趙滿慶
(西蘭鐵路客運專線陜西有限責任公司,西安 710043)
西寶鐵路客運專線起點為鄭西客運專線咸陽西站出站端DK500+130,終點為新建寶雞南站出站端DK638+000,線路長度138 km。
(1)鐵路等級:客運專線。
(2)正線數(shù)目:雙線、全線正線均為無砟軌道。
(3)設(shè)計行車速度:250 km/h及以上。
橋梁18座/120143.23m,路基23段/16 924.65 m,黃土隧道1座/903 m(未包括箱涵)。橋梁梁體主要采用《無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁》,跨度31.5 m,圖號:通橋(2008)2322A-Ⅱ。施工方法為梁場制作、架橋機架設(shè)。部分橋梁采用連續(xù)梁設(shè)計方案,最大跨度136 m,施工方法為掛籃懸灌混凝土,另有少數(shù)采用支架法施工。橋梁樁采用φ1.0 m、φ1.2 m,樁長27~57 m的鉆孔灌注樁,樁端位于中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土或砂圓礫層中。路基基底設(shè)計處理方案為:水泥土擠密樁、CFG樁、柱錘沖擴樁,其目的是消除黃土濕陷性、提高地基強度與減少地基沉降。路堤采用振動碾壓水泥土。部分兩橋連接段采用樁板結(jié)構(gòu)。隧道Ⅴ級圍巖采用CRD法施工,Ⅳ級圍巖采用CD法和弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法施工。
西寶客運專線沿線所經(jīng)地區(qū)地貌中西部以渭河一二級階地為主部分為黃土臺原,西部以黃土溝壑為主,部分為河谷階地。地層均為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層,厚度大于300 m。主要地層依次為耕土、新黃土或沖、洪黏性土,黃土、風積、沖積黏質(zhì)黃土夾古土壤,老黃土、粉質(zhì)黏土、砂類土、碎石類土。不良地質(zhì)主要為上部全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)黃土,具濕陷性。
(1)鐵建設(shè)[2006]158號文《客運專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南》。
(2)鐵道部工管技[2009]77號文《客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊》。
(3)《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)。
(4)西蘭鐵路客運專線陜西有限責任公司(以下簡稱公司)制定的《新建鐵路西安至寶雞客運專線線下工程沉降變形觀測及評估實施細則》(以下簡稱《實施細則》)。
(5)西安至寶雞鐵路客運專線有關(guān)設(shè)計文件。
2.2.1 組織機構(gòu)
(1)公司成立線下工程沉降變形觀測與評估領(lǐng)導(dǎo)小組,設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位和評估單位等各方成立領(lǐng)導(dǎo)小組。
(2)人員要求
公司:公司總工程師任組長,工程部和安質(zhì)部的部長任副組長,配置專職的管理人員。
設(shè)計單位:項目總體任組長,相關(guān)專業(yè)負責人任組員。
施工單位:局指揮長任組長,局總工任副組長,配置專職的管理人員。
監(jiān)理單位:總監(jiān)任組長,副總監(jiān)任副組長,配置專職的管理人員。
評估單位:單位領(lǐng)導(dǎo)任組長,總評估師任副組長,配置專職的管理人員。
(3)工作分工與職責:根據(jù)鐵道部有關(guān)規(guī)定明確各單位的工作內(nèi)容與崗位責任。
