顧 嵐
(中國(guó)鐵路呼和浩特鐵路局集團(tuán)公司 呼和浩特工務(wù)段,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)
鐵路基礎(chǔ)的變形直接影響著鐵路線路上部結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形對(duì)線路的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,是高速鐵路高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性運(yùn)營(yíng)的決定因素。
京包客專線是國(guó)家“十一五”規(guī)劃的重點(diǎn)工程,是內(nèi)蒙古首條高速鐵路。其中,新建烏蘭察布至呼和浩特東K361+870~K481+300段,位于華北北部,呈東西走向,于2017年8月3日正式開通。該段設(shè)計(jì)時(shí)速250km,全長(zhǎng)119.43km,路基長(zhǎng)度約54.33km,占全段的45.5%,橋梁共64座約40.2km(不含框構(gòu)橋),占全段的33.7%,隧道共19座24.9km,占全段的20.8%;工程結(jié)構(gòu)形式多,沿線地基處理措施多樣,過渡段多,沉降觀測(cè)工作量巨大。
筆者主要介紹了該開通段通過建立長(zhǎng)期基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),在實(shí)施過程中對(duì)沉降變形觀測(cè)技術(shù)和預(yù)測(cè)方法進(jìn)行認(rèn)真探索和總結(jié),為鐵路有關(guān)單位及時(shí)了解沉降變形現(xiàn)狀和后續(xù)的沉降變形發(fā)展趨勢(shì)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù),通過分析數(shù)據(jù),對(duì)病害地段提前采取整治措施,避免了安全事故和巨額經(jīng)濟(jì)損失。
沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含:一般路基地段、過渡段、橋梁、涵洞、隧道、隧道檢查井及中心管偏位沉降、水源井影響區(qū)域路基的沉降監(jiān)測(cè)。運(yùn)營(yíng)期沉降變形監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置與建設(shè)期設(shè)計(jì)要求相同,測(cè)標(biāo)已在建設(shè)期間埋設(shè),如果破壞或者不便于測(cè)量,則需重新進(jìn)行布標(biāo)、埋設(shè)。
1.1.1 路基(含過渡段)沉降監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置。沿線路方向間距一般≤50m;對(duì)于地勢(shì)平坦且地基條件均勻良好的路塹、填方高度<5m且地基條件均勻良好的路堤及路塹可放寬到100m;路橋、路隧過渡段分別在橋臺(tái)臺(tái)尾、隧道出入口距結(jié)構(gòu)物起點(diǎn)1m~5m處、10m~20m處、30m~50m處各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)斷面;路涵過渡段在涵洞中心及距涵洞中心兩側(cè)5m~10m、15m~25m處各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)斷面;路堤路塹過渡段,在分界處設(shè)路基面觀測(cè)斷面。
路橋、路隧過渡段,沉降監(jiān)測(cè)斷面一般在距不同結(jié)構(gòu)物起點(diǎn)5m~10m處、20m~30m處、50m處各設(shè)置一斷面。路涵過渡段應(yīng)于涵洞兩側(cè)2m處設(shè)一觀測(cè)斷面。
1.1.2 涵洞、橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置。涵洞觀測(cè)標(biāo):當(dāng)涵洞的涵頂填土≤3m時(shí)需對(duì)涵洞進(jìn)行沉降觀測(cè),觀測(cè)標(biāo)應(yīng)設(shè)在涵洞進(jìn)出口及涵洞中心兩側(cè)邊墻上,每個(gè)涵洞≥6個(gè)觀測(cè)標(biāo)。當(dāng)涵洞填土超過3m時(shí)不對(duì)涵洞進(jìn)行沉降觀測(cè),需根據(jù)路基專業(yè)要求對(duì)涵洞涵頂填土進(jìn)行沉降觀測(cè)。
當(dāng)橋墩墩身全高>14m時(shí)每墩設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量2處,位于墩身兩側(cè)高于地面0.5m位置;當(dāng)橋墩墩身全高>14m時(shí),布設(shè)每墩設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量1處,位于墩身兩側(cè)高于地面0.5m位置。水中墩及3m以下矮墩或橋墩墩身觀測(cè)點(diǎn)間高差特別大等特殊地段可設(shè)置在墩頂固定支座端防撞墻頂。每墩設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量2處,位于墩身兩側(cè)高于地面0.5m位置。水中墩等特殊地段同上可設(shè)置在墩頂固定支座端防撞墻頂。
