周金國，崔書珍，朱成飛

(1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 430007)

高速鐵路路基運營維護沉降監(jiān)測技術設計研究

周金國1，崔書珍2，朱成飛1

(1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015；2.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 430007)

針對高速鐵路線路高平順性特征及路基線下工程的日常維護與整治，通過布設監(jiān)測斷面、選擇橋梁上穩(wěn)定CPⅢ點作為路基沉降監(jiān)測基準點和采用監(jiān)測線路中CPⅢ點作為轉點尺承的觀測方法，設計了高速鐵路路基運營維護沉降監(jiān)測技術方案，解決了地面沉降區(qū)沉降監(jiān)測基準點選擇難和維護監(jiān)測施工時間短的難題，并在長三角高鐵網(wǎng)路基運營維護沉降監(jiān)測中得以實施，取得了良好效果，能夠滿足高速鐵路運營期三等變形測量技術要求。

鐵道工程；高速鐵路；維護監(jiān)測；差異沉降；基準點

0 引 言

隨著我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的實施，目前國內(nèi)高速鐵路運營里程已超過1×104km。高速鐵路要保證高速安全運行，軌道平順性要求極高，這就要求有一個穩(wěn)定的線下基礎。路基作為高速鐵路線路工程的重要組成部分，其穩(wěn)定性決定了高速鐵路安全性。2010年，原鐵道部運輸局下發(fā)了“關于發(fā)布《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》的通知”文件，要求對高速鐵路運營期沉降監(jiān)測進行規(guī)范管理，各高速鐵路運營線路維護部門也相繼開展了線下沉降監(jiān)測和精密網(wǎng)復測等相關工作[1]。

目前，國內(nèi)對高速鐵路沉降監(jiān)測技術開展了一系列的研究，除了傳統(tǒng)精密幾何水準測量方法之外，基于液力測量原理的高速鐵路路基面沉降變形長期監(jiān)測傳感器被應用于京滬高速鐵路運營期周邊施工影響沉降監(jiān)測中，該方法采用精密水準測量方法進行了校核和驗證[2]；光纖光柵傳感器器沉降監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)長距離準分布、多測點、多參量的測量，在鄭西客專中進行了實驗[3]；InSAR技術監(jiān)測地面沉降和線狀地物也在某些城際客?；蚋咚勹F路線中開展了相關研究[4-5]；尚金光等[6]對高速鐵路沉降中工程沉降和區(qū)域地面沉降區(qū)分提出了有益的方法。以上監(jiān)測手段或方法是對高速鐵路沉降監(jiān)測技術的積極創(chuàng)新與嘗試，其成本和穩(wěn)定性還有待進一步提高。精密幾何水準測量方法具有成本低、精度高等優(yōu)點，仍然是高速鐵路沉降監(jiān)測的主要方法。筆者所述技術方案是針對高速鐵路路基運營期沉降監(jiān)測特點，對傳統(tǒng)精密幾何水準測量方法的改進與優(yōu)化。高速鐵路處于運營階段，維護沉降監(jiān)測需在列車運行“天窗點”(夜間零點至凌晨四點)進行，可利用時間較短，且鐵路線路處于完全封閉狀態(tài)，給維護監(jiān)測帶來諸多不便。此外，長三角高鐵網(wǎng)多處于區(qū)域地表沉降地區(qū)，對運營維護監(jiān)測基準點的選擇提出了更高要求，同時還需要考慮高速鐵路線路高平順性特點。

