劉丙強(qiáng)

(中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局工務(wù)部，北京 100844)

高速鐵路對(duì)軌道幾何平順性以及路基、橋梁變形提出了更高的要求。經(jīng)過幾年的運(yùn)營(yíng)，華北平原、長(zhǎng)江三角洲等地區(qū)出現(xiàn)的大面積基礎(chǔ)沉降給高速鐵路運(yùn)營(yíng)帶來了潛在危害。高速鐵路是大型線狀結(jié)構(gòu)，跨度大，沿線地形復(fù)雜，基礎(chǔ)變形分布廣且在發(fā)展過程中呈現(xiàn)不均勻性和階段性等特征［1］。因此，高速鐵路基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)十分重要。早期的常規(guī)人工測(cè)量技術(shù)工作量大，精度難以達(dá)到要求。伴隨著高速鐵路的發(fā)展，先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，可用來及時(shí)掌握高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形情況。這樣可在設(shè)計(jì)、施工中及時(shí)處理沉降偏大的路基，以免留下隱患;而在運(yùn)營(yíng)階段，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)沉降值異常，可以提前作出預(yù)警，防止出現(xiàn)安全事故［2］。由于各種方法的觀測(cè)范圍、對(duì)象、精度及周期有所不同，因此需要系統(tǒng)地研究各種方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合應(yīng)用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，形成經(jīng)濟(jì)可靠的高速鐵路基礎(chǔ)變形測(cè)量技術(shù)體系。

1 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容

施工階段的基礎(chǔ)變形觀測(cè)包括路基面、路基基底和路基本體沉降觀測(cè)［3］以及橋梁基礎(chǔ)沉降觀測(cè)。在運(yùn)營(yíng)階段，除對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)外，還要對(duì)軌道幾何尺寸如高低、軌向、三角坑等進(jìn)行檢測(cè)。在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)水位及孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以預(yù)測(cè)地基沉降趨勢(shì)，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)具有重要意義［4］。

2 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)方法及原理

高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)范圍大，在不同階段監(jiān)測(cè)內(nèi)容和目的不同，所采用的監(jiān)測(cè)方式也是多樣的。為了能夠選出合適的監(jiān)測(cè)，需要對(duì)現(xiàn)有的沉降測(cè)量技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，掌握各種方法的觀測(cè)精度、觀測(cè)周期以及適用范圍。

2.1 常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)

監(jiān)測(cè)高速鐵路基礎(chǔ)沉降最常用的方法有路基沉降板法、變形觀測(cè)樁法、沉降水杯法以及路基、橋梁通用的電子水準(zhǔn)儀等高精度儀器的高程測(cè)量法。按施測(cè)階段、施測(cè)目的及功能測(cè)控網(wǎng)可分為勘測(cè)控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)。各階段高程控制網(wǎng)以線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)為基準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是控制網(wǎng)覆蓋了鐵路沿線，精度高，范圍廣。其缺點(diǎn)是需要定期維護(hù)，樁點(diǎn)保護(hù)困難、復(fù)測(cè)成本高，測(cè)量效率低，不能實(shí)現(xiàn)全天候測(cè)量等。以下詳細(xì)敘述各種常規(guī)檢測(cè)方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.1 沉降板法

沉降板法是一種簡(jiǎn)單的沉降觀測(cè)方法，沉降板由鋼板、連接管和套護(hù)管組成。鋼板尺寸多為0.5 m×0.5 m×0.03 m，連接管一般采用直徑40 mm的鋼管，隨著路基不斷填高，連接管和套護(hù)管需要不斷加長(zhǎng)。沉降板隨所在土層一起發(fā)生位移并帶動(dòng)連接管，通過在地表測(cè)量連接管管口前后兩次高程差，可計(jì)算出沉降板處地基的沉降量［5］。沉降板法具有操作簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯，如對(duì)施工有干擾，連接管很容易被撞壞。此外，受損后修復(fù)困難［6］。

2.1.2 變形觀測(cè)樁法

觀測(cè)樁采用圓形鋼筋，一般是在基床底層表面或基床表層表面填筑完成后，在表面埋設(shè)這種觀測(cè)樁，鋼筋頂部一般高出表面3～5 mm，用涂漆等方法進(jìn)行防銹處理，靜置3 d即可進(jìn)行觀測(cè)。變形觀測(cè)樁法操作比較簡(jiǎn)單，但是只能測(cè)量路基表面沉降值，無法測(cè)定土體內(nèi)部的沉降，且對(duì)施工有一定的影響。

2.1.3 水準(zhǔn)測(cè)量法

水準(zhǔn)測(cè)量法是利用水準(zhǔn)儀提供的水平視線，讀取豎立在兩點(diǎn)的水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，計(jì)算兩點(diǎn)之間的高差，并由其中已知點(diǎn)的高程推算另一未知點(diǎn)的高程。該方法精度較高，但是需要人工觀測(cè)，工作效率低、強(qiáng)度大且受天氣、地形等的影響，因此一般只適用于小范圍測(cè)量［7］。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是在變形變位的結(jié)構(gòu)物上布置傳感器，實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、預(yù)警、發(fā)布等功能。目前使用較多的有單(多)點(diǎn)沉降計(jì)、磁環(huán)沉降儀、基于液位傳感器原理的光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀、基于受激布里淵效應(yīng)的全分布式布里淵光時(shí)域分析傳感系統(tǒng)、基于重力加速度微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的光纖式電水平梁和陣列式位移傳感器(SAA)等。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)范圍相對(duì)較小，初期成本相對(duì)較高。

