高速鐵路路基沉降觀測與預(yù)測評估技術(shù)簡介

郭子良（沈陽鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧　沈陽　110002）

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高速鐵路路基沉降觀測與預(yù)測評估技術(shù)簡介

郭子良
（沈陽鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧沈陽110002）

摘要：高速鐵路路基由土、級配碎石等散粒填料填筑，更易發(fā)生沉降，是高速鐵路沉降控制與觀測的重點。因此，本文選擇對高速鐵路路基沉降觀測與預(yù)測評估技術(shù)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：路基沉降；高速鐵路；沉降觀測；沉降預(yù)測

近年來，我國高速鐵路建設(shè)呈大發(fā)展之勢。高速鐵路的高平順性是高速列車安全、平穩(wěn)、舒適運行的前提和保障。由于，高速鐵路多采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，軌道變形主要依賴扣件調(diào)整，而扣件的調(diào)整量又十分有限。因此，要保證軌道的高平順性，必須對線下工程的沉降嚴(yán)格控制，使工后沉降在規(guī)定的限值內(nèi)，可以通過軌道系統(tǒng)調(diào)整、克服，減少維護(hù)工作量，保證行車安全。

一、路基沉降控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.無砟軌道鋪設(shè)完成后，工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和豎曲線圓順要求，工后沉降一般不超過15mm；沉降比較均勻且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑滿足式Rsh≥0.4v2js時，允許最大工后沉降為30mm；式中：Rsh—軌面圓順的豎曲線半徑，0.4vjs—設(shè)計最高速度（km/h）。

表1有砟軌道工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的差異沉降不應(yīng)大于5mm，過渡段沉降造成路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1‰。

2.有砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合表1。

3.水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證施工過程中路基的安全，軟土地基地段必須控制填土速率并加強(qiáng)監(jiān)測。其控制標(biāo)準(zhǔn)為路堤中心地面沉降速率不大于1.0cm/d，坡腳水平位移速率不大于0.5cm/d，地基條件較差時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)高變形控制要求。

二、路基沉降觀測技術(shù)

1.路基沉降觀測內(nèi)容

路堤及淺挖路基的路基面沉降觀測、基底沉降觀測、路基本體沉降觀測、過渡段不均勻沉降觀測、軟土及松軟土地基路堤地段水平位移觀測等。

2.變形觀測基準(zhǔn)網(wǎng)

（1）垂直位移觀測網(wǎng)可根據(jù)需要獨立建網(wǎng)，精度控制須充分考慮高速鐵路工程的特點，制定適宜的精度標(biāo)準(zhǔn)。垂直變基準(zhǔn)測網(wǎng)應(yīng)布設(shè)成閉合環(huán)狀、結(jié)點及附和水準(zhǔn)線路等形式。

（2）每個獨立觀測網(wǎng)應(yīng)設(shè)置不少于3個穩(wěn)固可靠的基準(zhǔn)點，長度4km左右。基準(zhǔn)點應(yīng)設(shè)在變形影響范圍以外，便于長期保存的穩(wěn)定裝置，可選用現(xiàn)有的控制樁。

（3）基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)定期進(jìn)行復(fù)測。

（4）基準(zhǔn)點應(yīng)直接采用施工控制測量中的首級高層網(wǎng)，增設(shè)基準(zhǔn)點時應(yīng)按國家二等水準(zhǔn)測量的相關(guān)要求進(jìn)行。基準(zhǔn)點應(yīng)埋設(shè)在變形區(qū)以外的基巖或原狀土層中，保證其在較長時間內(nèi)穩(wěn)定。

（5）為了觀測方便保證測量精度，應(yīng)布設(shè)工作基點。工作基點應(yīng)選在比較穩(wěn)定的位置，一般200m設(shè)一個。工作基點埋深應(yīng)在當(dāng)?shù)貎鐾翆右韵隆Ｆ渚嚯x應(yīng)滿足距離的平方根小于構(gòu)造物允許變形值比10。

