武廣鐵路客運專線路基沉降監測技術及元器件埋設方法

賀胡國

(中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司,西安 710054)

1 概述

無砟軌道的出現對我國傳統鐵路設計、施工、檢測、養護維修提出了新的挑戰,在許多方面深化和改變了傳統的設計觀念和思想。由于普通鐵路路基工程是按強度破壞設計的,而無砟軌道路基的主要控制因素是變形問題。無砟軌道路基在達到強度破壞之前,可能已出現不允許的過量變形。因而無砟軌道路基在設計、施工、檢測等方面必須比普通鐵路有較大的改善和提高。對無砟軌道路基進行沉降監測的儀器和方法隨著工業化的發展在不斷地發生變化,總的趨勢是快速、準確地滿足施工的需要。

2 武廣鐵路客運專線路基沉降監測原則及元器件埋設方法

客運專線無砟軌道路基變形控制十分嚴格,在設計使用年限內工后沉降一般不應超過15 mm,路橋或路隧交界處的差異沉降不應大于5 mm,過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應大于1/1 000,以免引起列車與線路劇烈地相互作用及線路頻繁的養護維修。根據路基填筑高度、壓縮層厚度、路基填料類型以及填筑原地面的坡度來進行路基沉降監測類型的選擇。無砟軌道路基施工中應進行沉降變形動態監測,在路基完成或施加預壓荷載后應有6～18個月的觀測和調整期,分析評估沉降穩定滿足無砟軌道鋪設要求后方可鋪設無砟軌道。武廣鐵路客運專線在路塹基床(主要為土質路塹、全風化層)和路堤基底、填筑層、路基面布置監測點,構筑縱橫向立體監測網絡。下面對武廣鐵路客運專線采用的幾種監測方法的結構形式和工作原理作一簡單介紹,并根據監測實際情況提出幾點建議。

2.1 路基面沉降樁

對于基底壓縮層較簿且填筑不高的路堤及路塹地段,以路基面沉降監測為主,主要在路基面布設沉降監測樁進行路基沉降監測。

(1)元器件埋設(圖1)

采用φ20 mm底端帶彎頭的鋼筋,鋼筋原長不小于40 cm,底部做成帶彎鉤狀。一般路基填筑至基床表層頂面,加載預壓路堤填筑到基床底層頂面后,挖坑埋置于設計位置,坑深30 cm,邊長15 cm,采用砂漿澆筑固定。采用水準儀按國家一等精密水準測量方法測量沉降監測樁高程變化。

圖1 沉降樁示意(單位：mm)

(2)數據采集

以加密后的工作基點為控制點,以沉降板、沉降樁為待測點,進行閉合或符合水準導線或網測量。采用標稱精度為0.4 mm/km的電子水準儀及配套的銦鋼條碼尺進行測量,遇到轉點時應用2.5 kg尺墊作為轉點,且尺墊要用腳踩實,防止下沉。測量中前后視距不大于50 m,且前后視距差不大于1.0 m,在任意一點上前后視距差累計不大于3.0 m。每一閉合環或符合導線最終測站數應為偶數。采用奇數站后-前-前-后,偶數站前-后-后-前的方法進行測量。

2.2 沉降板

用于測試基底沉降。由鋼底板、金屬測桿(φ40 mm厚壁鍍鋅鐵管)及保護套管(直徑不小于φ75 mm、壁厚不小于4 mm的硬PVC管)組成,鋼底板尺寸為50 cm×50 cm,厚1 cm；具體按設計圖樣焊接組裝(圖2)。采用水準儀按國家一等精密水準測量方法測量沉降板高程變化。

圖2 沉降板示意(單位：cm)

(1)埋設要求

①沉降板埋設位置應按試驗設計測量確定,沉降板埋在褥墊層頂部并嵌入其內10 cm,采用中粗砂回填密實,再套上保護套管,保護套管略低于沉降板測桿,上口加蓋封住管口,并在其周圍填筑相應填料穩定保護套管,完成沉降板的埋設工作。

②采用水準儀，按國家一等精密水準測量方法測量埋設就位的沉降板測桿桿頂高程作為初始讀數,隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測桿和保護套管,每次接長高度以1 m為宜,接長前后測量桿頂高程變化量確定接高量。金屬測桿用內接頭連接,保護套管用PVC管外接頭連接。

