沉降變形觀測與評估在鐵路建設中的重要作用

蘇 維

中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

鐵路工程線下沉降變形觀測與評估是一項系統工程，涉及路基、橋梁、隧道、軌道等結構工程，以及測量工程、數學、計算機等多個領域，各專業有機協調，不可分割。觀測數據的真實可靠與分析評估方法的科學合理為沉降變形評估體系的兩個核心環節，其中前者是技術體系的基礎，若觀測數據的來源不可靠或采集的觀測數據質量不合格，則沉降變形評估工作就是空中樓閣。

高速鐵路對線下工程毫米級工后沉降量要求嚴格，理論方法計算的精度受制于土體本構模型、土體工程力學指標、設計者的工程經驗等諸多因素，為了驗證計算結果的合理性，必須系統地開展現場沉降變形觀測數據采集工作，才能獲得線下工程沉降變形最準確的數據資料。

1 沉降變形觀測與評估工作的發展過程

1.1 2008年以前客運專線建設模式

我國2008年以前建設的無砟軌道客運專線，如京津城際、武廣客專及鄭西客專等，沉降評估體系存在以下問題：

（1）重視評估工作，輕視觀測環節，僅對數據進行曲線擬合分析。

（2）無系統的數據平差處理與數據管理軟件，需對海量電子表格進行曲線生成、曲線擬合的重復性操作，工作量大，工作效率低下。

（3）觀測與評估環節相對脫節，無法對線下工程沉降變形觀測過程進行有效的監控，缺少評估過程的動態協調。例如武清車站和耒陽車站，在鋪設無砟軌道后，仍有超過允許工后沉降量的沉降變形現象發生，后期又花費了時間和財力采取補救措施。但如果評估過程中能及時發現沉降變形未收斂，在建設過程中提前采取有效的加速沉降完成的措施，將可避免此類問題。

（4）所采用的規范與實際情況脫節，為評估而評估。《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設〔2006〕158號）中推薦了11種沉降變形曲線擬合的方法，但通過對大量的實測沉降變形數據擬合分析發現，80%以上的測點（主要集中在嵌巖樁基礎橋梁、圍巖級別較高的隧道以及地質條件較好的路塹）均無法開展沉降變形曲線擬合。

1.2 2008年以后高速鐵路建設模式

以京滬高鐵、京福高鐵等為代表的高速鐵路，在沉降變形觀測與評估方面有了質的發展。

（1）開發數據處理軟件。中鐵二院成立軟件攻關小組，廣泛調研了國內外相關軟件開發、使用現狀，開發出了集觀測數據平差處理、觀測成果儲存、曲線擬合三模塊為一體的《沉降觀測數據處理與分析評估系統》，該軟件實現了觀測數據平差處理一鍵化操作，以文件夾存儲方式管理觀測數據的模式生成觀測曲線、沉降速率曲線、單個測點沉降曲線，具有全線累計沉降曲線以及采用多種擬合算法進行曲線擬合的功能。同一項目的各參建單位采用同一款沉降評估軟件后，采用相同數據管理模式對數據進行管理，極大地提高了數據處理與數據管理的能力。

（2）強調現場觀測的重要性。觀測與評估兩個環節都十分重要，因此必須注重過程質量控制。沉降變形觀測工作是指導軌道系統鋪設的唯一手段。在建設期內，及時更新測點數據，形成沉降變形曲線，分析曲線發展趨勢，提前發現線下工程沉降變形的異常點，如路基持續下沉、墩身左右側不均勻沉降、墩身沉降突變、隧道仰拱隆起等，或者因外部環境變化如暴雨、地下水抽取、棄渣堆積等導致的線下工程沉降變形異常。

一般高速鐵路正常沉降變形曲線表現為約90%的路基沉降板測點累計沉降量小于20mm，占93%的路基面觀測樁累計沉降量小于5mm。這說明路基本體沉降變形在填筑完成后很快趨于穩定，且路基填料質量和壓實標準高，填土本身的沉降很小。路基沉降的主要原因在于地基部分的沉降變形。在摩擦樁基礎橋梁架梁前后，墩臺測點普遍存在0.5～3.0mm的沉降突變量，架梁前后在梁體荷載作用下，沉降突變值存在一定差異，這與橋墩所在地段地質條件、樁基礎成樁工藝有關。架梁后6個月，累計沉降較架梁后3個月累計沉降量有0.5～1.5mm的沉降變化量，結合以上分析可以認為，架梁后3個月內為墩身沉降發展階段，架梁后3～6個月為墩身沉降趨于穩定階段。隧道測點累計沉降量均小于5mm，仰拱開挖完成后1個月內易出現隆起負變形。例如，京滬高鐵蘊藻浜特大橋因城市建筑垃圾和棄土單側堆積在橋墩旁，偏壓荷載造成橋墩兩側不均勻下沉和偏移；京福高鐵福建段多座橋梁墩臺在架梁后產生了10cm左右的沉降突變，且后期沉降變形不收斂，這是因為橋梁樁基持力層為云母石英片巖，遇水后承載力大幅下降；京福高鐵安徽段巢湖東站由無砟軌道變更為有砟軌道；石武客專因地下水變化產生區域沉降等。

