鐵路工程沉降變形觀測技術若干問題探討

藺愛軍

中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043

我國不同區(qū)域氣候環(huán)境差異大，地形地質條件復雜。在列車高頻動載和多重環(huán)境作用下，如何建設高質量鐵路工程，確保其毫米級沉降變形控制及長期可靠耐久，是高速鐵路工程建設面臨的重大挑戰(zhàn)［1-3］。

沉降變形觀測與評估技術是高速鐵路工程建設技術管理和質量控制重要組成部分，其目的是確保線下工程穩(wěn)定性滿足工后沉降控制標準和軌道工程鋪設條件。Q/CR 9230—2016（以下簡稱《規(guī)程》）在鐵建設〔2006〕158號《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》基礎上，總結高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路的建設、運營實踐經驗和科研成果，并借鑒國外高速鐵路成功經驗編制而成。《規(guī)程》在指導我國高速鐵路工程沉降變形觀測與評估工作方面發(fā)揮著重要作用，但在理解個別技術條款和條文說明時可根據(jù)實際情況合理執(zhí)行。本文針對《規(guī)程》在變形觀測標志及其設置、沉降變形觀測方法、變形測量等級及精度要求、沉降變形觀測路線等沉降變形觀測方面，由于工程的具體情況，現(xiàn)場實際執(zhí)行個別技術條款時需注意的問題展開分析，并提出解決方案。

1 變形觀測標志及其設置

1.1 路基面沉降觀測樁設置

路基面沉降觀測樁設置參考圖1，存在問題及相關建議如下。

圖1 路基面沉降觀測樁設置參考（單位：mm）

1）由圖1可知，路基面沉降觀測樁埋設于級配碎石中，并高出路基面（有砟）或封閉層（無砟），應理解為達到驗收移交條件的觀測標。部分技術人員可能誤認為觀測樁是在基床表層級配碎石填筑后才埋設。而在高速鐵路路基沉降觀測實踐中，完成路基基床底層填筑（主要恒載加載完成）時即埋設臨時觀測樁，并開始沉降觀測工作，在基床表層施工完成后再進行轉點埋設，路基沉降變化是相對緩慢的，轉點埋設并進行斷高處理后不會影響沉降觀測的連續(xù)性。如果級配碎石填筑完成后再埋樁觀測，受施工工期制約，沉降觀測期往往是不足的。

2）考慮經濟實用因素，施工期基底頂面臨時觀測標可采用普通鋼筋；路基封閉層施工后埋設的沉降觀測標在運營期長期使用，建議采用頂部為球形的預制不銹鋼棒。

3）鋼筋頭高出路基（封閉層）面10 mm，對車輛輪胎和行人可能產生影響，不利于觀測標保護。建議改為高出3 mm左右，水準尺能自由轉動，方便立尺即可。

1.2 沉降板規(guī)格及制作

1）給出的沉降板厚度（3～5 mm）明顯偏薄，路基填筑過程中可能被壓裂。在沉降觀測實踐中，大多采用10 mm厚鋼板。

2）在保證沉降板測桿接長后，由于長細比的加大，穩(wěn)定性會降低；在施工過程，沉降板周圍本應進行人工夯實，但偶爾會受到重車或壓路機的碾壓，造成損壞。需注意以下要點：

①測桿接頭絲扣長度不小于5 cm，確保接管穩(wěn)固。絲扣短會引起接管不穩(wěn)，導致沉降觀測數(shù)據(jù)失真。

②保護測桿的塑料套管壁厚度應在5 mm以上。管壁太薄，抗壓強度低，周圍填料擠壓作用下，套管易被擠破而失去保護測桿作用。

1.3 橋涵和隧道變形觀測點設置

1）鋼筋頭高出周圍仰拱面10 mm，對車輛輪胎和行人可能產生影響，不利于觀測標保護。

2）即使采用頂部為球形的預制不銹鋼標志，也不宜高出周圍仰拱面10 mm。沉降觀測實踐中，在不同隧道工點曾發(fā)生多起重型出渣車長期碾壓磨損仰拱沉降觀測標頭的情況，導致觀測標高程逐漸降低，沉降曲線不收斂，而仰拱實際上并沒有沉降。觀測標設置方法和位置不合理，間接導致了沉降曲線不能真實反映仰拱穩(wěn)定性狀態(tài)。隧道沉降觀測標設置建議選不易被車輛碾壓的位置，在仰拱面取芯埋設；取芯直徑120 mm（以便于立尺為宜），深度不小于30 cm，標頭頂部高出錨固砂漿頂面約3 mm、低于仰拱面約3 cm；取芯口設標志保護蓋。