（6）水平位移觀測網(wǎng)可采用獨立坐標(biāo)系統(tǒng)一次布設(shè)。根據(jù)變形測量等級及精度要求進(jìn)行觀測，并與施工平面控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，進(jìn)行水平位移觀測網(wǎng)坐標(biāo)與施工平面控制網(wǎng)坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。

結(jié)合通州的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃及目前的智慧交通管理發(fā)展趨勢，通州智慧交通管理系統(tǒng)未來的發(fā)展展望可以概括為以下3個方面：

（7）控制點宜采用有強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩，照準(zhǔn)標(biāo)志采用強(qiáng)制對中裝置的覘牌或紅外測距反射片。在設(shè)置水平位移觀測網(wǎng)時，應(yīng)進(jìn)行精度預(yù)估，選用最優(yōu)方案。

3.變形觀測點的布設(shè)與觀測

每個觀測段落至少設(shè)2個工作基點，形成附和或閉合觀水準(zhǔn)線路。沉降觀測采用水準(zhǔn)測量方法，測量精度為+1mm，讀數(shù)取位0.1mm。路基沉降觀測應(yīng)以路基面沉降和地基沉降觀測為主。可在線路2側(cè)設(shè)地基及路肩觀測樁及在地基和基床表層底面設(shè)置剖面沉降觀測裝置，或在線路中心設(shè)沉降板；過渡段易布置剖面管，并在管口設(shè)置沉降觀測樁。路基觀測附和水準(zhǔn)路線一般200m，高路堤可延長至600m～800m。觀測路基沉降過程中，觀測斷面間距應(yīng)當(dāng)小于50m，而在地勢相對平坦且地基條件良好區(qū)域?qū)β返獭⒙穳q觀測時可以將觀測斷面間距適當(dāng)增加，但不應(yīng)當(dāng)超過100m；而在地基條件較差、地質(zhì)變化相對較大或過度地段則應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況減小觀測斷面間距。在結(jié)構(gòu)物起點位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置觀測斷面，設(shè)置位置應(yīng)當(dāng)距離起點5m～10m以及20m～30m處，通過設(shè)置兩個觀測斷面確保地基沉降觀測的準(zhǔn)確性。另外橫向結(jié)構(gòu)物的兩側(cè)以及沿涵洞軸線位置也應(yīng)當(dāng)設(shè)置觀測斷面。在路堤以及路塹分界位置也必須設(shè)置觀測斷面。除此之外在埋設(shè)觀測裝置時必須嚴(yán)格依照設(shè)計確定埋設(shè)位置，并對觀測設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。路基面觀測設(shè)備由于受到施工干擾，其設(shè)置位置及方式有時需要根據(jù)施工進(jìn)程進(jìn)行調(diào)整。

（1）沉降板觀測法

沉降板分普通沉降板和組合沉降板兩種形式，其原理是在沉降觀測點埋設(shè)沉降板，沉降板與連接桿連接，連接桿外設(shè)護(hù)套管防止路基填筑時對連接桿的破壞和擠壓。隨著路基的填筑連接桿接長，通過測量連接桿頂面高程和連接桿長度，計算確定沉降板沉降值。

（2）沉降水杯觀測法

沉降水杯法，是在沉降觀測點處埋入沉降水杯觀測儀。沉降水杯觀測儀由儲水室、排水室、進(jìn)水管、排水管、排氣管、觀測水杯組成，進(jìn)水管、排水管、排氣管引出路基本體以外。測量時，將沉降水杯與進(jìn)水管連接，通過沉降水杯向儲水室注水，儲水室水滿后溢出到排水室通過與排水室相連接的排水管流出，停止加水，待水不再流出，根據(jù)連通器原理，此時沉降水杯的液面與儲水室的液面等高，通過測量沉降水杯的液面高程得到儲水室液面高程，進(jìn)而確定沉降量。