筆者針對上述高速鐵路運營維護沉降監(jiān)測特點，研究設計了高速鐵路路基運營維護沉降監(jiān)測方案。通過布設監(jiān)測斷面、選擇橋梁上穩(wěn)定CPⅢ點作為路基沉降監(jiān)測基準點和采用監(jiān)測線路中CPⅢ點作為轉點尺承的觀測方法，提出了高速鐵路路基運營維護沉降監(jiān)測技術方案，解決了地面沉降區(qū)沉降監(jiān)測基準點選擇難和維護監(jiān)測施工時間短難題，既保證了維護監(jiān)測的順利實施，又考慮了線路的高平順性，突出差異沉降，為鐵路運營維護與整治提供參考依據(jù)。沉降監(jiān)測路基段的確定，一般是通過高速鐵路動檢車線路檢測或CPⅢ精密網(wǎng)復測分析完成的。

1 主要技術要求

高速鐵路路基作為無碴軌道結構的基礎，對沉降變形非常敏感，要求控制在非常小的范圍之內(nèi)。我國建設的高速鐵路在汲取國外沉降控制經(jīng)驗的基礎上，圍繞線路運營、結構允許變形，從路基竣工后扣件可調(diào)整量、20 m結構長度范圍內(nèi)的不均勻沉降、路基與橋涵之間錯臺差異沉降，以及軌道結構單元之間形成的折角等多方面對路基變形做出了嚴格規(guī)定[7]，見表1。

表1 高速鐵路無碴軌道路基工后沉降控制標準Table 1 Control standards of post-construction embankment settlement during operation

高速鐵路路基運營維護沉降監(jiān)測網(wǎng)布設成附合水準路線或閉合環(huán)狀，按照TB10 601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)“三等變形測量”要求執(zhí)行。沉降觀測精度要求如下：變形觀測點的高程誤差為±1.0 mm；相鄰變形觀測點的高程中誤差為±0.5 mm。沉降觀測網(wǎng)主要技術指標見表2。附合或閉合水準路線按照二等水準測量技術要求施測。

表2 沉降觀測網(wǎng)主要技術指標Table 2 Primary technical indices of settlement observation network

2 技術方案設計

2.1 基準點選擇

目前，國內(nèi)很多高速鐵路修建在經(jīng)濟較發(fā)達的華北平原、長三角和珠三角地區(qū)，諸地區(qū)也是全國區(qū)域地面沉降較嚴重地區(qū)。在高速鐵路修建伊始，按照《規(guī)范》，為解決區(qū)域地面沉降問題，線路沿途每隔50 km宜修建一座基巖標，作為高程控制測量的基準，以保證高速鐵路線路的設計坡度和平順性。

在高速鐵路路基運營維護階段，需要監(jiān)測的線下路基工程一般范圍較小(多集中在車站)，少則幾百米，多不過幾公里。采用高速鐵路施工階段遺留的基巖標作為基準點距離監(jiān)測區(qū)太遠，聯(lián)測累積誤差較大，不能滿足要求，且不利于“天窗點”施工。同時，利用基巖點進行路基沉降監(jiān)測時還需要對沉降路基兩端部分橋梁或非沉降路基段進行測量，以便計算沉降路基段線路的相對調(diào)整量，保證線路的平順性，增加了監(jiān)測工作量。另外，沿途遺留的其他水準點因地面沉降影響，亦不能作為維護監(jiān)測的高程基準點。高速鐵路橋梁墩臺是根據(jù)當?shù)厮牡刭|條件設計施工的，埋設深度一般在30～40 m，較一般水準點穩(wěn)定性高，故選擇沉降路基兩端的橋梁上的CPⅢ點作為該段路基維護監(jiān)測的起、終基準點，且利用橋梁上的CPⅢ點作為基準點所獲得路基沉降量是相對于橋梁的相對沉降量，便于路基線路相對調(diào)整量計算，監(jiān)測工作量較線路沿線基巖標基準減少。起算數(shù)據(jù)采用CPⅢ精密網(wǎng)最新復測數(shù)據(jù)。基準點點位分布見圖1。

圖1 水準測量路線與各類監(jiān)測點分布示意Fig.1 Schematic for route measured by level and distribution of monitoring points of all kinds

