高速铁路沉降监测方法的应用探讨

李树伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概况

沉降监测是建筑物变形监测中一项重要的监测内容,目前比较常用的沉降监测方法有精密水准测量、精密三角高程测量、液体静力水准测量、GPS测量、INSAR技术、地面LIDAR技术、竖直位移计、深井分层标等。高速铁路在勘测设计、施工和运营阶段都会开展沉降监测工作,由于沉降监测的目的和对象不一致,所采用的沉降监测也是多种多样,下面对所用到的监测方法进行探讨。

2 精密水准测量

精密水准测量可以运用在高速铁路建设的各个阶段,在高速铁路勘测设计阶段,一般采用精密水准测量建立首级高程控制网,其布网要求是：线路水准基点沿线路布设成附合路线或闭合环线,每2 km布设一个水准基点；在地表沉降不均匀及地质不良地区,宜按每10 km设置一个深埋水准点,每50 km设置一个基岩水准点；基岩水准点和深埋水准点应尽量利用国家或者其他测绘单位埋设的稳固基岩点水准点和深埋水准点；线路水准基点按二等水准测量要求施测,水准路线一般150 km与国家一、二等水准点联测；线路水准基点控制网应全线一次布网测量。勘测设计阶段布设的高程控制网是高速铁路各阶段沉降监测的基础。

图1 某客运专线DK60～DK220地面沉降形变

在铁路建设施工和运营阶段,要对高程控制网进行加密和复测。高程控制网复测一方面能够对控制网进行维护,另一方面能够通过复测反映沿铁路线的地面区域沉降情况,如图1为某客运专线DK60-DK220的地面沉降形变图,蓝色线为控制网布设后第6个月的复测变形情况,红色线为第7个月的复测变形情况。图1反映出在DK130和DK200处地面有两个明显的沉降漏斗,经过一次长周期和一次短周期的复测,表明地面沉降在持续发生。现场调查发现,地面沉降区域为湿陷性黄土分布区,沉降变形小的区域靠近山区,地质条件较好。施工单位及时修改了地面区域沉降地段高程控制网的复测周期,设计单位也提出加密基岩水准点和深埋水准点的建议,以全面掌握沉降变形趋势,确保施工质量。

高速铁路变形测量的内容主要包括路基、涵洞、桥梁、隧道、车站以及线路两侧高边坡和滑坡地段的沉降监测和水平位移监测,高速铁路沉降监测是施工期和运营期的主要工作之一。在施工和运营阶段,需要对路基、桥梁、隧道等开展沉降监测,施工阶段对观测数据经沉降评估后确定轨道系统是否能够实施,运营阶段通过观测数据反应线桥结构物是否稳定,图2是采用精密水准测量方法对桥梁墩台的测量。

图2 桥梁墩台测量路线示意

表1是采用精密水准测量方法对某高速铁路4个桥墩自铺轨完成后18个月所进行的差异沉降观测,从表1中可以看出,129号～130号桥墩间差异沉降累计量为2.96 mm。

表1 某高速铁路桥墩差异沉降统计 m

3 精密三角高程测量

铁路桥梁梁体在采用精密水准监测时,需要将水准点高程由桥下传递到桥上,一般采用精密三角高程测量方法,如图3和图4所示。

图3 不量仪器高、棱镜高的中间设站三角高程测量原理

图4 不量仪器高、棱镜高的同侧设站三角高程测量原理

采用精密三角高程测量传递高程时不需测量仪器高和棱镜高,传递高程的两点使用同一个高度固定的棱镜。测量时,三角高程应独立观测两遍,且要求变换仪器高,每次观测4个测回。两遍高差较差不大于2 mm,满足限差要求后,取两组高差平均值作为传递高差。采用精密三角高程传递高程时,要准确测量温度、气压值,以便进行测距边长改正。

图3是中间设站三角高程测量方法,要求置镜点位于点A和点B的中间位置。

图4是在同一侧设置观测点,这种高程传递方法优于图3中间设站的方法。

在高速铁路高边坡变形监测、滑坡变形监测时一般采用全站仪实现水平位移和垂直位移的同时测量,垂直位移监测所采用的也是一种精密三角高程测量方法。

4 液体静力水准测量

静力水准仪是一种电感调频类智能型位移传感器,由精密液位计、储液罐和连通管组成。通过连通管将所有液位计的液面连通,测量各液位计相对基点的垂直方向变形情况,其原理是通过液位的变化测量被测点相对基点的沉降变形,主要应用于相对沉降、差异沉降等变形幅度小、精度要求高的监测部位。

