武咸城际铁路线下工程沉降评估技术

花向红，闵 轩，杨荣华，叶珉吕

（1.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079；2.武汉大学 灾害监测与防治研究中心，湖北 武汉 430079）

高速铁路是现代化铁路的重要标志，集中体现了当代高新技术的发展成果，代表着铁路的发展方向。我国城际铁路（客运专线）大量采用无碴轨道，其突出特点就是高平顺性和高精度。然而，无砟轨道对结构的刚度和基础的沉降十分敏感，其永久变形只能通过调整扣件才能恢复轨道的几何形状，但扣件的调整量非常有限，只能靠严格限制线下工程的沉降量来解决。因此，城际铁路对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降提出了十分严格的要求，必须严格控制线下构筑物的沉降和不均匀沉降。不均匀沉降或沉降量超限会导致轨道板开裂，发生严重的质量事故。因此，线下构筑物的沉降观测工作至关重要，并且要求沉降观测的数据真实反映实际情况，通过对沉降观测数据系统综合分析评估，分析、推算出最终沉降量和工后沉降，以此判断是否满足无砟轨道铺设条件，合理确定无砟轨道开始铺设时间，确保城际铁路无砟轨道结构铺设质量。

1 线下工程工后沉降评估程序

沉降变形观测分析评估是确保城际铁路轨道结构铺设质量的关键环节。沉降评估前，首先由施工单位建立沉降变形观测网，根据设计要求，设置变形观测点，同时进行沉降观测，通过大量观测资料，进行曲线回归，预测其沉降发展规律，并提交线下工程沉降观测工作报告。监理单位在整个施工过程中需要对沉降基准控制网中的水准基准点、工作基点、沉降观测点进行实际检查和抽查测量记录、闭合差是否符合规定，此外还应进行平行观测。对沉降基准控制网进行10%的核查，对施工单位沉降变形观测点，按照一定比例独立进行检测，并提交线下工程沉降观测监理评估报告。

评估单位根据测量数据及各单位提供的报告进行沉降分析，并提交线下工程无砟轨道铺设条件评估报告。最后由建设、评估、设计、监理、施工组成的沉降评估组对现场及各单位提供的报告进行评估，确认线下工程沉降满足无砟轨道铺设条件后可以进行无砟轨道的施工。

1.1 沉降变形观测方案

根据城际铁路线下工程情况，首先布设水准基点、工作基点和沉降观测点。在沿线施工已设水准基点基础上，按距离不大于1km增设水准基点，水准基点应设在变形区以外的岩石或原状土层上，亦可利用稳固的建筑物、构筑物设立水准点。每个独立的观测网应设置不少于3个稳固可靠的水准基点（基准点）。为满足沉降变形观测精度要求，在两水准基点之间沿线路方向按间距不大于200m、距路基中心距离小于100m布设工作基点。工作基点应布设在不受施工干扰的稳定土层内，以便长期保存和使用的地点。沉降观测点布设以反映沉降变形特征和明显变形的部位为原则，其点的个数及位置根据设计有关要求，布设各类监测点。然后，建立沉降变形观测网和变形观测点，变形观测网按三等变形测量等级技术要求建立（即国家二等水准测量），形成沉降基准水准网。沉降变形观测点的水准测量采用二等变形观测测量技术要求（即国家一等精密测量），形成附合和闭合水准路线。观测网中，工作基点应定期与水准基点进行校核。当对沉降观测成果发生怀疑时，应随时进行复测校核。

为了保证监测精度，采取“三固定”措施：即观测人员、仪器设备和观测路线三固定。观测工作使用电子水准仪（如DNA03、DINI03等），并使用受环境及温差变化影响小的高精度铟钢水准尺。使用的监测仪器设备经过计量检定合格，并处于有效期内。观测人员经过专业学习及技能培训，熟练掌握仪器的操作规程，能针对工程特点、具体情况采用不同的观测方法及观测程序，对观测过程中出现的问题能分析原因并正确运用误差理论进行平差计算及时准确地完成每次观测任务。观测时间严格按照相关规定执行，特别是首次观测必须在结构物具备观测条件下第一时间观测初始值。其他各阶段的测量，根据工程进展情况定时进行，不得漏测或补测。观测路线应保证各次观测均沿统一路线进行，观测过程中，注意记录荷载的变化，以便帮助分析结构变形变化和数据异常点情况。

当沉降变形观测出现异常时，应分析原因。当沉降曲线在中间某点突然抬升，分析水准点或观测基点可能发生变化，前后联测基准点，使用修正值继续观测，中间某次由于测量误差引起曲线突然抬升或下降，第二次测量曲线下降或抬升回归到原有的曲线状态，处理方法为删除前一次测量结果，并做好异常情况记录。

1.2 线下工程沉降评估方法

目前，线下工程工后沉降还没有一种可靠的理论方法来进行计算，一般只能通过对轨道铺设前线下工程沉降过程的观测，然后利用沉降观测资料推算后期沉降量（包括最终沉降量），从而根据沉降变形预测结果推断预计铺设无碴轨道的时间点，当预测结果不能满足需要时，确定应采取的技术对策。同时，对于特殊工点可继续预测无碴轨道运营后可能的沉降变形趋势，确定相应的维修预案。

目前，运用于城际铁路线下工程沉降预测评估的方法较多，常用的沉降评估预测方法有双曲线法、指数曲线法、星野法、皮尔曲线等，而每种预测方法均有一定的适用范围，需结合线下工程不同结构物、不同工况和不同地质条件下的沉降观测情况，选择合适的预测方法。本文主要介绍双曲线法、指数曲线法、星野法、皮尔曲线法等4种预测方法。

