運營高速鐵路重點地段基礎變形監測技術研究

李浩標 譚社會 索廣建 張獻州 蔣英豪

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 611756； 2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；3.中國鐵路上海局集團有限公司工務檢測所，上海 200071)

1 概述

隨著“八縱八橫”主要路網的建設完成，我國大部分高速鐵路已從施工建設階段進入運營維護階段。運營高速鐵路重點地段基礎變形監測是線路安全運營的重要保障。近年來，諸多學者對運營高速鐵路基礎變形監測進行研究，并產生了不少重要的理論成果。祝安龍等總結分析結合人工智能技術的隧道圍巖及結構安全智能監測系統的優缺點[1]；劉大偉提出適用于滬寧城際鐵路重點沉降觀測地段的監測方法[2]；郭高冉提出了基于光纖振動加速度傳感陣列的高速鐵路無砟軌道基礎變形監測方法，為高速鐵路健康監測提供新思路[3]；張宇昕提出運營高速鐵路綜合變形監測評估方法，有利于監測評估體系建設[4]。但目前仍缺乏行之有效的技術體系為線路養護維修提供指導。

為更好解決重點地段基礎變形監測中的技術難點，以下對運營高速鐵路重點地段基礎變形監測技術體系開展多方面研究。

2 重點地段基礎變形監測內容

2.1 重點地段基礎變形監測特點

高速鐵路多具有線路長、地理環境復雜等特點，作為工程構筑物，其基礎結構產生變形是客觀存在的[5]。因此，在高速鐵路運營期間，對于基礎變形比較嚴重的地段，需進行一定周期的重點監測，此類地段稱為重點地段。對運營高速鐵路開展基礎變形監測，目的是掌握基礎變形規律和變形趨勢，結合其狀態進行養護維修，以確保行車穩定性和線路平順性[6-8]。

運營期重點地段變形監測不同于建設期，主要體現在以下幾個方面[9-12]。

(1)運營期高速鐵路監測重點為差異沉降，對絕對沉降不敏感。

(2)運營期高速鐵路監測數據的采集多采用自動化監測技術。

(3)運營期高速鐵路監測頻次應根據線路變形情況而具體調整。

(4)運營期監測數據分析方法多數還處于探索階段，相應數學模型有待建立。

2.2 重點地段選取原則

為做好高速鐵路的運營維護，針對高速鐵路變形特點，一般把以下情況的區域地段確定為變形監測重點地段[13-15]。

(1)橋梁、隧涵、路基、車站等建設期已發現的顯著差異沉降地段。

(2)精測網復測，構筑物普查性監測以及軌道動、靜態監測過程中出現形變較大的地段。

(3)鐵路部門對線路進行日常維護工作時，線路設備狀態發生異常變化的地段。

3 重點地段基礎變形監測方法

3.1 重點地段基礎變形監測基準網建立

重點地段基礎變形監測基準網由基準點與工作基點組成，分為重點地段平面位移監測基準網和重點地段沉降監測基準網。其目的是給重點地段水平位移監測和垂直位移監測提供一個參照系，進而計算分析該重點地段的變形情況[16-18]。

按照TB10601—2009《高速鐵路工程測量規范》，平面位移監測基準網一般由3個及以上基準點組成。平面位移監測基準網可一次布網，布網形式為導線網、GNSS網等。當平面監測區段長度>800 m時，應復測對應區段線上CPⅡ點，并對線上CPⅡ點進行平差分析，選取穩定的線上CPⅡ點作為平差計算基準點；若監測區段較短，或距線上CPⅡ點過遠，則可選用監測地段兩端穩定的CPⅢ點作為平面監測基準點，并將與該基準點相鄰的穩定CPⅢ點作為備用基準點。選取穩定CPⅢ點時，需要將相鄰3對點的自由網平差成果與原測成果坐標較差之差和橫向坐標差之差進行對比，當坐標較差之差≤±2 mm，橫向坐標差之差≤±2 mm，可認為控制點穩定。