(4)平行觀測:監(jiān)理單位負責平行觀測工作。其工作量的確定,一般地段為施工單位總測量的10%,地質(zhì)復(fù)雜、沉降變化大(由設(shè)計或公司確定)以及過渡段為施工單位總測量的20% ~50%,并編制《平行觀測報告》。
(5)由橋涵、路基、巖土、線路、結(jié)構(gòu)、測量專業(yè)專家組成專家小組,事前指導(dǎo),解決技術(shù)難題,評審方案、評估報告。
2.2.2 嚴格的管理制度
在西蘭公司領(lǐng)導(dǎo)下,由設(shè)計單位對施工單位、監(jiān)理單位和評估單位進行技術(shù)交底,對有爭議的技術(shù)問題提交專家組解決。在充分了解設(shè)計意圖意見統(tǒng)一后、結(jié)合西寶客運專線黃土地區(qū)的工程特點、吸取鄭西等客運專線的成熟經(jīng)驗教訓,依據(jù)現(xiàn)有的行業(yè)標準,由公司制定頒發(fā)《實施細則》,各參建單位依據(jù)《實施細則》制定實施方案。
2.2.3 委托專業(yè)沉降評估單位
為提高沉降評估工作質(zhì)量,公司特委托兩家專業(yè)沉降評估單位進行評估,評估單位除編寫評估報告外,還協(xié)助公司對施工單位、平行觀測單位的現(xiàn)場沉降觀測、資料整理進行技術(shù)指導(dǎo)與檢查。
2.2.4 合理的評估工作流程
依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準制定了工作流程,主要內(nèi)容如下。
(1)施工編制《自評報告》,監(jiān)理編制《監(jiān)理工作報告》和《平行觀測報告》,評估單位編制《評估報告》。
(2)施工、監(jiān)理、評估單位參加公司組織的線下工程沉降變形觀測評估專家論證會。
(3)施工、監(jiān)理、評估單位根據(jù)專家意見修改各自的報告交公司。
(4)繼續(xù)按要求進行觀測工作,積累資料,直至交付運營。
(5)按照竣工資料要求整理觀測資料,移交運營單位(含觀測網(wǎng))。
另外,在整個過程中高度重視專家的作用與意見,堅持每個施工段的評估都召開專家論證會,根據(jù)專家意見下達評估結(jié)論
2.3.1 事前指導(dǎo)
(1)施工單位、平行觀測單位依據(jù)《實施細則》及設(shè)計要求編寫各自沉降觀測方案,報評估單位與公司審批后實施,評估單位編寫評估大綱上報公司審批后實施。
(2)為了提高參建單位人員業(yè)務(wù)水平,公司組織沉降變形觀測專業(yè)培訓班,重點對評估軟件的使用進行學習,請評估單位安排人員講課,授課后考試、合格者取得上崗證。并邀請國內(nèi)專家授課沉降評估知識。
2.3.2 加強觀測過程的控制管理
對沉降變形觀測的過程控制管理,公司主要抓了6個重要環(huán)節(jié)。
(1)人員資質(zhì)與技能、測量儀器的精度、檢驗情況滿足沉降觀測要求。
(2)布設(shè)觀測網(wǎng):施工單位提報布設(shè)觀測網(wǎng)方案,評估單位審查同意后實施。
(3)按標準埋設(shè)觀測元器件:過渡段的觀測元器件要按公司《實施細則》要求埋設(shè),因施工破壞的觀測元器件要及時修復(fù)及時轉(zhuǎn)點,橋墩上埋設(shè)的觀測元器件要牢固可靠和符合標準。
(4)觀測頻次:按部文要求和公司《實施細則》要求的頻次進行觀測。
(5)公司定期組織評估單位、監(jiān)理單位對施工單位、平行觀測單位的沉降變形觀測工作進行全面檢查。10項主要檢查工作:測量成果進行實測抽測檢查,對內(nèi)業(yè)資料進行檢查,對測量工作是否執(zhí)行“五固定”進行檢查,對人員配置是否符合要求進行檢查,對儀器配置是否符合要求進行檢查,對人員培訓情況進行檢查(持證上崗),對觀測數(shù)據(jù)和填報情況進行檢查,對觀測頻次進行檢查,對觀測設(shè)備是否破壞或及時修補進行檢查,對儀器鑒定進行檢查。