3）不宜采用普通鋼筋作為橋涵永久觀測標材質。長期日曬雨淋條件下，暴露在外的普通鋼筋觀測標可能成為橋涵結構鋼筋的銹蝕通道，降低混凝土保護層作用。

4）標志外露墩身尺寸（50 mm）偏大，不利于觀測標保護。

5）如果觀測標因埋設不穩(wěn)固而發(fā)生轉動時，倒L形標志頭高程在橋墩穩(wěn)定的情況下可能發(fā)生變化，沉降觀測數(shù)據(jù)將不能反映橋墩穩(wěn)定性狀態(tài)。建議橋墩沉降觀測標采用圖2所示通用元器件，標頭為?20 mm球形不銹鋼觀測標，標志外露墩身30 mm，在墩身拆模后打孔，用植筋膠或錨固砂漿固定埋設。

圖2 橋墩沉降觀測標志（單位：mm）

6）關于橋涵和隧道沉降觀測標設置，在實踐中會遇到《規(guī)程》中沒有涉及的情況，進行如下處理：

矮墩或異形墩不便在墩身上設置沉降觀測標時，可設置承臺觀測標代替橋墩觀測標。若承臺埋深較大，可在承臺頂面澆筑鋼筋混凝土立柱（采用壁厚不小于3 mm的PVC管模筑，立柱直徑不小于20 cm），立柱頂面與地面大致同高，標志（不銹鋼材質）設置于立柱中央，標頭高于立柱混凝土面約5 mm。

2 沉降變形觀測方法

1）剖面沉降儀在早期建設的高速鐵路路基沉降觀測中進行了試用，設置和測試過程復雜，對觀測人員技術水平要求較高，實際應用和觀測效果較差，測量精度低［4］。近十年新建高速鐵路設計文件中，已不再采用剖面沉降儀作為路基沉降觀測設備。

2）由于現(xiàn)場條件限制，位于江河湖泊水庫和復雜山區(qū)溝谷橋墩的沉降觀測在架梁前不方便或不能用水準測量方式，實踐中一般采用中間設站光電測距三角高程測量方式。為確保觀測數(shù)據(jù)質量，應在陰天或晚上大氣比較穩(wěn)定時觀測，觀測距離一般應小于150 m。如觀測視距超過150 m，可在江河水庫中搭建觀測平臺以縮短觀測距離或采用特殊觀測和數(shù)據(jù)處理方法，確保觀測精度。

3 變形測量等級及精度要求

1）適當提高線路水準基點高程復測更新標準。高速鐵路高程控制測量目前按照國家二等水準精度要求建立線路水準基點網，相鄰線路水準基點間既有高差和復測高差較差絕對值不大于（Ri為測段長度），則認為水準點穩(wěn)定，其高程不更新。對于變形觀測基準網，上述水準點高程成果更新的限差要求相對偏低，原因分析如下。

高速鐵路沉降變形觀測相鄰變形點高差中誤差和變形點高程中誤差限差分別為0.5 mm和1 mm，精度要求高。鐵路相鄰水準基點相距約2 km，水準路線測段長度一般大于2.5 km ；可能大于9 mm，即基準點間既有高差和復測高差的較差超過9 mm才更新水準點高程值。沉降觀測時導致高差中誤差和高程中誤差超限的原因往往不是現(xiàn)場測量不規(guī)范，而是由于水準點復測成果更新的技術要求相對偏低，高程現(xiàn)勢性差，導致沉降觀測附合路線閉合差和相鄰變形點高差改正數(shù)較大，致使相鄰變形點高差中誤差和變形點高程中誤差超限。

2）《規(guī)程》條文說明3.3.4條規(guī)定：水準測量至少使用DS05級水準儀，三角高程測量使用0.5″級全站儀，以保證觀測精度。

①高速鐵路線路水準基點控制網測量等級為二等，二等水準測量的最低儀器型號為DS1級，沉降變形觀測以線路水準基點為基準點，采用的水準儀最低精度型號不會高于線路水準基點控制網的要求。采用DS1級水準儀精度是滿足高速鐵路沉降觀測工作要求的。

②三角高程的精度取決于測角和測距兩個測量項目的綜合精度，對全站儀只描述測角精度要求是不完整的，且全站儀自動目標識別功能可減小人為照準誤差，提高觀測效率［5-7］。建議對全站儀的性能要求修改為“三角高程測量采用的全站儀應具有自動目標識別功能，儀器標稱精度不低于0.5″、1 mm+1×10-6D（D為測量距離）”。

4 沉降變形觀測路線

4.1 路基沉降觀測路線

1）TB 10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》、TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》等均規(guī)定路基沉降觀測斷面間距一般不大于50 m，即使在地質情況良好、路堤填筑高度不大于5 m的情況下也不能大于100 m。因此，被結構物分隔的兩路基一次觀測時觀測斷面間距大于等于100 m時，按“鐵路工程路基、涵洞沉降變形水準觀測路線宜按圖3（a）”進行。實際測量中同一路基段按規(guī)程中“觀測斷面間距小于100 m時，可按圖3（b）”進行。

圖3 路基和涵洞沉降變形觀測水準路線

2）水準路線優(yōu)化。

①沉降觀測實踐中，交通涵一般在涵洞邊墻設置標志，在路基下方進行橋涵沉降觀測，不與路基觀測標一起觀測。下方觀測的優(yōu)勢在于觀測標易保護，沉降觀測工作不受路基面交叉施工干擾，觀測數(shù)據(jù)質量有保證。

