高速鐵路路基常用沉降變形監測方法淺析

花 梅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

無砟軌道路基沉降控制是工程的關鍵，然而，受地層條件復雜和地層參數獲得手段的影響，理論計算沉降往往與路基填筑現場實測沉降存在一定差異。路基沉降情況是能否鋪設軌道的依據，所以獲得準確的沉降變形數據，更好地掌握路基變形規律，是沉降變形觀測的難點也是重點。

本文介紹幾種路基現場沉降測試常用方法并加以比較，結合高速鐵路工程中路基沉降變形特點和要求，以及高速鐵路路基施工工藝，從各種測試方法的結構組成、工作原理、埋設方法和技術要點、技術參數等方面進行綜合分析。詳細分析了基底沉降板、沉降傳感器等方法現場實測數據處理和分析技術，旨在獲得改善并提高路基地基沉降變形監測方法、精度和現場維護措施。

1 常用沉降變形觀測方法

高速鐵路路基工程中較為常用的觀測方法主要有沉降板和沉降觀測樁。

1.1 沉降板

(1)工作原理及組成結構

沉降板組成結構:基本結構是由鋼板、連接管(接長)和套護管組成，鋼板結構尺寸多為0.5 m×0.5 m×0.03 m;與底板固定的連接桿是垂直的，一般用Φ40 mm鍍鋅鋼管，護管采用PVC塑料套管，護管結構尺寸以套住連接桿為宜(圖1)。當路基不斷填高時，連接桿和護管需要逐漸接長，一般情況每節連接桿或護管不宜超過50～100 cm。接管時，必須測出接管前后的高程，計算出接管長度，做好記錄，便于測量前后對比分析。這樣沉降板隨所在土層發生位移變形，帶動其連接管，表征為路基沉降，通過連接管管口前后兩次高程測量，考慮連接管長度換算成沉降板處的沉降量。

圖1 路基沉降板埋設

(2)測量技術及相關要求

采用高精度電子水準儀并配備專用的銦瓦水準尺對沉降板沉降變形觀測，觀測精度需按要求進行。為了精確獲得高速鐵路地基或路基內部的沉降信息，高速鐵路現行標準和要求是采用國家一等精密水準測量路基沉降變形，首先，獲得沉降板的初始讀數，即以沉降板連接管管口高程作為初始讀數，隨著路基填筑施工逐漸接高連接管和護管，一般每次接長50～100 cm。

(3)安裝埋設沉降板

根據要求確定觀測位置，利用儀器對觀測點放樣，并進行標識，在地基面挖觀測點埋設坑槽，尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，坑底填筑10 cm厚砂墊層并壓實，然后將沉降板安放其上，并回填原土，壓實，整個過程采用儀器校正連接管垂直;填料過程中，需對沉降板進行保護，其周圍填料采用人工處理和壓實，連接管傾斜度不大于1°，最后設置保護架，并做好保護標志。

1.2 變形觀測樁

觀測樁結構:采用φ2 cm的圓形鋼筋，頂端磨圓，底端做成T形彎鉤。觀測樁一般是在基床底層表面或基床表層表面填筑完成后，在其表面埋設這種觀測樁，每個斷面一般埋設3個點，埋置深度一般不小于0.5 m，通常采用挖孔澆筑直徑為15 cm孔，采用C15混凝土澆筑固定(圖2)。鋼筋頂部一般為半球形或凸形，高出其表面一般3～5 mm，表面防銹采用涂漆等方法處理，靜止3 d即可觀測，通過3次觀測，確定高程的初始值。

圖2 基床表面觀測樁埋設示意(單位:mm)

2 傳感器監測方法

目前，傳感器類監測方法較多，本文就幾類傳感器進行總結分析:單(多)點沉降計，剖面沉降儀，分層沉降儀。

2.1 單(多)點沉降計

(1)結構和原理

單點沉降計一般由主件位移計和輔件錨頭、法蘭盤、連接桿等部件組成。可進行長期監測和自動化測量，其工作原理是測量錨頭與沉降盤之間地層或填料的壓縮變形情況，其錨頭嚴格要求設置在指定的位置上，法蘭盤一般位于地基表面或路基體內，傳輸線從路基側面引出。當地基向下變形時，法蘭盤與地基協同變形，使位移計中導磁體在其磁感線圈內相對滑移，通過人工采集或自動采集測出位移變形量，從而達到沉降并行測試目的(圖3)。

圖3 單點沉降計示意

(2)安裝方法步驟

單點沉降計安裝主要由以下幾個步驟組成:鉆孔、探孔、安裝沉降計、注漿、安裝沉降盤、灌沙 、保護等。

鉆孔尺寸以φ95 mm～120 mm為宜，儀器孔應垂直地面，地基總沉降測試時，需要鉆孔深度超過地基壓縮層厚度，設置在相對較穩定的基巖層，且應嵌入基巖至少0.5 m，若基巖埋藏過深，孔的深度應超過壓縮層厚度。探孔的主要目的是確定孔的實際深度，以便確定測桿的長度。為了更好地保護沉降計主體，要求法蘭沉降盤應安裝在監測面以下10～20 cm。鉆孔完成后，將錨頭和連接桿連接后逐漸下入儀器孔內，并加長連接桿，直至將錨頭下到預定位置，然后將沉降計與連接桿連接好，逐層回填中砂并使其密實，錨頭部位一般采用注水泥砂漿使其穩定在該層位上。