(6)沉降變形評估專家論證會:認真審查施工、監(jiān)理和評估單位的報告,不斷提高報告內(nèi)容的質(zhì)量。設(shè)計單位相關(guān)專業(yè)人員參加評估會。公司及時將評估結(jié)果提交設(shè)計、施工、監(jiān)理和評估單位。
2.3.3 管理技術(shù)措施
沉降觀測數(shù)據(jù)真實準確、可靠是評估工作的首要條件與基礎(chǔ),為達到此目的在過程管理中采取如下技術(shù)措施。
(1)重視梁體徐變的觀測,確保箱梁預(yù)應(yīng)力張拉施工質(zhì)量。設(shè)計規(guī)范要求“無砟橋面梁的徐變上拱值不應(yīng)大于10 mm”。《客運專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估指南》要求:“1.終張拉完成時,梁體跨中彈性變形值不宜大于設(shè)計值的1.05倍。2.扣除各種彈性變形、終張拉60 d后,L≤50 m梁體跨中徐變實測值不應(yīng)大于7 mm;L>50 m梁體跨中徐變實測值不應(yīng)大于L/7 000或14 mm”。西寶客運專線跨度31.5 m的簡支箱梁制作時,預(yù)設(shè)反拱18 mm。選取梁體跨中彈性變形設(shè)計值,當二期恒載 120~140 kN/m時,查通橋(2008)23222A-Ⅱ為10.04~10.24 mm。采用數(shù)據(jù)時,注意不要把反拱值與彈性變形值混肴。通用圖中的“扣除自重影響后預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱度值”實際是終張拉完成時的跨中彈性變形值,因名稱不同,這一點也容易混肴。連續(xù)梁的二期恒載要查設(shè)計文件后確定跨中彈性變形值。實測時,終張拉后要及時進行測量,取跨中、1/4跨和3/4跨3處(雙側(cè))數(shù)據(jù)進行觀測分析。連續(xù)梁測點按要求加密。通過觀測數(shù)據(jù)控制和檢查梁體張拉施工質(zhì)量,控制梁體徐變符合設(shè)計要求。
(2)高度重視路基和過渡段的施工質(zhì)量,確保路基工后沉降達標。因為已運營的客運專線路基設(shè)備發(fā)生過沉降問題,所以公司高度重視路基施工質(zhì)量并采取多項措施加強路基設(shè)備。首先是在設(shè)計標準上只升不降,選擇高標準的設(shè)計方案。二是在路基施工中,加強路基填料管理、加強路基工藝管理、加強路基施工過程監(jiān)管(監(jiān)理旁站、公司派員現(xiàn)場包保)、加強路基加載工程質(zhì)量管理、加強路基觀測設(shè)備的保護和檢查(若有損壞及時修復(fù)、及時轉(zhuǎn)標、及時做好內(nèi)業(yè)資料)、加強沉降觀測數(shù)據(jù)管理,嚴格執(zhí)行不少于6個月觀測期的標準和召開專家論證會評估的程序。過渡段和路基也是監(jiān)理平行觀測加密和重點監(jiān)理地段。
(3)沉降觀測期間,若橋梁基礎(chǔ)沉降實測值超過設(shè)計值20%及以上時,應(yīng)及時組織設(shè)計、監(jiān)理、施工和施工圖審核單位共同查明原因,采取措施。
(4)沉降觀測過程中應(yīng)注意的問題。
①測點號混亂不能進行自動處理或批處理。注意觀測點號的唯一性,按《規(guī)范》、《實施細則》要求編制觀測點號,每個觀測點按《觀測記錄表》內(nèi)容填寫唯一的屬性。
②觀測點選擇或埋設(shè)不妥,造成數(shù)據(jù)上升或下沉過大?!秾嵤┘殑t》要求:每個區(qū)段設(shè)單獨的基準網(wǎng),基準點(工作基點)間距不大于1 km。區(qū)段長度不宜大于2 km,以保證觀測網(wǎng)最弱點的精度?;鶞示W(wǎng)初測時,選擇一個基準點作為算點。沉降觀測到下一個基準網(wǎng)復(fù)測期間,保持基準點數(shù)據(jù)不變。如發(fā)現(xiàn)基準點不穩(wěn),及時檢測和更換基準點。
