高速鐵路線下工程沉降觀測與結果研究

［關鍵詞］高速鐵路；線下工程；沉降觀測；梁體徐變

無砟軌道是一種利用一體化道床替代碎石鋪設的新型軌道，具有整體性極強、穩定性好、可抑制軌道變形等諸多性能優勢，被廣泛應用于當前新建軌道項目。現有研究多圍繞無砟軌道的施工策略、工藝展開，然而在無砟軌道施工與運營環節，常見局部沉降、變形等質量問題，嚴重影響列車運行質量及高速鐵路、橋梁運營狀態，還需在施工期間及完工后落實嚴格的沉降變形觀測工作。鑒于此，本文以沉降觀測為落腳點，對沉降觀測的過程、如何根據觀測結果判斷線下工程沉降量是否保持穩定狀態詳細說明，為高速鐵路安全運營及管理工作提供現實借鑒。

1. 研究背景

1.1 工程概況

以某高速鐵路線下工程為例，工程位于安徽省阜陽市潁上縣，主要工程內容包含1座車站，正線路基2.195 km，橋梁25.830 km（其中包含2座特大橋），制架預應力砼簡支箱梁775孔、現澆梁13孔，框架涵10道/265.02延米。本次沉降觀測區段起訖里程為DK234+803～DK237+732，評估段為阜陽特大橋1482#～1571#墩，正線全長2.929 km、左右線間距5 m。評估段有橋墩89個、設有測點178個，橋臺1座、設有測點4個，主體結構完工后總觀測時長為186天，DK234+835～DK237+732（1 482#墩～1 571#墩）已滿足評估要求。

1.2 現場環境條件

在地形地貌條件上，工程所在區域屬淮河沖積平原，地勢平坦開闊；氣候分區上屬亞熱帶濕潤區，降雨量季節性差異大，高速鐵路主線分布區域內跨路、跨河、穿越農田數量較多，且農田水位偏高。在地質條件上，橋址范圍內DK234+803～DK237+620段為第四系上更新統沖積層和第四系上更新統湖積層，DK237+620～DK237+732段為第四系中更新統沖積層。在水文地質條件上，DK234+835～DK237+620段為第四系地層孔隙潛水，穩定水位埋深為0.3～2.9 m，水位季節變幅為1～3 m；DK237+620～DK237+732段同屬第四系地層孔隙潛水，穩定水位埋深為0.8～3.2 m，水位季節變幅為1～3 m。在不良地質條件下，在區段范圍內部分水塘、水溝表層分布少量淤泥。

1.3工程措施及施工方法

在橋位布置上，將該特大橋的1 482#～1 571#墩設計孔跨為57～32 m 簡支箱梁+1-24 m 簡支箱梁+29-32 m 簡支箱梁+1-24 m簡支箱梁+1-32 m簡支箱梁，無特殊孔跨。在荷載情況分析上，該橋梁體均為簡支箱梁，24 m箱梁、32 m箱梁自重荷載分別為6410kN和8220kN；對該無砟軌道雙線橋的二期恒載值進行測定，1482#～1494#墩的曲線無聲屏障二期恒載值為137.7 kN/m，1494#～1532#墩、1547# ～1550# 墩直線無聲屏障二期恒載值均為123.9 kN/m，1532#～1547#墩、1550#～1571#墩直線有聲屏障二期恒載值均為132.5 kN/m。在基礎設計上，采用摩擦樁基礎，樁徑為1 m，樁長控制在48.5～52 m范圍內，基于鉆孔灌注樁工藝施工；承臺尺寸包含兩種形式，分別為10.4 m×4.5 m×2.2 m和14.6 m×7.6 m×3 m（L×W×H）；墩身為直墩，高度設定為2.58～6.5 m。在支座設置上，對坡道上梁跨均斜置，簡支梁選用TJQZ-8360 球形支座；對于1482#～1571#孔梁處，將支座設置在每孔簡支梁上方處；對于橋墩處，需將支座布置在線路左側。在施工方法設計上，包含鉆孔灌注樁、承臺施工以及實體墩臺身施工三個環節。

2. 沉降變形觀測實施過程

2.1前期準備工作

2.1.1變形測量等級與精度

參考GB12897-2006規范進行觀測區段沉降變形測量，將變形測量等級分為二等、三等，垂直位移測量中變形觀測點高程中誤差分別為±0.5 mm、±1.0 mm，相鄰變形觀測點的高差中誤差分別為±0.3 mm、±0.5 mm；水平位移觀測中測點的點位中誤差分別為±3.0 mm、±6.0 mm。在垂直位移監測網設計上，選用DS05型儀器進行觀測，二等、三等變形測量等級對應的相鄰基準點高差中誤差分別為0.5 mm和1.0 mm，每站高差中誤差分別為0.13 mm和0.3 mm，往返較差、附合或環線閉合差分別為0.3 n 和0.6 n，檢測已測高差較差分別為0.5 n 和0.8 n[1]。