沉降監測基準網一般由3個及以上基準點組成，但對于重點地段，往往布設4個基準點和4個備用基點。沉降監測基準網可采用閉合環狀或附合水準路線等形式進行布設。沉降監測基準點應優先選取重點地段兩端穩定的線上水準基點，若重點地段監測邊界距線上水準基點超過200 m，可選用重點地段兩端穩定的CPⅢ點，并使用與該基準點相鄰的穩定CPⅢ點作為備用工作基點。基準點間應按二等附合水準線路測量要求進行觀測，以檢核基準點的穩定性，進而確定兩個基點間的高差基準值和相鄰CPⅢ點間基準高差。選取穩定基準點時，需要對比基準點間觀測高差和上一次復測基準高差，其高差之差應滿足

(1)

式中，h觀為觀測高差；h上為上一次復測基準高差；L為線路長度。

若監測工作中發現基準點不穩定，可采用聯測附近的線上水準基點，并對不穩定的基準點進行更新；若仍不滿足基準點的穩定性要求，則應啟用備用基準點或延長監測區段。對于原有的重點地段，監測基準點應保持歷史數據的延續性。

3.2 重點地段監測斷面和監測點布設

(1)監測斷面布設

重點地段沉降監測橫斷面分為兩種，一種是基礎斷面，另一種是加密斷面。一般情況下，路基、隧道地段每20 m布設一個斷面，橋梁地段在梁固定端和跨中位置各布設一個斷面。重點地段沉降監測斷面的編號根據里程排序。每個斷面應在下行底座板外側觀測點旁用紅油漆噴寫斷面號(采用統一規格字模)。無砟軌道基礎斷面一般布設在距離下行CPⅢ點最近的軌道板和底座板上，加密斷面布設在兩個基礎斷面之間。

無砟軌道重點地段沉降監測橫斷面由上下行路肩監測點、上下行支承層外側監測點、上下行軌道板外側監測點等組成，如圖1所示。有砟軌道基礎斷面與CPⅢ點所在的斷面一致，加密斷面布設在兩個基礎斷面之間。有砟軌道重點地段沉降監測斷面由下行路肩監測點、上行路肩監測點組成，如圖2所示。

圖1 無砟軌道段沉降監測點(斷面)布設

圖2 有砟軌道段沉降監測點(斷面)布設

重點地段橫向監測斷面里程位置原則上與垂向統一，其測點標識根據所采用的監測方法進行設置。

(2)監測點布設

路基地段沉降監測點應布設在沉降監測斷面上。無砟軌道選用線路兩側的CPⅢ點作為路基沉降監測點，若沒有CPⅢ點，應補設路基沉降監測點；無砟軌道底座板監測點應布設在線路外側小里程方向的邊角區域上，監測標志可選用不銹鋼監測釘。無砟軌道板監測點采用在軌道板外側邊角打磨φ16.0 mm、深約8 mm的淺圓孔，放置鋼珠作為點位標識。在有砟軌道路基上，一般采用埋設監測標石的方式。標石以現場澆筑為宜，無現場澆筑條件的可使用預埋式標石或打入長1.5 m左右的鋼筋，地面露出部分焊接不銹鋼監測釘，并制作保護井蓋。隧道地段監測點布設方法與路基地段監測點布設方法相同。

橋梁地段選用CPⅢ點作為沉降監測點。若沒有CPⅢ點，簡支梁地段在梁固定端和跨中位置各布設一對，連續梁地段在中間支座和跨中位置各布設一對。

3.3 重點地段基礎變形監測技術要求

重點地段變形監測主要包括周期性沉降監測、CPⅢ平面不定期測量、橫向變形監測和CPⅢ修復測量。監測前應首先對監測點位進行普查，已丟失或破壞的監測點應及時補設。

(1)重點地段周期性沉降監測

重點地段周期性沉降監測可按矩形環單程水準網觀測，CPⅢ測點的觀測過程中采用中視法對監測點(非CPⅢ點)進行觀測。每測站應在對水準線路中相鄰CPⅢ點進行線路觀測后一次性對該站范圍內所有監測點(非CPⅢ點)進行觀測，以便觀測精度統一，并減少線路觀測誤差對監測點成果的影響。路基、隧道及橋梁沉降監測的水準測量路線結合CPⅢ控制網的水準路線進行在測量CPⅢ測點的過程中，采用中視法對監測點(非CPⅢ點)進行觀測，每個監測點(非CPⅢ點)均測量兩次，其觀測的高程之差不得大于1 mm。滿足限差要求后，取兩組高程平均值作為最終高程。當受條件限制無法進行水準測量時，可采用CPⅢ控制網自由測站三角高程測量。