③觀測質(zhì)量差,數(shù)據(jù)波動較大。這種問題主要檢查人員、儀器配置是否符合要求,技術(shù)培訓是否到位,有無責任心問題。
④數(shù)據(jù)處理不及時,造成數(shù)據(jù)積累,這是一種嚴重錯誤的做法,要嚴格控制?!秾嵤┘殑t》要求施工單位每月向評估單位傳遞1次觀測數(shù)據(jù),異常數(shù)據(jù)每周傳遞1次。傳遞的數(shù)據(jù)必須有監(jiān)理簽字。
⑤提交數(shù)據(jù)格式未按《規(guī)范》或《實施細則》要求形成統(tǒng)一的固定格式,不符合標準化管理要求。
(5)沉降曲線在首次觀測后發(fā)生大幅回升,一般都是初測精度不高,使觀測成果存在較大的誤差引起的。在處理這種情況時,如果曲線回升過大,超過相應(yīng)的預(yù)判值,應(yīng)將第一次成果作廢,采用第二次觀測成果作為初測成果,如果曲線回升在一定范圍內(nèi),則可以調(diào)整初測高程與第二次高程一致。
(6)沉降曲線在中間某點突然回升,發(fā)生這種情況應(yīng)檢查水準點和觀測點有無碰動或表面有無砂漿未清理干凈并做好相關(guān)處理。沉降曲線自某點漸漸回升,這種現(xiàn)象一般是水準點下沉所致。處理措施:測出水準點的下沉量進行數(shù)據(jù)修正或重新設(shè)置水準點。沉降曲線的波浪起伏現(xiàn)象,這種現(xiàn)象一般是測量誤差引起的。波浪現(xiàn)象一般前期觀測出現(xiàn)少,是因為建筑物沉降量大于測量誤差,但到后期,由于建筑物下沉極微或趨于穩(wěn)定,因此曲線上會出現(xiàn)測量誤差波浪比較突出的現(xiàn)象。為了盡量減少這種測量誤差的不定性,使所測的結(jié)果有統(tǒng)一的趨向性,在沉降測量中應(yīng)自始至終遵循沉降測量“五固定”的原則。曲線中斷現(xiàn)象,一般高鐵線下工程中觀測點因鋪軌移點或觀測點被毀,后設(shè)置的點絕對高程不一致,會使曲線中斷。為了使中斷的曲線連接起來,可將新設(shè)置的沉降點不計絕對高程,而只取其沉降量,一并加在原有沉降點的累計沉降量中。
評估基礎(chǔ)理論:國內(nèi)外預(yù)估沉降的兩大思路,一是通過實測的沉降數(shù)據(jù)進行處理以獲得沉降規(guī)律,從而預(yù)測沉降量。二是通過對路基的土樣做實驗來獲得參數(shù),根據(jù)固結(jié)理論,結(jié)合各種路基土的本構(gòu)模型,計算路基的最終沉降量,如考慮非線性彈性模型及彈塑性模型的有限元法及大變形固結(jié)有限元法等。限于巖土介質(zhì)的復(fù)雜性與高速鐵路對線下沉降苛刻的要求,第二種方法難于滿足精度要求,為此西寶客運專線采用第一種方法,屬于經(jīng)驗方法。即采用與觀測曲線相似的曲線進行配合,然后外延求出最終沉降量(工后沉降量)。常用的有雙曲線法、三點法、拋物線法、指數(shù)曲線法、泊松曲線法、灰色理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、星野法、Asaoka法和修正雙曲線法等。
經(jīng)驗總結(jié):經(jīng)過公司組織參建單位進行技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)制定了一些切實可行的規(guī)定,如西寶客運專線主要工程是橋梁,按《評估指南》要求主體工程完工后,沉降觀測期一般不少于6個月,巖石地基等良好地質(zhì)區(qū)段的橋梁,沉降觀測期不少于2個月。其規(guī)定時間跨度較大,結(jié)合西寶客運專線的實際地質(zhì)情況,規(guī)定對樁端位于殘積的砂礫、圓礫、卵石土區(qū)段沉降觀測期不少于4個月,樁端位于黏性土區(qū)段不少于6個月。采用樁板結(jié)構(gòu)的過渡段如何進行評估,《評估指南》等技術(shù)標準未給出明確的評估方法和判斷標準,為此,結(jié)合鄭西客運專線評判方法,制定了評判標準。
