高速铁路路基运营维护沉降监测技术设计研究

周金国，崔书珍，朱成飞

(1.国家测绘地理信息局重庆测绘院，重庆 400015；2.重庆工程职业技术学院，重庆 430007)

高速铁路路基运营维护沉降监测技术设计研究

周金国1，崔书珍2，朱成飞1

(1.国家测绘地理信息局重庆测绘院，重庆 400015；2.重庆工程职业技术学院，重庆 430007)

针对高速铁路线路高平顺性特征及路基线下工程的日常维护与整治，通过布设监测断面、选择桥梁上稳定CPⅢ点作为路基沉降监测基准点和采用监测线路中CPⅢ点作为转点尺承的观测方法，设计了高速铁路路基运营维护沉降监测技术方案，解决了地面沉降区沉降监测基准点选择难和维护监测施工时间短的难题，并在长三角高铁网路基运营维护沉降监测中得以实施，取得了良好效果，能够满足高速铁路运营期三等变形测量技术要求。

铁道工程；高速铁路；维护监测；差异沉降；基准点

0 引 言

随着我国《中长期铁路网规划》的实施，目前国内高速铁路运营里程已超过1×104km。高速铁路要保证高速安全运行，轨道平顺性要求极高，这就要求有一个稳定的线下基础。路基作为高速铁路线路工程的重要组成部分，其稳定性决定了高速铁路安全性。2010年，原铁道部运输局下发了“关于发布《高速铁路运营沉降监测管理办法》的通知”文件，要求对高速铁路运营期沉降监测进行规范管理，各高速铁路运营线路维护部门也相继开展了线下沉降监测和精密网复测等相关工作[1]。

目前，国内对高速铁路沉降监测技术开展了一系列的研究，除了传统精密几何水准测量方法之外，基于液力测量原理的高速铁路路基面沉降变形长期监测传感器被应用于京沪高速铁路运营期周边施工影响沉降监测中，该方法采用精密水准测量方法进行了校核和验证[2]；光纤光栅传感器器沉降监测系统，可以实现长距离准分布、多测点、多参量的测量，在郑西客专中进行了实验[3]；InSAR技术监测地面沉降和线状地物也在某些城际客专或高速铁路线中开展了相关研究[4-5]；尚金光等[6]对高速铁路沉降中工程沉降和区域地面沉降区分提出了有益的方法。以上监测手段或方法是对高速铁路沉降监测技术的积极创新与尝试，其成本和稳定性还有待进一步提高。精密几何水准测量方法具有成本低、精度高等优点，仍然是高速铁路沉降监测的主要方法。笔者所述技术方案是针对高速铁路路基运营期沉降监测特点，对传统精密几何水准测量方法的改进与优化。高速铁路处于运营阶段，维护沉降监测需在列车运行“天窗点”(夜间零点至凌晨四点)进行，可利用时间较短，且铁路线路处于完全封闭状态，给维护监测带来诸多不便。此外，长三角高铁网多处于区域地表沉降地区，对运营维护监测基准点的选择提出了更高要求，同时还需要考虑高速铁路线路高平顺性特点。

笔者针对上述高速铁路运营维护沉降监测特点，研究设计了高速铁路路基运营维护沉降监测方案。通过布设监测断面、选择桥梁上稳定CPⅢ点作为路基沉降监测基准点和采用监测线路中CPⅢ点作为转点尺承的观测方法，提出了高速铁路路基运营维护沉降监测技术方案，解决了地面沉降区沉降监测基准点选择难和维护监测施工时间短难题，既保证了维护监测的顺利实施，又考虑了线路的高平顺性，突出差异沉降，为铁路运营维护与整治提供参考依据。沉降监测路基段的确定，一般是通过高速铁路动检车线路检测或CPⅢ精密网复测分析完成的。

1 主要技术要求

高速铁路路基作为无碴轨道结构的基础，对沉降变形非常敏感，要求控制在非常小的范围之内。我国建设的高速铁路在汲取国外沉降控制经验的基础上，围绕线路运营、结构允许变形，从路基竣工后扣件可调整量、20 m结构长度范围内的不均匀沉降、路基与桥涵之间错台差异沉降，以及轨道结构单元之间形成的折角等多方面对路基变形做出了严格规定[7]，见表1。

