淺議高速鐵路線下工程沉降觀測控制

曹 廣

中鐵一局集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710000

1 前言

橋梁墩臺的沉降觀測對確保高速鐵路工程運(yùn)營質(zhì)量，工后沉降滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求非常重要。通過完整的測量及數(shù)據(jù)分析、掌握、控制墩臺的沉降，可以預(yù)測橋梁墩臺的沉降趨勢，驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)及指導(dǎo)施工，有效控制沉降速率，確定墩臺墊石開始施工時(shí)間、墩臺墊石的調(diào)高量、橋梁的架設(shè)開始時(shí)間、無喳軌道道床的開始施工時(shí)間、無喳軌道的開始鋪設(shè)時(shí)間等，并提供增補(bǔ)設(shè)計(jì)增量的計(jì)量依據(jù)。

2 京滬高鐵概況

京滬高鐵是《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中投資規(guī)模最大、而且技術(shù)含量非常高的工程，也是我國第一條具有世界先進(jìn)水平的高速鐵路,正線全長約1318公里，與既有京滬鐵路的走向大體并行，較既有京滬線縮短約140km，全線為新建雙線，設(shè)計(jì)時(shí)速350公里，初期運(yùn)營時(shí)速300公里，橋梁長約1100km，占正線長度86%；隧道長度約16km，占正線長度1.2%；路基約162km，占正線長度12%；鋪設(shè)無砟軌道約1268公里，占線路長度的96%。有碴軌道正線約50公里，占線路長度的3.8%。

3 沉降觀測

施工中必須進(jìn)行墩臺及其承臺沉降量觀測，根據(jù)測定數(shù)據(jù)趨勢，調(diào)整施工方案及設(shè)計(jì)參數(shù)；預(yù)測沉降趨勢，確定橋梁墩臺墊石的施工時(shí)間及墊石標(biāo)高的調(diào)整量，橋梁架設(shè)施工時(shí)間，無砟軌道的施工時(shí)間，無砟軌道施工區(qū)間，提供施工期間結(jié)構(gòu)物標(biāo)高調(diào)整量；預(yù)測工后沉降，使其控制在一定容許范圍內(nèi)；通過實(shí)測沉降量，預(yù)測沉降量并驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行設(shè)計(jì)的再優(yōu)化，保證工程質(zhì)量。

3.1 基本要求

測量設(shè)備須經(jīng)計(jì)量單位予以鑒定。在首次觀測前要對所用儀器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校正，連續(xù)使用1——5個(gè)月重新檢校。在觀測過程中，測工要相互配合，有校核，協(xié)調(diào)一致。觀測工作必須認(rèn)真、確保觀測精度，做到資料準(zhǔn)確、完整、連續(xù)。測量技術(shù)人員的基本素質(zhì)，須接受專業(yè)學(xué)習(xí)，參加過相關(guān)技能培訓(xùn)，熟練掌握儀器的操作規(guī)程，熟悉測量理論。能針對不同工程特性、采用不同的方法及觀測程序，對過程中出現(xiàn)的問題會(huì)分析原因并正確的運(yùn)用誤差理論進(jìn)行平差計(jì)算，做到保時(shí)、快捷、精度高地完成每次觀測。

3.2 觀測工期

觀測工作分為承臺觀測期、墩臺觀測期、橋梁架設(shè)施工觀測期、無喳軌道道床施工觀測期、鋪設(shè)無喳軌道觀測期、竣工通車試運(yùn)觀測期六個(gè)階段。

承臺觀測期指澆注完承臺混凝土，拆模后回填基坑完開始進(jìn)行首次沉降監(jiān)測，至墩臺立模、澆注完墩臺混凝土并安設(shè)好墩臺沉降觀測標(biāo)，進(jìn)行墩臺沉降觀測前的期間。

