徐幸福

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200333)

1 概述

隨著國家高速鐵路“五縱、七橫、八連線”的近、中期規(guī)劃實施，我國的高速鐵路(簡稱“高鐵”)建設(shè)從零開始，至2012年9月20日，高鐵在建項目達10 000 km，開通運營里程6 895 km。我國高鐵技術(shù)雖然引自國外，但經(jīng)創(chuàng)新發(fā)展，現(xiàn)已引領(lǐng)世界。如何掌握高鐵線路運行狀態(tài)和持久保持軌道結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定、平順性，以確保高鐵列車安全、高速、平穩(wěn)運行，客觀、全面的運營維護監(jiān)測是基礎(chǔ)和依據(jù)，科學(xué)、合理的維修養(yǎng)護是關(guān)鍵。

1.1 項目概況

滬杭高鐵自上海虹橋交通樞紐站引出，由松江區(qū)進入浙江省，經(jīng)嘉善、嘉興、桐鄉(xiāng)、海寧進杭州。該高鐵設(shè)計正線165 km，采用無砟軌道設(shè)計，設(shè)計速度350 km/h，其中橋梁工程占87%。項目自2009年2月開工建設(shè)，歷時一年半于2010年10月26日通車營運。該線運營維護監(jiān)測工作始于2010年12月，為國內(nèi)率先全線應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)的高鐵無砟軌道線路。

1.2 沿線工程地質(zhì)與區(qū)域環(huán)境

滬杭高鐵沿線地質(zhì)構(gòu)造屬華東沖海積平原，基巖隱覆，由巨厚的第四系覆蓋，水系發(fā)達，地下古河道、暗浜縱橫交錯，軟土層多，分布復(fù)雜；區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達，過度開采水資源和城市地下空間、工程基坑開挖等導(dǎo)致地下水嚴(yán)重下降，區(qū)域地面沉降嚴(yán)重[9，10]。

1.3 工程構(gòu)筑物變形

文中所述高鐵工程變形，主要指軌道工程及相關(guān)建構(gòu)筑物的變形移位(如連續(xù)梁結(jié)構(gòu)梁體的豎、橫向形變和梁體縱向伸縮及該伸縮引起的粱縫兩側(cè)鋼軌支承點豎向相對位移等)、構(gòu)筑物工后沉降(如橋墩臺、基床等)、區(qū)域地面沉降和工程地面沉降等。工后沉降是指軌道鋪設(shè)完成后，建構(gòu)筑物可能繼續(xù)發(fā)生的沉降，如圖1。

圖1 工后沉降示意

1.4 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測主要采用測量方法、儀表感應(yīng)傳輸法觀測，是依據(jù)建(構(gòu))筑物的變形類型、特征，采用斷面法布點觀測，以測定其變形量(垂直位移量和水平位移量)，綜合分析、研究變形規(guī)律和預(yù)測變形發(fā)展趨勢。本文結(jié)合項目執(zhí)行，著重探討工后沉降監(jiān)測技術(shù)。為便于描述，文中所述的線上、線下監(jiān)測是以基床(橋面、隧面)為據(jù)劃分。

2 監(jiān)測工作內(nèi)容與監(jiān)測項

2.1 工作內(nèi)容

運營維護監(jiān)測工作內(nèi)容主要為：全線復(fù)測建設(shè)期的各級平面與高程控制網(wǎng)，建立運營期的線下工程變形監(jiān)測控制網(wǎng)，建立運營期的線上工程變形監(jiān)測控制網(wǎng)(軌道維護基標(biāo)網(wǎng))，軌道運營維護監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測對象

運營維護監(jiān)測工作是依據(jù)規(guī)范、設(shè)計和運營管理要求[1-8]，結(jié)合高鐵運行狀態(tài)、周邊近距區(qū)域的環(huán)境變化，開展定期、不定期監(jiān)測。線上監(jiān)測主要有：基床(或橋、隧面)、混泥土底座、軌道板、軌道及站設(shè)備等；線下主要有：基體及邊坡、橋墩臺、梁體形變移位和環(huán)境監(jiān)測(高鐵沿線交叉、穿越地段及病害整治跟蹤控制監(jiān)測)等。

3 技術(shù)準(zhǔn)備

3.1 資料收集

(1)工程資料

收集項目勘察設(shè)計、竣工驗收文件(含靜、動態(tài)驗收檢測數(shù)據(jù)分析及評估結(jié)果)，項目建設(shè)期的各級控制網(wǎng)測量成果和咨詢、評估意見，尤其是各單項工程施工過程中的監(jiān)測資料、趨勢分析和評估成果等。