沉降觀測：沉降觀測采用水準儀進行，利用底座位置的變化來測定土體的垂直位移，即當土體發生沉降或隆起時,埋設在土中的底座或沉降樁也跟隨一道移動,測定觀測桿、沉降樁的頂面高程,即可推算出待測點的沉降值。

(2)數據采集

數據采集方法見沉降樁。

2.3 單點沉降計

在路基壓縮層較厚(≥20 m)處,為測試基底沉降、或路基填料為改良土時或基底為膨脹土時為測試隆起值,采用單點沉降計。單點沉降計是一種埋入式電感調頻類智能型位移傳感器,由電測位移傳感器、測桿、錨頭、錨板及金屬軟管和塑料波紋管等組成。采用鉆孔引孔埋設,鉆孔孔徑φ108 mm,鉆孔垂直,孔深應與沉降儀總長一致,孔口應平整。

(1)埋設要求

①當地基采用樁處理時,單點沉降計應埋置于樁間形心處。

②采用鉆孔引孔埋設,鉆孔孔徑φ108 mm,鉆孔垂直,孔深應與沉降儀總長一致,應達到硬質穩定層(最好為基巖),孔口應平整密實。

③安裝前先在孔底灌漿,固定底端錨板。

④沉降計安裝時,錨板朝下,法蘭沉降板朝上,注意要用拉繩保護以防止元件自行掉落,采用合適方法將沉降計底端錨板壓至設計深度。

⑤每個測試斷面埋設完成后,將位移計導線用鋼絲波紋管保護好后引出,且應挖槽集中從一側引出路基,引入坡腳觀測箱內,注意導線應適當松弛。

⑥元件埋入之前應采取措施保證孔徑滿足安裝要求,一般埋設完成后3～5 d待縮孔完成后測試初讀數。

(2)數據采集

采用測試儀,測試每次的絕對沉降量和相對沉降量,不同時期測量的數據之差,為該段時間該點的沉降。

2.4 靜力水準儀

靜力水準儀主要用于測試路橋過渡段的不均勻沉降。靜力水準儀是一種電感調頻類智能型位移傳感器,由多個精密液位計組成。安裝時將多個液位計設置在被測點,一個精密液位計設置在不動點,并用連通管連接。

(1)埋設安裝(圖3)

圖3 靜力水準儀現場安裝

①布點：根據設計方案,確定好水平基點(相對不動點)、沉降觀測點。在橋臺上先用M10膨脹螺栓安裝專用的安裝支架,并用水平尺調平,使其安裝平面處于水平作為水平基點,如圖4所示。

圖4 埋入式靜力水準儀安裝示意(單位：mm)

若沉降觀測點已經填實,則需把沉降觀測點挖深至所需的安裝深度。一般要求觀測點與基準點高程一致(即在同一水平面上),基準點也可略低于沉降觀測點(一般為全量程的60%左右),即使基準點的液位傳感器的讀數處于全量程的80%左右,而被測點的液位傳感器處于全量程的20%左右,以充分利用其量程范圍。如圖5所示。

圖5 埋入式靜力水準儀典型安裝方式

在沉降觀測點應用混凝土澆筑出可供安裝的固定平臺(用水平尺調水平),可預埋4個M10地腳螺栓或打入4個M10膨脹螺栓,以便固定安裝儀器。

②根據各測試點的距離,準備好適當長度的液管、氣管、PVC鋼絲軟管,長度應比安裝距離略長(一般長10%),以保證在沉降過程中有一定自由延展,防止連通管被拉脫。將各點之間用密封接頭連通,并保證密封。

③在灌液前先把灌液口堵頭打開,往高端灌入防凍液使其有一定高低差以利于流動,另一端則排氣(注意只允許從選定的高端灌注防凍液,以利于連通管內的空氣排盡)。灌注好防凍液后,用纏好密封生料帶的堵頭把灌液口、排氣口堵住完全封閉。在安裝點用M10螺母將儀器固定,并用水平尺調平。同時應將放置連通液管、氣管的溝槽布置好,并澆筑混凝土以保護連通管。