儀器孔回填完后，靜止2 d，安裝法蘭盤，安裝法蘭盤時，需拉伸傳感器至滿量程的90%左右，然后將法蘭盤底填密實，并用測試儀對傳感器進行測試，為了使單點沉降計初裝位移值在2/3滿量程左右，當傳感器安裝好，需等水泥砂漿穩定3 h，以防止儀器孔塌孔而影響測試環境。傳感器輸出線用鋼絲波紋管進行保護，安裝時鋼絲波紋管首端應插入法蘭沉降盤下，并在地基面挖槽從觀測箱側面引出至路基坡腳觀測房。

(3)技術參數

使用溫度范圍-20～80℃，不同型號有不同量程，一般為50～400 mm，精度為0.05 mm，分辨率0.01、0.1 mm。

2.2 剖面沉降儀

(1)結構及工作原理

剖面沉降測量是通過預埋在路基底部的橫剖管，采用剖面沉降儀按照一定的間距依次讀數，通過量測剖面沉降管的變化反映路基的沉降量。起始端口的高程采用水準儀按二等水準精度進行量測，再通過數據處理計算不同位置處地基沉降量。觀測時，首先把橫剖儀置于基準點頂測量初值，然后將橫剖儀探頭勻速拉入橫剖管內，用配套特制耐拉拽鍍鋅鋼絲繩拉動測量各測點。

(2)剖面沉降儀埋設方法

地基處理及墊層施工完畢后，可進行基底的剖面沉降管埋設工作，在填筑土中開槽0.3 m寬，0.5 m深，槽底先填0.1～0.2 m厚的中粗砂，然后在槽內敷設橫剖管，橫剖管接頭需采用無紡布包裹，防止進入砂礫和土粒等雜物，管內預先穿入鋼絲繩(或后期采用鋼絲進行引線穿繩)，槽內回填中粗砂并壓實至表面;至少一側管口處設置混凝土觀測樁(基準樁)，在樁頂埋設凸形不銹鋼測點，觀測樁采用鋼筋混凝土現澆而成。

2.3 分層沉降儀

(1)結構及工作原理

分層沉降監測儀主要包括探頭和測尺兩部分，所用傳感器是根據電磁感應原理設計，通過鉆孔將磁感應沉降環預先埋入地下指定位置，當傳感器通過磁感應環時，發出聲光警報。此時，讀取孔口標記點上對應鋼尺的刻度數值，并建立沉降管管口高程與其關系，即可推導沉降環位移情況。

(2)安裝過程

鉆頭采用φ108 mm進行鉆孔，孔深一般都需比安裝深度深一些，方便沉降管順利地放到底，然后清孔，當鉆到預定位置后，需把泵接到清水里向下灌清水，使泥漿返出，直至泥漿水變成清水為止。安裝工作準備就緒后，才能提鉆。安裝管子的聯接采用外接頭，接頭需用無紡布包裹，一邊下管子一邊向管子內注入清水，便于下管;磁環的安裝，需嚴格按設計要求在管子指定位置上套上磁環和定位環，然后用螺絲固定定位環，擰緊螺釘，這樣邊接邊向下放到設計深度;最后，在外漏管口蓋上蓋子，逐層進行回填中粗砂。回填速度根據實際情況確定，不宜太快，以免堵塞后，導致回填不密實，從而形成空隙，可用清水沉淀法回填，必要時隔一定時間再回填，兩三天后再去檢查一下，補充回填料，并給管子周圍加上保護措施。

3 各類監測方法特點及工程應用中對比分析

路基沉降監測方法很多，但以上介紹的方法，是常見的較適用的，下面根據各種方法的特點分析一下各自的在鐵路路基沉降中的適用范圍和條件。

3.1 路基沉降監測方法

單(多)點沉降計、液位沉降計法、剖面沉降管法、沉降觀測樁法、沉降板法等方法是路基沉降測試較為適用、常用的方法。

沉降板是其中最常采用的方法之一。沉降板測量法技術成熟，觀測精度容易控制，監控面廣，便于靈活地設站觀測。但它也受氣象條件(如風、雨、霧、雪等)的影響，重復測量工作量大，難以實現自動化觀測等，同時對施工干擾較大，且沉降桿易在施工過程中被施工機械碰撞或因碾壓發生偏斜，影響測讀的準確性。

沉降觀測樁法是采用測樁作為觀測對象，往往只能測試路堤或地基表面的沉降，同樣易受到施工的干擾和破壞，施工過程中對測試結果有一定影響。

目前較多應用的剖面沉降管法測試點多，可以反應出整個測試斷面的變形趨勢，沉降管埋設在路基內部便于保護，不影響路面正常施工。主要缺點是由于采用累加的算法，測試精度有待提高，對于高精度監測工程一般不適用，測試過程受環境因素影響也較大，維修維護難度較大，每次測試需要校準基準點。

