談高速鐵路監(jiān)測方法

程 慶

(杭州地方鐵路開發(fā)有限公司，浙江杭州 310007)

0 引言

近年來，隨著鐵路網(wǎng)的不斷擴大，特別是高速鐵路得到了快速發(fā)展。目前世界上比較一致的看法是最高速度達(dá)到200 km/h以上、旅行速度超過150 km/h稱為高速;最高速度為140 km/h～150 km/h稱為快速;最高速度為120 km/h稱為常速［1］。我國將新建鐵路旅客列車設(shè)計最高運行速度達(dá)到250 km/h、既有鐵路達(dá)到200 km/h及以上的鐵路稱為高速鐵路［2］。我國目前已開通或正在建設(shè)的高速鐵路、客運專線的列車運行速度大多超過250 km/h，如武廣、鄭西、京滬、杭長等。

目前，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展和全國鐵路網(wǎng)的不斷擴大，越來越多的交通、市政、建筑工程交疊設(shè)計和施工，相互影響的情況不斷出現(xiàn)。臨近鐵路營業(yè)線施工也越來越多，影響鐵路行車安全。特別高速鐵路列車運行速度快、對線路要求高，對臨近高速鐵路的施工應(yīng)特別予以重視，在施工過程中，必須對施工影響區(qū)域內(nèi)鐵路線路進行監(jiān)測，以指導(dǎo)施工，確保行車安全。

本文以臨近既有高速鐵路深基坑工程為例，就臨近高速鐵路施工監(jiān)測進行探討，為類似的工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

擬建項目位于杭州市，西側(cè)和北側(cè)緊鄰城市道路，東側(cè)為高速鐵路，南側(cè)為另一項目用地。

工程用地面積14 718 m2，總建筑面積66 515.02 m2，其中地上建筑面積45 625 m2，地下建筑面積20 890.02 m2。建筑物1幢商業(yè)辦公樓(北側(cè)為A座，南側(cè)為B座)，主樓為13層，商業(yè)裙房為2層，采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)2層整體地下室。基坑開挖深度約8.9 m。擬建工程地下室基坑采用一排φ1 000@1 250(東面靠近鐵路一側(cè)及南面需通行吊車區(qū)域)、φ700@950鉆孔灌注樁結(jié)合兩道鋼筋混凝土支撐支護。東側(cè)靠近鐵路一側(cè)的鉆孔灌注樁外側(cè)設(shè)雙排φ850@600三軸水泥攪拌樁止水止土，其余區(qū)域采用一排φ850@600三軸水泥攪拌樁止水止土。出土口、南面及北面的中間位置坑中坑鄰近圍護樁邊的區(qū)域坑底采用φ850@600三軸水泥攪拌樁加固。其中，基坑圍護結(jié)構(gòu)東側(cè)距高速鐵路不足30 m。基坑開挖深度范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土，該基坑的施工對既有高速鐵路臨近段的安全可能產(chǎn)生影響，特別是基坑施工對鐵路路基、接觸網(wǎng)立柱、軌道等均會產(chǎn)生一定的影響。因此，在基坑施工期間，為保證鐵路行車安全，必須對鐵路路基、接觸網(wǎng)立柱、軌道等進行監(jiān)測。

2 監(jiān)測方法

基坑開挖過程中，必須保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以確保基坑施工安全。通過對基坑及其周邊建筑物的變形監(jiān)測來反饋信息，可以及時地發(fā)現(xiàn)危及建筑物、構(gòu)筑物和基坑支護安全的隱患，并能夠指導(dǎo)施工程序，充分體現(xiàn)科學(xué)的“信息化施工”，確保工程本身、周邊環(huán)境和建(構(gòu))筑物的安全。

通過對鐵路監(jiān)測結(jié)果的分析整理，反映在基坑施工過程中所表現(xiàn)出的一些變形規(guī)律和特點，對可能發(fā)生的安全隱患或事故進行分析和判斷，并提出建議，使有關(guān)方面能夠及時采取措施，避免事故的發(fā)生，保證既有鐵路的安全。

關(guān)于基坑及周邊地面、土體、建(構(gòu))筑物、地下管線等監(jiān)測內(nèi)容和方法規(guī)范中已有較明確規(guī)定，而關(guān)于運營期高速鐵路的監(jiān)測還沒有明確的規(guī)定，對高速鐵路線路的監(jiān)測應(yīng)盡量利用已有的監(jiān)測點和控制點進行，并積極采用先進的技術(shù)和設(shè)備，提高監(jiān)測精度。目前，我國高速鐵路均采用封閉運營，所以應(yīng)優(yōu)先選擇遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 路基沉降監(jiān)測

采用靜力水準(zhǔn)及遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行觀測。

1)靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)由多個精密液位計組成，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準(zhǔn)點的垂直向變形情況。靜力水準(zhǔn)儀的貯液容器相互用通液管完全連通，貯液容器內(nèi)注入液體，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個大地水準(zhǔn)面上，系統(tǒng)各測點的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測得，假設(shè)被測物體測點1作為基準(zhǔn)點，通過計算可得到其他測點相對基準(zhǔn)點的沉降，如果知道兩測點間的水平距離L，則兩測點間相對傾斜的變化也可算得，如圖1所示。