沉降觀測數(shù)據(jù)真實準確、可靠,是指其結(jié)果能真實反映所量測的目標客觀沉降情況與規(guī)律,這樣才能保證預(yù)測結(jié)果可靠,真實反映鋪軌后的路基沉降情況。沉降觀測數(shù)據(jù)真實準確、可靠就是評估工作的首要條件與基礎(chǔ)。
根據(jù)有關(guān)沉降預(yù)測與評估的行業(yè)要求與西寶客運專線實際工程情況,具體評估主要從以下幾個方面進行分析。
(1)工后沉降:容許工后沉降不大于15 mm(橋梁均勻工后沉降不大于20 mm,不均勻工后沉降不大于15 mm)。該指標為核心指標,嚴禁突破。
(2)穩(wěn)定性:沉降速率是否逐步減小,后期沉降趨勢應(yīng)趨于穩(wěn)定。
(3)相關(guān)系數(shù):相關(guān)系數(shù)R≥0.92時認為預(yù)測是可靠的。
(4)觀察期:路基、過渡段不少于6個月;橋梁架梁后摩擦樁觀測期不少于6個月、嵌巖樁觀測期不少于2個月,樁端為砂礫土不少于4個月;隧道一般不少于3個月。這是取得較完整的沉降過程曲線,即足夠的可利用的過程數(shù)據(jù)的基本保證。
(5)可靠性:路基、過渡段、橋架梁后摩擦樁觀測時間間隔不少于3個月(隧道、橋梁架梁后嵌巖樁時間間隔不少于1個月),兩次預(yù)測最終沉降量的差值小于8 mm。
(6)s(t)/s(∞)≥75%,沉降預(yù)測時間內(nèi)預(yù)測時的沉降觀測值與預(yù)測時的最終沉降值之比大于75%的要求。要求線下工程基礎(chǔ)沉降大部分在鋪軌前完成。
(7)觀測頻次:滿足評估指南與設(shè)計要求。
(8)最終沉降量:同一觀測斷面不同觀測方法要基本一致。如,沉降板與路肩樁。
(9)觀測數(shù)據(jù)的合理性:同一觀測斷面左右觀測點所反映的橋梁沉降變化趨勢是否一致。
(10)設(shè)計沉降量與預(yù)測總沉降量的吻合性:二者差值不宜大于10 mm。
(11)處于巖石地基等良好地質(zhì)條件的橋涵,當墩臺沉降值趨于穩(wěn)定且設(shè)計值及實測沉降值總量不大于5 mm時,可判斷沉降滿足無砟軌道鋪設(shè)條件。
(12)對隧道地質(zhì)條件較好,沉降趨于穩(wěn)定且設(shè)計值及實測沉降值總量不大于5 mm時,可判斷沉降滿足無砟軌道鋪設(shè)條件。
(13)過渡段不同結(jié)構(gòu)物間預(yù)測差異沉降不應(yīng)大于5 mm,沉降引起沿線路方向的折角不應(yīng)大于1/1 000。
(14)梁體徐變評價:按評估指南5.3.5條進行外尚要注意觀察數(shù)據(jù)的合理性,即觀察數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)大的跳躍或者直線發(fā)展趨勢。
其中(1)~(3)項為核心指標,要求嚴格,任何一個指標不滿足要求,不能通過評估;(4)~(6)項為基本指標,要求整體滿足,個別指標超限不大時,可以基本通過評估,同時提出完善意見;(7)~(10)項為一般性指標,對于一般性指標要求基本滿足;(11)~(13)項是特定條件的評估與要求。
西寶客運專線對于兩橋間、橋隧間長度較小的過渡段,設(shè)計上為了使過渡段整體沉降與橋隧一致,為此設(shè)計了樁板結(jié)構(gòu)形式,第一次評估時其結(jié)構(gòu)荷載僅有0.4 m的笩板,樁基幾乎沒有沉降量,無法進行擬合分析。如何進行評估,《評估指南》等技術(shù)標準未給出明確的評估方法和判斷標準,為此,結(jié)合鄭西客運專線評判方法,制定了如下評判標準。
(1)沉降觀測時間不作硬性規(guī)定,但要求沉降速率是否逐步減小,后期沉降趨勢應(yīng)趨于穩(wěn)定。
(2)累積沉降量要比較小,近于觀測誤差累積值。
