高速铁路路基沉降观测的技术与要求

陈波

（中国葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，高速铁路的建设更加发展迅猛。然而，速度达200km/h以上的高速铁路，其路基、轨道和桥梁的列车动力作用远大于普通铁路，轨道的不平顺对快速行车引起的列车振动也远比相同条件下普通速度的列车严重，即旅客感受的舒适度因速度的提高而恶化。因此，高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求。路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车载荷的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节。路基沉降观测对控制铁路工程质量，确保工后沉降满足设计要求至关重要。本文结合汉宜高速铁路对路基沉降的严格要求，对路基沉降观测技术和要求进行了深入研究，通过正确、完整地观测及分析，掌握、控制路基观测可以预测沉降趋势，验证和指导工程设计及施工，以保施工质量和运营安全，也可为今后路基沉降测量提供参考。

汉宜高速铁路区间正线路基工后沉降控制标准按设计速度200km/h控制：一般地段150mm；路桥过渡段80mm；沉降速率40mm/年。汉宜铁路HYZQ-6标段六项目部门起止里程桩号为DK265+490.27～DK275+849.3,共计10.36公里，其中路基约4.3公里，沿线以黏土、粉质黏土为主。其沉降观测分以下内容。

1 沉降观测的目的

1）根据观测数据控制、调整填土速率；2）预测沉降趋势，确定预压卸载时间和结构物及路面施工时间；3）提供施工期间沉降土方量的计算依据；4）预测工后沉降，使工后沉降控制在设计允许范围之内；5）通过实测沉降量，预测沉降量并验证设计合理性；进行设计的再优化，控制和保证工程的建设量。

2 仪器设备、人员素质的要求

美国 Trimble（DINI）精密水准仪，铟合金水准尺；索佳SET1X全站仪。

人员素质的要求：必须接受专业学习及技能培训，熟练掌握仪器的操作规程，熟悉测量理论能针对不同工程特点、具体情况采用不同的观测方法及观测程序，对实施过程中出现的问题能够分析原因并正确的运用误差理论进行平差计算，做到按时、快速、精确地完成每次观测任务。

3 路基沉降观测技术与要求

3.1 观测断面设置原则

3.1.1 路基工程沉降变形观测以路基面沉降观测和地基沉降观测为主，路基沉降观测断面根据不同的地基条件，不同的结构部位等具体情况设置。同时应根据施工过程中掌握的地形、地质变化情况调整或增设观测断面。

3.1.2 观测断面一般按以下原则设置，同时应满足设计文件要求：

1）a.基底沉降监测：每200m设一个监测断面。b.地表沉降观测：松软土地基地段沿线纵向每40m左右设一个沉降观测断面，且每个工点不小于2个观测断面，桥路过渡段起始位置各设一个观测断面。c.路基面沉降监测：在路基面中心及左右两侧路肩处设路基面沉降观测桩，观测桩采用C15混凝土桩，每100m设一个监测断面，并保证每工点至少有一个观测断面。2）路堤与不同结构物的连接处应设置沉降观测断面。路桥过渡段、路基横向结构物两侧均应设置沉降观测断面。3）一个沉降观测单元（连续路基沉降观测区段为一单元）应不少于2个观测断面。4）对地形横向坡度大于1：5或地层横向厚度变化的地段应布设不少于1个横向观测断面。5）软土及松软土路堤填筑时，沿线路纵向每隔20～50m，在两侧坡脚外约2.0m、10m处设水平位移观测木桩。

3.2 观测点设置原则

3.2.1 为有利于观测点看护，集中观测，统一观测频率，各观测项目数据的综合分析，各部位观测点须设在同一横断面上。

3.2.2 为了能够反映出路基的准确沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。特别要考虑到因施工而破坏或掩盖住观测点，不能连续观测而失去观测意义。