2.2.1 單(多)點(diǎn)沉降計(jì)

單(多)點(diǎn)沉降計(jì)是地基深層沉降監(jiān)測(cè)常用儀器，由位移計(jì)、錨頭、法蘭盤、連接桿等組成，用來測(cè)量錨頭和沉降盤之間的壓縮變形。當(dāng)?shù)鼗蛳伦冃螘r(shí)，法蘭盤與地基同步變形，使位移計(jì)中導(dǎo)磁體在磁感線圈內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)滑移，通過人工采集或自動(dòng)采集測(cè)出位移變形量，達(dá)到沉降檢測(cè)的目的。單(多)點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試精度高，可自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)并能進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸，適用于長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)。但其安裝復(fù)雜，埋設(shè)時(shí)由于需要鉆孔，一次性投入的總體費(fèi)用較高，受經(jīng)費(fèi)限制往往不能大量設(shè)置。

2014年3月1日，云南昆明發(fā)生嚴(yán)重恐怖暴力案件，社會(huì)治安面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。謝清森坐不住了，他接連幾天思考斟酌，總覺得應(yīng)該也有能力為社會(huì)做點(diǎn)什么。

2.2.2 磁環(huán)沉降儀

磁環(huán)沉降儀由分層沉降管、波紋管、磁環(huán)和分層沉降儀組成。在路基中相應(yīng)深度處安裝磁環(huán)，使得磁環(huán)與所在土層同步沉降，用分層沉降儀測(cè)量各磁環(huán)的位置，可分別計(jì)算各土層的沉降量。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)主要是影響施工，沉降管容易被機(jī)械撞壞。

2.2.3 光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀

光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀是基于連通器原理，將靜力水準(zhǔn)儀的液位變化用光纖光柵的波長(zhǎng)變化來反映，然后通過配套的解調(diào)儀來測(cè)量波長(zhǎng)變化，從而得到高程變化的專用儀器［8］。試驗(yàn)中用光纖光柵傳感器測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對(duì)變化，來得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)沉降量，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站，經(jīng)解調(diào)后存儲(chǔ)于現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)站［9］。為了進(jìn)行溫度補(bǔ)償［10］，可以在同一根光纖等強(qiáng)度量的正反面刻上兩個(gè)光柵，將兩個(gè)波長(zhǎng)的變化相減，從而起到消除溫度影響的效果。光纖光柵靜力水準(zhǔn)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基沉降，具有測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是安裝復(fù)雜，需要采用精密水準(zhǔn)儀使監(jiān)測(cè)點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高一致。此外，光譜分析儀價(jià)格昂貴也是其主要缺點(diǎn)［11］。

2.2.4 全分布式布里淵光時(shí)域分析傳感系統(tǒng)

光在光纖中傳輸時(shí)，光纖內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微弱的聲波，光子與光纖中的聲子相互作用，形成與入射光存在一定頻率差的散射光，成為布里淵散射光。布里淵散射光與入射光的頻率差稱為布里淵頻移。若入射光子受激后釋放一個(gè)聲子并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率較低的光子，稱為斯托克斯光;若入射光子吸收一個(gè)聲子后產(chǎn)生一個(gè)頻率較高的光子，則稱為反斯托克斯光。在頻譜上，斯托克斯光和反斯托克斯光分別位于入射光兩邊約11 GHz。光纖外界環(huán)境(變形)會(huì)使該布里淵頻移發(fā)生變化，而光纖中布里淵頻移和變形有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，于是可以根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系得到變形的信息，這就是布里淵分布式光纖傳感器的原理。利用此原理，制造出布里淵光時(shí)域分析儀(BOTDA系統(tǒng))可以對(duì)大壩、路基等的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)［12］。布里淵光時(shí)域分析儀檢測(cè)精度高，適合長(zhǎng)距離傳感，但是存在功率不穩(wěn)定的問題，容易受到激擾。

2.3 InSAR測(cè)量技術(shù)

InSAR即合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉相位，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。InSAR技術(shù)所獲取的不是離散點(diǎn)的信息，而是大面積連續(xù)的地形信息。其具有全天候、全天時(shí)作業(yè)、測(cè)量結(jié)果覆蓋連續(xù)空間的優(yōu)勢(shì)。差分干涉測(cè)量技術(shù)(DInSAR)可對(duì)地表微量形變進(jìn)行測(cè)量，所以D-InSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于幅員遼闊、自然條件復(fù)雜的高鐵變形監(jiān)測(cè)。