墩臺觀測期是指墩臺立模、澆注完墩臺混凝土并安設(shè)好墩臺沉降觀測標(biāo)后，進(jìn)行墩臺首次沉降觀測直至橋梁開始架設(shè)前的期間。

橋梁架設(shè)施工觀測期是指就某墩臺來說前后兩孔梁開始架設(shè)直至架設(shè)完后，且在無喳軌道道床施工開始前這段期間。其中有動(dòng)荷載轉(zhuǎn)變?yōu)楹沆o荷載又至動(dòng)靜荷載交替變化期間。

無喳軌道道床施工觀測期，是指橋梁架設(shè)完后，開始鋪設(shè)無喳軌道道床至某墩臺的前兩孔梁開始至鋪設(shè)過后兩孔梁結(jié)束這段期間。其中有荷載不斷增加變?yōu)榕R時(shí)最大，再變?yōu)楹爿d加少量動(dòng)荷載期間。

鋪設(shè)無喳軌道觀測期是指無喳軌道道床施工完成后，就某墩臺來說前后兩孔梁開始鋪設(shè)無喳軌道直至鋪設(shè)過后，且在通車試運(yùn)營之前的期間。

竣工通車試運(yùn)觀測期是指無喳軌道鋪設(shè)施工完成后，且在正式通車運(yùn)營之前這段期間。

3.3 準(zhǔn)備工作和水準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

準(zhǔn)備階段包括規(guī)劃觀測路線，布設(shè)基本水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作的起始基點(diǎn)。還要檢查觀測儀器、水準(zhǔn)尺及各種用表是否備齊。

水準(zhǔn)點(diǎn)分基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)兩種。基準(zhǔn)點(diǎn)是設(shè)計(jì)單位提供的高級控制點(diǎn)及其加密點(diǎn)，工作基點(diǎn)由施工單位埋設(shè)，密度應(yīng)滿足沉降觀測要求，一般每隔200m左右一個(gè)，以便每測站視距不超過100m即可完成測點(diǎn)的觀測。

3.4 沉降標(biāo)的埋設(shè)

沉降標(biāo)由施工單位統(tǒng)一制作，沉降標(biāo)的埋設(shè)及接管工作均由施工單位負(fù)責(zé)，在整個(gè)觀測期間，施工單位要管理好沉降監(jiān)測點(diǎn)不受破壞或被盜，如有損壞或被盜應(yīng)及時(shí)修復(fù)，并恢復(fù)觀測數(shù)據(jù)，確保觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

3.5 二水準(zhǔn)的儀器及精度

為滿足二等水準(zhǔn)的精度要求，水準(zhǔn)儀采用數(shù)字水準(zhǔn)儀，水準(zhǔn)儀必須定期檢查、校正，確保i角小于10″，水準(zhǔn)尺采用3米或2米鋁合金條碼直尺。

沉降觀測的精度:儀器精度為0.3mm,隨著觀測期不斷升高，沉降增量逐步減少，沉降量越小，要求精度越高。

為了消除觀測中的系統(tǒng)誤差，每次觀測應(yīng)遵循的原則： a.測量人員要固定；b.使用設(shè)備要穩(wěn)定；c.變形觀測依據(jù)的基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和被觀測物上的變形觀測點(diǎn)位要穩(wěn)定；d觀測時(shí)的外部環(huán)境相對穩(wěn)定；e觀測路線、程序和方法要固定。在客觀上減少了測量誤差的不確定性，保證各次復(fù)測結(jié)果與首次觀測的結(jié)果具有相對客觀可比性，成果更準(zhǔn)確。

3.6 觀測頻率

橋梁承臺及墩臺施工期間，一般是每周一次；橋位施工橋梁制梁前后各一次，荷載變化前后各一次或每周一次；架橋機(jī)通過前后各一次；橋梁主體完工至無喳軌道鋪設(shè)前每周一次；無喳軌道鋪設(shè)期間每天一次；無喳軌道鋪設(shè)完成后，0～3個(gè)月每月一次，4～12個(gè)月每3個(gè)月一次，13～24個(gè)月每6個(gè)月一次；工后沉降長期觀測。