（3）剖面管觀測法

剖面關(guān)觀測法，是在測路基斷面觀測點高程處埋設(shè)剖面管，管的兩端伸出路基本體以外。觀測時，將觀測儀探頭深入管中，測得相應(yīng)位置對管口的沉降量。根據(jù)管口高程，計算出觀測點的沉降量。剖面管法使用的觀測儀有兩種：一種探頭為水壓式，探頭與水管連接，探頭通過測量與觀測點與儲水容器之間的水壓計算出觀測點與容器液面之間的高差，通過測量容器液面高程，計算觀測點沉降量；另一種為斜測儀，其探頭原理是根據(jù)鉛錘受重力作用原理，測量探頭的傾角，將探頭深入剖面管中，依次測量一定長度管段的傾角計算各管段起終點的高差，求出觀測點與管口的高差，再測量管口高程，確定觀測點的沉降量。

（4）高精度智能型沉降儀觀測法

高精度智能型沉降儀，由錨頭、連接桿、位移計、沉降板組成。其原理是，將錨頭固定于巖層或沉降影響層以下，錨頭、連接桿、位移計、沉降板依次連接，沉降板下沉?xí)r，由位移計測得沉降值通過導(dǎo)線傳遞給路基體外部設(shè)備，直接獲得沉降量。

三、沉降預(yù)測方法

地基在荷載作用下，沉降將會隨時間發(fā)展，其發(fā)展規(guī)律可以通過土體固結(jié)原理進(jìn)行數(shù)值分析來估算。在實踐過程中，通過對大量沉降觀測數(shù)據(jù)的積累，可以找出與實際地基沉降過程規(guī)律比較匹配的有實用價值的變形規(guī)律，利用這些變形規(guī)律對沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線回歸分析，對地基沉降進(jìn)行預(yù)測。曲線回歸法是路基沉降預(yù)測的最常用方法，其常用的預(yù)測方法有：雙曲線法、三點法、指數(shù)曲線法、拋物線法、Asaoka法、泊松曲線法、星野法和修正雙曲線法等，其基本思想都是通過回歸曲線的方法，對未來及最終的沉降值進(jìn)行預(yù)測和評估。

四、路基沉降評估判定標(biāo)準(zhǔn)

高速鐵路路基沉降預(yù)測應(yīng)滿足以下要求：

1.根據(jù)路基填筑完成或堆載預(yù)壓后不少于3個月的實際觀測數(shù)據(jù)作多種曲線的回歸分析，確定沉降變形趨勢，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0.92。

2.沉降預(yù)測的可靠性一經(jīng)驗證，間隔不少于3個月的兩次預(yù)測最終沉降的差值不應(yīng)大于8mm。

3.路基填筑完成或堆載預(yù)壓后，最終沉降預(yù)測時間應(yīng)滿足下列條件：S（t）/S（t→∞）≥75%。

4.路基沉降的評估應(yīng)結(jié)合路基各觀測斷面以及相鄰橋涵的沉降情況進(jìn)行，預(yù)測的路基工后沉降值不應(yīng)大于15mm。

結(jié)語

高速鐵路建設(shè)中，路基施工質(zhì)量直接影響高速鐵路建設(shè)質(zhì)量，是保證高速鐵路工程質(zhì)量的基礎(chǔ)要件，也是確保高速鐵路行車安全的基礎(chǔ)要件。軌道的平順性是確保列車運行安全舒適的前提，而路基的穩(wěn)定、平順則是確保高速鐵路軌道平順的前提。目前我國高速鐵路多采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整扣件對軌道進(jìn)行調(diào)整，但是這種調(diào)整限度較小。因此，對路基沉降進(jìn)行觀測、預(yù)測、評估，進(jìn)而選擇合適的鋪軌時機(jī)，確保軌道基礎(chǔ)沉降范圍在規(guī)定限度內(nèi)，減少后期的調(diào)整、維護(hù)，保證軌道的高平順性，使列車安全、平穩(wěn)、高速運行，具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

［1］尚金光，張獻(xiàn)州.高速鐵路路基沉降觀測分析與評估方法研究［J］.路基工程，2011（3）：26-28，32.

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中圖分類號：U238

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A