②條文說明3.3.7條規(guī)定：當斷面間隔較近（小于100 m）時，儀器架設在兩個相鄰斷面中間，一次設站觀測各點視距都不超限且前后視距大致相等時，按照圖5（b）另設一站觀測環(huán)水準路線，和主水準路線構成附合結點網，或采用CPⅢ高程矩形環(huán)網觀測。在實際觀測中：一般每個路基沉降觀測斷面至少3個觀測標，如果在兩個相鄰斷面中間一次設站完成環(huán)線上所有觀測標的觀測，即使觀測視距不超限，前后視距差或視距累積差往往也會超限，不滿足二等水準測量要求，條文說明推薦的方法在實際工作中不便實施；一條環(huán)水準路線中所有高差測量應不少于2次設站，只設1站觀測完環(huán)線上所有高差，高差值之間相關不獨立，這是不允許的；如觀測完主水準路線，再返回來觀測環(huán)水準路線，實際增加了現(xiàn)場工作量，在沉降觀測實踐中可不采用該水準路線進行沉降觀測工作。

③堆載預壓期間路基中線附近布設沉降板，當兩側標志為觀測樁時，中線和兩側觀測標高差超過2.5 m，無法將同一斷面高差如此大的觀測標在同一測站中完成觀測，可分上下兩條水準路線進行觀測”

4.2 橋墩沉降觀測路線

《規(guī)程》3.3.7條第3款規(guī)定：鐵路工程橋梁沉降變形水準觀測路線宜按圖4進行。在沉降觀測實踐中，采用圖4的兩條單程附合水準路線開展橋墩左右側沉降觀測一般是可行的；因現(xiàn)場積水或地形原因在線路一側不能架站時，在相鄰橋墩的中央空地上設站，采用Z字形水準路線是現(xiàn)場經常采用的觀測路線，且當?shù)貏荼容^平緩時，一次架站相鄰橋墩4個觀測標3段高差均可以觀測，可減少設站數(shù)，提高測量效率。

圖4 橋梁墩臺沉降觀測水準路線示意

4.3 隧道仰拱沉降觀測路線

《規(guī)程》3.3.7條第4款規(guī)定：鐵路工程隧道沉降變形水準觀測路線宜按圖5進行附合水準觀測。圖5路線適用于貫通后的短隧道沉降觀測；在隧道貫通前，無法在不同掘進口之間形成附合水準路線進行仰拱沉降觀測，通常是在同一掘進洞口外不同的控制點之間形成附合路線。

圖5 隧道沉降觀測水準路線示意

為確保工作基點穩(wěn)定狀態(tài)不受施工影響，不少項目的沉降觀測管理人員不允許在洞內設工作基點，每期沉降觀測均要從洞外控制點引測。當斜井坡度大且較長時，不僅引測工作量大，而且變形點高程中誤差易超限，測量數(shù)據(jù)精度不高。

TB 10601—2009給出了解決上述矛盾的策略，其8.1.6條第2款“工作基點應選在比較穩(wěn)定的位置”，8.1.8條“基準點應建立或選設在變形影響范圍以外便于長期保存的穩(wěn)定位置”，并沒有要求工作基點一定要選在變形影響范圍外。根據(jù)上述規(guī)定，穩(wěn)定性良好的Ⅱ級或Ⅲ級圍巖區(qū)域二次襯砌邊墻或綜合洞室內是可以埋設工作基點的；在穩(wěn)定的洞內工作基點間構成附合水準路線，不僅能夠減輕觀測工作量，而且變形點相對于工作基點的測量精度較高。

4.4 沉降觀測路線修訂建議

1）兼顧觀測效率和數(shù)據(jù)質量，允許測量人員根據(jù)現(xiàn)場情況自行設計沉降觀測水準路線。鐵路工程不同工點觀測條件差異較大，無法統(tǒng)一規(guī)定路橋隧各類工點的沉降觀測路線。

2）路橋、路隧過渡段附近不同構筑物的觀測斷面納入同一沉降觀測路線中。高速鐵路無砟軌道過渡段是不均勻沉降的高發(fā)地段。如果將橋臺（或隧道口）和相鄰路基過渡段納入同一水準路線觀測，既方便現(xiàn)場測量，又便于相鄰構筑物穩(wěn)定性分析。相鄰期次高差觀測值較差的累計值直接反映了路基過渡段附近不同構筑物相鄰斷面的沉降差，不含水準路線閉合差改正，數(shù)據(jù)精度較高。

5 結語

本文在高速鐵路工程沉降變形觀測實踐經驗的基礎上，分析了變形觀測標志及其設置、沉降變形觀測方法、變形測量等級及精度要求、沉降變形觀測路線等沉降變形觀測技術在實踐中存在的問題，提出了解決問題的建議，能夠為建設期高速鐵路工程沉降變形觀測帶來幫助。