiān)測區(qū)沉降嚴(yán)重情況，相鄰兩對CPⅢ之間進(jìn)行橫斷面加密。各類監(jiān)測點(diǎn)路基位置分布見圖2。路基兩側(cè)路堤監(jiān)測點(diǎn)采用線路兩側(cè)CPⅢ點(diǎn)代替。

圖2 路基監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)Fig.2 Distribution of embankment monitoring points

2.3 數(shù)據(jù)觀測與分析

路基維護(hù)沉降監(jiān)測一般每月進(jìn)行1次，當(dāng)單次沉降量超過3 mm時(shí)，需進(jìn)行復(fù)測，并提高觀測頻率。當(dāng)遇到暴雨等極端天氣情況下，也應(yīng)增加觀測次數(shù)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集采用二等水準(zhǔn)附合路線進(jìn)行。除線路兩端基準(zhǔn)點(diǎn)和3個(gè)檢核點(diǎn)外，線路中其他CPⅢ點(diǎn)作為線路測量轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承。除CPⅢ外的其他各類監(jiān)測點(diǎn)在進(jìn)行水準(zhǔn)線路測量時(shí)采用中視法觀測，且每期每站中視測量的監(jiān)測點(diǎn)固定，水準(zhǔn)路線圖見圖1。現(xiàn)場測量時(shí)，要求測站位置、所用儀器、操作人員三固定，保證每次觀測條件一致，減少測量誤差。該觀測方法大大提高了作業(yè)效率，同時(shí)保證了測量精度。

從原始觀測數(shù)據(jù)中提取各尺承CPⅢ間高差，計(jì)算附合線路高差閉合差。在閉合差滿足式(1)的情況下，按測站數(shù)進(jìn)行高差閉合差改正，然后通過起、終基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算獲得CPⅢ監(jiān)測點(diǎn)的高程；從原始數(shù)據(jù)中提取后視CPⅢ與各中視監(jiān)測點(diǎn)的高差，利用平差后的各后視CPⅢ點(diǎn)高程計(jì)算獲得各中視監(jiān)測點(diǎn)高程。各期計(jì)算成果與首期基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的沉降量，繪制縱斷面圖了解相鄰監(jiān)測點(diǎn)差異沉降情況。

3 工程實(shí)例分析

長三角是全國城際客運(yùn)系統(tǒng)最發(fā)達(dá)地區(qū)，其高速鐵路網(wǎng)絡(luò)主要由滬寧、滬杭、寧杭和杭甬等客運(yùn)專線組成。長三角地區(qū)也是全國地面沉降較嚴(yán)重地區(qū)，人口稠密，四季變化較明顯，列車安全運(yùn)行至關(guān)重要。筆者以長三角高速鐵路某車站路基段為研究對象，該客專高鐵采用無碴軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，橋梁工程占87%。在通過動檢車檢測和CPⅢ復(fù)測確定該車站所在路基段存在沉降問題，需要進(jìn)行運(yùn)營期的沉降監(jiān)測。

按照筆者設(shè)計(jì)的方案，在車站路基段兩端橋梁上選擇了CPⅢ079327、CPⅢ083315作為監(jiān)測附合線路的起、終基準(zhǔn)點(diǎn)，線路全長3.5 km。根據(jù)路基結(jié)構(gòu)特征，布設(shè)了上行CPⅢ點(diǎn)、上行底座板監(jiān)測點(diǎn)、上行軌道板監(jiān)測點(diǎn)、上行軌面監(jiān)測點(diǎn)、下行軌面監(jiān)測點(diǎn)、下行軌道板監(jiān)測點(diǎn)、下行底座板監(jiān)測點(diǎn)和下行CPⅢ點(diǎn)8條縱斷面。首期觀測在2011年10月3日，以后每月監(jiān)測1次。筆者提取了2012年6月—2012年11月第8期～13期共6期觀測進(jìn)行分析研究，各期監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 各期沉降監(jiān)測成果精度統(tǒng)計(jì)Table 3 Accuracy statistics of settlement monitoring data /mm

從表3可以看出，該監(jiān)測方案可以滿足《規(guī)范》“三等變形測量”技術(shù)要求，能夠真實(shí)反映出高速鐵路路基沉降情況，為鐵路線路維護(hù)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。圖3展示了該段路基第8期～13期6期監(jiān)測上下行部分監(jiān)測點(diǎn)縱斷面變化態(tài)勢。

從圖3中可以看出，截止到2012年11月28日，該路基個(gè)別地區(qū)累計(jì)沉降量已超過20 mm(長路基限值30 mm)，且有持續(xù)沉降趨勢，需引起鐵路線路維護(hù)部門重視。同時(shí)，該段路基不均勻沉降小于20 mm/20 m，線路平順性較好，尚不影響列車正常運(yùn)營。

圖3 路基維護(hù)沉降監(jiān)測縱斷面變化態(tài)勢Fig.3 Longitudinal profile of monitored embankment settlement variation tendency in maintenance stage

高速鐵路路基線路的平順性維護(hù)一般通過軌道扣件調(diào)整實(shí)現(xiàn)，對沉降變化較大地區(qū)(已超過扣件調(diào)整量)可以通過路基兩側(cè)打樁注漿等方式進(jìn)行整治，在整治施工過程中，也可通過筆者所述方案進(jìn)行施工期間的路基變化準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4 結(jié) 語

