高速鐵路運營期沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與分析

徐源強

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

高速鐵路運行速度快，對安全性、平穩(wěn)性和準時性的要求高，線下工程構(gòu)筑物的變形程度直接關(guān)系到軌道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀態(tài)，進而影響高速鐵路的運營安全。因此，沉降變形觀測及數(shù)據(jù)處理分析工作對于高速鐵路的健康發(fā)展具有重大的意義。

目前，高速鐵路沉降觀測手段包括傳統(tǒng)精密水準測量、GPS監(jiān)測[1-2]、三維激光掃描技術(shù)[3]、Insar技術(shù)以及不同手段的融合[4]等，自動化監(jiān)測手段[3]也日益成熟。在沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方面，主要有回歸分析法、灰色系統(tǒng)法、時間序列分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]和卡爾曼濾波[6]等方法。目前，大多數(shù)的高速鐵路沉降觀測還是采用傳統(tǒng)方法。利用傳統(tǒng)觀測方法獲得的構(gòu)筑物沉降量實際上是構(gòu)筑物沉降量與區(qū)域差異沉降量的疊加[7]，偶爾會導致橋墩“上升”。因此，起算點的穩(wěn)定性分析對于沉降觀測數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要[8]。參考相關(guān)文獻中的工程案例[9-10]以及數(shù)據(jù)處理方法[11-13]，結(jié)合工程實踐，提出高速鐵路運營期沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的分析方法。

1 起算點穩(wěn)定性分析

按照《高速鐵路工程測量規(guī)范》[14]中二等水準測量的技術(shù)要求，每一測站前后視兩次讀數(shù)所測高差之差的限差Δ=±0.6 mm，取兩倍中誤差作為限差，則觀測高差的中誤差[15-16]為

mh=±0.2 mm

每一測站的高差均取往返觀測所測高差中數(shù)，因此測站的高差中誤差為

設(shè)二等水準線路長為L，測站數(shù)為N，則附合水準線路的測量中誤差為

取2倍中誤差作為限差，則附合水準線路的允許測量誤差為

2 起算點穩(wěn)定性影響模擬實驗

高速鐵路構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測網(wǎng)是以線下基準網(wǎng)為基礎(chǔ)建立的。線下基準網(wǎng)由基巖點或國家水準點、深埋水準點、二等水準點、工作基點(穩(wěn)定的橋墩點)組成，一般每150 km聯(lián)測1處國家水準點或基巖點，每10 km布設(shè)1處深埋水準點，每2 km左右布設(shè)1處二等水準點，每1～2 km左右布設(shè)1個工作基點。

運營期的線下基準網(wǎng)一般選取基巖點或國家水準點、深埋水準點作為起算點。

在高速鐵路運營期沉降監(jiān)測工作中，如果選擇不穩(wěn)定(下沉)的起算點進行計算，會造成下一級水準點或沉降監(jiān)測點出現(xiàn)點位“上升”的情況。以下通過模擬實驗(“單點沉降實驗”和“區(qū)域沉降實驗”)，分析深埋點的穩(wěn)定性對二等水準點成果的影響(同樣適用于工作基點對沉降觀測點成果的影響)。某線下基準網(wǎng)由3個深埋點(SMD1、SMD2、SMD3)和10個二等水準點(BM1～BM10)組成，以深埋水準點SMD1、SMD2、SMD3作為起算點，其高程成果分別為1.000 0 m、1.623 8 m、2.093 3 m，各水準點間的高差真值見表1。

表1 各水準點間的高差真值

2.1 單點沉降實驗

對深埋水準點SMD2引入3 mm沉降誤差，平差計算時，仍選取SMD1、SMD2、SMD3作為起算點，通過其他10個二等水準點的高程誤差(引入誤差后的高程平差成果減去高程真值)分析起算點穩(wěn)定性對二等水準點成果的影響，見圖1。

通過圖1可以看出，如果選取“沉降”的點作為起算點，求算的二等水準點成果出現(xiàn)了“上升”的現(xiàn)象，各基準點成果的上升值隨著與“異常起算點”距離的增大而減小，并呈現(xiàn)出“兩端對稱”。設(shè)二等水準點與不穩(wěn)定起算點(SMD2)的距離為L，深埋點間的距離為S，則影響值大小為3(S-L)/S，由此計算出最大影響值為2.6 mm。

圖1 基準點穩(wěn)定性分析(單點沉降)

2.2 區(qū)域沉降實驗

對深埋水準點SMD2附近5 km區(qū)域(BM4、BM5、SMD2、BM6、BM7)引入3 mm“區(qū)域性沉降”。平差計算時，仍選取SMD1、SMD2、SMD3作為起算點，通過其他10個二等水準點的高程誤差(引入誤差后的高程平差成果減去高程真值)，分析起算點穩(wěn)定性對二等水準點成果的影響，見圖2。

