浅议高速铁路线下工程沉降观测控制

曹 广

中铁一局集团有限公司 陕西 西安 710000

1 前言

桥梁墩台的沉降观测对确保高速铁路工程运营质量，工后沉降满足设计规范要求非常重要。通过完整的测量及数据分析、掌握、控制墩台的沉降，可以预测桥梁墩台的沉降趋势，验证工程设计及指导施工，有效控制沉降速率，确定墩台垫石开始施工时间、墩台垫石的调高量、桥梁的架设开始时间、无喳轨道道床的开始施工时间、无喳轨道的开始铺设时间等，并提供增补设计增量的计量依据。

2 京沪高铁概况

京沪高铁是《中长期铁路网规划》中投资规模最大、而且技术含量非常高的工程，也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路,正线全长约1318公里，与既有京沪铁路的走向大体并行，较既有京沪线缩短约140km，全线为新建双线，设计时速350公里，初期运营时速300公里，桥梁长约1100km，占正线长度86%；隧道长度约16km，占正线长度1.2%；路基约162km，占正线长度12%；铺设无砟轨道约1268公里，占线路长度的96%。有碴轨道正线约50公里，占线路长度的3.8%。

3 沉降观测

施工中必须进行墩台及其承台沉降量观测，根据测定数据趋势，调整施工方案及设计参数；预测沉降趋势，确定桥梁墩台垫石的施工时间及垫石标高的调整量，桥梁架设施工时间，无砟轨道的施工时间，无砟轨道施工区间，提供施工期间结构物标高调整量；预测工后沉降，使其控制在一定容许范围内；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，保证工程质量。

3.1 基本要求

测量设备须经计量单位予以鉴定。在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行校正，连续使用1——5个月重新检校。在观测过程中，测工要相互配合，有校核，协调一致。观测工作必须认真、确保观测精度，做到资料准确、完整、连续。测量技术人员的基本素质，须接受专业学习，参加过相关技能培训，熟练掌握仪器的操作规程，熟悉测量理论。能针对不同工程特性、采用不同的方法及观测程序，对过程中出现的问题会分析原因并正确的运用误差理论进行平差计算，做到保时、快捷、精度高地完成每次观测。

3.2 观测工期

观测工作分为承台观测期、墩台观测期、桥梁架设施工观测期、无喳轨道道床施工观测期、铺设无喳轨道观测期、竣工通车试运观测期六个阶段。

承台观测期指浇注完承台混凝土，拆模后回填基坑完开始进行首次沉降监测，至墩台立模、浇注完墩台混凝土并安设好墩台沉降观测标，进行墩台沉降观测前的期间。

墩台观测期是指墩台立模、浇注完墩台混凝土并安设好墩台沉降观测标后，进行墩台首次沉降观测直至桥梁开始架设前的期间。

桥梁架设施工观测期是指就某墩台来说前后两孔梁开始架设直至架设完后，且在无喳轨道道床施工开始前这段期间。其中有动荷载转变为恒静荷载又至动静荷载交替变化期间。

无喳轨道道床施工观测期，是指桥梁架设完后，开始铺设无喳轨道道床至某墩台的前两孔梁开始至铺设过后两孔梁结束这段期间。其中有荷载不断增加变为临时最大，再变为恒载加少量动荷载期间。

铺设无喳轨道观测期是指无喳轨道道床施工完成后，就某墩台来说前后两孔梁开始铺设无喳轨道直至铺设过后，且在通车试运营之前的期间。

竣工通车试运观测期是指无喳轨道铺设施工完成后，且在正式通车运营之前这段期间。

3.3 准备工作和水准点的布设

准备阶段包括规划观测路线，布设基本水准基点和工作的起始基点。还要检查观测仪器、水准尺及各种用表是否备齐。

水准点分基准点、工作基点两种。基准点是设计单位提供的高级控制点及其加密点，工作基点由施工单位埋设，密度应满足沉降观测要求，一般每隔200m左右一个，以便每测站视距不超过100m即可完成测点的观测。

3.4 沉降标的埋设

沉降标由施工单位统一制作，沉降标的埋设及接管工作均由施工单位负责，在整个观测期间，施工单位要管理好沉降监测点不受破坏或被盗，如有损坏或被盗应及时修复，并恢复观测数据，确保观测数据的连续性。