起、終基準點間按國家二等附合幾何水準線路測量，且每期觀測時線路兩端各延伸至基準點外相鄰3個CPⅢ點作為對基準點的基本檢核，水準路線布設見圖1。按照《規(guī)范》“三等變形測量”要求，每期監(jiān)測基準點間高差閉合差應滿足公式(1)要求，否則延伸測量路線兩端的CPⅢ點重新確立新基準點，直至滿足式(1)的要求。

(1)

式中：h觀測為觀測高差；h為最新復測高差；n為測站數(shù)。

2.2 監(jiān)測點布設

高速鐵路路基維護沉降監(jiān)測采用水準斷面監(jiān)測法，即各類監(jiān)測點布設成縱橫斷面。為整體掌握線下路基穩(wěn)定性及差異沉降情況，根據(jù)線下路基結構，監(jiān)測點分別在路基兩側路堤、底座板、軌道板、軌面和雙線路基中心處，每類監(jiān)測點沿線路走向形成一條縱斷面。同時，路基監(jiān)測區(qū)每對CPⅢ對應位置布設成一條基本橫斷面，并根據(jù)監(jiān)測區(qū)沉降嚴重情況，相鄰兩對CPⅢ之間進行橫斷面加密。各類監(jiān)測點路基位置分布見圖2。路基兩側路堤監(jiān)測點采用線路兩側CPⅢ點代替。

圖2 路基監(jiān)測點布設Fig.2 Distribution of embankment monitoring points

2.3 數(shù)據(jù)觀測與分析

路基維護沉降監(jiān)測一般每月進行1次，當單次沉降量超過3 mm時，需進行復測，并提高觀測頻率。當遇到暴雨等極端天氣情況下，也應增加觀測次數(shù)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集采用二等水準附合路線進行。除線路兩端基準點和3個檢核點外，線路中其他CPⅢ點作為線路測量轉點尺承。除CPⅢ外的其他各類監(jiān)測點在進行水準線路測量時采用中視法觀測，且每期每站中視測量的監(jiān)測點固定，水準路線圖見圖1?，F(xiàn)場測量時，要求測站位置、所用儀器、操作人員三固定，保證每次觀測條件一致，減少測量誤差。該觀測方法大大提高了作業(yè)效率，同時保證了測量精度。

從原始觀測數(shù)據(jù)中提取各尺承CPⅢ間高差，計算附合線路高差閉合差。在閉合差滿足式(1)的情況下，按測站數(shù)進行高差閉合差改正，然后通過起、終基準點計算獲得CPⅢ監(jiān)測點的高程；從原始數(shù)據(jù)中提取后視CPⅢ與各中視監(jiān)測點的高差，利用平差后的各后視CPⅢ點高程計算獲得各中視監(jiān)測點高程。各期計算成果與首期基準數(shù)據(jù)進行比較，獲得每個監(jiān)測點的沉降量，繪制縱斷面圖了解相鄰監(jiān)測點差異沉降情況。

3 工程實例分析

長三角是全國城際客運系統(tǒng)最發(fā)達地區(qū)，其高速鐵路網(wǎng)絡主要由滬寧、滬杭、寧杭和杭甬等客運專線組成。長三角地區(qū)也是全國地面沉降較嚴重地區(qū)，人口稠密，四季變化較明顯，列車安全運行至關重要。筆者以長三角高速鐵路某車站路基段為研究對象，該客專高鐵采用無碴軌道，設計時速350 km/h，橋梁工程占87%。在通過動檢車檢測和CPⅢ復測確定該車站所在路基段存在沉降問題，需要進行運營期的沉降監(jiān)測。

