水準尺傾斜對高鐵橋墩沉降觀測的影響研究

張 屆，阮汝偉，李建平，游振興

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074)

水準尺傾斜對高鐵橋墩沉降觀測的影響研究

張 屆，阮汝偉，李建平，游振興

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074)

結(jié)合目前國內(nèi)高鐵建設(shè)實際，對橋墩沉降觀測作業(yè)過程中水準尺傾斜的問題進行系統(tǒng)研究，并提出儀器高不變法和兩次儀器高法等方法，可有效減弱水準尺傾斜對沉降觀測結(jié)果精度的影響，并通過工程實例，驗證其有效性和可操作性。

高速鐵路;水準尺傾斜;沉降觀測;傾斜改正

一、引 言

當前我國正在大規(guī)模修建高速鐵路，其設(shè)計時速為250～380 km/h。為了達到設(shè)計要求，采用以橋代路方式，并鋪設(shè)無砟軌道。由于無砟軌道對線路狀態(tài)高平順性、高穩(wěn)定性的要求，再加上線路狀態(tài)只能通過鋼軌扣件內(nèi)部很小的高程調(diào)節(jié)量進行調(diào)整。因此，與普通有砟軌道相比，高速鐵路對線下沉降變形的要求更為嚴格，沉降觀測對控制鐵路工程質(zhì)量，確保工后沉降滿足設(shè)計要求至關(guān)重要。但是在對高速鐵路橋墩進行沉降觀測時，由于部分墩身太矮，導致水準尺無法立直，直接影響到了沉降觀測數(shù)據(jù)的精確度。特別是在路基和橋梁的過渡段，橋墩普遍較低，這給沉降觀測正常作業(yè)帶來了很大的不便。因此，筆者結(jié)合自身工作實際，對該問題進行了探討，并提出了切實可行的解決方案。

二、水準尺傾斜對沉降觀測結(jié)果的影響規(guī)律

1.后尺傾斜與前尺傾斜對觀測結(jié)果的影響

在對橋墩進行沉降觀測時，按國家二等水準的相關(guān)要求執(zhí)行，在觀測過程中，會出現(xiàn)兩種情況:①前尺豎直后尺傾斜;②前尺傾斜后尺豎直。

1)針對情況①，設(shè)后尺讀數(shù)為a，真實讀數(shù)為a'，θ為水準尺傾斜角，則a'=acos θ，所以

2)針對情況②，設(shè)前尺讀數(shù)為b，真實讀數(shù)為b'，θ為水準尺傾斜角，b'=bcos θ，所以

由上述結(jié)果可見，由水準尺傾斜帶來的高差誤差是關(guān)于傾斜角θ和傾斜水準尺讀數(shù)的函數(shù)。當傾斜水準尺讀數(shù)不變時，傾斜角θ變大時，前尺豎直、后尺傾斜情況下，測得的高差誤差將變大，且比實際值小;前尺傾斜、后尺豎直情況下，測得的高差誤差也變大，且比實際值大。當θ保持不變時，高差誤差將隨著傾斜尺讀數(shù)的變大而變大。而在實際測量中，無法保證每次測量同一個墩身標時傾斜水準尺讀數(shù)不變，這樣即使每次水準尺傾斜角度保持一致，測得的高差數(shù)據(jù)也將含有粗差。表1列出了不同傾斜角、不同儀器高差值對高差的影響。

表1 不同傾斜角、不同儀器高差值對高差的影響 mm

從表1可以看出，隨著傾斜角的增大，不同儀器高差值對測站高差之差影響也隨之增大。根據(jù)已有的經(jīng)驗，只有在架梁階段才會有1～2 mm的下沉，架梁后基本趨于穩(wěn)定，而三等沉降觀測中誤差的限差為1.0 mm，也就意味著通過這種方式采集的未加改正的數(shù)據(jù)將很難準確判斷橋墩的真實沉降情況，達不到要求的精度，從而影響工程進度。因此，對水準尺傾斜改正的研究就顯得十分必要。

2.水準尺傾斜對閉合差和附合差的影響

現(xiàn)選取附合線路AB，如圖1所示。

圖1 附合水準路線AB線路圖

如式(3)所示，當b1=a2，…，bn－1=an時，ΔhAB= 0，即AB之間理論附合差為0。在實際測量過程中，如果傾斜角較大，又不能保證傾斜尺分別作為前、后尺時的讀數(shù)相等，很有可能導致水準線路的附合差超限。同樣對于閉合環(huán)測量，也有可能導致閉合差超限。所以在外業(yè)測量中必須采取一定的措施，來消除水準尺傾斜對水準線路附合差和閉合差的影響。

三、水準尺傾斜改正的方法研究

1.利用兩次儀器高法求解傾斜角θ

如圖2所示，O點為觀測標所在位置，一般埋設(shè)在橋墩底部距地面0.5 m。立尺時將水準尺緊貼橋墩側(cè)面安放，以保證每次傾斜角θ保持不變。測量時，沉降觀測標上的水準尺為前尺，按照后—前—前—后的讀數(shù)順序，分別讀得前后尺的兩次讀數(shù)，然后分別取平均值，得到后尺讀數(shù)a和前尺讀數(shù)b，顯然這還無法求得傾斜角θ;按水準線路方向前進，兩個尺子不動，改變儀器高，此時觀測標上的傾斜水準尺變?yōu)楹蟪撸硪恢背邽榍俺撸俅巫x數(shù)，得到后尺讀數(shù)a'和前尺讀數(shù)b'。根據(jù)簡單的幾何學知識，即可求得傾斜角cos θ=(b'－a)/(a'－b)。在內(nèi)業(yè)處理時，在原始水準文件里經(jīng)過簡單改化，即可得到正確數(shù)據(jù)。