3.5 二水准的仪器及精度

为满足二等水准的精度要求，水准仪采用数字水准仪，水准仪必须定期检查、校正，确保i角小于10″，水准尺采用3米或2米铝合金条码直尺。

沉降观测的精度:仪器精度为0.3mm,随着观测期不断升高，沉降增量逐步减少，沉降量越小，要求精度越高。

为了消除观测中的系统误差，每次观测应遵循的原则： a.测量人员要固定；b.使用设备要稳定；c.变形观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的变形观测点位要稳定；d观测时的外部环境相对稳定；e观测路线、程序和方法要固定。在客观上减少了测量误差的不确定性，保证各次复测结果与首次观测的结果具有相对客观可比性，成果更准确。

3.6 观测频率

桥梁承台及墩台施工期间，一般是每周一次；桥位施工桥梁制梁前后各一次，荷载变化前后各一次或每周一次；架桥机通过前后各一次；桥梁主体完工至无喳轨道铺设前每周一次；无喳轨道铺设期间每天一次；无喳轨道铺设完成后，0～3个月每月一次，4～12个月每3个月一次，13～24个月每6个月一次；工后沉降长期观测。

4 观测成果的分析

4.1 月沉降速率变化分析

月沉降速率的计算公式：

月沉降速率=(本期累计沉降量-上期累计沉降量)/时段天数×30天

从京沪高速铁路德禹特大桥DK369+000～DK384+843段前期观测资料来看，月沉降速率一般都具有一定的变化规律。

4.2 累计沉降量的分析

从京沪高速铁路德禹特大桥DK369+000～DK384+843段桥梁墩台及承台前期沉降观测统计数据来看，虽然有个别观测点沉降量稍大，但实测累计沉降量均比设计值要小。

4.3 工后沉降估算

由实测的成果曲线反算固结系数或推算工后沉降量的计算较多，常用的有双曲线法、沉降速率法等。本文以双曲线法为例，进行说明。

4.3.1 双曲线法

双曲线法是假定下沉平均速率以双曲线形式减少的经验推导出。从施工完开始到任意时间t的沉降量S t （沉降模式见图）可用下式求得：

S0 + t

S t = (3-1)

α+βt

式中：S0 —— 初期沉降量（t=0）

S t —— t时的沉降量

t —— 经过时间

α.β —— 从实测值求得的系数

变换上式得：

t=α+βt (3-2)

S t×S0

由图2得到t / (S t×S0) 和t的函数关系。从该直线与S轴的相交处和斜率比值，可分别求得α、β，将α、β代入公式(3-1)，即可求得任意区间的沉降量。

图1 按双曲线法推测下沉模式图

图2 α、β求法

当t=∞时，最终沉降量S∞可用下式求得：

S∞=S0+1/β (3-3)

荷载经过时间t后得残留沉降量ΔS用下式求得：

ΔS= S∞-St

用此方法推测t时沉降，要求实测沉降时间至少在半年以上。

4.3.2 沉降速率法

设 S∞＝mSc

St=[(m-1)Pt/P0+Ut]Sc (3-4)

Ut=1-αe-βt (3-5)

式中：m ——综合性修正系数

Pt ——t时得累计荷载

Po ——合计累计荷载

Ut ——t时的固结度

在恒载条件下，可得沉降速率为：

Sv=ASce-βt (3-6)

8 n

A= Σqn(eβtn -eβtn-1) (3-7)

P0 i=1

式中：qn ——第n级的加荷速率

tn、tn-1 ——第n级加荷的终点和始点时间

将实测沉降速率Sv和时间t绘制lnSv-t沉降关系曲线，其截距为ASc，斜率为β，这样A可算出，然后即可求得Sc及m值和最终沉降量。

其他方法不再一一赘述。这些方法各有优缺点，关键视其与实际情况拟合程度得好坏，选择与实际情况较吻合或接近的方法。

5 结束语

通过对京沪高速铁路德禹特大桥DK369+000～DK384+843段桥梁墩台及承台目前进行沉降观测与分析，以及对京沪高速铁路德禹特大桥DK369+000～DK384+843段桥梁墩台的工后沉降的预测研究，表明京沪高速铁路德禹特大桥DK369+000～DK384+843段桥梁墩台设计的合理与施工的成功。高速铁路沉降观测是一项长期的工作，在此过程还必须再做大量细致、认真的野外数据采集和内业分析工作，同时还必须得到施工单位项目领导的大力支持、监理单位的帮助和上级高指的关怀、指导，方能完成这项工作。