圖1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理圖

在靜力水準(zhǔn)儀的系統(tǒng)中，不但可以觀測兩測點間的相對垂直位移，也可布置多個測點并連成系統(tǒng)，并選一穩(wěn)定不動的測點作為基準(zhǔn)點，來觀測各測點相對基準(zhǔn)點的垂直位移(沉降量)。

往往基準(zhǔn)點是相對恒定的或者是可用其他方式準(zhǔn)確測定的點，精確計算各點的絕對垂直位移，必須核定基準(zhǔn)點地基的沉降變化量。

對于多測點的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，每個測點的靜力水準(zhǔn)儀均需加接三通接頭，使各測點貯液容器用水管連通，各點容器上部與大氣連通，且各點安裝高程應(yīng)基本相同，基準(zhǔn)點必須穩(wěn)固。

2)自動化綜合測試系統(tǒng)是一種功能強大的分布式全自動靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由上位機、采集模塊(MCU)、系統(tǒng)軟件及相關(guān)配件組成，現(xiàn)場采集模塊(MCU)配接傳感器，計算機作為自動化測量系統(tǒng)的上位機，與系統(tǒng)軟件組成監(jiān)測指揮系統(tǒng)，通過不同的數(shù)據(jù)傳輸方式與各采集模塊(MCU)聯(lián)系，完成系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)實時采集、定時測量、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)庫管理、顯示或打印數(shù)據(jù)報表、繪圖、數(shù)據(jù)存儲等。

2.2 接觸網(wǎng)立柱與鐵軌差異沉降監(jiān)測

采用電子水平尺及遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行觀測。

1)電子水平尺及測試原理。固定式電子水平尺采用精密重力平衡伺服傾角傳感器，內(nèi)置CPU、電子編號、型號，測量結(jié)果可顯示傾角或位移值，采用全密封、高可靠設(shè)計，表面安裝，可單個或多個使用，分辨率0.01 mm。利用專門設(shè)計的安裝件進行安裝(見圖2)。

圖2 電子水平尺安裝示意圖和實景圖

如圖3所示，若在被測體的表面分段安裝了兩個電子水平尺，安裝好后的測量初始值為β1，β2，隨著被測體發(fā)生傾斜，測量的角度為α1，α2，若轉(zhuǎn)換為相對沉降位移量變化，則計算公式為:L1［sin(α1)－sin(β1)］+L2［sin(α2)－sin(β2)］，若為一個電子水平尺，則相對沉降為 L1［sin(α1)－sin(β1)］。

圖3 電子水平尺測試原理圖

2)與靜力水準(zhǔn)儀使用同一套自動化綜合測試系統(tǒng)。

2.3 水平位移監(jiān)測

采用基于Trimble S8磁驅(qū)伺服全站儀+Trimble 4D Control變形監(jiān)測軟件的監(jiān)測系統(tǒng)進行水平位移監(jiān)測。

1)監(jiān)測系統(tǒng)。Trimble S8全站儀具有的自動搜索和自動鎖定功能是實時在線監(jiān)測的基礎(chǔ)。Trimble 4D Control監(jiān)測系統(tǒng)軟件能夠無縫連接當(dāng)前Trimble S6，S8等磁驅(qū)伺服全自動測量機器人以及GNSS設(shè)備，還可以連接巖土物理傳感器，例如坎貝爾的測斜儀、壓力計等設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)完好的情況下，系統(tǒng)能夠自動連接這些設(shè)備，并且自動采集數(shù)據(jù)，自動分析、自動處理、自動報告、自動報警，全程無需人員干涉，真正的全自動無人值守。并且無論是原始數(shù)據(jù)、處理過程數(shù)據(jù)，以及最終的結(jié)果數(shù)據(jù)，全程全部進入MS SQL數(shù)據(jù)庫。

2)監(jiān)測技術(shù)要求。采用Trimble S8全站儀對監(jiān)測點進行監(jiān)測，并滿足表1～表3要求。

表1 水平方向觀測技術(shù)要求

表2 距離觀測技術(shù)要求

表3 主要技術(shù)指標(biāo)

為滿足測量精度的要求，統(tǒng)一采用反射面大、精度高的Leica GRP121精密原裝進口棱鏡，棱鏡利用專門設(shè)計的安裝件進行安裝，如圖4所示。

圖4 精密棱鏡

2.4 其他方法

其他還有激光沉降儀、近景攝影測量、傳感器自動化監(jiān)測等監(jiān)測方法，限于篇幅，不做一一介紹，對于高速鐵路線路的監(jiān)測方法和設(shè)備的選擇應(yīng)遵循高精度、高可靠性、可實現(xiàn)自動化測量及適應(yīng)長期監(jiān)測的原則。

3 結(jié)語

對于臨近高速鐵路施工，對高速鐵路線路監(jiān)測是保證鐵路設(shè)備狀態(tài)和行車安全的重要工作，監(jiān)測要求高，須采用先進的技術(shù)、設(shè)備和方法，并在實踐中不斷總結(jié)完善，確保行車安全。

［1］趙洪勇，劉建坤，崔江余.高速鐵路路基沉降監(jiān)測方法的認(rèn)識和評價［J］.路基工程，2001(6):15-17.

［2］萬 省，李曉穎.高填方軟土路基失穩(wěn)判據(jù)的研究［J］.山西建筑，2012，38(13):181-182.

［3］易思蓉.鐵道工程［M］.第2版.北京:中國鐵道出版社，2013.