圖1 路堤段沉降觀測(cè)斷面布置
圖2 涵洞沉降觀測(cè)標(biāo)志布置
1.1.3 隧道沉降監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置。①隧道工程沉降監(jiān)測(cè)是指隧道基礎(chǔ)的沉降觀測(cè),即隧道的仰拱部分。其他如洞頂?shù)乇沓两怠⒐绊斚鲁?、斷面收斂沉降變形等不列入沉降觀測(cè)的內(nèi)容。②隧道的進(jìn)出口進(jìn)行地基處理的地段,從洞口起每25m布設(shè)一斷面。③隧道內(nèi)一般地段沉降觀測(cè)斷面的布設(shè)根據(jù)地質(zhì)圍巖級(jí)別確定,一般情況下Ⅲ級(jí)圍巖每400m、Ⅳ級(jí)圍巖每300m、Ⅴ級(jí)圍巖每200m布設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面。當(dāng)長(zhǎng)度不足時(shí),每段圍巖或不同襯砌段應(yīng)至少布置一個(gè)斷面。④明暗交界處、圍巖級(jí)別、襯砌類型變化段及沉降變形縫位置應(yīng)至少布設(shè)兩個(gè)斷面(前后各0.5m處)。⑤地應(yīng)力較大、斷層或隧底溶蝕破碎帶等不良和復(fù)雜地質(zhì)區(qū)段,特殊基礎(chǔ)類型的隧道段落、隧底由于承載力不足進(jìn)行過換填、注漿或其他措施處理的復(fù)合地基段落加密布設(shè)(段長(zhǎng)>20m時(shí),每20m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面;段長(zhǎng)小于或等于20m時(shí),至少設(shè)置2個(gè)觀測(cè)斷面)。⑥隧道洞口至分界里程范圍內(nèi)應(yīng)至少布設(shè)一個(gè)觀測(cè)斷面。⑦路隧分界點(diǎn)處,路、隧兩側(cè)分別設(shè)置至少一個(gè)觀測(cè)斷面。
圖3 隧道觀測(cè)標(biāo)埋設(shè)示意
1.1.4 隧道檢查井及中心管偏位監(jiān)測(cè)。對(duì)隧道排水管、檢查井偏移地段的道床板進(jìn)行垂直位移監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)范圍為偏位排水管或檢查井中心處前后各30m區(qū)段;觀測(cè)標(biāo)布設(shè)于偏移方向軌道左右軌兩側(cè)道床板上不妨礙行車的位置。為避開道床板中的鋼筋,觀測(cè)標(biāo)埋設(shè)位置距離軌枕邊沿線應(yīng)≥10.5cm且≤15.5cm,兩個(gè)觀測(cè)標(biāo)構(gòu)成一個(gè)斷面,在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)間隔約5m布設(shè)一個(gè)斷面。
1.1.5 水源井影響區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)。布設(shè)的沉降觀測(cè)斷面密度為:以水源井投影至線路的里程為中心里程,向兩側(cè)每隔5m、15m、50m間距分別布設(shè)3個(gè)斷面,中心里程布設(shè)1個(gè)斷面,共計(jì)布設(shè)斷面19處,每處斷面設(shè)置兩個(gè)觀測(cè)標(biāo)。
1.1.6 其他。基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)結(jié)合工程建設(shè)期布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)籌考慮。差異沉降較大的特殊地段,應(yīng)布設(shè)特征監(jiān)測(cè)斷面。
全段監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部由施工單位埋設(shè),由于施工單位各標(biāo)段的沉降變形樁的命名不統(tǒng)一,為了便于項(xiàng)目及數(shù)據(jù)的管理,將原有點(diǎn)號(hào)全部統(tǒng)一更新。更新規(guī)則為:①路基段:觀測(cè)樁所在位置的概略運(yùn)營(yíng)里程加左、中、右,如:442033左、442033中、442033右,代表K422+033處路基左中右3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。②橋梁段:觀測(cè)樁所在位置的概略運(yùn)營(yíng)里程加TA、TC,或DA、DC,如:442033TA、442033TC或442033DA、442033DC,代表K442+033處橋臺(tái)或橋墩左右兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。③涵洞:觀測(cè)樁所在位置的概略運(yùn)營(yíng)里程加HA、HB、HC,如:442033HA、442033HB、442033HC。代表K442+033處涵洞左中右3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。