表1 高速铁路无碴轨道路基工后沉降控制标准Table 1 Control standards of post-construction embankment settlement during operation

高速铁路路基运营维护沉降监测网布设成附合水准路线或闭合环状，按照TB10 601—2009《高速铁路工程测量规范》(以下简称《规范》)“三等变形测量”要求执行。沉降观测精度要求如下：变形观测点的高程误差为±1.0 mm；相邻变形观测点的高程中误差为±0.5 mm。沉降观测网主要技术指标见表2。附合或闭合水准路线按照二等水准测量技术要求施测。

表2 沉降观测网主要技术指标Table 2 Primary technical indices of settlement observation network

2 技术方案设计

2.1 基准点选择

目前，国内很多高速铁路修建在经济较发达的华北平原、长三角和珠三角地区，诸地区也是全国区域地面沉降较严重地区。在高速铁路修建伊始，按照《规范》，为解决区域地面沉降问题，线路沿途每隔50 km宜修建一座基岩标，作为高程控制测量的基准，以保证高速铁路线路的设计坡度和平顺性。

在高速铁路路基运营维护阶段，需要监测的线下路基工程一般范围较小(多集中在车站)，少则几百米，多不过几公里。采用高速铁路施工阶段遗留的基岩标作为基准点距离监测区太远，联测累积误差较大，不能满足要求，且不利于“天窗点”施工。同时，利用基岩点进行路基沉降监测时还需要对沉降路基两端部分桥梁或非沉降路基段进行测量，以便计算沉降路基段线路的相对调整量，保证线路的平顺性，增加了监测工作量。另外，沿途遗留的其他水准点因地面沉降影响，亦不能作为维护监测的高程基准点。高速铁路桥梁墩台是根据当地水文地质条件设计施工的，埋设深度一般在30～40 m，较一般水准点稳定性高，故选择沉降路基两端的桥梁上的CPⅢ点作为该段路基维护监测的起、终基准点，且利用桥梁上的CPⅢ点作为基准点所获得路基沉降量是相对于桥梁的相对沉降量，便于路基线路相对调整量计算，监测工作量较线路沿线基岩标基准减少。起算数据采用CPⅢ精密网最新复测数据。基准点点位分布见图1。

图1 水准测量路线与各类监测点分布示意Fig.1 Schematic for route measured by level and distribution of monitoring points of all kinds

起、终基准点间按国家二等附合几何水准线路测量，且每期观测时线路两端各延伸至基准点外相邻3个CPⅢ点作为对基准点的基本检核，水准路线布设见图1。按照《规范》“三等变形测量”要求，每期监测基准点间高差闭合差应满足公式(1)要求，否则延伸测量路线两端的CPⅢ点重新确立新基准点，直至满足式(1)的要求。

(1)

式中：h观测为观测高差；h为最新复测高差；n为测站数。

2.2 监测点布设

高速铁路路基维护沉降监测采用水准断面监测法，即各类监测点布设成纵横断面。为整体掌握线下路基稳定性及差异沉降情况，根据线下路基结构，监测点分别在路基两侧路堤、底座板、轨道板、轨面和双线路基中心处，每类监测点沿线路走向形成一条纵断面。同时，路基监测区每对CPⅢ对应位置布设成一条基本横断面，并根据监测区沉降严重情况，相邻两对CPⅢ之间进行横断面加密。各类监测点路基位置分布见图2。路基两侧路堤监测点采用线路两侧CPⅢ点代替。

图2 路基监测点布设Fig.2 Distribution of embankment monitoring points

2.3 数据观测与分析

路基维护沉降监测一般每月进行1次，当单次沉降量超过3 mm时，需进行复测，并提高观测频率。当遇到暴雨等极端天气情况下，也应增加观测次数。

监测数据采集采用二等水准附合路线进行。除线路两端基准点和3个检核点外，线路中其他CPⅢ点作为线路测量转点尺承。除CPⅢ外的其他各类监测点在进行水准线路测量时采用中视法观测，且每期每站中视测量的监测点固定，水准路线图见图1。现场测量时，要求测站位置、所用仪器、操作人员三固定，保证每次观测条件一致，减少测量误差。该观测方法大大提高了作业效率，同时保证了测量精度。

