高速鐵路沉降監(jiān)測方法的應(yīng)用探討

李樹偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概況

沉降監(jiān)測是建筑物變形監(jiān)測中一項重要的監(jiān)測內(nèi)容,目前比較常用的沉降監(jiān)測方法有精密水準(zhǔn)測量、精密三角高程測量、液體靜力水準(zhǔn)測量、GPS測量、INSAR技術(shù)、地面LIDAR技術(shù)、豎直位移計、深井分層標(biāo)等。高速鐵路在勘測設(shè)計、施工和運營階段都會開展沉降監(jiān)測工作,由于沉降監(jiān)測的目的和對象不一致,所采用的沉降監(jiān)測也是多種多樣,下面對所用到的監(jiān)測方法進(jìn)行探討。

2 精密水準(zhǔn)測量

精密水準(zhǔn)測量可以運用在高速鐵路建設(shè)的各個階段,在高速鐵路勘測設(shè)計階段,一般采用精密水準(zhǔn)測量建立首級高程控制網(wǎng),其布網(wǎng)要求是：線路水準(zhǔn)基點沿線路布設(shè)成附合路線或閉合環(huán)線,每2 km布設(shè)一個水準(zhǔn)基點；在地表沉降不均勻及地質(zhì)不良地區(qū),宜按每10 km設(shè)置一個深埋水準(zhǔn)點,每50 km設(shè)置一個基巖水準(zhǔn)點；基巖水準(zhǔn)點和深埋水準(zhǔn)點應(yīng)盡量利用國家或者其他測繪單位埋設(shè)的穩(wěn)固基巖點水準(zhǔn)點和深埋水準(zhǔn)點；線路水準(zhǔn)基點按二等水準(zhǔn)測量要求施測,水準(zhǔn)路線一般150 km與國家一、二等水準(zhǔn)點聯(lián)測；線路水準(zhǔn)基點控制網(wǎng)應(yīng)全線一次布網(wǎng)測量?？睖y設(shè)計階段布設(shè)的高程控制網(wǎng)是高速鐵路各階段沉降監(jiān)測的基礎(chǔ)。

圖1 某客運專線DK60～DK220地面沉降形變

在鐵路建設(shè)施工和運營階段,要對高程控制網(wǎng)進(jìn)行加密和復(fù)測。高程控制網(wǎng)復(fù)測一方面能夠?qū)刂凭W(wǎng)進(jìn)行維護(hù),另一方面能夠通過復(fù)測反映沿鐵路線的地面區(qū)域沉降情況,如圖1為某客運專線DK60-DK220的地面沉降形變圖,藍(lán)色線為控制網(wǎng)布設(shè)后第6個月的復(fù)測變形情況,紅色線為第7個月的復(fù)測變形情況。圖1反映出在DK130和DK200處地面有兩個明顯的沉降漏斗,經(jīng)過一次長周期和一次短周期的復(fù)測,表明地面沉降在持續(xù)發(fā)生?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),地面沉降區(qū)域為濕陷性黃土分布區(qū),沉降變形小的區(qū)域靠近山區(qū),地質(zhì)條件較好。施工單位及時修改了地面區(qū)域沉降地段高程控制網(wǎng)的復(fù)測周期,設(shè)計單位也提出加密基巖水準(zhǔn)點和深埋水準(zhǔn)點的建議,以全面掌握沉降變形趨勢,確保施工質(zhì)量。

高速鐵路變形測量的內(nèi)容主要包括路基、涵洞、橋梁、隧道、車站以及線路兩側(cè)高邊坡和滑坡地段的沉降監(jiān)測和水平位移監(jiān)測,高速鐵路沉降監(jiān)測是施工期和運營期的主要工作之一。在施工和運營階段,需要對路基、橋梁、隧道等開展沉降監(jiān)測,施工階段對觀測數(shù)據(jù)經(jīng)沉降評估后確定軌道系統(tǒng)是否能夠?qū)嵤?運營階段通過觀測數(shù)據(jù)反應(yīng)線橋結(jié)構(gòu)物是否穩(wěn)定,圖2是采用精密水準(zhǔn)測量方法對橋梁墩臺的測量。