4 觀測成果的分析

4.1 月沉降速率變化分析

月沉降速率的計(jì)算公式：

月沉降速率=(本期累計(jì)沉降量-上期累計(jì)沉降量)/時(shí)段天數(shù)×30天

從京滬高速鐵路德禹特大橋DK369+000～DK384+843段前期觀測資料來看，月沉降速率一般都具有一定的變化規(guī)律。

4.2 累計(jì)沉降量的分析

從京滬高速鐵路德禹特大橋DK369+000～DK384+843段橋梁墩臺及承臺前期沉降觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，雖然有個(gè)別觀測點(diǎn)沉降量稍大，但實(shí)測累計(jì)沉降量均比設(shè)計(jì)值要小。

4.3 工后沉降估算

由實(shí)測的成果曲線反算固結(jié)系數(shù)或推算工后沉降量的計(jì)算較多，常用的有雙曲線法、沉降速率法等。本文以雙曲線法為例，進(jìn)行說明。

4.3.1 雙曲線法

雙曲線法是假定下沉平均速率以雙曲線形式減少的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出。從施工完開始到任意時(shí)間t的沉降量S t （沉降模式見圖）可用下式求得：

S0 + t

S t = (3-1)

α+βt

式中：S0 —— 初期沉降量（t=0）

S t —— t時(shí)的沉降量

t —— 經(jīng)過時(shí)間

α.β —— 從實(shí)測值求得的系數(shù)

變換上式得：

t=α+βt (3-2)

S t×S0

由圖2得到t / (S t×S0) 和t的函數(shù)關(guān)系。從該直線與S軸的相交處和斜率比值，可分別求得α、β，將α、β代入公式(3-1)，即可求得任意區(qū)間的沉降量。

圖1 按雙曲線法推測下沉模式圖

圖2 α、β求法

當(dāng)t=∞時(shí)，最終沉降量S∞可用下式求得：

S∞=S0+1/β (3-3)

荷載經(jīng)過時(shí)間t后得殘留沉降量ΔS用下式求得：

ΔS= S∞-St

用此方法推測t時(shí)沉降，要求實(shí)測沉降時(shí)間至少在半年以上。

4.3.2 沉降速率法

設(shè) S∞＝mSc

St=[(m-1)Pt/P0+Ut]Sc (3-4)

Ut=1-αe-βt (3-5)

式中：m ——綜合性修正系數(shù)

Pt ——t時(shí)得累計(jì)荷載

Po ——合計(jì)累計(jì)荷載

Ut ——t時(shí)的固結(jié)度

在恒載條件下，可得沉降速率為：

Sv=ASce-βt (3-6)

8 n

A= Σqn(eβtn -eβtn-1) (3-7)

P0 i=1

式中：qn ——第n級的加荷速率

tn、tn-1 ——第n級加荷的終點(diǎn)和始點(diǎn)時(shí)間

將實(shí)測沉降速率Sv和時(shí)間t繪制lnSv-t沉降關(guān)系曲線，其截距為ASc，斜率為β，這樣A可算出，然后即可求得Sc及m值和最終沉降量。

其他方法不再一一贅述。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)鍵視其與實(shí)際情況擬合程度得好壞，選擇與實(shí)際情況較吻合或接近的方法。

5 結(jié)束語

通過對京滬高速鐵路德禹特大橋DK369+000～DK384+843段橋梁墩臺及承臺目前進(jìn)行沉降觀測與分析，以及對京滬高速鐵路德禹特大橋DK369+000～DK384+843段橋梁墩臺的工后沉降的預(yù)測研究，表明京滬高速鐵路德禹特大橋DK369+000～DK384+843段橋梁墩臺設(shè)計(jì)的合理與施工的成功。高速鐵路沉降觀測是一項(xiàng)長期的工作，在此過程還必須再做大量細(xì)致、認(rèn)真的野外數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)分析工作，同時(shí)還必須得到施工單位項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)的大力支持、監(jiān)理單位的幫助和上級高指的關(guān)懷、指導(dǎo)，方能完成這項(xiàng)工作。