武咸城際鐵路線下工程沉降評估技術

花向紅，閔 軒，楊榮華，葉珉呂

（1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；2.武漢大學 災害監測與防治研究中心，湖北 武漢 430079）

高速鐵路是現代化鐵路的重要標志，集中體現了當代高新技術的發展成果，代表著鐵路的發展方向。我國城際鐵路（客運專線）大量采用無碴軌道，其突出特點就是高平順性和高精度。然而，無砟軌道對結構的剛度和基礎的沉降十分敏感，其永久變形只能通過調整扣件才能恢復軌道的幾何形狀，但扣件的調整量非常有限，只能靠嚴格限制線下工程的沉降量來解決。因此，城際鐵路對路基、橋涵、隧道等線下工程的工后沉降提出了十分嚴格的要求，必須嚴格控制線下構筑物的沉降和不均勻沉降。不均勻沉降或沉降量超限會導致軌道板開裂，發生嚴重的質量事故。因此，線下構筑物的沉降觀測工作至關重要，并且要求沉降觀測的數據真實反映實際情況，通過對沉降觀測數據系統綜合分析評估，分析、推算出最終沉降量和工后沉降，以此判斷是否滿足無砟軌道鋪設條件，合理確定無砟軌道開始鋪設時間，確保城際鐵路無砟軌道結構鋪設質量。

1 線下工程工后沉降評估程序

沉降變形觀測分析評估是確保城際鐵路軌道結構鋪設質量的關鍵環節。沉降評估前，首先由施工單位建立沉降變形觀測網，根據設計要求，設置變形觀測點，同時進行沉降觀測，通過大量觀測資料，進行曲線回歸，預測其沉降發展規律，并提交線下工程沉降觀測工作報告。監理單位在整個施工過程中需要對沉降基準控制網中的水準基準點、工作基點、沉降觀測點進行實際檢查和抽查測量記錄、閉合差是否符合規定，此外還應進行平行觀測。對沉降基準控制網進行10%的核查，對施工單位沉降變形觀測點，按照一定比例獨立進行檢測，并提交線下工程沉降觀測監理評估報告。

評估單位根據測量數據及各單位提供的報告進行沉降分析，并提交線下工程無砟軌道鋪設條件評估報告。最后由建設、評估、設計、監理、施工組成的沉降評估組對現場及各單位提供的報告進行評估，確認線下工程沉降滿足無砟軌道鋪設條件后可以進行無砟軌道的施工。

1.1 沉降變形觀測方案

根據城際鐵路線下工程情況，首先布設水準基點、工作基點和沉降觀測點。在沿線施工已設水準基點基礎上，按距離不大于1km增設水準基點，水準基點應設在變形區以外的巖石或原狀土層上，亦可利用穩固的建筑物、構筑物設立水準點。每個獨立的觀測網應設置不少于3個穩固可靠的水準基點（基準點）。為滿足沉降變形觀測精度要求，在兩水準基點之間沿線路方向按間距不大于200m、距路基中心距離小于100m布設工作基點。工作基點應布設在不受施工干擾的穩定土層內，以便長期保存和使用的地點。沉降觀測點布設以反映沉降變形特征和明顯變形的部位為原則，其點的個數及位置根據設計有關要求，布設各類監測點。然后，建立沉降變形觀測網和變形觀測點，變形觀測網按三等變形測量等級技術要求建立（即國家二等水準測量），形成沉降基準水準網。沉降變形觀測點的水準測量采用二等變形觀測測量技術要求（即國家一等精密測量），形成附合和閉合水準路線。觀測網中，工作基點應定期與水準基點進行校核。當對沉降觀測成果發生懷疑時，應隨時進行復測校核。