圖2 橋梁墩臺測量路線示意

表1是采用精密水準(zhǔn)測量方法對某高速鐵路4個橋墩自鋪軌完成后18個月所進(jìn)行的差異沉降觀測,從表1中可以看出,129號～130號橋墩間差異沉降累計量為2.96 mm。

表1 某高速鐵路橋墩差異沉降統(tǒng)計 m

3 精密三角高程測量

鐵路橋梁梁體在采用精密水準(zhǔn)監(jiān)測時,需要將水準(zhǔn)點高程由橋下傳遞到橋上,一般采用精密三角高程測量方法,如圖3和圖4所示。

圖3 不量儀器高、棱鏡高的中間設(shè)站三角高程測量原理

圖4 不量儀器高、棱鏡高的同側(cè)設(shè)站三角高程測量原理

采用精密三角高程測量傳遞高程時不需測量儀器高和棱鏡高,傳遞高程的兩點使用同一個高度固定的棱鏡。測量時,三角高程應(yīng)獨立觀測兩遍,且要求變換儀器高,每次觀測4個測回。兩遍高差較差不大于2 mm,滿足限差要求后,取兩組高差平均值作為傳遞高差。采用精密三角高程傳遞高程時,要準(zhǔn)確測量溫度、氣壓值,以便進(jìn)行測距邊長改正。

圖3是中間設(shè)站三角高程測量方法,要求置鏡點位于點A和點B的中間位置。

圖4是在同一側(cè)設(shè)置觀測點,這種高程傳遞方法優(yōu)于圖3中間設(shè)站的方法。

在高速鐵路高邊坡變形監(jiān)測、滑坡變形監(jiān)測時一般采用全站儀實現(xiàn)水平位移和垂直位移的同時測量,垂直位移監(jiān)測所采用的也是一種精密三角高程測量方法。

4 液體靜力水準(zhǔn)測量

靜力水準(zhǔn)儀是一種電感調(diào)頻類智能型位移傳感器,由精密液位計、儲液罐和連通管組成。通過連通管將所有液位計的液面連通,測量各液位計相對基點的垂直方向變形情況,其原理是通過液位的變化測量被測點相對基點的沉降變形,主要應(yīng)用于相對沉降、差異沉降等變形幅度小、精度要求高的監(jiān)測部位。

靜力水準(zhǔn)儀根據(jù)圓柱形線位移式電容傳感器原理設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單、無二次元器件、測量速度快、抗干擾能力強、分辨率高、適應(yīng)潮濕環(huán)境、長期工作可靠等特點?？梢允褂矛F(xiàn)有的GPRS、CDMA、WiFi/無線局域網(wǎng)、微波技術(shù)等進(jìn)行無線信號遠(yuǎn)程采集。自動化數(shù)據(jù)采集和處理,可以為沉降監(jiān)測控制預(yù)警、保證工程質(zhì)量及時提供有力的數(shù)據(jù)。使用系統(tǒng)支持的沉降預(yù)警功能,當(dāng)沉降值超過預(yù)警值系統(tǒng)會自動發(fā)出報警并第一時間給出預(yù)警傳感器所在位置的最大沉降值,也可通過軟件設(shè)置進(jìn)行24 h手機預(yù)警,為高速鐵路行車提供準(zhǔn)確的安全信息。

液體靜力水準(zhǔn)在大壩安全監(jiān)測、建筑基坑監(jiān)測、地鐵運營階段沉降監(jiān)測等廣泛使用,在高速鐵路運營階段使用本方法進(jìn)行沉降監(jiān)測尚不多見。液體靜力水準(zhǔn)由于采用液體測量方式,不適用于溫度低于20 ℃的環(huán)境。

5 GPS測量

GPS測量時可以獲取三維坐標(biāo),對環(huán)境適應(yīng)性強,可以用于不同地區(qū)的高速鐵路設(shè)計階段的地面區(qū)域沉降監(jiān)測,也可以用于不同地區(qū)施工階段的高程傳遞和運營階段的鐵路線路三維監(jiān)測,并可以通過有線或無線的形式實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