高速鐵路路基運(yùn)營期間的維護(hù)沉降監(jiān)測，一般參照《規(guī)范》施工階段沉降技術(shù)方案執(zhí)行，但運(yùn)營期間存在的天窗點(diǎn)施工時(shí)間短、鐵路線路封閉、長期監(jiān)測、監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)密度大等客觀因素影響，不能完全按照施工期間監(jiān)測方案執(zhí)行，特別是在基準(zhǔn)點(diǎn)選擇上需考慮施工便利、穩(wěn)定、軌道平順性等因素。通過工程實(shí)例表明，筆者設(shè)計(jì)的技術(shù)方案完全能夠滿足高速鐵路路基運(yùn)營期間的維護(hù)沉降監(jiān)測的需求，值得在高速鐵路運(yùn)營維護(hù)中推廣借鑒。

[1] 羅莊.高速鐵路運(yùn)營期沉降監(jiān)測技術(shù)及管理探討[J].上海鐵道科技,2013(2):82-84. LUO Zhuang.Discussion on monitoring technique and management during operation of High Speed Railway[J].ShanghaiRailwayScience&Technology,2013(2):82-84.

[2] 張玉芝,杜彥良,孫寶臣,等.基于液力測量的高速鐵路無砟軌道路基沉降變形監(jiān)測方法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,37(1):80-84. ZHANG Yuzhi,DU Yanliang,SUN Baochen,et al.High-speed railway ballastless track roadbed settlement monitoring method based on fluid pressure differential[J].JournalofBeijingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,37(1):80-84.

[3] 郝晉豫,朱少捷.鄭西客運(yùn)專線路基工后沉降監(jiān)測方案的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2010(3):33-36. HAO Jinyu,ZHU Shaojie.Discussion on schemes for monitoring post-construction subsidence of subgrade of Zhengzhou-Xi’an passenger dedicated Line[J].JournalofRailwayEngineeringSociety,2010(3):33-36.

[4] 趙遠(yuǎn)方,湯高飛,魯大尉.基于PS-InSAR的京津城際鐵路地面沉降監(jiān)測研究[J].測繪與空間地理信息,2013,36(12):229-232.ZHAO Yuanfang,TANG Gaofei,LU Dawei.The subsidence monitoring study of Beijing-Tianjin intercity railway based on PS-InSAR[J].Geomatics&SpatialInformationTechnology,2013,36(12):229-232.

[5] 趙曉龍,張永紅,李英會,等.基于時(shí)間序列TerraSAR-X影像的線狀地物沉降監(jiān)測試驗(yàn)研究[J].遙感信息,2013,28(4):57-61.ZHAO Xiaolong,ZHANG Yonghong,LI Yinghui,et al.Exploration of subsidence along linear engineering structures on time series of TerraSAR-X images[J].RemoteSensingInformation,2013,28(4):57-61.

[6] 尚金光,張獻(xiàn)州,官超偉.高速鐵路沉降評估中工程沉降和區(qū)域沉降的可區(qū)分性研究[J].測繪科學(xué),2013,38(1):84-86. SHANG Jinguang,ZHANG Xianzhou,GUAN Chaowei.Distinguishability of engineering settlement and land subsidence in the settlement evaluation of high-speed railways[J].ScienceofSurveyingandMapping,2013,38(1):84-86.

[7] 喬旭.高鐵路基工程變形觀測方案設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].測繪與空間地理信息.2013,35(12):209-212. QIAO Xu.Design and implementation of high-speed rail roadbed deformation observation schemes[J].Geomatics&SpatialInformationTechnology,2013,35(12):209-212.

[8] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.高速鐵路工程測量規(guī)范:TB 10601—2009[S].北京:中國鐵路出版社,2010. China Second Railway Engineering Group Co.,Ltd.SpecificationsforSurveyEngineeringofHighSpeedRailway:TB10601—2009 [S].Beijing:China Railway Publishing House,2010.

[9] 國家測繪地理信息局.國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范:GB/T 12897—2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006. National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation.SpecificationsfortheFirstandSecondOrderLeveling:GB/T12897—2006[S].Beijing:China Standards Press,2006.

[10] 徐幸福.基于滬杭高鐵運(yùn)營維護(hù)監(jiān)測的技術(shù)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道勘察,2012(6):10-14. XU Xingfu.Technical design research of operation maintain and monitor in Shanghai-Hangzhou high-speed rail[J].RailwayInvestigationandSurveying,2012(6):10-14.

Technical Design of Embankment Subsidence Monitoring of High-speedRailway in Operation and Maintenance

ZHOU Jinguo1, CUI Shuzhen2, ZHU Chengfei1

(1.Chongqing Institute of Surveying and Mapping, NASM, Chongqing 400015, P. R. China;2.Chongqing Institute of Engineering, Chongqing 430007, P. R. China)

An embankment settlement monitoring technical scheme was developed for purpose of embankment settlement monitoring in operation and maintenance of express railway based on the features of high flatness of high-speed railway and routine maintenance and regulation works below embankment line. Monitoring sections were arranged and stable points CPIII on bridge were selected as reference points for embankment settlement monitoring and the observational method was used by taking CPIII points in monitored route as turning points. This technical scheme solves the problems of difficult fixation of monitoring points in surface settlement zone and tight schedule for maintenance and monitoring works and its application in embankment settlement monitoring during maintenance and operation stages generated positive results and meet technical requirement for third-level deformation measuring of high-speed railway.

railway engineering；high-speed railway; maintenance monitoring; differential settlement; datum mark

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.14

2014-10-08；

2015-02-02

重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題(KJC201336)

周金國(1982—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事工程測量與遙感工程應(yīng)用方面的研究。E-mail：zjg@cqism.com。

P258

A

1674-0696(2016)02-060-04