从原始观测数据中提取各尺承CPⅢ间高差，计算附合线路高差闭合差。在闭合差满足式(1)的情况下，按测站数进行高差闭合差改正，然后通过起、终基准点计算获得CPⅢ监测点的高程；从原始数据中提取后视CPⅢ与各中视监测点的高差，利用平差后的各后视CPⅢ点高程计算获得各中视监测点高程。各期计算成果与首期基准数据进行比较，获得每个监测点的沉降量，绘制纵断面图了解相邻监测点差异沉降情况。

3 工程实例分析

长三角是全国城际客运系统最发达地区，其高速铁路网络主要由沪宁、沪杭、宁杭和杭甬等客运专线组成。长三角地区也是全国地面沉降较严重地区，人口稠密，四季变化较明显，列车安全运行至关重要。笔者以长三角高速铁路某车站路基段为研究对象，该客专高铁采用无碴轨道，设计时速350 km/h，桥梁工程占87%。在通过动检车检测和CPⅢ复测确定该车站所在路基段存在沉降问题，需要进行运营期的沉降监测。

按照笔者设计的方案，在车站路基段两端桥梁上选择了CPⅢ079327、CPⅢ083315作为监测附合线路的起、终基准点，线路全长3.5 km。根据路基结构特征，布设了上行CPⅢ点、上行底座板监测点、上行轨道板监测点、上行轨面监测点、下行轨面监测点、下行轨道板监测点、下行底座板监测点和下行CPⅢ点8条纵断面。首期观测在2011年10月3日，以后每月监测1次。笔者提取了2012年6月—2012年11月第8期～13期共6期观测进行分析研究，各期监测数据结果精度统计见表3。

表3 各期沉降监测成果精度统计Table 3 Accuracy statistics of settlement monitoring data /mm

从表3可以看出，该监测方案可以满足《规范》“三等变形测量”技术要求，能够真实反映出高速铁路路基沉降情况，为铁路线路维护提供准确数据。图3展示了该段路基第8期～13期6期监测上下行部分监测点纵断面变化态势。

从图3中可以看出，截止到2012年11月28日，该路基个别地区累计沉降量已超过20 mm(长路基限值30 mm)，且有持续沉降趋势，需引起铁路线路维护部门重视。同时，该段路基不均匀沉降小于20 mm/20 m，线路平顺性较好，尚不影响列车正常运营。

图3 路基维护沉降监测纵断面变化态势Fig.3 Longitudinal profile of monitored embankment settlement variation tendency in maintenance stage

高速铁路路基线路的平顺性维护一般通过轨道扣件调整实现，对沉降变化较大地区(已超过扣件调整量)可以通过路基两侧打桩注浆等方式进行整治，在整治施工过程中，也可通过笔者所述方案进行施工期间的路基变化准实时监测。

4 结 语

高速铁路路基运营期间的维护沉降监测，一般参照《规范》施工阶段沉降技术方案执行，但运营期间存在的天窗点施工时间短、铁路线路封闭、长期监测、监测点布设密度大等客观因素影响，不能完全按照施工期间监测方案执行，特别是在基准点选择上需考虑施工便利、稳定、轨道平顺性等因素。通过工程实例表明，笔者设计的技术方案完全能够满足高速铁路路基运营期间的维护沉降监测的需求，值得在高速铁路运营维护中推广借鉴。

[1] 罗庄.高速铁路运营期沉降监测技术及管理探讨[J].上海铁道科技,2013(2):82-84. LUO Zhuang.Discussion on monitoring technique and management during operation of High Speed Railway[J].ShanghaiRailwayScience&Technology,2013(2):82-84.

[2] 张玉芝,杜彦良,孙宝臣,等.基于液力测量的高速铁路无砟轨道路基沉降变形监测方法[J].北京交通大学学报(自然科学版),2013,37(1):80-84. ZHANG Yuzhi,DU Yanliang,SUN Baochen,et al.High-speed railway ballastless track roadbed settlement monitoring method based on fluid pressure differential[J].JournalofBeijingJiaotongUniversity(NaturalScience),2013,37(1):80-84.