3.2.3 路基水准路线观测按国家二等水准测量精度要求形成附合水准路线，沉降观测点位布设及水准路线观测示意图如图1所示：

3.3 观测元件与埋设技术要求

3.3.1 沉降观测桩：沉降观测桩采用C15混凝土方桩或圆桩 (边长或直径0.1m)，其中埋设Φ16mm钢筋一根，桩长0.6m，埋入基床表层以下0.55m；待基床表层级配碎石施工完成后，通过测量埋置在设计位置，桩周0.15m用C15混凝土浇筑固定，完成埋设后用水平仪按二级测量标准测量桩顶标高作为初始读数。

3.3.2 沉降板：应严格按设计要求进行埋设，一般情况如下：由钢底板、金属测杆（φ20mm钢管）及保护套管（φ50mm PVC管）组成。钢底板尺寸为30cm×30cm，厚8mm。采用二级测量标准测量沉降板标高变化。

1）沉降板位于路堤中心，基底铺设碎石垫层的地段埋设于垫层顶面，基底设混凝土地板地段置于板顶面；沉降板埋设位置应按试验设计测量确定，埋设位置处可垫10cm砂垫层找平，埋设时确保测杆与地面垂直。2）放好沉降板后，回填一定厚度的垫层，再套上保护套管，保护套管略低于沉降板测杆，上口加盖封住管口，并在其周围填筑相应填料稳定套管，完成沉降板的埋设工作。3）按二等水准标准测量埋设就位的沉降板测杆杆顶标高读数作为初始读数，随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管，每次接长高度以0.5m～1.0m为宜，接长前后测量杆顶标高变化量确定接高量。金属测杆用内接头连接，保护套管用PVC管外接头连接。4）接长套管时应确保垂直，避免机械施工等因素导致套管倾斜。

图1 沉降观测点位布设及水准路线观测示意图

3.3.3 路堤位移边桩：采用Φ10cm的圆木，长度不小于1.0m。顶部圆心处钉一小铁钉。

1）边桩埋置深度在地表以下不小于0.9m，桩顶露出地面不应大于10cm。2）完成埋设后采用全站仪测量边桩标高及距线路中线垂线或法线方向距离作为初始读数。

3.4 观测技术要求

3.4.1 监测元件保护要求

沉降观测设备的埋设是在施工过程中进行的，施工单位的填筑施工要与设备的埋设做好协调，做到互不干扰、影响。观测设施的埋设及沉降观测工作应按要求进行，不能影响路基填筑质量；路基施工不能影响到观测设备。

1）各工程项目部应成立专门试验小组，进行元器件的埋设、测量和保护工作，小组人员分工明确，责任到人。2）元件埋设时应根据现场情况进行编号，有导线的元件应将导线引出至路基坡脚观测箱内。3）凡沉降板附近一米范围内土方应采用人工摊平及小型机具碾压，不得采用大型机械推土及碾压，并配备专人负责指导，以确保元器件不受损坏。4）各施工队应制定稳妥的保护措施并认真执行，确保元器件不因人为、自然等因素而破坏。元器件埋设后，制作相应的标示旗或保护架插在上方。路堤填筑过程中，派专人负责测试断面的元件保护。

3.4.2 路堤地段从路基填土开始进行沉降观测，路基填筑完成后应有不少于6个月的观测期。观测数据不足以评估或工后沉降评估不能满足设计要求时，应延长观测时间或采取必要的加速或控制沉降的措施。

3.4.3 路基填筑过程中应及时整理路堤中心沉降观测点的沉降与边桩的位移量，当中心地基处沉降观测点沉降量大于10mm/天或边桩水平位移大于5mm/天、竖向位移大于10mm/天时，应及时通知项目部，并要求停止填筑施工，待沉降稳定后再恢复填土，必要时采用卸载措施。