2.4 綜合檢測(cè)列車動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)是基于慣性基準(zhǔn)的相對(duì)測(cè)量技術(shù)，可以檢測(cè)軌道的幾何尺寸，其中高低、軌向可實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)波長(zhǎng)120 m的檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量周期短(約10～15 d)，成本低，檢測(cè)速度快，覆蓋面廣，能快速發(fā)現(xiàn)軌道幾何尺寸變化的處所。其缺點(diǎn)是無法獲取絕對(duì)空間的軌道幾何尺寸，可測(cè)波長(zhǎng)相對(duì)于基礎(chǔ)變形來說不夠長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)全天候測(cè)量。

3 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)體系

為了發(fā)揮各種測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，需要建立經(jīng)濟(jì)可靠的基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形歷史數(shù)據(jù)的可追溯性。

在設(shè)計(jì)階段，InSAR測(cè)量技術(shù)可用于高鐵沿線的較低精度的沉降變形普查，以確定區(qū)域沉降范圍、差異沉降較大地段、沉降漏斗中心及新的沉降地段，還可對(duì)工后沉降進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤評(píng)估。由于SAR數(shù)據(jù)具有可追溯性，可保持高鐵建設(shè)前、建設(shè)中、運(yùn)營(yíng)后沉降數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對(duì)探索某一地域的沉降規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)高鐵維護(hù)具有重要意義。D-InSAR測(cè)量技術(shù)還可擴(kuò)展應(yīng)用到高鐵沿線路塹邊坡及隧道邊仰坡變形監(jiān)測(cè)、新建道路識(shí)別等，有助于復(fù)雜地形條件下的高鐵周邊環(huán)境檢查。但是在InSAR測(cè)量技術(shù)的平面測(cè)量精度取得進(jìn)展前，仍須應(yīng)用常規(guī)測(cè)量技術(shù)對(duì)高鐵平面變形進(jìn)行觀測(cè)。

在施工階段，主要采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法。在需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的地段可設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器，如光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀、單點(diǎn)沉降計(jì)等。

在鐵路運(yùn)營(yíng)階段，使用綜合檢測(cè)列車的長(zhǎng)波長(zhǎng)檢測(cè)功能，可識(shí)別擬合半徑劣于允許豎曲線半徑的差異沉降和線路方向變化。其短周期、高精度檢查的優(yōu)點(diǎn)有效彌補(bǔ)了InSAR測(cè)量技術(shù)和常規(guī)測(cè)量技術(shù)的不足。綜合檢測(cè)列車數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試至運(yùn)營(yíng)后的追溯，結(jié)合作業(yè)記錄，可研究高鐵全線或某一區(qū)段軌道幾何尺寸(包括長(zhǎng)波高低、長(zhǎng)波方向)的變化規(guī)律。綜合檢測(cè)列車增加更高精度的慣性基準(zhǔn)后，可大大提高其檢測(cè)波長(zhǎng)和測(cè)量精度。在鐵路運(yùn)營(yíng)階段，有了InSAR測(cè)量技術(shù)的全面普查，常規(guī)測(cè)量技術(shù)可有針對(duì)性地對(duì)普查出來的區(qū)域沉降、新生沉降等地段進(jìn)行高精度測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)存在較大區(qū)域沉降、較大差異沉降等的重點(diǎn)區(qū)段采用GPS或靜力水準(zhǔn)的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映運(yùn)營(yíng)鐵路的健康狀況，為行車安全提供信息保障［13］。這樣將大大提高觀測(cè)效率，降低觀測(cè)成本。

以上測(cè)量技術(shù)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。實(shí)際應(yīng)用中，建議采用InSAR測(cè)量技術(shù)對(duì)高鐵沉降進(jìn)行普查，用常規(guī)測(cè)量技術(shù)對(duì)區(qū)域沉降、新生沉降地段進(jìn)行精密測(cè)量，采用綜合檢測(cè)列車檢測(cè)技術(shù)對(duì)差異沉降進(jìn)行周期性檢查，用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)差異沉降速率快的地段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)全面普查與重點(diǎn)觀測(cè)相結(jié)合、靜態(tài)檢測(cè)與動(dòng)態(tài)檢測(cè)相結(jié)合、定期檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合、高精度與低精度測(cè)量技術(shù)合理搭配，從而建立高鐵經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的、可追溯的沉降測(cè)量技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 高速鐵路基礎(chǔ)變形測(cè)量技術(shù)體系

4 結(jié)語

高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形主要是地基受到荷載作用后排出孔隙中的水和氣體而引起的，采用有效的水位監(jiān)測(cè)技術(shù)探索水位變化與地基沉降的關(guān)系，可以預(yù)測(cè)地基沉降趨勢(shì)，在開采地下水、礦引起的地基沉降監(jiān)測(cè)方面意義重大。

另外近景攝影測(cè)量、地面雷達(dá)跟蹤測(cè)量、GPS實(shí)時(shí)測(cè)量等是近期研究十分活躍的變形測(cè)量技術(shù)。這些在地面變形觀測(cè)和建筑物變形觀測(cè)等方面得到了成功應(yīng)用，相關(guān)科研院校也進(jìn)行了探索。這些新的測(cè)量技術(shù)將在高鐵基礎(chǔ)變形觀測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。

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