重點地段外業觀測完成后，需先檢核觀測數據，若發現不合格數據應重新觀測。待粗差檢驗合格后，通過計算相鄰點間附合水準路線高差閉合差判斷內業平差起算點的穩定性，當起算點不滿足閉合差時，分別向大小里程延伸尋找穩定的起算點，直至滿足相關閉合差要求。平差控制指標均滿足相關要求時，可認為重點地段周期性沉降監測合格；反之為不合格，對于不合格項要查明原因，并盡快返工重測。

(2)重點地段CPⅢ平面不定期測量

對高速鐵路重點地段進行CPⅢ平面不定期測量，可以獲得該重點地段的平面坐標變化量，并且視情況更新該地段的CPⅢ平面成果用于線路維護。重點地段CPⅢ平面不定期測量主要采用自由測站邊角交會法施測。外業測量完成后，通過計算CPⅢ點原復測坐標較差、相鄰點坐標差之差判斷內業平差起算點的穩定性，當起算點不滿足相關要求時，可分別向大小里程延伸尋找穩定的起算點，直至滿足相關要求。平差完成后，應將本次測量成果與上次測量成果在線路方向上的橫、縱坐標差及累計變化量進行分析，將該重點地段更新后的CPⅢ平面控制網成果應用于線路維護工作中。

(3)重點地段橫向變形監測

鑒于采用自由設站后方交會方法難以滿足監測精度要求，且橫向變形對線路平順性影響較大，故采用軌道線形測量數據中的橫向偏差代替重點地段橫向變形監測。軌道線形測量前，應對CPⅢ控制網的穩定性進行復核，采用最新成果，核對線路設計參數，并根據線路樁點信息錄入數據文件。

(4)重點地段CPⅢ修復測量

重點地段CPⅢ修復測量包括CPⅢ高程修復測量和CPⅢ平面修復測量。若監測地段范圍內的相鄰2個及以上觀測點(含CPⅢ點)垂向位移超過3 mm，需對監測地段范圍內所有CPⅢ點的高程采用平差后的新成果進行修復。若無法滿足線形檢測起算要求，則需要進行修復測量，修復原則同周期性沉降監測。若監測地段范圍內相鄰2個及以上CPⅢ點垂向位移量大于3 mm，應對CPⅢ點的平面坐標進行修復測量。約束平差后的CPⅢ點坐標成果與原坐標成果應統一歸算到線路法線方向，再進行差值分析，當差值大于3 mm時，需對監測地段范圍內的所有CPⅢ點的平面坐標采用平差后的新成果進行修復。完成CPⅢ修復測量后，應及時更新CPⅢ成果，為后續基礎變形監測變形分析提供可靠的CPⅢ高程與平面基準，并建立新舊成果的聯系，保證變形成果的可延續性。

3.4 監測周期的確定及調整

重點地段監測周期應以能夠反映該地段變形過程且不遺漏其變化為原則，并綜合考慮該地段變形速率、變形特征及工況等信息。重點地段的監測周期原則上每月觀測1次，同時根據其變形速率與評判標準進行動態調整，調整原則如表1所示。

表1 沉降監測周期調整

4 重點地段變形分析與預警機制

4.1 重點地段變形分析

重點地段變形監測數據可采用作圖、統計、對比和建模等方法進行分析。作圖分析是將重點地段觀測數據按時間順序繪制成曲線反映出變形趨勢；統計分析是對重點地段監測數據進行統計尋找變形規律和特征；對比分析是把實測值與設計值或模型試驗值進行比較，相互驗證尋找變形原因進而找到改進方法；建模分析是通過建立數學模型來研究重點地段的變形趨勢。