④在灌液的同時應用綜合測試儀隨時讀液位傳感器的數值,來判斷液位高低的變化是否處于要求的合適位置,以確定灌液量。一般使基準點的讀數在全量程的80%左右,被測點的讀數在20%左右,以充分利用其量程范圍,若不夠,則灌加至要求的液位為止。

⑤安裝完畢后,應檢查液管、氣管各連接接頭以及灌液口等所有密封情況是否完好,必須保證其完全密封,然后對安裝部位及布管溝槽進行回填壓實。記錄好各埋入式靜力水準儀的埋設位置、編號、日期、天氣、埋設人員等相關資料。

⑥將導線用PVC鋼絲軟管保護好,并引到指定的位置。

(2)數據采集

因通過液管和氣管連通,所以液缸中的液體始終處于同一水平面上。當被測點發生沉降時,浮筒隨液位上升，則被測點的液位傳感器讀數將增加(差值為正),基準點的浮筒液位下降，液位傳感器讀數將減小(差值為負)。即：被測點的沉降量=被測點液位傳感器讀數差值-基準點液位傳感器的讀數差值。測試時采用測試儀讀取不同時間的被測點的沉降量,差值為該點的沉降量。

2.5 剖面沉降管

可連續測讀結構物下部的地表沉降量，不影響地表以上的施工,不破壞上部結構的完整。用于測試基底坡度較大、半填半挖或過渡段位置斷面的不均勻沉降。

采用專用PVC塑料硬管,其抗彎剛度應適應被測土體的豎向位移要求,導管內十字導槽應順直,管端接口密合。剖面沉降測量是將剖面沉降儀探頭導輪卡至于預埋剖面沉降管的十字導槽內,從一端按一定間隔依次讀數。起始端管口高程采用水平儀按國家一等精密水準測量方法進行測量,再通過數據處理計算求出不同位置處地基的沉降量，剖面沉降管埋設在基底碎石墊層中間的土工格柵上,復合地基平面應布置在觀測斷面附近加固孔之間中心處,埋設剖面沉降管的上下各墊10 cm左右的砂墊層,中部填砂盡可能抬高,使剖面沉降管埋設呈向上拱的圓順弧線狀,但上拱高度不超過計算沉降量的一半。如圖6、圖7所示。

圖6 沉降管端頭保護

圖7 沉降管埋設

(1)埋設要點

①剖面沉降管埋設在基底碎石墊層頂部,在碎石褥墊層頂面開槽埋設,槽底采用5 cm左右中粗砂找平,剖面管頂面回填5 cm中粗砂并與褥墊層相平。

②剖面沉降管埋設時應按設計用螺釘進行組裝,導管用外接頭連接至大于埋設長度約2 m(兩端各伸出1 m左右),兩端用管蓋封住,并預先在導管內穿一條鍍鋅鋼絲繩作測試時來回牽引沉降儀用。

③剖面沉降管內十字導槽方向應與地面垂直,兩頭應砌筑觀測井,以方便觀測并對孔口進行長期保護,同時應做好井內及其周圍的排水。

④待上部一層填料壓實穩定后,連續監測數日,取穩定讀數作為初始讀數。

(2)數據采集

采用精密水準測量采集起始端管口高程,使剖面測試儀處于工作狀態,將測頭導輪插入沉降管導槽內,由一端開始自左而右沿導槽全長每隔0.5 m測讀1次,記錄測點位置和讀數,測讀完后,將測頭旋轉180°,插入同一對導槽,按以上方法再測1次,測點位置與第1次相同。不同時間測試值,同一位置之差為該剖面該點的沉降量,各點連接后為該剖面的沉降量。

3 路基沉降監測技術

3.1 建立高精度的沉降觀測網

武廣鐵路客運專線沉降觀測采用國家二等水準技術要求進行觀測。垂直位移監測網可根據需要獨立建網,按二等水準測量精度施測,高程采用施工高程控制網系統,不能利用水準基點的監測網,在施工階段至少與一個施工高程控制點聯測,使垂直位移監測網與施工高程控制網高程基準一致；全線二等水準貫通后,將垂直位移監測網與二等水準基點聯測,將垂直位移監測網高程基準歸化到二等水準基點上。觀測時按國家一等水準測量的技術要求施測。