為了保證監測精度，采取“三固定”措施：即觀測人員、儀器設備和觀測路線三固定。觀測工作使用電子水準儀（如DNA03、DINI03等），并使用受環境及溫差變化影響小的高精度銦鋼水準尺。使用的監測儀器設備經過計量檢定合格，并處于有效期內。觀測人員經過專業學習及技能培訓，熟練掌握儀器的操作規程，能針對工程特點、具體情況采用不同的觀測方法及觀測程序，對觀測過程中出現的問題能分析原因并正確運用誤差理論進行平差計算及時準確地完成每次觀測任務。觀測時間嚴格按照相關規定執行，特別是首次觀測必須在結構物具備觀測條件下第一時間觀測初始值。其他各階段的測量，根據工程進展情況定時進行，不得漏測或補測。觀測路線應保證各次觀測均沿統一路線進行，觀測過程中，注意記錄荷載的變化，以便幫助分析結構變形變化和數據異常點情況。

當沉降變形觀測出現異常時，應分析原因。當沉降曲線在中間某點突然抬升，分析水準點或觀測基點可能發生變化，前后聯測基準點，使用修正值繼續觀測，中間某次由于測量誤差引起曲線突然抬升或下降，第二次測量曲線下降或抬升回歸到原有的曲線狀態，處理方法為刪除前一次測量結果，并做好異常情況記錄。

1.2 線下工程沉降評估方法

目前，線下工程工后沉降還沒有一種可靠的理論方法來進行計算，一般只能通過對軌道鋪設前線下工程沉降過程的觀測，然后利用沉降觀測資料推算后期沉降量（包括最終沉降量），從而根據沉降變形預測結果推斷預計鋪設無碴軌道的時間點，當預測結果不能滿足需要時，確定應采取的技術對策。同時，對于特殊工點可繼續預測無碴軌道運營后可能的沉降變形趨勢，確定相應的維修預案。

目前，運用于城際鐵路線下工程沉降預測評估的方法較多，常用的沉降評估預測方法有雙曲線法、指數曲線法、星野法、皮爾曲線等，而每種預測方法均有一定的適用范圍，需結合線下工程不同結構物、不同工況和不同地質條件下的沉降觀測情況，選擇合適的預測方法。本文主要介紹雙曲線法、指數曲線法、星野法、皮爾曲線法等4種預測方法。

1.2.1 雙曲線法

雙曲線法認為沉降量與時間成雙曲線規律變化，其基本方程為

式中：S0為t0時刻的沉降量，St為t時刻的沉降量，α，β為待定參數。將式（1）進一步改寫為

由式（2）可以看出，α，β分別為（t－t0）/（St－S0）對應（t－t0）直線方程中的截距和斜率，用圖解法可以得到α，β，然后代入式（1），可以預測任意時刻的沉降量。

1.2.2 指數曲線法

指數曲線的基本表達式為

式中：a，b均為待定參數，t為時間，St為t時刻的沉降量，S∞為最終沉降量，求解方法：分別取t1，t2，t3對應的沉降量為S1，S2，S3；其中t2－t1＝t3－t2＝t0，則有

由式（4）可得

將確定的參數代入式（3）就可推出任意時刻的沉降量。

1.2.3 星野法

現場實測值證明了總沉降量與時間的平方根成正比

式中：a，b為待定參數，t為時間，St為t時刻的沉降量，S0為t0時刻的沉降量，式（6）可以變形為

由式（7）可以看出，1/a2b2和1/a2分別是（tt0）/（St－S0）2對應（t－t0）直線，同樣可以用類似雙曲線求解方法得到a，b的值，代入式（6）可以預測任意時刻的沉降量。