④隧道檢查井及中心管偏位:觀測(cè)樁所在位置的概略運(yùn)營(yíng)里程加G1……G40,如:442030G1……442125G40,代表K442+030~K442+125段每5m一對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn),共計(jì)40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。⑤水源井影響區(qū)域:利用原有CPIII點(diǎn)作為沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),點(diǎn)號(hào)延用原有CPIII點(diǎn)號(hào)。
1.3.1 路基工程沉降變形觀測(cè)要求。路基工程沉降普查性變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部為施工單位施工期間埋設(shè),根據(jù)沉降體的屬性對(duì)稱布設(shè)在兩線間及線路兩側(cè)。
外業(yè)測(cè)量時(shí)采用附合水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)形式進(jìn)行,如圖4所示。
圖4 沉降觀測(cè)水準(zhǔn)路線示意
1.3.2 橋梁工程沉降變形觀測(cè)要求。橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)每段不小于2個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn),采用附合水準(zhǔn)線路的測(cè)量形式執(zhí)行。
橋墩水準(zhǔn)路線觀測(cè)按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求形成附合水準(zhǔn)路線,如圖5所示。
圖5 橋墩沉降觀測(cè)水準(zhǔn)路線示意
1.3.3 涵洞工程沉降變形觀測(cè)要求。涵洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)每段不≥個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn),采用附合水準(zhǔn)線路的測(cè)量形式執(zhí)行。
涵洞水準(zhǔn)路線觀測(cè)按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求形成附合水準(zhǔn)路線,水準(zhǔn)路線觀測(cè)示意圖,如圖6所示。
圖6 涵洞沉降觀測(cè)水準(zhǔn)路線示意
①變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)采用和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)相同的高程基準(zhǔn),技術(shù)要求按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量要求執(zhí)行。②全段普查性監(jiān)測(cè)時(shí),監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)測(cè)與線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)合并進(jìn)行;重點(diǎn)段落監(jiān)測(cè)時(shí),每次都應(yīng)進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)。③每次監(jiān)測(cè)時(shí),監(jiān)測(cè)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)使用時(shí)應(yīng)作穩(wěn)定性檢驗(yàn),并以穩(wěn)定或相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)作為沉降變形的參考點(diǎn),并應(yīng)有一定數(shù)量穩(wěn)固可靠的點(diǎn)用作校核。④投入項(xiàng)目的所有儀器和設(shè)備均應(yīng)出具合法檢定機(jī)構(gòu)出具的檢定合格證書,且應(yīng)在檢定有效期內(nèi)使用。⑤基準(zhǔn)網(wǎng)主要技術(shù)要求按表1執(zhí)行。⑥沉降變形監(jiān)測(cè)外業(yè)觀測(cè)要求按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量(變形測(cè)量三等)要求執(zhí)行。變形監(jiān)測(cè)精度要求見表2。
表1 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)要求(mm)
表2 變形測(cè)量等級(jí)及精度要求