按照筆者設計的方案，在車站路基段兩端橋梁上選擇了CPⅢ079327、CPⅢ083315作為監(jiān)測附合線路的起、終基準點，線路全長3.5 km。根據(jù)路基結構特征，布設了上行CPⅢ點、上行底座板監(jiān)測點、上行軌道板監(jiān)測點、上行軌面監(jiān)測點、下行軌面監(jiān)測點、下行軌道板監(jiān)測點、下行底座板監(jiān)測點和下行CPⅢ點8條縱斷面。首期觀測在2011年10月3日，以后每月監(jiān)測1次。筆者提取了2012年6月—2012年11月第8期～13期共6期觀測進行分析研究，各期監(jiān)測數(shù)據(jù)結果精度統(tǒng)計見表3。

表3 各期沉降監(jiān)測成果精度統(tǒng)計Table 3 Accuracy statistics of settlement monitoring data /mm

從表3可以看出，該監(jiān)測方案可以滿足《規(guī)范》“三等變形測量”技術要求，能夠真實反映出高速鐵路路基沉降情況，為鐵路線路維護提供準確數(shù)據(jù)。圖3展示了該段路基第8期～13期6期監(jiān)測上下行部分監(jiān)測點縱斷面變化態(tài)勢。

從圖3中可以看出，截止到2012年11月28日，該路基個別地區(qū)累計沉降量已超過20 mm(長路基限值30 mm)，且有持續(xù)沉降趨勢，需引起鐵路線路維護部門重視。同時，該段路基不均勻沉降小于20 mm/20 m，線路平順性較好，尚不影響列車正常運營。

圖3 路基維護沉降監(jiān)測縱斷面變化態(tài)勢Fig.3 Longitudinal profile of monitored embankment settlement variation tendency in maintenance stage

高速鐵路路基線路的平順性維護一般通過軌道扣件調(diào)整實現(xiàn)，對沉降變化較大地區(qū)(已超過扣件調(diào)整量)可以通過路基兩側打樁注漿等方式進行整治，在整治施工過程中，也可通過筆者所述方案進行施工期間的路基變化準實時監(jiān)測。

4 結 語

高速鐵路路基運營期間的維護沉降監(jiān)測，一般參照《規(guī)范》施工階段沉降技術方案執(zhí)行，但運營期間存在的天窗點施工時間短、鐵路線路封閉、長期監(jiān)測、監(jiān)測點布設密度大等客觀因素影響，不能完全按照施工期間監(jiān)測方案執(zhí)行，特別是在基準點選擇上需考慮施工便利、穩(wěn)定、軌道平順性等因素。通過工程實例表明，筆者設計的技術方案完全能夠滿足高速鐵路路基運營期間的維護沉降監(jiān)測的需求，值得在高速鐵路運營維護中推廣借鑒。

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Technical Design of Embankment Subsidence Monitoring of High-speedRailway in Operation and Maintenance

ZHOU Jinguo1, CUI Shuzhen2, ZHU Chengfei1

(1.Chongqing Institute of Surveying and Mapping, NASM, Chongqing 400015, P. R. China;2.Chongqing Institute of Engineering, Chongqing 430007, P. R. China)

An embankment settlement monitoring technical scheme was developed for purpose of embankment settlement monitoring in operation and maintenance of express railway based on the features of high flatness of high-speed railway and routine maintenance and regulation works below embankment line. Monitoring sections were arranged and stable points CPIII on bridge were selected as reference points for embankment settlement monitoring and the observational method was used by taking CPIII points in monitored route as turning points. This technical scheme solves the problems of difficult fixation of monitoring points in surface settlement zone and tight schedule for maintenance and monitoring works and its application in embankment settlement monitoring during maintenance and operation stages generated positive results and meet technical requirement for third-level deformation measuring of high-speed railway.

railway engineering；high-speed railway; maintenance monitoring; differential settlement; datum mark

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.14

2014-10-08；

2015-02-02

重慶工程職業(yè)技術學院院級課題(KJC201336)

周金國(1982—)，男，山東濰坊人，工程師，碩士，主要從事工程測量與遙感工程應用方面的研究。E-mail：zjg@cqism.com。

P258

A

1674-0696(2016)02-060-04