軌道交通高架段長期沉降測量垂差影響分析

周興輝

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200438)

1 引 言

近年來，城市軌道交通高速發展，全國各地不斷新建軌道交通線路，截至2020年底，全國約有40個城市已經開通運營軌道交通線路，運營線路里程約 7 000 km，車站約 5 000座。

以上海為例，運營線路超過700 km，車站近500座，其中高架段橋梁約 230 km，墩柱約 8 000個，軌道交通高架段長期沉降測量過程中，對測量數據成果的影響有多方面，如工程活動、測量誤差、大氣環境、地質條件、列車運營振動等。高架段沉降監測數據經常顯示道床與對應墩柱垂直變形(垂差)不一致，變形存在明顯脫開的現象，此種變化不一致的情況給軌道交通高架段綜合分析帶來了困擾。

為了給軌道交通結構變形分析提供更加準確、合理的數據，本文擬從大氣環境角度、墩柱情況，同時結合監測數據對垂差變化相關性進行分析。

2 工程概況

以軌道交通某線為例，該沿線跨越多個城市道路、高速公路、河流，整體線路高程起伏變化較大。本文選取其中四站三區間的高架段范圍為研究對象，分別為甲乙丙丁車站，該范圍線路全長約 6 km，平均站間距約 2 km，共計221個墩柱，分為矩形式墩柱、門式墩柱，橋梁分為簡支箱梁、結合梁、連續梁，車站為“建橋合一”的結構形式。

3 監測方案簡介

3.1 儀器選擇

軌道交通長期監測是一項高精度的測量工作，測量儀器的選擇是確保監測數據準確性、可靠性的基礎。本項目外業測量采用高精度電子水準儀、全站儀實施，水準儀標稱精度為 0.3 mm/km，全站儀標稱精度為2″，2 mm+2 ppm，所用儀器均定期進行年度檢定。

3.2 測量實施

(1)基本要求

監測點是反映結構變形的基礎，其埋設位置、點位穩定性是獲取準確監測數據的前提，長期監測點應該是永久性的，并且能準確反映真實結構變形的。上海市軌道交通高架段長期監測點通常根據橋梁跨度設置不同的標準，一般 30 m簡支梁分別于1/4、1/2、3/4及橋梁兩端端頭處，共計布設5個監測點，連續梁則從跨中向端頭等分布設[10]；矩形式墩柱在兩側各布設一個監測點，門式墩柱則在每個墩柱上布設一個監測點。除一般情況外，對于結構差異處或其他特殊位置則相應加密監測點。

在測量前儀器進行日常檢測，現場施測時，儀器宜進行晾置，使儀器與周邊的環境溫度趨于一致，可減小儀器軸系在測量過程中受環境影響造成的測量誤差。同時在實施觀測中宜做到四固定：人員、儀器和設備、測量方法和線路、基本相同的時段和環境[7]。對于高架軌行區中的聯系測量加密則通常采用三角高程法實施[1，2]。長期監測數據采集過程時，利用溫度計同步采集現場大氣環境溫度。

(2)線路敷設

長期監測關系著城市軌道交通運營的結構安全，鑒于上海城市的軟土地質特性，在控制網布設和選點關系到監測成果的可靠性。從整個長期監測控制網來講，主要分為三部分，分別為地面基準網、聯系測量、道床及立柱測量。

地面基準網作為長期監測的首級控制網，水準線路敷設與測量，通常沿城市且坡度小的道路進行水準線路測量，盡量避免行人、車輛繁忙、大的河流地區[7]。聯系測量、道床及立柱水準測量作為次級控制網，其水準線路敷設與測量首先從甲車站的地面城市水準點開始，沿甲車站方向至甲車站立柱工作基點，再由甲車站立柱工作基點至乙車站立柱工作基點，最后由乙車站立柱工作基點附合至乙車站地面城市水準點。由甲車站立柱工作基點沿樓梯測至甲車站工作基點上，再分別沿地鐵道床附合于乙車站工作基點，最后聯測至乙車站立柱工作基點上[10]。對于三角高程的敷設，則綜合考慮區間長度及道床與立柱監測點的高差確定，測量時同時控制垂直角與邊長，垂直角通常為15°～20°左右，邊長通常為 30 m～50 m，中間法觀測完成[2]。水準測量線路示意圖如圖1所示。

圖1 水準測量線路示意圖

(3)觀測方法及技術要求

高校要增強網絡意識形態安全的使命感和責任感，從加強黨的執政安全和國家安全的戰略高度，清醒地認識網絡意識形態領域斗爭的長期性和復雜性，采取切實可行的措施引導網絡輿情，確保大學生在復雜的新媒體空間保持清醒的認識。高校必須強化互聯網監管意識，研究新媒體發展帶來的新情況和新問題，把握新媒體的發展規律，提高網絡意識形態和網絡輿情的分析研判能力，探索并建立大學生網絡意識形態安全教育與管理機制，提高大學生對網絡謠言和錯誤思潮的鑒別能力，使他們能在各種詆毀社會主義的思潮面前堅持立場、明辨是非，增強對中國特色社會主義理論、道路和制度的認同感。