(2)相關(guān)資料

收集項目沿線國家或地方各級監(jiān)測部門的區(qū)域沉降監(jiān)測資料，調(diào)查沿線水井分布及地下水開采情況，收集新近水文地質(zhì)資料和水文地質(zhì)條件的變化趨勢評估資料等。

3.2 踏勘調(diào)查

在分析研究基礎(chǔ)上，劃分重點監(jiān)測項、監(jiān)測區(qū)段，制定監(jiān)測預(yù)案并實地踏勘落實。技術(shù)設(shè)計中要著重研究開展單項、單位工程及軌道維護監(jiān)測控制網(wǎng)的技術(shù)條件；要結(jié)合施工、維修養(yǎng)護記錄，以及設(shè)計、驗收文件，重點對不良或特殊巖土條件地段、過渡段不均勻沉降段落、站段咽喉區(qū)等進行調(diào)查和技術(shù)論證。

3.3 設(shè)備及軟件

本項目采用幾何測量法監(jiān)測，全站儀選用具有自動目標(biāo)搜索、觀測、記錄功能，標(biāo)稱精度不低于(±1″， ±(1+2×-6D) mm)；幾何水準(zhǔn)測量監(jiān)測的水準(zhǔn)儀不低于DS1級；測量儀器和測量桿件、器具及溫度、氣壓計等必須按規(guī)定檢測，以確保滿足規(guī)范精度要求。數(shù)據(jù)采集與處理選用專用軟件，須按規(guī)定審定并獲通過。如本項目采用DMS數(shù)據(jù)采集軟件；監(jiān)控網(wǎng)解算及平差計算分別采用Topcon Pinnacle 、TGO、GeoTrans和COSA GPS、COSA_CODAPS等軟件。

3.4建設(shè)期控制網(wǎng)復(fù)測評估

(1)平面復(fù)測評估

采用GPS測量技術(shù)，同精度復(fù)測并評估建設(shè)期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網(wǎng)，主要技術(shù)要求見表1；采用全站儀自由設(shè)站邊角交會法同精度復(fù)測并評估建設(shè)期平面CPⅢ網(wǎng)，主要技術(shù)要求與精度指標(biāo)見表5。

(2)高程復(fù)測評估

同精度復(fù)測并評估建設(shè)期各級高程控制網(wǎng)，主要技術(shù)指標(biāo)要求見表2。

表1 建設(shè)期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制網(wǎng)復(fù)測的主要技術(shù)要求

表2 高程控制網(wǎng)復(fù)測主要技術(shù)要求

3.5 監(jiān)測方案評審

以高鐵建設(shè)期的施工監(jiān)測和咨詢、評估驗收資料為基礎(chǔ)，結(jié)合靜、動態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析及評估結(jié)果，對高鐵運營(試)線沉降及設(shè)備狀態(tài)進行檢測分析，在系統(tǒng)評估、研究的基礎(chǔ)上設(shè)計監(jiān)測方案并送相關(guān)部門審，在方案獲評審?fù)ㄟ^后開展監(jiān)測技術(shù)設(shè)計。

4 技術(shù)設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

(1)系統(tǒng)客觀性

監(jiān)測控制網(wǎng)以經(jīng)復(fù)測滿足要求的建設(shè)期控制網(wǎng)為基礎(chǔ)建設(shè)，結(jié)合建設(shè)期監(jiān)測成果、趨勢分析和評估意見，在整體、系統(tǒng)的基礎(chǔ)上突出重點、要點，力求監(jiān)測數(shù)據(jù)能系統(tǒng)、客觀、全面反映變形規(guī)律。

(2)準(zhǔn)確可靠性

高鐵運營維護監(jiān)測技術(shù)設(shè)計，要突顯技術(shù)先進、方案科學(xué)，做到監(jiān)測頻次設(shè)計科學(xué)、合理和技術(shù)成熟，方法簡單，要利用系統(tǒng)功效性減少測設(shè)誤差，提高監(jiān)測精度，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和成果可靠。

(3)相關(guān)因素性

在監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)、工作網(wǎng)及監(jiān)測點的技術(shù)設(shè)計中，強調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的獨立與相關(guān)性。工后沉降應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)變和區(qū)域(或工程)地面沉降和沉降“差異”的影響，重點關(guān)注路基、過渡段(塹堤、路橋、路隧、站咽喉區(qū)等) 的“差異”工后沉降監(jiān)測，對監(jiān)測環(huán)境因素(如溫度、季節(jié))開展研究，以求監(jiān)測成果客觀、真實。