沉降變形觀測與評估是對線下工程沉降變形發生發展過程進行監控，能隨時掌握測點沉降變形規律，及時提出存在的問題，供建設單位和各參建單位分析研討，從而采取控制沉降變形的工程措施，縮短建設工期并節省建設成本。在建設過程中，沉降變形觀測工作可將可能產生的隱患消除在建設期，為鐵路安全運營保駕護航。

（3）更新相關規范條款。總結已開展的沉降變形觀測與評估工作的經驗，成果已列入《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規程》（Q/CR 9230—2016），并于2016年11月施行，主要體現在增加了沉降變形評估單位同步進行平行觀測，更新了測量技術與要求，更新了隧道觀測標埋設方式與測點個數，完善了沉降變形評估體系。

2 沉降變形觀測與評估的工作范圍

《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設〔2006〕158號）主要指導客運專線無砟軌道鋪設條件的評估，隨著鐵路網的進一步規劃，2016年我國頒布了《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規程》（Q/CR 9230—2016），無砟軌道和設計時速200km及以上的有砟軌道也隨之興建。

根據不同鐵路等級和軌道類型，線下工程需要進行變形觀測的范圍也不盡相同。按軌道類型、設計時速進行區分，歸納整理新建鐵路沉降變形觀測的工作范圍如下。（1）采用無砟軌道結構的鐵路：沉降變形觀測范圍為所有線下工程，即路基工程（含過渡段）、橋涵工程（含梁體徐變）和隧道工程。（2）有砟軌道、設計時速不低于250km的高速鐵路：沉降變形觀測范圍為所有線下工程，即路基工程（含過渡段）、橋涵工程（不含梁體徐變）和隧道工程。（3）有砟軌道，設計時速為200km，客貨共線鐵路：沉降變形觀測范圍僅為路基工程，對于路涵、路橋過渡段，需根據實際條件判斷是否設置觀測內容。（4）有砟軌道，設計時速為200km以下的鐵路：沉降變形觀測范圍為軟土、松軟土等特殊地段路基。（5）嚴寒、寒冷地區無砟軌道和設計時速250km及以上的有砟軌道鐵路路基應進行凍脹變形觀測。

上述分類不包括特殊結構物的變形觀測，如橋梁特殊結構墩臺沉降變形、梁體徐變等，可由設計單位專門提出變形觀測要求。

3 現階段沉降變形觀測與評估存在的問題

我國幅員遼闊，地質條件差異大，隨著高速鐵路路網的進一步規劃加密，從東南方的軟土、松軟土到北方的凍土，再到西南山區丘陵、喀斯特、特殊巖土等，在不同地質條件下修建高速鐵路會遇到新的挑戰。例如，我國北方鐵路的季節性凍土凍脹，西南山區膨脹巖土地段隧道、深路塹上拱變形不收斂，跨喀斯特、溶洞橋梁基礎沉降不收斂，等等。這些挑戰在目前修建的成蘭鐵路、川藏鐵路、渝昆高鐵均會出現，需要不斷總結既有經驗教訓去克服和創新。

4 沉降變形觀測與評估工作展望

4.1 開展沉降變形觀測的信息化管理

中國鐵路總公司工程管理中心開展鐵路沉降觀測信息系統推廣應用，對沉降變形觀測進行信息化管理，如高速鐵路工程沉降變形觀測數據與評估管理系統V2.0、鐵路工程管理平臺等，進一步對沉降變形觀測的時效性進行全過程監督管理。

4.2 加強鐵路運營期的基礎變形觀測管理工作

經過1～2個雨季與冬季循環，已建成的鐵路易出現沉降變形方面的問題。比如，哈大鐵路凍脹，蘭新高鐵隧道因膨脹土遇水膨脹引起仰拱上拱，京津城際區域地面沉降最大年沉降速率超過了150mm，差異沉降日益增大，嚴重影響了軌道的平順性和行車安全等。為規范鐵路運營階段的變形觀測，中國鐵路總公司發布了《運營高速鐵路基礎變形監測管理辦法》（技術規章編號：TG/GW 260-2015）（鐵總運〔2015〕113號）文件。

4.3 引進新設備、新材料和新工藝的監測系統

除人工測量，在高寒地區、地理地勢險峻的工點引進了自動監測和預警系統。目前應用于鐵路工程變形監測的有北斗衛星變形監測站、分布式光纖變形監測系統等。如莫斯科—喀什鐵路，采用遠程自動實時監測系統，由數據采集、數據傳輸、數據處理三大子系統組成，可隨時調取測段內沉降變形相關數據。

5 結束語

綜上所述，文章結合我國鐵路建設過程中沉降變形觀測中的典型案例，明確了不同等級鐵路進行沉降變形觀測的工作范圍，并從地質條件、降水、外部荷載等方面對異常情況進行分析，采取對癥的工程補救措施，以期引起后來的設計者和建設者的足夠重視，用于指導鐵路建設。