[3] 郝晋豫,朱少捷.郑西客运专线路基工后沉降监测方案的探讨[J].铁道工程学报,2010(3):33-36. HAO Jinyu,ZHU Shaojie.Discussion on schemes for monitoring post-construction subsidence of subgrade of Zhengzhou-Xi’an passenger dedicated Line[J].JournalofRailwayEngineeringSociety,2010(3):33-36.

[4] 赵远方,汤高飞,鲁大尉.基于PS-InSAR的京津城际铁路地面沉降监测研究[J].测绘与空间地理信息,2013,36(12):229-232.ZHAO Yuanfang,TANG Gaofei,LU Dawei.The subsidence monitoring study of Beijing-Tianjin intercity railway based on PS-InSAR[J].Geomatics&SpatialInformationTechnology,2013,36(12):229-232.

[5] 赵晓龙,张永红,李英会,等.基于时间序列TerraSAR-X影像的线状地物沉降监测试验研究[J].遥感信息,2013,28(4):57-61.ZHAO Xiaolong,ZHANG Yonghong,LI Yinghui,et al.Exploration of subsidence along linear engineering structures on time series of TerraSAR-X images[J].RemoteSensingInformation,2013,28(4):57-61.

[6] 尚金光,张献州,官超伟.高速铁路沉降评估中工程沉降和区域沉降的可区分性研究[J].测绘科学,2013,38(1):84-86. SHANG Jinguang,ZHANG Xianzhou,GUAN Chaowei.Distinguishability of engineering settlement and land subsidence in the settlement evaluation of high-speed railways[J].ScienceofSurveyingandMapping,2013,38(1):84-86.

[7] 乔旭.高铁路基工程变形观测方案设计与实施[J].测绘与空间地理信息.2013,35(12):209-212. QIAO Xu.Design and implementation of high-speed rail roadbed deformation observation schemes[J].Geomatics&SpatialInformationTechnology,2013,35(12):209-212.

[8] 中铁二院工程集团有限责任公司.高速铁路工程测量规范:TB 10601—2009[S].北京:中国铁路出版社,2010. China Second Railway Engineering Group Co.,Ltd.SpecificationsforSurveyEngineeringofHighSpeedRailway:TB10601—2009 [S].Beijing:China Railway Publishing House,2010.

[9] 国家测绘地理信息局.国家一二等水准测量规范:GB/T 12897—2006[S].北京:中国标准出版社,2006. National Administration of Surveying,Mapping and Geoinformation.SpecificationsfortheFirstandSecondOrderLeveling:GB/T12897—2006[S].Beijing:China Standards Press,2006.

[10] 徐幸福.基于沪杭高铁运营维护监测的技术设计研究[J].铁道勘察,2012(6):10-14. XU Xingfu.Technical design research of operation maintain and monitor in Shanghai-Hangzhou high-speed rail[J].RailwayInvestigationandSurveying,2012(6):10-14.

Technical Design of Embankment Subsidence Monitoring of High-speedRailway in Operation and Maintenance

ZHOU Jinguo1, CUI Shuzhen2, ZHU Chengfei1

(1.Chongqing Institute of Surveying and Mapping, NASM, Chongqing 400015, P. R. China;2.Chongqing Institute of Engineering, Chongqing 430007, P. R. China)

An embankment settlement monitoring technical scheme was developed for purpose of embankment settlement monitoring in operation and maintenance of express railway based on the features of high flatness of high-speed railway and routine maintenance and regulation works below embankment line. Monitoring sections were arranged and stable points CPIII on bridge were selected as reference points for embankment settlement monitoring and the observational method was used by taking CPIII points in monitored route as turning points. This technical scheme solves the problems of difficult fixation of monitoring points in surface settlement zone and tight schedule for maintenance and monitoring works and its application in embankment settlement monitoring during maintenance and operation stages generated positive results and meet technical requirement for third-level deformation measuring of high-speed railway.

railway engineering；high-speed railway; maintenance monitoring; differential settlement; datum mark

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.14

2014-10-08；

2015-02-02

重庆工程职业技术学院院级课题(KJC201336)

周金国(1982—)，男，山东潍坊人，工程师，硕士，主要从事工程测量与遥感工程应用方面的研究。E-mail：zjg@cqism.com。

P258

A

1674-0696(2016)02-060-04