沉降变形观测与评估在铁路建设中的重要作用

苏 维

中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031

铁路工程线下沉降变形观测与评估是一项系统工程，涉及路基、桥梁、隧道、轨道等结构工程，以及测量工程、数学、计算机等多个领域，各专业有机协调，不可分割。观测数据的真实可靠与分析评估方法的科学合理为沉降变形评估体系的两个核心环节，其中前者是技术体系的基础，若观测数据的来源不可靠或采集的观测数据质量不合格，则沉降变形评估工作就是空中楼阁。

高速铁路对线下工程毫米级工后沉降量要求严格，理论方法计算的精度受制于土体本构模型、土体工程力学指标、设计者的工程经验等诸多因素，为了验证计算结果的合理性，必须系统地开展现场沉降变形观测数据采集工作，才能获得线下工程沉降变形最准确的数据资料。

1 沉降变形观测与评估工作的发展过程

1.1 2008年以前客运专线建设模式

我国2008年以前建设的无砟轨道客运专线，如京津城际、武广客专及郑西客专等，沉降评估体系存在以下问题：

（1）重视评估工作，轻视观测环节，仅对数据进行曲线拟合分析。

（2）无系统的数据平差处理与数据管理软件，需对海量电子表格进行曲线生成、曲线拟合的重复性操作，工作量大，工作效率低下。

（3）观测与评估环节相对脱节，无法对线下工程沉降变形观测过程进行有效的监控，缺少评估过程的动态协调。例如武清车站和耒阳车站，在铺设无砟轨道后，仍有超过允许工后沉降量的沉降变形现象发生，后期又花费了时间和财力采取补救措施。但如果评估过程中能及时发现沉降变形未收敛，在建设过程中提前采取有效的加速沉降完成的措施，将可避免此类问题。

（4）所采用的规范与实际情况脱节，为评估而评估。《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设〔2006〕158号）中推荐了11种沉降变形曲线拟合的方法，但通过对大量的实测沉降变形数据拟合分析发现，80%以上的测点（主要集中在嵌岩桩基础桥梁、围岩级别较高的隧道以及地质条件较好的路堑）均无法开展沉降变形曲线拟合。

1.2 2008年以后高速铁路建设模式

以京沪高铁、京福高铁等为代表的高速铁路，在沉降变形观测与评估方面有了质的发展。

（1）开发数据处理软件。中铁二院成立软件攻关小组，广泛调研了国内外相关软件开发、使用现状，开发出了集观测数据平差处理、观测成果储存、曲线拟合三模块为一体的《沉降观测数据处理与分析评估系统》，该软件实现了观测数据平差处理一键化操作，以文件夹存储方式管理观测数据的模式生成观测曲线、沉降速率曲线、单个测点沉降曲线，具有全线累计沉降曲线以及采用多种拟合算法进行曲线拟合的功能。同一项目的各参建单位采用同一款沉降评估软件后，采用相同数据管理模式对数据进行管理，极大地提高了数据处理与数据管理的能力。

（2）强调现场观测的重要性。观测与评估两个环节都十分重要，因此必须注重过程质量控制。沉降变形观测工作是指导轨道系统铺设的唯一手段。在建设期内，及时更新测点数据，形成沉降变形曲线，分析曲线发展趋势，提前发现线下工程沉降变形的异常点，如路基持续下沉、墩身左右侧不均匀沉降、墩身沉降突变、隧道仰拱隆起等，或者因外部环境变化如暴雨、地下水抽取、弃渣堆积等导致的线下工程沉降变形异常。

一般高速铁路正常沉降变形曲线表现为约90%的路基沉降板测点累计沉降量小于20mm，占93%的路基面观测桩累计沉降量小于5mm。这说明路基本体沉降变形在填筑完成后很快趋于稳定，且路基填料质量和压实标准高，填土本身的沉降很小。路基沉降的主要原因在于地基部分的沉降变形。在摩擦桩基础桥梁架梁前后，墩台测点普遍存在0.5～3.0mm的沉降突变量，架梁前后在梁体荷载作用下，沉降突变值存在一定差异，这与桥墩所在地段地质条件、桩基础成桩工艺有关。架梁后6个月，累计沉降较架梁后3个月累计沉降量有0.5～1.5mm的沉降变化量，结合以上分析可以认为，架梁后3个月内为墩身沉降发展阶段，架梁后3～6个月为墩身沉降趋于稳定阶段。隧道测点累计沉降量均小于5mm，仰拱开挖完成后1个月内易出现隆起负变形。例如，京沪高铁蕴藻浜特大桥因城市建筑垃圾和弃土单侧堆积在桥墩旁，偏压荷载造成桥墩两侧不均匀下沉和偏移；京福高铁福建段多座桥梁墩台在架梁后产生了10cm左右的沉降突变，且后期沉降变形不收敛，这是因为桥梁桩基持力层为云母石英片岩，遇水后承载力大幅下降；京福高铁安徽段巢湖东站由无砟轨道变更为有砟轨道；石武客专因地下水变化产生区域沉降等。