在精密水準測量中，影響觀測成果質量的因素很多。如奇偶站觀測次序，此種觀測順序可消除測量時儀器、水準尺升沉帶來的誤差[7]。地面基準網按照一等水準測量技術要求執行，聯系測量、立柱及軌行區按照二等水準測量的技術要求執行，作業時沉降監測點與水準線路同時測量完成。視線長度、視距差、往返不符值、環線閉合差等指標應符合《國家一、二等水準測量規范》GB/T 12897-2006中的相關技術要求[6]。水準線路控制網測量數據及信息整理如表1所示，對于聯系測量而言，其測站平均為16站，但線路長度短，綜合考慮取 1 km作為其線路長度。

表1 水準線路往返不符值及線路閉合差信息統計表

3.3 數據處理

(1)平差計算

利用專業軟件帶權法對控制網數據進行平差[8，9]，首級控制網按照一等網平差，獲取沿線城市水準點高程；次級控制網按二等網平差，獲取道床及立柱工作基點高程。根據平差后的工作基點高程按照附合線路計算地鐵監測點的高程值，對于附合線路的閉合差按照測站進行平差。其地鐵監測點高程為：

(1)

式(1)中：W為測段閉合差，hi為測站高差，HB、HA為已知點高程，k為待求點的測站數，n為測段總測站數，HE(A)為由A點起算的待求點E的高程。

(2)精度評定

分別由測段高差往返不符值計算每公里偶然中誤差，由環線閉合差計算每公里全中誤差，即有：

(2)

式(2)中：M△為每公里偶然中誤差，△為測段往返不符值，R為測段長度，n為測段數。

(3)

式(3)中：Mw為每公里全中誤差，W為環線閉合差，L為環線長度，N為環線個數。

4 監測數據分析

4.1 問題分析

由偶然中誤差、全中誤差的精度評定結果來看，水準測量的成果及精度理論上是滿足的，然而在基于采集的水準測量數據，經過平差計算獲取相應的監測變形數據時，可以發現道床與立柱變形明顯脫開。選取2017年半年時段監測數據為例，2017年8月相對于2017年2月期間垂差也是最大(即年中相對于年初)，且此期間溫差基本為全年最大，道床與立柱監測點高差在 11.0 m～22.3 m之間，高差最大區域也是垂差最大處[3]，階段垂差、監測點高差曲線圖如圖2所示。

圖2 線路道床與立柱垂差及監測點高差曲線圖

通過計算1 326個道床與立柱垂差數據，中誤差為 ±1.9 mm，垂差位于1、2、3倍中誤差內的占比分別為37.2%、75.3%、95.4%，垂差數據離散度大，其中最大值為 9.3 mm，最小值為-2.5 mm，平均值 2.6 mm。可以說明該垂差數據的測量精度無法滿足變形監測的相應要求。同時整理聯系測量及相應期間溫度數據，可以發現歷次所測高差之差，最大變化在-4.40 mm～+3.21 mm之間，聯系測量高差之差及溫度統計如表2所示。

根據表2數據對各車站聯系測量進行相關圖形繪制，從曲線圖可以看出聯系測量高差之差與溫度變化趨勢基本一致，其曲線圖如圖3所示。

表2 聯系測量高差之差及溫度統計表

圖3 高差之差及溫度變化曲線圖

另可知混凝土熱脹冷縮的原理，其膨脹系數為0.00001℃，即溫度每升高1℃，每米混凝土膨脹 0.01 mm。對于長期監測項目來講，通常一次測量周期為1～2個月，此期間溫差可達10℃～20℃，結合表2數據，以監測點高差 20 m、溫差20℃為例計算，聯系測量受溫度及混凝土膨脹的影響，對水準測量環閉合差的影響可達 4 mm以上，此影響也將直接導致測量成果的不合格。

4.2 誤差分析

根據匯總整理后的歷次軌道交通長期監測數據，見表1所示，計算水準測量線路各測段測量中誤差，其公式為：

(4)

式(4)中：△為往返不符值，n為個數。

以每公里偶然中誤差作為單位權中誤差，通過對歷次數據整理計算，水準線路單位權中誤差為σ=±0.37mm[8]。以線路長度定權，即有：

(5)

式(5)中：Pi為第i測段的權，C為單位權中誤差線路長，Si為測段長度，σ為單位權中誤差，σi為第i測段中誤差。

水準測量按長度定權并計算各測段中誤差如表3所示。

表3 各測段水準線路中誤差統計表

4.3 精度分析

在基于誤差分析及線性回歸分析的結果，根據溫度變化與聯系測量相關性，對其進行高差修正，其中誤差及垂差數據如表4所示。針對個別數據偏差較大的情況，經過分析主要原因為監測期間點位破壞補設后，數據銜接異常所致。

表4 誤差分布及垂差數據表

綜合上述，說明垂差變化的一致性主要受溫度及混凝土膨脹影響，結合溫度與聯系的相關性，對聯系測量高差修正后，有效提高了測量精度，其精度滿足監測要求，確保了監測數據的整體性。

5 結 語

軌道交通長期監測數據的準確性、可靠性是其結構安全分析評估重要基礎。溫度變化引起的混凝土膨脹對監測數據的影響是顯著的。因此，在從事軌道交通結構變形監測時，水準線路測量及平差計算要充分考慮其影響。

本文主要從溫度對垂差影響進行研究和分析，通過實際工程案例說明溫度的變化是影響高架橋梁道床與立柱垂差變化一致性的重要因素。在長期監測中采集溫度信息并進行相關修正，可確保變形監測數據的合理性，同時為結構分析提供準確的基礎數據有其重要意義。