高速铁路基础变形测量技术体系探讨

刘丙强

(中国铁路总公司运输局工务部，北京 100844)

高速铁路对轨道几何平顺性以及路基、桥梁变形提出了更高的要求。经过几年的运营，华北平原、长江三角洲等地区出现的大面积基础沉降给高速铁路运营带来了潜在危害。高速铁路是大型线状结构，跨度大，沿线地形复杂，基础变形分布广且在发展过程中呈现不均匀性和阶段性等特征［1］。因此，高速铁路基础沉降监测十分重要。早期的常规人工测量技术工作量大，精度难以达到要求。伴随着高速铁路的发展，先进的测量技术也在不断出现，可用来及时掌握高速铁路基础沉降变形情况。这样可在设计、施工中及时处理沉降偏大的路基，以免留下隐患;而在运营阶段，若发现监测沉降值异常，可以提前作出预警，防止出现安全事故［2］。由于各种方法的观测范围、对象、精度及周期有所不同，因此需要系统地研究各种方法的适用范围及优缺点，综合应用，扬长避短，形成经济可靠的高速铁路基础变形测量技术体系。

1 高铁基础变形监测内容

施工阶段的基础变形观测包括路基面、路基基底和路基本体沉降观测［3］以及桥梁基础沉降观测。在运营阶段，除对基础进行长期监测外，还要对轨道几何尺寸如高低、轨向、三角坑等进行检测。在建设及运营阶段，对水位及孔隙水压力进行监测，可以预测地基沉降趋势，对沉降监测具有重要意义［4］。

2 高铁基础变形监测方法及原理

高速铁路沉降监测范围大，在不同阶段监测内容和目的不同，所采用的监测方式也是多样的。为了能够选出合适的监测，需要对现有的沉降测量技术进行系统的研究，掌握各种方法的观测精度、观测周期以及适用范围。

2.1 常规监测技术

监测高速铁路基础沉降最常用的方法有路基沉降板法、变形观测桩法、沉降水杯法以及路基、桥梁通用的电子水准仪等高精度仪器的高程测量法。按施测阶段、施测目的及功能测控网可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。各阶段高程控制网以线路水准基点控制网为基准。其优点是控制网覆盖了铁路沿线，精度高，范围广。其缺点是需要定期维护，桩点保护困难、复测成本高，测量效率低，不能实现全天候测量等。以下详细叙述各种常规检测方法的原理及优缺点。

2.1.1 沉降板法

沉降板法是一种简单的沉降观测方法，沉降板由钢板、连接管和套护管组成。钢板尺寸多为0.5 m×0.5 m×0.03 m，连接管一般采用直径40 mm的钢管，随着路基不断填高，连接管和套护管需要不断加长。沉降板随所在土层一起发生位移并带动连接管，通过在地表测量连接管管口前后两次高程差，可计算出沉降板处地基的沉降量［5］。沉降板法具有操作简单，成本低等优点，但其缺点也很明显，如对施工有干扰，连接管很容易被撞坏。此外，受损后修复困难［6］。

2.1.2 变形观测桩法

观测桩采用圆形钢筋，一般是在基床底层表面或基床表层表面填筑完成后，在表面埋设这种观测桩，钢筋顶部一般高出表面3～5 mm，用涂漆等方法进行防锈处理，静置3 d即可进行观测。变形观测桩法操作比较简单，但是只能测量路基表面沉降值，无法测定土体内部的沉降，且对施工有一定的影响。

2.1.3 水准测量法

水准测量法是利用水准仪提供的水平视线，读取竖立在两点的水准尺上的读数，计算两点之间的高差，并由其中已知点的高程推算另一未知点的高程。该方法精度较高，但是需要人工观测，工作效率低、强度大且受天气、地形等的影响，因此一般只适用于小范围测量［7］。

2.2 自动化监测技术

自动化监测是在变形变位的结构物上布置传感器，实现变形监测数据的采集、分析、处理、预警、发布等功能。目前使用较多的有单(多)点沉降计、磁环沉降仪、基于液位传感器原理的光纤光栅式静力水准仪、基于受激布里渊效应的全分布式布里渊光时域分析传感系统、基于重力加速度微电子机械系统(MEMS)的光纤式电水平梁和阵列式位移传感器(SAA)等。自动化监测的优点是测量精度高，可实时监测，缺点是监测范围相对较小，初期成本相对较高。

2.2.1 单(多)点沉降计

单(多)点沉降计是地基深层沉降监测常用仪器，由位移计、锚头、法兰盘、连接杆等组成，用来测量锚头和沉降盘之间的压缩变形。当地基向下变形时，法兰盘与地基同步变形，使位移计中导磁体在磁感线圈内产生相对滑移，通过人工采集或自动采集测出位移变形量，达到沉降检测的目的。单(多)点沉降计测试精度高，可自动获取数据并能进行远程无线传输，适用于长期沉降监测。但其安装复杂，埋设时由于需要钻孔，一次性投入的总体费用较高，受经费限制往往不能大量设置。

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2.2.2 磁环沉降仪

磁环沉降仪由分层沉降管、波纹管、磁环和分层沉降仪组成。在路基中相应深度处安装磁环，使得磁环与所在土层同步沉降，用分层沉降仪测量各磁环的位置，可分别计算各土层的沉降量。其优点是操作简单，缺点主要是影响施工，沉降管容易被机械撞坏。