3.2 路基深部沉降變形

單點沉降計法、分層沉降儀法、多點沉降計法、沉降磁環管法是目前地基深層沉降監測常用方法。單點沉降計法測試精度高，可自動獲取數據并能遠程無線傳輸，實現了遠程自動實時監測。但其安裝相對復雜，對安裝要求較高，同時埋設時由于需要鉆孔一次性投入的總體費用較高，受經費限制往往不能大量設置。當需要針對不同深度、層位的土體進行多部位的沉降觀測時，可以采用分層沉降儀、多點沉降計。受施工影響分層磁環沉降法精度不高，不適用小變形量測。

3.3 監測方法選取

測量誤差不可避免，實際操作中應盡量減小來自儀器本身誤差、觀測過程中人為誤差以及外界條件變化對儀器和設備等不利影響導致的測試結果的影響。一般采用以下3條標準確定沉降觀測的精度指標:首先是根據總沉降量的大小或工程要求確定精度指標;其次是通過與被觀測修筑物結構變形值與沉降觀測中誤差的范圍的比例關系確定;再次是采用規范或標準中規定的固定值來確定。總的來說，總沉降量越小，需要的觀測精度和儀器設備要求也越高，反之，要求為低。

(1)不同觀測方法聯合應用

對土層深層處的沉降變形觀測，往往采用單點沉降計來測量，在施工過程中，可同時采用沉降板、沉降邊樁、液位沉降計或者沉降磁環等與之聯合測試，以達到相互驗證、提高精度。

(2)對于水準測量，應明確沉降變形觀測精度，建立沉降變形觀測小組，嚴格杜絕不良的觀測習慣，每次觀測前，對所使用的儀器和設備進行檢驗校正，嚴格按國家規定的水準技術要求施測，確保儀器的各項指標參數符合測量精度要求，并保留檢驗記錄。同時對水準基點使用時應進行校驗。

(3)沉降觀測儀器比選

我們所提的每種測試儀器都有其精度水平和適用的環境，據測試原理的不同目前沉降變形觀測儀器分為很多種，實際使用中應全面了解各種觀測儀的原理、現場使用環境和工程技術等級等，因地制宜靈活運用。如對水準儀與水準尺的選擇，先確定出沉降測量的等級，進而選擇與之相適應的觀測儀器和類型。

(4)提高埋設工藝

對于沉降觀測元器件的埋設，應加強與施工單位溝通，準確確定埋設位置，整個施工過程中密切注意對其進行保護。

(5)加強元件保護

施工過程中，應加強對已埋設沉降板、沉降觀測樁、各類傳感器的元件和導線的保護工作，設置明顯的標志，以避免施工機械碰撞。并在標志上注明現場觀測技術負責人員的聯系方式，以便發生儀標、元件、導線損壞時，及時進行補救。

4 工程實例

4.1 某高速鐵路試驗段不同方法監測結果對比

圖4為施工過程中某高速鐵路試驗段A試驗斷面單點沉降計和沉降板監測結果對比圖。

圖4 沉降板和單點沉降計實測結果對比

圖4中填筑期為183 d，此階段單點沉降計、沉降板測試的累計沉降量分別為12.94、18.57 mm;靜置期約1個月，此階段兩種方法測試的累計沉降量分別為6.39、5.47 mm;但預壓6個月后，兩種方法測試的累計沉降量分別為11.15、6.94 mm;預壓期結束后單點沉降計測試的總計累計沉降30.48 mm，沉降板測試的總計累計沉降30.98 mm。

4.2 不同方法監測結果的預測分析

分別采用指數曲線法、星野法、泊松曲線、Asaoka法、雙曲線法，以沉降板和單點沉降計監測數據為基礎，對A測試斷面進行沉降預測。

從表1可以看出，A斷面單點沉降計的測試值均與沉降板的測試值基本相同，前者比后者稍大。3種預測方法的預測最終沉降相差不大。

表1 A斷面沉降預測統計

5 結語

通過以上對比分析，在高速鐵路沿線的路基沉降觀測中，相比于液位沉降計法傳統常規的沉降板法具有性能可靠、價格低廉等優點。但相對于電測的傳感器元件，采用人工測試的元器件埋設時對施工有很大影響，同時也受施工機械碾壓碰撞等影響，易遭到損壞，如分層磁環沉降儀、測斜管、剖面沉降管等安裝時與施工有交叉，必然受施工機械損害、彎折、壓碎等破壞，進而導致監測結果受到很大的影響。同時，沉降板測桿也經常被撞彎、撞斜等。然而，智能式單點沉降計、液位沉降計等電測元件往往埋設在路基內部，盡管施工現場晝夜施工，各類大型機械往返穿梭，基本不受施工影響，絕大部分能正常工作。所以在費用允許的前提下，為了獲得較為準確的路基的沉降測試數據，綜合考慮沉降監測系統的合理選用，本文推薦在重點路段采用電測傳感器的監測方案，對一般路段可采用以沉降板或剖面沉降管為主的測試方法，可以滿足對路基沉降的要求。

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