(4)重點關(guān)鍵性

監(jiān)測項重點為軌道工程、路基工程、過渡段、不良巖土條件地段建構(gòu)筑物工程，監(jiān)測工作重點為監(jiān)控網(wǎng)點的沉降變化，過渡段的“差異”沉降分析和特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)變形、變位(如項目轉(zhuǎn)體橋的梁豎向殘余徐變變形，橋面處梁端水平折角等)監(jiān)測分析。監(jiān)測工作的關(guān)鍵是監(jiān)測成果分析，變形趨勢判析與預(yù)報、預(yù)警等。

(5)經(jīng)濟合理性

經(jīng)濟合理性取決于監(jiān)測技術(shù)、方法的先進合理性和對監(jiān)測工作的把控能力，原則是在確保技術(shù)先進，安全、可靠的前提下，采用簡單直觀，成熟有效的技術(shù)和方法，做到科學(xué)、合理監(jiān)測。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

項目監(jiān)測內(nèi)容、技術(shù)設(shè)計，嚴(yán)格按《高速鐵路工程測量規(guī)范》、《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、《建筑變形測量規(guī)范》、《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》、《上海鐵路局滬杭高鐵無砟軌道線路維修管理辦法(暫行)》等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行[1-8]。

4.3 技術(shù)設(shè)計

監(jiān)測控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計遵循“從整體到局部”的逐級控制原則，由監(jiān)測點精度要求確立各監(jiān)測控制網(wǎng)精度。變形監(jiān)測分水平位移和垂直位移監(jiān)測，監(jiān)測控制網(wǎng)分基準(zhǔn)點網(wǎng)、工作基點網(wǎng)，變形測量點分為基準(zhǔn)點、工作基點和變形觀測點。

(1)監(jiān)測等級與精度指標(biāo)設(shè)計

監(jiān)測測量的等級選擇因監(jiān)測項精度指標(biāo)設(shè)計而定，精度指標(biāo)設(shè)計是以監(jiān)測項的變形測量中誤差小于允許變形值1/10～1/20為原則，本項目變形監(jiān)測等級與精度設(shè)置見表3。

表3 變形觀測等級與精度指標(biāo)要求

(2)監(jiān)測控制網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計

監(jiān)測控制網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)因監(jiān)測項需求和監(jiān)測精度要求而異，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 垂直位移監(jiān)測各級控制網(wǎng)點的主要技術(shù)要求

軌道及軌道構(gòu)筑物的監(jiān)測基準(zhǔn)點網(wǎng)為CPⅠ、CPⅡ及CPⅢ加密和線路上的二等水準(zhǔn)及加密點，工作網(wǎng)為維護基標(biāo)網(wǎng)，維護基標(biāo)網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 CPⅢ網(wǎng)、維護基標(biāo)網(wǎng)約束平差后的主要技術(shù)要求

(3)監(jiān)測頻率設(shè)計

監(jiān)測頻次是以監(jiān)測項客觀、系統(tǒng)地反映變形過程和合理的監(jiān)測量為前提，依據(jù)監(jiān)測項、目的，以及變形量大小、速率等因素確定。如本項目的路基、軌道工程觀測頻率為1次/3月，七段重點路基為1次/1月等。

(4)變形預(yù)警值設(shè)計

構(gòu)筑物形變預(yù)警值設(shè)計原則是依據(jù)規(guī)范、設(shè)計和運營維護要求確定。本項目預(yù)警值設(shè)計為：當(dāng)監(jiān)測變形值大于1/2且小于2/3允許變形值時，列為關(guān)注；當(dāng)大于2/3允許變形值時，列為重點關(guān)注，重點關(guān)注項要及時上報委托方并啟動應(yīng)急預(yù)案。

4.4 變形監(jiān)測

監(jiān)測是依據(jù)測量及相關(guān)規(guī)范和高鐵建(構(gòu))筑物的設(shè)計技術(shù)要求、變形類型及特征要求確定監(jiān)測項，在構(gòu)筑物上設(shè)置特定觀測點并按技術(shù)設(shè)計規(guī)定要求觀測。

(1)路基與軌道工程構(gòu)筑物監(jiān)測

軌道構(gòu)筑物監(jiān)測的斷面、觀測點布設(shè)，是沿上、下行同斷面的維護基標(biāo)點(重點地段在CPⅢ點加密)布設(shè)6個觀測點(含工作基點)，以基標(biāo)點為工作基點，觀測基床(橋面、隧道底面板)、混泥土底座和軌道板等構(gòu)筑物的垂直位移(沉降、墩臺監(jiān)測周期間溫差豎向徐變等的綜合)；監(jiān)測斷面間隔一般不大于50 m，本項目以CPⅢ、維護基標(biāo)點為工作基點，故斷面間距為30 m。