2.2.3 光纤光栅式静力水准仪

光纤光栅式静力水准仪是基于连通器原理，将静力水准仪的液位变化用光纤光栅的波长变化来反映，然后通过配套的解调仪来测量波长变化，从而得到高程变化的专用仪器［8］。试验中用光纤光栅传感器测量各个测点容器内液面的相对变化，来得到各个测点相对于基准点的相对沉降量，并将采集的数据传输到监测站，经解调后存储于现场服务站［9］。为了进行温度补偿［10］，可以在同一根光纤等强度量的正反面刻上两个光栅，将两个波长的变化相减，从而起到消除温度影响的效果。光纤光栅静力水准传感器可以实时监测路基沉降，具有测量精度高，抗干扰能力强，数据处理简单等优点，但是安装复杂，需要采用精密水准仪使监测点、基准点标高一致。此外，光谱分析仪价格昂贵也是其主要缺点［11］。

2.2.4 全分布式布里渊光时域分析传感系统

光在光纤中传输时，光纤内部会产生微弱的声波，光子与光纤中的声子相互作用，形成与入射光存在一定频率差的散射光，成为布里渊散射光。布里渊散射光与入射光的频率差称为布里渊频移。若入射光子受激后释放一个声子并同时产生一个频率较低的光子，称为斯托克斯光;若入射光子吸收一个声子后产生一个频率较高的光子，则称为反斯托克斯光。在频谱上，斯托克斯光和反斯托克斯光分别位于入射光两边约11 GHz。光纤外界环境(变形)会使该布里渊频移发生变化，而光纤中布里渊频移和变形有对应的关系，于是可以根据这种对应关系得到变形的信息，这就是布里渊分布式光纤传感器的原理。利用此原理，制造出布里渊光时域分析仪(BOTDA系统)可以对大坝、路基等的变形进行监测［12］。布里渊光时域分析仪检测精度高，适合长距离传感，但是存在功率不稳定的问题，容易受到激扰。

2.3 InSAR测量技术

InSAR即合成孔径雷达干涉测量技术，是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉相位，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。InSAR技术所获取的不是离散点的信息，而是大面积连续的地形信息。其具有全天候、全天时作业、测量结果覆盖连续空间的优势。差分干涉测量技术(DInSAR)可对地表微量形变进行测量，所以D-InSAR形变监测技术可用于幅员辽阔、自然条件复杂的高铁变形监测。

2.4 综合检测列车动态检测技术

该技术是基于惯性基准的相对测量技术，可以检测轨道的几何尺寸，其中高低、轨向可实现最长波长120 m的检测。其优点是测量周期短(约10～15 d)，成本低，检测速度快，覆盖面广，能快速发现轨道几何尺寸变化的处所。其缺点是无法获取绝对空间的轨道几何尺寸，可测波长相对于基础变形来说不够长，不能实现全天候测量。

3 高铁基础变形监测体系

为了发挥各种测量技术的优点，弥补各自的不足，需要建立经济可靠的基础变形监测体系，以实现高速铁路基础沉降变形历史数据的可追溯性。

在设计阶段，InSAR测量技术可用于高铁沿线的较低精度的沉降变形普查，以确定区域沉降范围、差异沉降较大地段、沉降漏斗中心及新的沉降地段，还可对工后沉降进行长期跟踪评估。由于SAR数据具有可追溯性，可保持高铁建设前、建设中、运营后沉降数据的连续性，对探索某一地域的沉降规律及发展趋势，指导高铁维护具有重要意义。D-InSAR测量技术还可扩展应用到高铁沿线路堑边坡及隧道边仰坡变形监测、新建道路识别等，有助于复杂地形条件下的高铁周边环境检查。但是在InSAR测量技术的平面测量精度取得进展前，仍须应用常规测量技术对高铁平面变形进行观测。

在施工阶段，主要采用精密水准测量方法。在需要实时监测的地段可设置自动化监测仪器，如光纤光栅式静力水准仪、单点沉降计等。

在铁路运营阶段，使用综合检测列车的长波长检测功能，可识别拟合半径劣于允许竖曲线半径的差异沉降和线路方向变化。其短周期、高精度检查的优点有效弥补了InSAR测量技术和常规测量技术的不足。综合检测列车数据可实现联调联试至运营后的追溯，结合作业记录，可研究高铁全线或某一区段轨道几何尺寸(包括长波高低、长波方向)的变化规律。综合检测列车增加更高精度的惯性基准后，可大大提高其检测波长和测量精度。在铁路运营阶段，有了InSAR测量技术的全面普查，常规测量技术可有针对性地对普查出来的区域沉降、新生沉降等地段进行高精度测量。在此基础上，针对存在较大区域沉降、较大差异沉降等的重点区段采用GPS或静力水准的测量方式，实现自动化监测，及时反映运营铁路的健康状况，为行车安全提供信息保障［13］。这样将大大提高观测效率，降低观测成本。

以上测量技术在经济技术上有很强的互补性。实际应用中，建议采用InSAR测量技术对高铁沉降进行普查，用常规测量技术对区域沉降、新生沉降地段进行精密测量，采用综合检测列车检测技术对差异沉降进行周期性检查，用自动化监测技术对差异沉降速率快的地段进行实时监测，实现全面普查与重点观测相结合、静态检测与动态检测相结合、定期检测与实时监测相结合、高精度与低精度测量技术合理搭配，从而建立高铁经济技术合理的、可追溯的沉降测量技术体系，如图1所示。

图1 高速铁路基础变形测量技术体系

4 结语

高速铁路基础沉降变形主要是地基受到荷载作用后排出孔隙中的水和气体而引起的，采用有效的水位监测技术探索水位变化与地基沉降的关系，可以预测地基沉降趋势，在开采地下水、矿引起的地基沉降监测方面意义重大。

另外近景摄影测量、地面雷达跟踪测量、GPS实时测量等是近期研究十分活跃的变形测量技术。这些在地面变形观测和建筑物变形观测等方面得到了成功应用，相关科研院校也进行了探索。这些新的测量技术将在高铁基础变形观测方面得到广泛应用。

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