2.1.2垂直位移監測網建立

沉降變形測量點位包含基準點、工作基點和沉降變形點三種類型（前兩種測量點位的標石埋設規格如圖1所示）[2]。已知本次評估區段以工作基點作為測量點位，采用混凝土預制樁標石、不銹鋼材質標芯，沿主線兩側在距中心線50～200 m范圍內埋設14個工作基點，沿線路方向250～300 m處布設1個工作基點，并在觀測期間進行6次同精度復測，復測結果顯示上述工作基點穩定可靠，滿足垂直方向的沉降位移觀測需求。

2.2 沉降變形觀測實施

2.2.1觀測點與觀測頻次

選用不銹鋼材質在DK234+803～DK237+732區段布設沉降觀測點，該區段包含90個斷面，每墩設有2個測點、杭方臺處設置4個觀測標，共布設變形觀測點182個。由橋梁墩臺施工期間至完工后進行觀測頻次設計，當墩臺施工至一定高度后，設置觀測點，并進行1次觀測；在墩臺混凝土施工環節，完工后觀測1次；在預制梁橋架設前每月觀測1次，架設后觀測1次；現澆橋梁制梁前每月觀測1次，上部結構施工過程中在荷載變化前觀測1次、荷載變化后的前3天每日觀測1次；在架橋機通過環節，首次通過前觀測1次，首次通過后的前3天每日觀測1次、后續每周觀測1次；在橋梁主體工程完工后，第1～3個月每周觀測1次，第4～6個月每2周觀測1次，6個月以后每月觀測1次；在軌道鋪設期間，前、后各觀測1次；在軌道鋪設完成后，第1個月每2周觀測1次，第2～3個月每月觀測1次，第4～12個月每3個月觀測1次，第12個月以后每6個月觀測1次[3]。

2.2.2觀測方法設計

依據國家二等水準要求設計水準路線，分別選取墩臺兩側布設觀測點，采用往返測量方式進行觀測，各項測量指標均符合技術要求[4]。在觀測標準參數設計上，視線長度≦50 m，前后視距差≦1.5 m、累積差≦6.0 m，視線高度≧0.5 m；在測站限差設計上，應確保兩次測量讀數差≦0.4 mm，兩次測量高差的差值≦0.6 mm，檢測間歇點高差的差值≦1.0 mm；在計數標準設計上，采用數字水準儀將該讀數取值控制在小數點后2位（0.01 mm）；在觀測順序設計上，奇數站、偶數站分別遵循“后-前-前-后”和“前、后、后、前”的照準順序，且各測段均以偶數站結束。在觀測過程中，要求測量人員嚴格將水準儀置平，沿水準路線方向控制兩腳螺旋與之平行，第三腳螺旋在水準路線兩側輪流置換，且在路線上除拐彎處外，其他各測站所在點位與其前、后視標尺均分布在同一直線上。此外，為保證水準尺測量結果穩定準確，擬選用重量超過5 kg尺墊。將水準測量結果記錄后，每日由監理方進行簽字確認，并以電子版形式將月報上報評估單位，便于及時歸檔與后期評估[5]。

3. 沉降變形數據分析與觀測結果

3.1累計沉降量統計

該項目中自主體工程完工后觀測時長至少達193天，整體觀測期間沉降穩定，符合技術要求中觀測周期不少于6個月的條件。通過對90個橋墩進行為期388～600天的觀測，從中發現評估區段范圍內在測點0235588D2處出現最大沉降量，沉降量數值為7.03 mm。將橋梁墩臺沉降變形量觀測結果進行匯總可知，沉降量在0～3 mm的測點數量為9個，占比4.95%；沉降量在3～6 mm范圍內的測點數量為164個，占比90.1%；沉降量gt;6 mm的測點數量為9個，占比4.95%。將近3個月的沉降數據進行匯總可知，沉降觀測值波動幅度小于3 mm的測點數量為182個，沉降增量均小于2 mm，占比100%。

3.2 沉降量-時間變化關系

針對觀測區段DK234+835D1～DK237+732D1內所有測點的沉降量統計數據進行匯總，建立各測點累計沉降量分布曲線，如圖2所示。從中可以看出，觀測期間測點曲線的波動幅度相對平緩，整體波動量較小，且近3個月的波動幅度小于±3 mm、沉降量均控制在2 mm以內，未發生連續下沉現象，沉降曲線趨向收斂。同時，相鄰墩臺的沉降幅值差距較小，進一步證明觀測區段內的墩臺沉降已處于穩定狀態。