静力水准仪根据圆柱形线位移式电容传感器原理设计,具有结构简单、无二次元器件、测量速度快、抗干扰能力强、分辨率高、适应潮湿环境、长期工作可靠等特点。可以使用现有的GPRS、CDMA、WiFi/无线局域网、微波技术等进行无线信号远程采集。自动化数据采集和处理,可以为沉降监测控制预警、保证工程质量及时提供有力的数据。使用系统支持的沉降预警功能,当沉降值超过预警值系统会自动发出报警并第一时间给出预警传感器所在位置的最大沉降值,也可通过软件设置进行24 h手机预警,为高速铁路行车提供准确的安全信息。

液体静力水准在大坝安全监测、建筑基坑监测、地铁运营阶段沉降监测等广泛使用,在高速铁路运营阶段使用本方法进行沉降监测尚不多见。液体静力水准由于采用液体测量方式,不适用于温度低于20 ℃的环境。

5 GPS测量

GPS测量时可以获取三维坐标,对环境适应性强,可以用于不同地区的高速铁路设计阶段的地面区域沉降监测,也可以用于不同地区施工阶段的高程传递和运营阶段的铁路线路三维监测,并可以通过有线或无线的形式实现自动化监测。

GPS用于沉降监测时,由于所测大地高与铁路设计的正常高是两种不同的高度表示方法,其相互转换关系又比较复杂,故一般采用大地高进行相对沉降监测。目前,在一些高速铁路的大型桥梁采用了GPS监测技术,获得的数据及时、便捷,为桥梁的后期维护提供了准确的数据。GPS由于需要观测卫星,不适用于隧道或观测卫星困难的地段。

6 INSAR技术

在高速铁路勘察设计阶段有一项重要工作是查明设计线路所经地区的区域地面沉降情况,以前主要靠收集高程控制点资料和地质资料进行分析,现在开始采用INSAR技术,如D-InSAR是InSAR技术的一项重要应用,它是利用遥感卫星多时相的复雷达图像相干信息进行地表垂直形变量的提取,其精度已达mm级,其应用已经在国内外的工程技术刊物中多见报道。D-InSAR用于地面沉降监测有很多优点：大面积获取数据、空间分辨率高、相对成本低等。利用几十景影像就可以监测十多年的地表形变,节省了布置长期地面GPS观测站和布设水准测量的时间和费用,而精度几乎与这两种测量技术相同。

InSAR技术发展于20世纪60年代末,它是利用合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)的相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息的一项技术,目前被广泛用于获取地面起伏的信息。高速铁路设计时根据线路位置、监测精度及SAR影像覆盖区域,选择合适的轨道数据,采用D-InSAR技术及PS技术进行数据处理及相关分析,主要流程为复型影像数据的配准、干涉条纹图的生成、相位解缠、高程计算,可以得到如图5所示的设计线路地面区域沉降分布。

图5 某设计高速铁路2007年至2010年3年间区域地面沉降分布

7 其他沉降监测技术

在高速铁路大型桥梁健康监测时,用到了地面LIDAR技术,通过周期性的观测,获得大量的桥体数据,可以分析出桥体随时间、温度、荷载等发生的变形情况；在部分高速铁路线路附近布设了深井分层标,用于监测地下水位的变化和地面的沉降。这些技术应用的范围尚不广泛。

8 结束语

精密水准测量是目前高速铁路沉降监测采用的主要方法,精密三角高程测量是精密水准测量的补充,这两种方法在铁路建设各阶段不仅仅是用于沉降监测,更是高程测量的主要手段,但在地面区域沉降监测和自动化监测方面存在不足。

高速铁路的沉降监测范围大,需要考虑的因素复杂,在不同阶段宜采用不同的方法。在设计阶段,应大力推广采用INSAR技术对线路所经区域进行地面区域沉降监测和分析,并结合其他地质资料,使所选线路设计满足地表和地下两个方面的要求；在施工阶段,还是主要采用精密水准测量方法,但在大型车站基坑开挖等施工时,可以考虑采用静力水准测量方法,以保证施工安全；在铁路运营阶段,应对存在较大区域沉降、较大差异沉降、较大地质病害等重点地段采用GPS或静力水准的测量方式,以实现自动化监测,能够及时反应运营铁路的健康状况,为行车安全提供信息保障。

[1]TB10601—2009 高速铁路工程测量规范[S]

[2]工管技[2009]77号 客运专线铁路变形观测评估技术手册[S]

[3]DD2006—02 地面沉降监测技术要求[S]

[4]黄声享,尹 晖,蒋 征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2003

[5]GB/T 18314—2009 全球定位系统(GPS)测量规范[S]

[6]戴加东,王艳玲,褚伟洪.静力水准自动化监测系统在某工程中的应用[J].工程勘察，2009(5)

[7]胡 波,蒋 弥,等.D—InSAR三轨法监测城市地表沉降的研究[J].测绘工程,2009(4)