沉降變形水準(zhǔn)測(cè)量執(zhí)行國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量要求,采用單路線往返觀測(cè)。對(duì)線下工程沉降變形點(diǎn)的測(cè)量,應(yīng)形成附合或閉合水準(zhǔn)路線,水準(zhǔn)路線經(jīng)過的工作基點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)≥2個(gè)。
使用DS05級(jí)及以上的自動(dòng)安平電子水準(zhǔn)儀,儀器及配套水準(zhǔn)標(biāo)尺均應(yīng)在有效的合格檢定期內(nèi)。水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺在使用前及使用過程中,經(jīng)常規(guī)檢校合格,水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)管軸的夾角均不超過15″。儀器各種設(shè)置正確,其中有限差要求的項(xiàng)目按規(guī)范要求在儀器中進(jìn)行設(shè)置,并在數(shù)據(jù)采集時(shí)自動(dòng)控制,不滿足要求時(shí)應(yīng)根據(jù)儀器的提示進(jìn)行重測(cè)。
外業(yè)測(cè)量一條路線的往返測(cè)使用同一類型儀器和轉(zhuǎn)點(diǎn)尺墊,沿同一路線進(jìn)行。觀測(cè)成果的重測(cè)和取舍按《國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T12897-2006)二等水準(zhǔn)有關(guān)要求執(zhí)行。觀測(cè)時(shí),視線長(zhǎng)度≤50m,前后視距差≤1.5m,前后視距累積差≤6.0m,視線高度≥0.55m且≤2.80m。測(cè)站限差:兩次讀數(shù)差≤0.4mm,兩次所測(cè)高差之差≤0.6mm,檢測(cè)間歇點(diǎn)高差之差≤1.0mm。觀測(cè)讀數(shù)和記錄的數(shù)字取位:使用數(shù)字水準(zhǔn)儀讀記至0.01mm。
觀測(cè)時(shí),一般按后-前-前-后的順序進(jìn)行,對(duì)于有變換奇偶站功能的電子水準(zhǔn)儀,按以下順序進(jìn)行:
往返測(cè):奇數(shù)站為后—前—前—后
偶數(shù)站為前—后—后—前
每一測(cè)段均為偶數(shù)測(cè)站結(jié)束。
數(shù)字水準(zhǔn)儀正式觀測(cè)前應(yīng)進(jìn)行≥20次單次測(cè)量,達(dá)到儀器預(yù)熱的目的,使儀器與外界氣溫趨于一致。每天觀測(cè)前應(yīng)對(duì)儀器i角檢測(cè)并做好記錄。測(cè)量中避免望遠(yuǎn)鏡直接對(duì)著太陽(yáng);避免視線被遮擋,遮擋不超過標(biāo)尺在望遠(yuǎn)鏡中截長(zhǎng)的20%。
自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的圓水準(zhǔn)器,嚴(yán)格置平。在連續(xù)各測(cè)站上安置水準(zhǔn)儀時(shí),使其中兩腳螺旋與水準(zhǔn)路線方向平行,第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側(cè)與右側(cè)。除路線拐彎處外,每一測(cè)站上儀器與前后視標(biāo)尺的3個(gè)位置,一般為接近一條直線。
觀測(cè)過程中為保證水準(zhǔn)尺的穩(wěn)定性,選用5kg以上的鑄鐵尺墊;水準(zhǔn)觀測(cè)路線必須路面硬實(shí),觀測(cè)過程中尺墊踩實(shí)以避免尺墊下沉。同時(shí)觀測(cè)過程中避免儀器安置在容易震動(dòng)的地方,如果臨時(shí)有震動(dòng),確認(rèn)震動(dòng)源造成的震動(dòng)消失后,再激發(fā)測(cè)量鍵。水準(zhǔn)尺均借助尺撐整平扶直,確保水準(zhǔn)尺垂直。
數(shù)據(jù)處理時(shí),閉合差、中誤差等均滿足要求后進(jìn)行平差計(jì)算,主水準(zhǔn)路線要進(jìn)行嚴(yán)密平差,選用經(jīng)鑒定合格的軟件進(jìn)行處理。
3.1.1 變形數(shù)據(jù)處理。測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)優(yōu)先選用沉降曲線擬合的方法,其間可根據(jù)多種觀測(cè)方法獲得的區(qū)段沉降變形曲線進(jìn)行相互驗(yàn)證,確認(rèn)實(shí)際沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。
3.1.2 沉降數(shù)據(jù)分級(jí)警示。根據(jù)線下工程結(jié)構(gòu)變形引起軌道結(jié)構(gòu)豎向變形的一般規(guī)律及分析方法,基于實(shí)測(cè)的線下工程結(jié)構(gòu)沉降變形數(shù)據(jù),分析軌道結(jié)構(gòu)的變形,由此判斷軌道豎向不平順性,建立沉降分級(jí)預(yù)警機(jī)制。