(2)過渡段與軌道工程構(gòu)筑物監(jiān)測

依據(jù)設(shè)計要求[1-2]：路涵、路橋、路隧等過渡段交界處的差異沉降應(yīng)不大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁或隧道的折角不應(yīng)大于1/1 000。

過渡段主要有路涵、路塹、路橋、路隧等，其監(jiān)測觀測點布設(shè)原則與路基工程相同，但監(jiān)測斷面按需加密，主要在結(jié)構(gòu)銜接處附近按5～10 m間隔布設(shè)加密斷面(如橋臺背2.0 m、涵中)，按技術(shù)要求觀測。對重點監(jiān)測對象、地質(zhì)復(fù)雜及病害區(qū)段，按需開展水平位移監(jiān)測。

(3)軌道靜態(tài)幾何狀態(tài)檢測

軌道靜態(tài)幾何狀態(tài)檢測的觀測點為維護基標(biāo)點和軌道。檢測方法有軌檢小車法和量測法。小車法是采用軌檢小車系統(tǒng)，以采集軌道的軌距、超高、軌向、高低、水平、扭曲等幾何數(shù)據(jù)和軌道坐標(biāo)數(shù)據(jù)，檢測項多，信息量大；量測法是測量線路三維坐標(biāo)和量測偏距，應(yīng)用設(shè)計線位資料，通過解析計算來檢測軌道形態(tài)情況。

(4)橋墩臺變形監(jiān)測

橋墩(臺)體變形監(jiān)測主要是工后沉降觀測，每墩布2個觀測點，原則是建設(shè)期施工沉降監(jiān)測的延續(xù)。但橋承梁面變形監(jiān)測較為復(fù)雜，其垂直位移是結(jié)構(gòu)徐變位移與墩臺沉降的綜合。沿線二等水準(zhǔn)為基準(zhǔn)控制網(wǎng)點，工作網(wǎng)結(jié)合現(xiàn)場橋的結(jié)構(gòu)特點和觀測點分布情況按規(guī)定布設(shè)，垂直變形按監(jiān)測三等要求實施。橋梁的工后沉降限差要求見表6。

表6 構(gòu)筑物工后沉降限差要求

(5)構(gòu)筑物徐變監(jiān)測

依據(jù)橋梁設(shè)計要求：構(gòu)筑物徐變監(jiān)測，無砟橋面當(dāng)L≤50 m時，梁體豎向變形不大于10 mm；當(dāng)L>50 m時，梁體豎向變形應(yīng)不大于L/5 000且不大于20 mm。為此，通常簡支梁徐變監(jiān)測斷面點布設(shè)于支點及跨中，觀測點布設(shè)于左右防撞墻內(nèi)側(cè)；連續(xù)梁斷面依據(jù)橋跨大小，分別布設(shè)于支點、1/4邊跨、中跨中、1/4邊跨處，觀測點布設(shè)于左右防撞墻內(nèi)側(cè)；當(dāng)橋跨數(shù)多于3跨時，其中跨布點原則不變。對特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計工程，按設(shè)計要求布設(shè)觀測點、斷面，如本項目跨滬杭高速公路的轉(zhuǎn)體梁橋，其布點及監(jiān)測見圖2。監(jiān)測方法有水準(zhǔn)測量法、儀表自動監(jiān)測法(如光纖光柵靜力儀系統(tǒng))，本項目采用二等水準(zhǔn)進行監(jiān)測觀測。

圖2 轉(zhuǎn)體梁徐變監(jiān)測觀測標(biāo)布設(shè)與斷面監(jiān)測

(6)區(qū)域沉降監(jiān)測

依據(jù)項目收集的監(jiān)測資料[9，10]：2010年嘉興沉降中心的年沉降速率達7.3 mm，上海郊區(qū)縣6.8 mm。滬杭高鐵的工程基樁一般位于-40～-60 m，建筑物本體的工后沉降，應(yīng)考慮區(qū)域性的地面沉降影響問題。又因項目受杭嘉湖平原的多個沉降“漏斗”(主漏斗水位-58.98 m、次漏斗水位-48.8 m)影響，為此應(yīng)評估區(qū)域地面沉降，“差異”區(qū)域地面沉降對監(jiān)測控制網(wǎng)、沉降監(jiān)測及高鐵工程的影響。