2.利用儀器高不變法消除水準尺傾斜對閉合差和附合差的影響

由以上分析可知，只有保證傾斜的水準尺在相鄰兩站中分別作為前尺和后尺時讀數(shù)不變，則可以從理論上消除水準尺傾斜對閉合差和附合差的影響。在實際測量過程中，只要相鄰兩站保持儀器和傾斜尺不動，就可解決問題。

圖2 兩次儀器高法求傾斜角

3.綜合兩次儀器高法和儀器高不變法消除水準尺傾斜誤差

要求出θ需要兩次不同儀器高，而為避免閉合差和附合差超限又要求儀器高保持不變，這是互相矛盾的，要解決這一問題，則需要將兩種方案融合起來，以達到最后完全改正的目的。由于改變儀器高只能在豎直的水準尺作為中間轉(zhuǎn)點的條件下，故可以考慮通過儀器高不變法，過渡到兩次儀器高法，再過渡到儀器高不變法，以保證水準線路測量正確可靠的向前延伸。方案如圖3所示。

圖3 綜合兩次儀器高法和儀器高不變法

具體流程為:①先將豎直水準尺作為后視、傾斜水準尺作為前視進行測量;②保持尺子和儀器都不動，將斜尺作為后視、直尺作為前視進行測量;③保持尺子不動，改變儀器高，直尺做后尺，斜尺做前尺進行測量;④ 保持儀器高不變，斜尺做后尺不動，直尺向水準線路方向前進。此時，一個橋墩的沉降觀測流程結(jié)束。通過這一方法，不僅可以求出水準尺的傾斜角θ，還消除了尺子傾斜給閉合差和附合差帶來的影響，可謂一舉兩得。

四、工程實例

下面以某鐵路一標段石月灣特大橋14#墩1號和2號觀測標為例來說明水準尺傾斜對沉降觀測的影響，已測得兩水準尺傾斜角為8°，其中部分數(shù)據(jù)如表2所示，沉降趨勢如圖4所示。

表2中，14#-1斜尺讀數(shù)最大為1.427 5 m，最小為1.202 8 m，兩期中最大沉降達1.80 mm，而在經(jīng)過斜尺改正的沉降量僅為0.04 mm;14#-2斜尺讀數(shù)最大為1.482 4 m，最小為1.274 8 m，兩期中最大沉降達1.99 mm，而在經(jīng)過斜尺改正的沉降量僅為0.06 mm。

表2 14#-1，14#-2水準斜尺改正前后沉降量對比

圖4 14#-1、14#-2改正前后沉降曲線對比

如圖4所示，未經(jīng)傾斜改正的沉降曲線，呈現(xiàn)出上下波動的趨勢，這顯然是與實際沉降不相符的，依據(jù)這樣的觀測結(jié)果將無法對橋墩的沉降趨勢做出準確判斷，從而使得后續(xù)施工無法開展，延誤工期。而經(jīng)過水準尺傾斜改正后的沉降曲線明顯變得平滑，更清楚地反映了各個階段的沉降變化特點。比如觀測前期沉降速率較大，架梁后沉降突變1 mm左右，架梁后橋墩基本處于穩(wěn)定等一系列沉降特征都得到準確反映。改正后的沉降曲線如實準確地反映了沉降觀測的成果，為后續(xù)線上施工的開展提供了科學準確的依據(jù)。

五、結(jié)束語

本文從理論和實踐兩方面出發(fā)，對水準尺傾斜對高速鐵路橋墩沉降觀測的影響作出了系統(tǒng)的分析，并提出了自己的解決方案，即在傾斜角已知的情況下采用儀器高不變法，傾斜角未知的情況下采用綜合兩次儀器高與儀器高不變法。該方法理論正確，且經(jīng)過工程實例驗證，具有良好的可操作性，可以在高鐵建設(shè)實際中廣泛采用。同時結(jié)合工程實際，總結(jié)得到如下注意事項:

1)在沉降觀測中固定測量人員，每次按固定的線路和方法進行。

2)為了保證沉降監(jiān)測網(wǎng)中水準閉合環(huán)或附合水準路線的閉合差不超限，要求在在斜尺作為前視和后視中不變動儀器，保證測量精度滿足規(guī)范要求。

3)扶尺時要求水準尺圓水準氣泡在左右方向居中，尺子底部緊靠橋墩。

4)在橋墩傾斜角不大(小于5°)的情況下，每期測量時盡量使每期水準斜尺讀數(shù)非常接近，此時可不加傾斜改正，也可滿足精度要求。

5)可在儀器公司定制專用短水準尺，如1 m水準尺，這樣尺子傾斜度比較小，可忽略其傾斜;也可采用倒尺測量，即把沉降觀測標埋設(shè)在橋墩上距地面一定高度(如3 m)的地方。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB 10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］ 沈彥文，花向紅，王新洲，等.水準尺傾斜對沉降變形量的影響研究［J］.測繪信息與工程，2003，28(2): 8-10.

［3］ 徐萬祥，柴本紅，陳軍.水準測量中標尺傾斜誤差分析與改正［J］.地礦測繪，2010(2):16-18.

［4］ 潘正風，楊正堯.數(shù)字化測圖原理與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2004.

Research on the Influence of Slant Level Ruler in the High-speed Railway Settlement Observation

ZHANG Jie，RUAN Ruwei，LI Jianping，YOU Zhenxing

0494-0911(2011)10-0047-03

TU196

B

2011-01-27

張 屆(1987—)男，甘肅會寧人，碩士生，主要研究方向為變形監(jiān)測技術(shù)及應用。