1.2.4 皮爾曲線法

皮爾曲線預測模型的數學表達式為

式中：C，a，b為待定參數，本文采用等時距皮爾曲線模型的求解方法，過程如下：

將沉降時間序列中的數據項分為3段，每段項數為r，那么第1段為t＝1，2，…，r，依次類推，設Y1，Y2，Y3分別為這3段內各項數值的倒數和，即有

將式（8）改寫成倒數形式為

則有

于是各參數的計算公式為

將參數代入式（8）就可以預測任意時刻的沉降量。

2 實際評估與分析

武咸城際鐵路位于湖北省南部，北連“九省通衢”武漢，南接鄂南著名的生態城市咸寧，自武漢樞紐武昌站引出，途經東湖新技術開發區、廟山經濟開發區、江夏區紙坊鎮、于賀站進入咸寧市境內。全線運營長度90.12km，新建正線長度77km，其中武漢市境內長51.6km，咸寧市境內長25.4km，正線部分均為無砟軌道。

武咸城際鐵路沉降變形評估，根據各標段實際情況，分段進行評估。首先由施工單位提交沉降變形評估申請表及評估資料，監理單位提交平行觀測評估資料。評估單位根據提交的資料進行評估分析，通過專業沉降評估軟件對數據進行評估預測，并批復評估報告。

限于篇幅，這里給出武漢至江夏區紙坊鎮測量與評估部分結果，該段正線線路長14.782km，聯絡線長1.88km。由于該段離主城區很近，設計大多數采用橋梁架設。有砟雙線橋梁累計長2.38km，單線1.38km；無砟雙線橋梁12.1km；無砟路基0.58km，隧道0.207km。評估方法采用雙曲線法、指數曲線法、星野法、皮爾曲線對沉降實測值進行分析、評估和預測。分析、評估和預測的具體依據是《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》（鐵建設［2006］158號）和《武漢城市圈城際鐵路沉降變形觀測實施細則》。代表性沉降曲線如圖1所示。評估區段橋墩觀測標觀測情況統計見表1。

表1 評估區段橋墩觀測標觀測情況統計

圖1 沉降曲線

評估數據顯示，評估區段完成后波動值均在0～3mm之間，架梁后沉降增量在－1～2mm之間，該區段所有測點最后四期沉降觀測數據未見持續下沉。直接判斷處于穩定階段。

利用DK014＋455.090橋墩左前16期數據對后6期沉降量進行了預測，4種預測模型曲線回歸的相關系數都達到95%以上，4種模型預測結果比較見表2，沉降預測曲線見圖2。

表2 4種模型預測比較 mm

圖2 沉降預測曲線

從表2和圖2可以看出，4種模型擬合的效果都不差，從結果的比較來看，指數曲線法和皮爾曲線法較雙曲線法和星野法更貼近于實測數據，且皮爾曲線的相關系數較其他3種方法更接近1，所以，采用皮爾曲線法預測更為合適。

由采樣數據及預測分析，可以得出以下結果：

1）變形觀測不少于6個月，且在主體完工后超過3個月的時間里，橋墩并無異常波動，其沉降幅度在3mm以內，沉降增量在－1～2mm之內。

2）根據荷載情況和觀測數據，回歸計算相關系數都超過了0.95。

3）主體完成到目前為止，觀測變形達到預測變形的75%以上。

4）最后4期觀測數據（且觀測時間不少于1個月）未出現連續下沉情況，可判斷為已進入穩定期。

因此，橋墩的沉降滿足底座板的鋪設要求，可以進行底座板的鋪設施工，后期還需要繼續進行觀測，為后期軌道板施工做準備。

3 結束語

沉降變形觀測與評估是確保城際鐵路無砟軌道結構鋪設質量的關鍵一環，是保證高速列車長期平穩運行的基礎。制定科學的沉降觀測實施方案和建立科學的分析評估系統，綜合考慮沿線路方向各種結構物間的沉降變形關系，對于不同的線下結構形式應采取多種方法進行預測對比，保證觀測數據和預測工后沉降的準確性、可靠性和穩定性。合理確定城際鐵路無砟軌道開始鋪設時間，是城際鐵路無砟軌道成功與否的關鍵環節之一。并且需要建立一套科學合理的評估標準和管理模式，從制度上保證沉降評估工作的規范性、高效性和科學性。

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