運營期高速鐵路重點地段的變形分析可以分為同一斷面不同類型監測點累計變形分析、監測點變形速率分析、不同斷面差異變形分析、上下行線差異變形分析與過渡段差異變形分析等。考慮到相鄰結構斷面的差異性變形，以及由此引起的附加坡度和坡度差的變化量將會對高速鐵路運營期間結構穩定性和軌道平順性造成較大影響。因此，相鄰結構斷面的差異性變形是運營期沉降監測變形分析的重點內容。針對沉降變形分析，其主要控制指標包括變形監測點的絕對沉降量、沉降速率、相鄰斷面差異沉降量等。根據沉降變形分析結果，結合結構特征和工況信息進一步分析沉降變形對線路結構、軌道平順性造成的影響，為運營管理提供決策支持。

4.2 重點地段綜合預警機制

設立運營高速鐵路基礎變形監測綜合預警機制的目的是盡可能緩解或阻止風險的發生，保障高速鐵路的安全運營。重點地段基礎變形監測綜合預警機制應在充分考慮監測項目的特點、變形速率以及監測對象的安全性等指標的基礎上，統籌制定。

重點地段綜合預警機制的具體內容如下：當單次月變形量大于2 mm或3個月累計變形量超過5 mm時，應在24 h內發出預警提示，并酌情縮短監測周期；當連續3個月單次月變形量均大于2 mm或連續3次每3個月累計變形量均超過5 mm時，應及時書面報告集團公司業務部、設備管理單位和資產管理公司。橫向變形監測單次月變形量大于5 mm或3個月累計變形量達到5 mm，應及時書面報告集團公司業務部、設備管理單位和鐵路公司。對于因施工等因素導致高鐵工務設備變形速率較快，應根據設備狀態和變形特點，制定特殊的預警值。

5 重點地段基礎變形監測實例

5.1 工程概況

某高速鐵路位于長江沖積平原區，地形平坦，地勢開闊，地層巖性變化大，季節和地表水位的變化導致地下水位略有浮動，線路區域內堆積著松散的淤泥質土層和軟土層。2018年，進行了精測網復測，復測與原測成果對比時發現部分區段成果差異較大，里程為K0245+002～K0246+044，長11.640 km。根據重點地段監測辦法，將該區段列為基礎變形重點地段，沉降監測頻次為每月1次。本區段基礎變形監測的高程基準采用1985國家高程基準。

5.2 監測過程

(1)基準穩定性分析

在該重點地段，大里程基準點選取離監測區域200 m處的路堤CPⅢ點，小里程選取離監測區域300 m處的隧道CPⅢ點。由表2可知，各基準點間觀測高差與上一次精測網復測兩點間的高差之差均小于限差，滿足相關規范要求，可用作穩定的基準點。

表2 基準點間觀測高差與基準高差統計

(2)沉降監測預警

對重點地段進行了3期觀測，其變形趨勢如圖3、圖4，發現本區段小里程方向部分發生明顯的沉降變形，大里程方向發生略微的隆起變形。其中，累計最大變形量為-5.22 mm，位于K0245+425處，超過預警值5.00 mm；本期最大變化量為-2.32 mm/月，位于K0245+425處，超過預警值2.00 mm/月。

圖3 基礎變形監測月變形態勢

圖4 基礎變形監測累計沉降態勢

設備管理單位收到預警提示之后，按照應急預案要求，對該區段監測周期由1次/月調整為2次/月，并注意巡查現場情況，進一步觀察其變形趨勢。

6 結論

(1)運營期重點地段基礎變形監測是一個長期且復雜的過程，變形區段的選擇、監測內容和頻率需視實際情況進行動態調整。

(2)以“單次月變形量”和“三個月累計變形量”為主要衡量指標的重點地段綜合預警機制具有高效性、系統性、操作性等特點，可為高速鐵路的安全運營提供重要保障。

(3)單獨的監測結果往往難以反映運營高速鐵路變形情況，必須結合往期監測數據和自然環境、施工工況等情況進行分析，才能相互印證、去偽存真。