GPS用于沉降監(jiān)測時,由于所測大地高與鐵路設(shè)計的正常高是兩種不同的高度表示方法,其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系又比較復(fù)雜,故一般采用大地高進(jìn)行相對沉降監(jiān)測。目前,在一些高速鐵路的大型橋梁采用了GPS監(jiān)測技術(shù),獲得的數(shù)據(jù)及時、便捷,為橋梁的后期維護(hù)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。GPS由于需要觀測衛(wèi)星,不適用于隧道或觀測衛(wèi)星困難的地段。

6 INSAR技術(shù)

在高速鐵路勘察設(shè)計階段有一項重要工作是查明設(shè)計線路所經(jīng)地區(qū)的區(qū)域地面沉降情況,以前主要靠收集高程控制點資料和地質(zhì)資料進(jìn)行分析,現(xiàn)在開始采用INSAR技術(shù),如D-InSAR是InSAR技術(shù)的一項重要應(yīng)用,它是利用遙感衛(wèi)星多時相的復(fù)雷達(dá)圖像相干信息進(jìn)行地表垂直形變量的提取,其精度已達(dá)mm級,其應(yīng)用已經(jīng)在國內(nèi)外的工程技術(shù)刊物中多見報道。D-InSAR用于地面沉降監(jiān)測有很多優(yōu)點：大面積獲取數(shù)據(jù)、空間分辨率高、相對成本低等。利用幾十景影像就可以監(jiān)測十多年的地表形變,節(jié)省了布置長期地面GPS觀測站和布設(shè)水準(zhǔn)測量的時間和費用,而精度幾乎與這兩種測量技術(shù)相同。

InSAR技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)60年代末,它是利用合成孔徑雷達(dá)SAR(Synthetic Aperture Radar)的相位信息提取地表的三維信息和高程變化信息的一項技術(shù),目前被廣泛用于獲取地面起伏的信息。高速鐵路設(shè)計時根據(jù)線路位置、監(jiān)測精度及SAR影像覆蓋區(qū)域,選擇合適的軌道數(shù)據(jù),采用D-InSAR技術(shù)及PS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及相關(guān)分析,主要流程為復(fù)型影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、干涉條紋圖的生成、相位解纏、高程計算,可以得到如圖5所示的設(shè)計線路地面區(qū)域沉降分布。

圖5 某設(shè)計高速鐵路2007年至2010年3年間區(qū)域地面沉降分布

7 其他沉降監(jiān)測技術(shù)

在高速鐵路大型橋梁健康監(jiān)測時,用到了地面LIDAR技術(shù),通過周期性的觀測,獲得大量的橋體數(shù)據(jù),可以分析出橋體隨時間、溫度、荷載等發(fā)生的變形情況；在部分高速鐵路線路附近布設(shè)了深井分層標(biāo),用于監(jiān)測地下水位的變化和地面的沉降。這些技術(shù)應(yīng)用的范圍尚不廣泛。

8 結(jié)束語

精密水準(zhǔn)測量是目前高速鐵路沉降監(jiān)測采用的主要方法,精密三角高程測量是精密水準(zhǔn)測量的補充,這兩種方法在鐵路建設(shè)各階段不僅僅是用于沉降監(jiān)測,更是高程測量的主要手段,但在地面區(qū)域沉降監(jiān)測和自動化監(jiān)測方面存在不足。

高速鐵路的沉降監(jiān)測范圍大,需要考慮的因素復(fù)雜,在不同階段宜采用不同的方法。在設(shè)計階段,應(yīng)大力推廣采用INSAR技術(shù)對線路所經(jīng)區(qū)域進(jìn)行地面區(qū)域沉降監(jiān)測和分析,并結(jié)合其他地質(zhì)資料,使所選線路設(shè)計滿足地表和地下兩個方面的要求；在施工階段,還是主要采用精密水準(zhǔn)測量方法,但在大型車站基坑開挖等施工時,可以考慮采用靜力水準(zhǔn)測量方法,以保證施工安全；在鐵路運營階段,應(yīng)對存在較大區(qū)域沉降、較大差異沉降、較大地質(zhì)病害等重點地段采用GPS或靜力水準(zhǔn)的測量方式,以實現(xiàn)自動化監(jiān)測,能夠及時反應(yīng)運營鐵路的健康狀況,為行車安全提供信息保障。

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