3.4.4 观测方法及精度要求

沉降板、沉降监测桩、边桩沉降等所有标高测量应达到二级水准测量标准，测量精度应达到±1mm；边桩位移采用全站仪或经纬仪进行测量。

路基沉降观测水准测量的精度为±1.0mm，读数取位至0.01mm；位移观测测距误差±3mm；方向观测水平角误差为±2.5″，水平角观测技术要求应满足导线边长测量,读数至毫米.距离和竖直角各观测2测回。

利用上述DOL的定义公式计算经营杠杆系数，必须同时取得利润变动率和销售变动率，这些都是事后反映的数据，不便于DOL的预测。因此，要设法推导出只需基期数据计算经营杠杆的公式，即假定该企业产品的成本、销量和利润保持线性关系，产品可变成本在销售收入中所占的比例不变，固定成本在一定产能范围内保持稳定，则经营杠杆系数可通过销售额和成本的关系来表示。

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3.4.5 观测频次要求

所有元件埋设后，必须测试初始读数，在路堤正式填筑前，必须对所有元件进行复测，作为正式初始读数。路基沉降观测的频次应根据沉降的发生与发展规律及沉降大小确定，一般应按照如下观测频率进行：路堤填筑期间，应每天观测一次，各种原因暂时停工期间，前2天每天观测一次，以后每3天测试一次。施工完成后，前15天内每3天观测一次，第15～30天每星期观测一次，第30～90天每15天观测一次，以后每个月观测一次。测量数据突变时，每天观测2～3次。监测过程中发现异常必须及时查明原因并加密监测次数，尽快妥善处理。

注：架桥机（运梁车）通过时观测要求：每1次/3天，连续3次；以后1次/1周，连续3次；以后1次/2周。

实际工作进行时，观测时间的间隔还要看地基的沉降值和沉降速率。当两次连续观测的沉降差值大于4mm时应加密观测频次；当出现沉降突变、地下水变化及降雨等外部环境变化时应增加观测频次。观测应持续到工程验收交由运营管理部门继续观测。

3.4.6 安全控制要求

观测点(标)的设置应设在安全稳定处，监测人员在元件埋设和测试过程中应装备好相关安全设备，按规范要求进行操作，避免不必要安全事故发生。

4 沉降观测数据处理

4.1 统计表汇总

1）根据各观测周期平差计算的沉降量，列统计表，进行汇总。2）绘制各观测点的下沉曲线（如示意图2和3）首先建立下沉曲线坐标，横坐标为时间坐标，纵坐标上半部为荷载值，下半部为各沉降观测周期的沉降量。将统计表中各观测点对应的观测周期所测得沉降量画于坐标中，并将相应的荷载值也画于坐标中，连线，就得到对应于荷载值的沉降曲线。3）根据沉降量统计表和沉降曲线图，我们可以预测路基沉降趋势，将沉降情况及时的反馈到有关主管部门，正确地指导施工。

通过正确、完整地观测及分析，及时掌握、控制路基观测，可以预测沉降趋势，验证和指导工程设计及施工，控制和保证工程的建设质量。

4.2 沉降观测中常见问题及其处理措施

1）曲线第二次观测即出现回升，至第三次后，曲线又逐渐下降

原因：一般都是由于首次观测成果存在较大误差引起

措施：第一次观测成果作废，采用第二次的观测成果作为首次成果。

2）曲线在中间某点突然回升

图2 荷载-时间-沉降图（示意）

图3 荷载-时间-沉降速率图（示意）

原因：水准点或观测点被碰动所致，且水准点碰后标高低于碰前标高，观测点碰后高于碰前

措施：取相邻另一观测点的相同期间沉降量作为被碰观测点之沉降量。

3）曲线自某点起渐渐回升

原因：一般是水准点下沉所致

措施：确定水准点下沉值，与高级水准点符合测量，确定下沉量。

4）曲线在后期呈现微小波浪起伏现象

原因：观测后期，建筑物下沉极微或已接近稳定，在曲线上测量误差就比较突出

措施：将波浪曲线改为水平线，后期提高测量精度等级，并适当延长观测间隔时间。