通過圖2可以看出，如果選取“沉降”的點作為起算點(異常起算點)，而該點附近區(qū)域均存在沉降，求算的二等水準點成果出現(xiàn)了“穩(wěn)定點上升”、“沉降點下沉”的現(xiàn)象。各穩(wěn)定的二等水準點的上升值隨著與“異常區(qū)域”距離的增大而減小，并與“單點沉降”實驗中的值相同；而各不穩(wěn)定的二等水準點的下沉值則隨著與“異常起算點”距離的增加而增大。

圖2 基準點穩(wěn)定性分析(區(qū)域沉降)

3 沉降數(shù)據(jù)處理分析

高速鐵路構(gòu)筑物主要由橋涵、隧道、路基以及過渡段構(gòu)成，選取某高速鐵路K240+749～K267+858段橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)、K267+858～K269+362段隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。橋梁段每1 km布設(shè)一個工作基點，隧道段每2 km布設(shè)一個工作基點，共布設(shè)了26個橋墩工作基點，2個隧道工作基點。

3.1 高程分析法

選取橋梁和隧道的第一期(2014年12月)、第二期(2015年4月)、第三期(2015年11月)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用工作基點作為起算點，計算每一期監(jiān)測點的高程，然后通過高程對比，來判斷構(gòu)筑物的沉降情況(如圖3、圖4所示)。

圖3 橋墩監(jiān)測點沉降趨勢

按照二等水準測量的技術(shù)要求，通過計算，可以得出橋墩工作基點間差異沉降的“檢驗盲區(qū)”為[-2.9，2.9]mm，隧道工作基點間差異沉降的“檢驗盲區(qū)”為[-4.1，4.1]mm。因此，當各期沉降監(jiān)測點在這個范圍內(nèi)時，需要通過分析沉降監(jiān)測點是否“整體下沉”且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，來判斷該誤差是否由“檢驗盲區(qū)”引起，從而評估構(gòu)筑物的穩(wěn)定情況。

從圖3可以看出，橋梁段落三期沉降監(jiān)測成果的高程差值基本在-1.0～1.0 mm范圍內(nèi)波動，且呈現(xiàn)隨機性，可判斷該段橋梁是穩(wěn)定的。

從圖4可以看出，相較于第二期監(jiān)測成果，2015年11月第三期監(jiān)測成果產(chǎn)生了1.0～3.0 mm的“整體沉降”。此時，不能簡單地認為監(jiān)測點為整體沉降。通過分析，該“整體沉降量”在檢驗盲區(qū)范圍內(nèi)，可能是由于工作基點的高程引入誤差影響，再結(jié)合下節(jié)的“高差分析法”和隧道相關(guān)資料進行綜合分析，從而對該段隧道的穩(wěn)定性做出評價。

3.2 高差分析法

通過3.1節(jié)中隧道的第三期監(jiān)測成果可以看出，“高程分析法”不可避免地引入了工作基點的沉降誤差(在限差范圍內(nèi))，不能客觀、直接地反映構(gòu)筑物的沉降情況。因此，在運營期，往往通過比較各期沉降監(jiān)測點間的高差差值(未引入工作基點的誤差)來分析構(gòu)筑物的沉降情況，如圖5和圖6所示。

圖4 隧道監(jiān)測點沉降趨勢

圖5 相鄰橋墩監(jiān)測點間高差較差

圖6 隧道相鄰監(jiān)測點間高差較差

通過圖5和圖6可以看出，橋梁段落相鄰監(jiān)測點間各期的高差差值基本在-1.0～1.0 mm范圍內(nèi)波動，且呈現(xiàn)隨機性，隧道段落相鄰監(jiān)測點各期的高差差值基本在-0.5～0.5 mm范圍內(nèi)波動。因此，可以判斷該段橋梁和隧道是穩(wěn)定的。

通過對比分析圖3～圖6，可以看出，高差分析法消除了工作基點(起算點)的引入高程誤差，對于分析運營期構(gòu)筑物間的差異沉降，更為直接和客觀。

4 結(jié)論

通過誤差理論分析，得出了二等測量技術(shù)要求限差范圍內(nèi)的“檢驗盲區(qū)”，通過模擬實驗，分析了起算點不穩(wěn)定對下一級測量成果的影響，影響值的大小與不穩(wěn)定起算點的距離有關(guān)。結(jié)合工程實例，選取橋梁和隧道中兩段有代表性的段落，對比分析了高程分析法和高差分析法的優(yōu)劣。相較于高程分析法，高差分析法消除了工作基點(起算點)的引入誤差，可以更客觀地反映構(gòu)筑物間的差異沉降。在高速鐵路的運營期，更關(guān)心的是構(gòu)筑物之間的差異沉降。因此，采用高差分析法更為有利。