3.1.3 沉降預(yù)警和應(yīng)急機(jī)制。根據(jù)運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)物變形點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),綜合分析結(jié)構(gòu)物施工期和運(yùn)營(yíng)期所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),按照分級(jí)警示原則,建立高速鐵路結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警機(jī)制,及時(shí)上報(bào)結(jié)構(gòu)物變形情況,結(jié)構(gòu)物沉降預(yù)警與應(yīng)急機(jī)制工作流程如下:①根據(jù)測(cè)量結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)過程中出現(xiàn)的可能影響行車安全的問題按照分級(jí)警示的原則及時(shí)上報(bào);②工務(wù)段根據(jù)存在的問題組織相關(guān)專業(yè)進(jìn)行分析,同時(shí)上報(bào)集團(tuán)公司和呼張客專公司;③病害較小維修工作可以處理時(shí),工務(wù)段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況納入維修工作;維修工作不能處理的病害,由呼張客專公司、集團(tuán)公司共同組織相關(guān)單位、部門研究解決。
通過對(duì)該鐵路線多次觀測(cè),獲得了大量有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由于變形觀測(cè)點(diǎn)比較多,只選取其中變形最大的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。
以2018年觀測(cè)K447+480處路橋過渡段為例,該過渡段共設(shè)置沉降觀測(cè)樁斷面4個(gè),運(yùn)營(yíng)里程約為K447+450、K447+460、K447+470、K447+480。每個(gè)斷面設(shè)置沉降觀測(cè)樁3個(gè)。每個(gè)斷面的3個(gè)沉降觀測(cè)樁分別設(shè)置在左線左側(cè)砟腳路基面、兩線間路基面及右線右側(cè)砟腳路基面,具體點(diǎn)位,如圖7所示。
圖7 沉降樁示意
對(duì)沉降樁的觀測(cè)與分析447460A、447470A及447470B3個(gè)沉降觀測(cè)樁有明顯下沉跡象。其中:①447460A:2018年3月26日~5月25日下沉量為6.2mm,5月25日~6月19日下沉量為2mm,6月19日~7月18日下沉量為23.1mm,7月18日~7月22日下沉量為18.4mm,3月26日~7月22日累計(jì)下沉量為49.7mm。②447470A:3月26日~5月25日下沉量為11.1mm,5月25日~6月19日下沉量為6mm,6月19日~7月18日下沉量為51.9mm,7月18日~7月22日下沉量為50.7mm,3月26日~7月22日累計(jì)下沉量為119.7mm。③447470B:此觀測(cè)樁3月26日~7月18日累計(jì)下沉量為7.2mm,7月18日~7月22日下沉量為9.7mm,3月26日~7月22日累計(jì)下沉量為16.9mm。其他沉降觀測(cè)樁有沉降量,但沉降量相對(duì)較小。
造成該地段基礎(chǔ)下沉的主要原因是短時(shí)間內(nèi)集中降雨沖蝕路基形成了空洞?;谝陨蠑?shù)據(jù)報(bào)警,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察,鐵路局立即組織相關(guān)單位對(duì)病害處所進(jìn)行了注漿加固處理,及時(shí)消除了安全隱患,保證了行車安全。
做好運(yùn)營(yíng)鐵路沉降變形觀測(cè)工作:①需要相關(guān)單位高度認(rèn)識(shí)和高度重視,建立健全相關(guān)的管理制度和組織機(jī)構(gòu);②配備充足的測(cè)量?jī)x器、測(cè)量專業(yè)人員,并加強(qiáng)測(cè)量人員的管理和培訓(xùn);③加強(qiáng)沉降變形觀測(cè)工作的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與監(jiān)管,保證沉降變形觀測(cè)實(shí)施按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行,保證沉降變形觀測(cè)的精度和測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)、正確、可靠;④做好沉降變形觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析和處理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)過程中存在的問題并解決問題。新建京包客運(yùn)專線烏蘭察布至呼和浩特東段通過建立長(zhǎng)期基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),對(duì)病害地段提前采取有效整治措施,為鐵路安全平穩(wěn)暢通打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。