3.3梁體徐變觀測結果

在橋梁梁體徐變觀測環節，依據二等水準測量精度要求建立閉合水準觀測路線，共布設6個簡支梁沉降觀測點位，由測點1→3→4→2構成第一個閉合環，測點3→5→6→4構成第二個閉合環，且在閉合環形成前需置鏡2次以上。在觀測頻次設計上，在梁體施工完成后設置觀測點，獲取觀測數據；在預應力張拉期間張拉前后各觀測1次，用于測試梁體彈性變形；在預應力張拉完成至軌道鋪設前，需在張拉完成后的第1天、3天、5天各觀測1次，張拉完成后的1～3個月每周觀測1次；在軌道鋪設期間，選取鋪設前、后各觀測試1次；在軌道鋪設完成后，在0～3個月內每月進行1次殘余徐變變形量的觀測，在4～12個月期間每3個月進行1次觀測，在12個月以后每6個月進行1次觀測。在連續梁梁部測點設置上，選取支點、中跨跨中、邊跨1/4跨中附近沿縱向分別設置測點，對于3跨以上連續梁中跨同樣布置點位，三孔一聯、四孔一聯的觀測標數量分別為14個和18個，并參考上述簡支梁布置方案進行橫向測點布置。本次觀測范圍為32 m簡支梁2榀，整體觀測結果符合規范與設計要求（如表1所示）。

3.4觀測結果分析

通過將觀測區段的工程沉降變形數據進行匯總可以發現，在整體施工期間與完工后該區段的沉降速度變化情況均處于穩定狀態，未發生異常沉降量；沉降過程曲線、沉降速度曲線的波動幅度相對平緩，波動量較小；沉降變形觀測周期均滿足6個月以上，且近3個月沉降數值的波動幅度不超過±3 mm、沉降量小于2 mm，未見連續下沉，整體沉降曲線趨向收斂；局部區段的簡支梁梁體徐變觀測結果顯示，終張完成時的跨中彈性變形量、終張60天后徐變上拱值均控制在設計值與允許值范圍內。

3.5沉降變形原因分析及改進建議

3.5.1沉降變形原因

由于該項目整體沉降變形觀測結果符合要求，為針對沉降變形原因進行分析，擬選取出現最大沉降量的測點0235588D2進行沉降原因推斷：首先取決于工程因素，該項目中高速鐵路線下區段在施工期間主要承受橋梁、機械（如架橋機通過）等荷載作用，伴隨施工時間的推移，該測點處的荷載出現變化，對樁基穩定性產生干擾。當局部荷載增大時，使該測點處的沉降量增大；待荷載處于穩定狀態、不再增加后，沉降量同樣歸于穩定狀態。

其次取決于測點布置情況，該項目中選用不銹鋼材質布設測點，在施工期間倘若發生擾動現象，將使沉降觀測標出現受損或失穩現象，此時需重新進行觀測標的制作與測點埋設，此后雖可正常進行沉降狀態的觀測，但將導致數據觀測結果缺乏良好的連續性，加之局部區域存在沉降觀測盲區，一定程度上影響橋梁沉降量觀測結果的準確性。

再次取決于地質條件因素，該項目中高速鐵路線下工程施工區域位于淮河沖積平原，三種地層巖性特征存在一定差別，包含粉土、粉質黏土、黏土、粉砂、細砂、中砂及粗砂等組分，加之局部跨河段水位與穿越農田段地下水位較高，在季節性降水階段使水位持續上升，可能導致橋梁局部發生沉降。

最后取決于人為因素，由于在沉降變形觀測環節對于人工操作的依賴度較高，加之投入運營后不可避免會受人為破壞因素的影響，均易對觀測結果產生干擾，導致測量結果出現一定偏差。

3.5.2 改進建議

一方面，應在線下工程施工過程中及完工后分別落實嚴格的沉降變形觀測與評估工作，引導觀測人員加強日常數據的收集與分析，根據技術規范及標準要求進行測點布置、數據讀取及記錄，及時發現工程沉降、變形分布規律，遏制工程事故的發生。另一方面，還應加強信息化管理手段的應用，及早建立沉降變形觀測數據庫，基于數據共享原則進行案例資源的比較分析與測算，保證實現對沉降數據的有效利用，以線路、工點為單位進行源頭追溯，輔助提升工程管理水平。

通過整合該項目中線下工程沉降觀測結果可知，評估區段在施工階段及施工完成后的沉降速度均處于穩定變化狀態，沉降量-時間與沉降速度曲線的波動幅度與波動量均較小，且沉降觀測時間滿足6個月以上要求，匯總近3個月觀測結果可見沉降曲線趨向收斂，整體來看該項目觀測區段滿足評估條件要求。在同類工程項目觀測環節，還可引入信息化手段輔助提升觀測效率，對沉降量較大或存在局部突變的點位采取測點加密、增加頻次等處理策略，便于及時發現、解決問題，從而消除工程隱患，維護高速鐵路線路的安全穩定。