區(qū)域沉降監(jiān)測通常綜合運用水準(zhǔn)測量、InSAR和分層標(biāo)、地下水監(jiān)測等手段監(jiān)測。本項目當(dāng)前應(yīng)用區(qū)域監(jiān)測站資料進行項目評估分析，存在缺乏針對性問題。

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測項的每期變形觀測結(jié)束，應(yīng)及時依據(jù)誤差理論和統(tǒng)計檢驗原理對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸類、綜合分析，以及時了解、預(yù)測構(gòu)筑物的形變。

(1)數(shù)據(jù)改正與修正

數(shù)據(jù)改正主要有控制點復(fù)測后的更新改正和觀測值的儀器檢測指標(biāo)改正、氣象改正等；數(shù)據(jù)修正主要有控制點穩(wěn)定性監(jiān)測的區(qū)域(或工程)地面沉降修正和監(jiān)測期間溫差構(gòu)筑物徐變的高差修正等。本項目二等水準(zhǔn)的上橋精密光電測距三角高程測量中的高差值修正Δh1=α×Δh×Δt，鋼筋混凝土膨脹系數(shù)α取1.2×10-5，Δh為橋上與橋下的高、低聯(lián)測點的測量高差值，Δt為監(jiān)測觀測的期間溫差(本次監(jiān)測觀測時溫度與第一次觀測時溫度之差)。

(2)軟件選用與應(yīng)用技巧

采用經(jīng)評審的可靠計算軟件，數(shù)據(jù)處理人員要專職培訓(xùn)，并具有熟練的軟件應(yīng)用能力和技巧。

5.2 變形分析與預(yù)測

(1)原則

變形分析與預(yù)測評估遵循從局部到整體和水平位移和垂直位移相結(jié)合的原則。要求分析人員具有豐富的工程實踐經(jīng)驗和分析能力，本項目采用變形幾何分析法進行基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗、分析，以評估基準(zhǔn)點是否穩(wěn)定和起算依據(jù)可靠性，進而展開監(jiān)測點、監(jiān)測斷面的變形相關(guān)性分析和變形趨勢分析。

(2)分析與預(yù)測

監(jiān)測分析是依據(jù)監(jiān)測分類，以縱、橫監(jiān)測斷面為分析單元，在充分考慮構(gòu)筑物分布和結(jié)構(gòu)特點、變形特性的基礎(chǔ)上，建立變形量與變形因子關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，對引起變形的原因進行分析和解釋，分析監(jiān)測項的變形規(guī)律，對監(jiān)測對象的形變發(fā)展趨勢進行預(yù)測，以指導(dǎo)運營維護工作。

6 結(jié)束語

高速鐵路運營維護監(jiān)測是一項系統(tǒng)性、獨立性、相關(guān)性很強，集工程技術(shù)，統(tǒng)計分析，工程經(jīng)驗及評估、研判于一體，是一項系統(tǒng)工程。而監(jiān)測工作的技術(shù)設(shè)計又是關(guān)乎監(jiān)測技術(shù)科學(xué)應(yīng)用和對監(jiān)測項監(jiān)測方案、方法的合理選用，是觀測質(zhì)量、監(jiān)測效果和工作效率的關(guān)鍵控制因素。為此，高鐵運營維護監(jiān)測要求其技術(shù)設(shè)計做到方案科學(xué)、合理，技術(shù)先進、可靠，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、客觀、全面，綜合趨勢分析科學(xué)和趨勢預(yù)測可靠。兩年來，滬杭高鐵運營維護監(jiān)測工作執(zhí)行順利，及時為項目科學(xué)維修養(yǎng)護提供技術(shù)支持，也為病害整治決策和客觀評估高鐵運行狀態(tài)提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻

[1] TB10601—2009 高速鐵路工程測量規(guī)范[S]

[2] TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S]

[3] JGJ8—2007 建筑變形測量規(guī)范[S]

[4] GB/T12897—2006 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]

[5] 運基線路[2010]554號 關(guān)于發(fā)布《高速鐵路運營沉降監(jiān)測管理辦法》通知[S]

[6] 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(暫行)[S]

[7] 工高函[2011]124 新建高速鐵路無砟軌道維護基點測設(shè)作業(yè)指導(dǎo)書[S]

[8] SHG/GW358—2010 上海鐵路局滬杭高鐵無砟軌道線路維修管理辦法(暫行)[S]

[9] 浙江省地質(zhì)局.浙江省地質(zhì)環(huán)境公報[R].杭州：浙江省地質(zhì)局，2010

[10] 王寒梅.上海地面沉降風(fēng)險評價及防治管理區(qū)建設(shè)研究[J].上海地質(zhì),2010(4)