(3)滿足以上條件時可以判斷滿足評估要求,但須在樁板上碎石層與道床板施工完成后二次評估時重點驗證。
圖1、圖2是西寶客運專線 DK610+660.54~DK610+755.74段對樁板結(jié)構(gòu)段第一次評估時的觀測點沉降歷程曲線。
圖1 DK610+663-G663-1-樁板結(jié)構(gòu)觀測樁
圖2 DK610+753-G753-2-樁板結(jié)構(gòu)觀測樁
該段6個沉降觀測點,觀測140 d,其累計沉降量介于0.46~1.07 mm,各監(jiān)測點累積沉降量很小,且沉降趨勢趨于收斂。第一次評估判斷滿足評估要求。
(1)過程進行動態(tài)評估:根據(jù)施工安排劃分評估單元,當該單元主題完工后,沉降觀測達到2個月由施工單位、平行觀測單位、專業(yè)評估單位進行沉降分析,預(yù)測并將結(jié)果上報公司。
(2)對整條線路進行2次評估:鋪軌前按評估單元進行評估,鋪軌后在軌道鎖定前進行二次評估。
(3)評估過程中進行驗證評估精度:對第一次評估通過的段落,過一段時間后隨機抽檢部分沉降觀測點進行驗證分析。伐魚河特大橋(DK614+349.22~DK619+387.90)墩臺沉降評估數(shù)據(jù)見表1。
表1 伐魚河特大橋(DK614+349.22~DK619+387.90)墩臺沉降評估數(shù)據(jù)
從表1可以看出,相差超過6個月的2次預(yù)測的差值在0.41~0.69 mm,說明2次預(yù)測結(jié)果一致,上次預(yù)測結(jié)果可靠,此段落后期沉降已趨于穩(wěn)定,變化幅度小于測量誤差。
(1)我國客運專線所經(jīng)地質(zhì)情況復(fù)雜,尋找國外相同地質(zhì)條件的線下工程沉降變形評估經(jīng)驗借鑒比較困難,國內(nèi)可以借鑒的黃土地質(zhì)客運專線線下工程沉降變形評估經(jīng)驗比較少。西寶客運專線經(jīng)過黃土地質(zhì)條件,主要以橋梁形式通過,橋梁的沉降變形評估非常重要??偨Y(jié)西寶橋梁評估經(jīng)驗,建議如下:在滿足核心指標和基本指標的情況下,樁尖端位于卵石層、圓礫、砂礫土層中時,評估期可以定為不少于4個月。
(2)為確保線下工程沉降變形評估的數(shù)據(jù)真實、可靠,加強沉降變形評估工作的管理是十分重要的。文中總結(jié)了西寶客運專線強調(diào)過程控制管理,提出了6個重要環(huán)節(jié)和10項檢查工作。這些認識和管理措施為保證西寶客運專線線下工程沉降變形評估工作質(zhì)量起到了非常重要的作用。
(3)總結(jié)了沉降觀測和梁體徐變觀測中容易發(fā)生的一些問題、原因以及解決方法。
(4)樁板結(jié)構(gòu)的評估標準問題。在《評估指南》尚無明確標準的情況下,根據(jù)西寶客運專線的情況,文中提出了建議性的標準,有待進一步總結(jié)提高。
西寶客運專線沉降預(yù)測與評估通過吸取已建成的鄭西客運專線等成功經(jīng)驗,依據(jù)現(xiàn)行技術(shù)標準,采用了科學和規(guī)范的評估模式。從已完成的評估段落結(jié)果看,評估分析是符合工程實際的。結(jié)合工程實際情況制定的一些沉降評估辦法、標準及一些特殊情況的處理標準,較好地解決了西寶客運專線工程沉降評估中遇到的問題。
[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2006]158號 客運專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2009.
[2]中華人民共和國鐵道部.工管技[2009]77號 客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊[S].北京:中國鐵道出版社,2009.
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