3.2 配備高精度的測量儀器及高素質的觀測人員

客運專線沉降觀測精度要求高,沉降觀測應使用精密水準儀(DS05或DS1級),水準尺也應使用受環境及溫差變化影響小的高精度銦瓦水準尺。電子讀數儀應采用高質量的儀器,在首次觀測前要對所用儀器的各項指標進行檢測校正,必要時經計量單位予以鑒定。連續使用3～6個月重新對所用儀器、設備進行檢校。在作業過程中,每次作業開始后第一周內應每日檢校i角一次,連續使用時當i角較穩定,可延續檢校時間,但不應大于15 d。

人員素質的要求,熟練掌握儀器的操作規程,熟悉測量理論，能針對不同工程特點采用不同的觀測方法及觀測程序,對實施過程中出現的問題能夠分析原因并正確的運用誤差理論進行平差計算,做到按時、快速、精確地完成每次觀測任務。在觀測過程中,操作人員要相互配合,工作協調一致,認真仔細,做到步步有校核,測量應進行往返觀測。

3.3 最佳路徑的選擇

觀測標設置較多或施工場地狹小時,須對現場進行合理規劃,確定儀器安放的位置。結構物上所有沉降觀測標與工作基點在觀測時均要在閉合線路上,在保證各測站儀器所需最小視距的前提下,選擇最短閉合線路作為最佳觀測路徑,同時注意最佳路徑應盡量減少測站、轉點,所設測站盡可能觀測到最多的觀測標,減少累計誤差。并根據選定的水準點、安放儀器的位置以及觀測路線繪制觀測路線圖。

3.4 選擇合理有效的觀測方法

客運專線沉降觀測工作量較大,種類繁多,變形觀測點設置比較密集,因此,觀測方法的選擇也直接影響到觀測成果的可靠性。

(1)選擇合理的觀測時間

觀測時間應選在標尺分劃線成像清晰和穩定的條件下進行觀測。不在日出后或日出前約半小時、太陽中天前后、風力大于四級、氣溫突變時以及標尺分劃線的成像跳動而難以照準時進行觀測,晴天觀測時,使用測傘為儀器遮蔽陽光。

(2)堅持“五定”原則

沉降觀測的自始至終要遵循“五定”原則,所謂“五定”,即通常所說的沉降觀測依據的基準點、工作基點和被觀測線路上的沉降觀測點,點位要穩定；所用儀器、設備要穩定；觀測人員要穩定；觀測時的環境條件基本固定；觀測路線、鏡位、程序和方法要固定。以上措施在客觀上盡量減少觀測誤差的不定性,使所測的結果具有統一的趨向性,保證各次復測結果與首次觀測的結果可比性更一致,使所觀測的沉降量更真實。

(3)測站操作

每測段往測與返測的測站數應為偶數,否則應加入標尺零點差改正。由往測轉向返測時,兩標尺應互換位置,并應重新整置儀器。應使前后視距相等,在同一測站上觀測時,不得兩次調焦。轉動儀器的傾斜螺旋和測微螺旋時,最后旋轉方向均應為“旋進”方向。

3.5 選擇合適的沉降評估預測模型

客運專線無砟軌道對路基的工后沉降要求很嚴格,要求工后沉降不大于15 mm,在進行無砟軌道施工前,必須進行沉降評估。沉降評估的一項重要內容就是沉降預測,本文研究范圍內采用雙曲線模型。

4 結論

(1)在各種沉降監測方法中,沉降板法適用條件最廣,而且由于其成本低,在武廣鐵路客運專線上得到大量應用,沉降樁埋設在基床表層,其沉降量很小,可以與沉降板一起作為校核作用。靜力水準儀用于路橋過渡段,由于其成本高,長期穩定性需進一步考慮,應與沉降樁一起作為校核用。剖面沉降管由于其精度限制,建議只用于沉降量較大(≥50 mm)地段。單點沉降計由于其成本較高,可以考慮用于重點監控地段。

(2)在高速鐵路施工中要因時、因地制宜地選擇合理的路基沉降監測方法,使之既能滿足工程所需的精度,又要操作簡便,經濟合理。

(3)無砟軌道對路基工后沉降要求嚴格。因此需要對路堤施工的全過程實施沉降與穩定監測的動態控制,合理確定土部結構鋪裝時間,以獲得高標準穩定路基及平順線路。

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