1.2.1 双曲线法

双曲线法认为沉降量与时间成双曲线规律变化，其基本方程为

式中：S0为t0时刻的沉降量，St为t时刻的沉降量，α，β为待定参数。将式（1）进一步改写为

由式（2）可以看出，α，β分别为（t－t0）/（St－S0）对应（t－t0）直线方程中的截距和斜率，用图解法可以得到α，β，然后代入式（1），可以预测任意时刻的沉降量。

1.2.2 指数曲线法

指数曲线的基本表达式为

式中：a，b均为待定参数，t为时间，St为t时刻的沉降量，S∞为最终沉降量，求解方法：分别取t1，t2，t3对应的沉降量为S1，S2，S3；其中t2－t1＝t3－t2＝t0，则有

由式（4）可得

将确定的参数代入式（3）就可推出任意时刻的沉降量。

1.2.3 星野法

现场实测值证明了总沉降量与时间的平方根成正比

式中：a，b为待定参数，t为时间，St为t时刻的沉降量，S0为t0时刻的沉降量，式（6）可以变形为

由式（7）可以看出，1/a2b2和1/a2分别是（tt0）/（St－S0）2对应（t－t0）直线，同样可以用类似双曲线求解方法得到a，b的值，代入式（6）可以预测任意时刻的沉降量。

1.2.4 皮尔曲线法

皮尔曲线预测模型的数学表达式为

式中：C，a，b为待定参数，本文采用等时距皮尔曲线模型的求解方法，过程如下：

将沉降时间序列中的数据项分为3段，每段项数为r，那么第1段为t＝1，2，…，r，依次类推，设Y1，Y2，Y3分别为这3段内各项数值的倒数和，即有

将式（8）改写成倒数形式为

则有

于是各参数的计算公式为

将参数代入式（8）就可以预测任意时刻的沉降量。

2 实际评估与分析

武咸城际铁路位于湖北省南部，北连“九省通衢”武汉，南接鄂南著名的生态城市咸宁，自武汉枢纽武昌站引出，途经东湖新技术开发区、庙山经济开发区、江夏区纸坊镇、于贺站进入咸宁市境内。全线运营长度90.12km，新建正线长度77km，其中武汉市境内长51.6km，咸宁市境内长25.4km，正线部分均为无砟轨道。

武咸城际铁路沉降变形评估，根据各标段实际情况，分段进行评估。首先由施工单位提交沉降变形评估申请表及评估资料，监理单位提交平行观测评估资料。评估单位根据提交的资料进行评估分析，通过专业沉降评估软件对数据进行评估预测，并批复评估报告。

限于篇幅，这里给出武汉至江夏区纸坊镇测量与评估部分结果，该段正线线路长14.782km，联络线长1.88km。由于该段离主城区很近，设计大多数采用桥梁架设。有砟双线桥梁累计长2.38km，单线1.38km；无砟双线桥梁12.1km；无砟路基0.58km，隧道0.207km。评估方法采用双曲线法、指数曲线法、星野法、皮尔曲线对沉降实测值进行分析、评估和预测。分析、评估和预测的具体依据是《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设［2006］158号）和《武汉城市圈城际铁路沉降变形观测实施细则》。代表性沉降曲线如图1所示。评估区段桥墩观测标观测情况统计见表1。

表1 评估区段桥墩观测标观测情况统计

图1 沉降曲线

评估数据显示，评估区段完成后波动值均在0～3mm之间，架梁后沉降增量在－1～2mm之间，该区段所有测点最后四期沉降观测数据未见持续下沉。直接判断处于稳定阶段。

利用DK014＋455.090桥墩左前16期数据对后6期沉降量进行了预测，4种预测模型曲线回归的相关系数都达到95%以上，4种模型预测结果比较见表2，沉降预测曲线见图2。

表2 4种模型预测比较 mm

图2 沉降预测曲线

从表2和图2可以看出，4种模型拟合的效果都不差，从结果的比较来看，指数曲线法和皮尔曲线法较双曲线法和星野法更贴近于实测数据，且皮尔曲线的相关系数较其他3种方法更接近1，所以，采用皮尔曲线法预测更为合适。

由采样数据及预测分析，可以得出以下结果：

1）变形观测不少于6个月，且在主体完工后超过3个月的时间里，桥墩并无异常波动，其沉降幅度在3mm以内，沉降增量在－1～2mm之内。

2）根据荷载情况和观测数据，回归计算相关系数都超过了0.95。

3）主体完成到目前为止，观测变形达到预测变形的75%以上。

4）最后4期观测数据（且观测时间不少于1个月）未出现连续下沉情况，可判断为已进入稳定期。

因此，桥墩的沉降满足底座板的铺设要求，可以进行底座板的铺设施工，后期还需要继续进行观测，为后期轨道板施工做准备。

3 结束语

沉降变形观测与评估是确保城际铁路无砟轨道结构铺设质量的关键一环，是保证高速列车长期平稳运行的基础。制定科学的沉降观测实施方案和建立科学的分析评估系统，综合考虑沿线路方向各种结构物间的沉降变形关系，对于不同的线下结构形式应采取多种方法进行预测对比，保证观测数据和预测工后沉降的准确性、可靠性和稳定性。合理确定城际铁路无砟轨道开始铺设时间，是城际铁路无砟轨道成功与否的关键环节之一。并且需要建立一套科学合理的评估标准和管理模式，从制度上保证沉降评估工作的规范性、高效性和科学性。

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