沉降变形观测与评估是对线下工程沉降变形发生发展过程进行监控，能随时掌握测点沉降变形规律，及时提出存在的问题，供建设单位和各参建单位分析研讨，从而采取控制沉降变形的工程措施，缩短建设工期并节省建设成本。在建设过程中，沉降变形观测工作可将可能产生的隐患消除在建设期，为铁路安全运营保驾护航。

（3）更新相关规范条款。总结已开展的沉降变形观测与评估工作的经验，成果已列入《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》（Q/CR 9230—2016），并于2016年11月施行，主要体现在增加了沉降变形评估单位同步进行平行观测，更新了测量技术与要求，更新了隧道观测标埋设方式与测点个数，完善了沉降变形评估体系。

2 沉降变形观测与评估的工作范围

《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设〔2006〕158号）主要指导客运专线无砟轨道铺设条件的评估，随着铁路网的进一步规划，2016年我国颁布了《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》（Q/CR 9230—2016），无砟轨道和设计时速200km及以上的有砟轨道也随之兴建。

根据不同铁路等级和轨道类型，线下工程需要进行变形观测的范围也不尽相同。按轨道类型、设计时速进行区分，归纳整理新建铁路沉降变形观测的工作范围如下。（1）采用无砟轨道结构的铁路：沉降变形观测范围为所有线下工程，即路基工程（含过渡段）、桥涵工程（含梁体徐变）和隧道工程。（2）有砟轨道、设计时速不低于250km的高速铁路：沉降变形观测范围为所有线下工程，即路基工程（含过渡段）、桥涵工程（不含梁体徐变）和隧道工程。（3）有砟轨道，设计时速为200km，客货共线铁路：沉降变形观测范围仅为路基工程，对于路涵、路桥过渡段，需根据实际条件判断是否设置观测内容。（4）有砟轨道，设计时速为200km以下的铁路：沉降变形观测范围为软土、松软土等特殊地段路基。（5）严寒、寒冷地区无砟轨道和设计时速250km及以上的有砟轨道铁路路基应进行冻胀变形观测。

上述分类不包括特殊结构物的变形观测，如桥梁特殊结构墩台沉降变形、梁体徐变等，可由设计单位专门提出变形观测要求。

3 现阶段沉降变形观测与评估存在的问题

我国幅员辽阔，地质条件差异大，随着高速铁路路网的进一步规划加密，从东南方的软土、松软土到北方的冻土，再到西南山区丘陵、喀斯特、特殊岩土等，在不同地质条件下修建高速铁路会遇到新的挑战。例如，我国北方铁路的季节性冻土冻胀，西南山区膨胀岩土地段隧道、深路堑上拱变形不收敛，跨喀斯特、溶洞桥梁基础沉降不收敛，等等。这些挑战在目前修建的成兰铁路、川藏铁路、渝昆高铁均会出现，需要不断总结既有经验教训去克服和创新。

4 沉降变形观测与评估工作展望

4.1 开展沉降变形观测的信息化管理

中国铁路总公司工程管理中心开展铁路沉降观测信息系统推广应用，对沉降变形观测进行信息化管理，如高速铁路工程沉降变形观测数据与评估管理系统V2.0、铁路工程管理平台等，进一步对沉降变形观测的时效性进行全过程监督管理。

4.2 加强铁路运营期的基础变形观测管理工作

经过1～2个雨季与冬季循环，已建成的铁路易出现沉降变形方面的问题。比如，哈大铁路冻胀，兰新高铁隧道因膨胀土遇水膨胀引起仰拱上拱，京津城际区域地面沉降最大年沉降速率超过了150mm，差异沉降日益增大，严重影响了轨道的平顺性和行车安全等。为规范铁路运营阶段的变形观测，中国铁路总公司发布了《运营高速铁路基础变形监测管理办法》（技术规章编号：TG/GW 260-2015）（铁总运〔2015〕113号）文件。

4.3 引进新设备、新材料和新工艺的监测系统

除人工测量，在高寒地区、地理地势险峻的工点引进了自动监测和预警系统。目前应用于铁路工程变形监测的有北斗卫星变形监测站、分布式光纤变形监测系统等。如莫斯科—喀什铁路，采用远程自动实时监测系统，由数据采集、数据传输、数据处理三大子系统组成，可随时调取测段内沉降变形相关数据。

5 结束语

综上所述，文章结合我国铁路建设过程中沉降变形观测中的典型案例，明确了不同等级铁路进行沉降变形观测的工作范围，并从地质条件、降水、外部荷载等方面对异常情况进行分析，采取对症的工程补救措施，以期引起后来的设计者和建设者的足够重视，用于指导铁路建设。