花 梅

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

無(wú)砟軌道路基沉降控制是工程的關(guān)鍵，然而，受地層條件復(fù)雜和地層參數(shù)獲得手段的影響，理論計(jì)算沉降往往與路基填筑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降存在一定差異。路基沉降情況是能否鋪設(shè)軌道的依據(jù)，所以獲得準(zhǔn)確的沉降變形數(shù)據(jù)，更好地掌握路基變形規(guī)律，是沉降變形觀測(cè)的難點(diǎn)也是重點(diǎn)。

本文介紹幾種路基現(xiàn)場(chǎng)沉降測(cè)試常用方法并加以比較，結(jié)合高速鐵路工程中路基沉降變形特點(diǎn)和要求，以及高速鐵路路基施工工藝，從各種測(cè)試方法的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、埋設(shè)方法和技術(shù)要點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)等方面進(jìn)行綜合分析。詳細(xì)分析了基底沉降板、沉降傳感器等方法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，旨在獲得改善并提高路基地基沉降變形監(jiān)測(cè)方法、精度和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)措施。

1 常用沉降變形觀測(cè)方法

高速鐵路路基工程中較為常用的觀測(cè)方法主要有沉降板和沉降觀測(cè)樁。

1.1 沉降板

(1)工作原理及組成結(jié)構(gòu)

沉降板組成結(jié)構(gòu):基本結(jié)構(gòu)是由鋼板、連接管(接長(zhǎng))和套護(hù)管組成，鋼板結(jié)構(gòu)尺寸多為0.5 m×0.5 m×0.03 m;與底板固定的連接桿是垂直的，一般用Φ40 mm鍍鋅鋼管，護(hù)管采用PVC塑料套管，護(hù)管結(jié)構(gòu)尺寸以套住連接桿為宜(圖1)。當(dāng)路基不斷填高時(shí)，連接桿和護(hù)管需要逐漸接長(zhǎng)，一般情況每節(jié)連接桿或護(hù)管不宜超過(guò)50～100 cm。接管時(shí)，必須測(cè)出接管前后的高程，計(jì)算出接管長(zhǎng)度，做好記錄，便于測(cè)量前后對(duì)比分析。這樣沉降板隨所在土層發(fā)生位移變形，帶動(dòng)其連接管，表征為路基沉降，通過(guò)連接管管口前后兩次高程測(cè)量，考慮連接管長(zhǎng)度換算成沉降板處的沉降量。

圖1 路基沉降板埋設(shè)

(2)測(cè)量技術(shù)及相關(guān)要求

采用高精度電子水準(zhǔn)儀并配備專用的銦瓦水準(zhǔn)尺對(duì)沉降板沉降變形觀測(cè)，觀測(cè)精度需按要求進(jìn)行。為了精確獲得高速鐵路地基或路基內(nèi)部的沉降信息，高速鐵路現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和要求是采用國(guó)家一等精密水準(zhǔn)測(cè)量路基沉降變形，首先，獲得沉降板的初始讀數(shù)，即以沉降板連接管管口高程作為初始讀數(shù)，隨著路基填筑施工逐漸接高連接管和護(hù)管，一般每次接長(zhǎng)50～100 cm。

(3)安裝埋設(shè)沉降板

根據(jù)要求確定觀測(cè)位置，利用儀器對(duì)觀測(cè)點(diǎn)放樣，并進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在地基面挖觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)坑槽，尺寸為50 cm×50 cm×20 cm，坑底填筑10 cm厚砂墊層并壓實(shí)，然后將沉降板安放其上，并回填原土，壓實(shí)，整個(gè)過(guò)程采用儀器校正連接管垂直;填料過(guò)程中，需對(duì)沉降板進(jìn)行保護(hù)，其周圍填料采用人工處理和壓實(shí)，連接管傾斜度不大于1°，最后設(shè)置保護(hù)架，并做好保護(hù)標(biāo)志。

1.2 變形觀測(cè)樁

觀測(cè)樁結(jié)構(gòu):采用φ2 cm的圓形鋼筋，頂端磨圓，底端做成T形彎鉤。觀測(cè)樁一般是在基床底層表面或基床表層表面填筑完成后，在其表面埋設(shè)這種觀測(cè)樁，每個(gè)斷面一般埋設(shè)3個(gè)點(diǎn)，埋置深度一般不小于0.5 m，通常采用挖孔澆筑直徑為15 cm孔，采用C15混凝土澆筑固定(圖2)。鋼筋頂部一般為半球形或凸形，高出其表面一般3～5 mm，表面防銹采用涂漆等方法處理，靜止3 d即可觀測(cè)，通過(guò)3次觀測(cè)，確定高程的初始值。

圖2 基床表面觀測(cè)樁埋設(shè)示意(單位:mm)

2 傳感器監(jiān)測(cè)方法

目前，傳感器類監(jiān)測(cè)方法較多，本文就幾類傳感器進(jìn)行總結(jié)分析:單(多)點(diǎn)沉降計(jì)，剖面沉降儀，分層沉降儀。

2.1 單(多)點(diǎn)沉降計(jì)

(1)結(jié)構(gòu)和原理

單點(diǎn)沉降計(jì)一般由主件位移計(jì)和輔件錨頭、法蘭盤、連接桿等部件組成?？蛇M(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化測(cè)量，其工作原理是測(cè)量錨頭與沉降盤之間地層或填料的壓縮變形情況，其錨頭嚴(yán)格要求設(shè)置在指定的位置上，法蘭盤一般位于地基表面或路基體內(nèi)，傳輸線從路基側(cè)面引出。當(dāng)?shù)鼗蛳伦冃螘r(shí)，法蘭盤與地基協(xié)同變形，使位移計(jì)中導(dǎo)磁體在其磁感線圈內(nèi)相對(duì)滑移，通過(guò)人工采集或自動(dòng)采集測(cè)出位移變形量，從而達(dá)到沉降并行測(cè)試目的(圖3)。

圖3 單點(diǎn)沉降計(jì)示意

(2)安裝方法步驟

單點(diǎn)沉降計(jì)安裝主要由以下幾個(gè)步驟組成:鉆孔、探孔、安裝沉降計(jì)、注漿、安裝沉降盤、灌沙 、保護(hù)等。

鉆孔尺寸以φ95 mm～120 mm為宜，儀器孔應(yīng)垂直地面，地基總沉降測(cè)試時(shí)，需要鉆孔深度超過(guò)地基壓縮層厚度，設(shè)置在相對(duì)較穩(wěn)定的基巖層，且應(yīng)嵌入基巖至少0.5 m，若基巖埋藏過(guò)深，孔的深度應(yīng)超過(guò)壓縮層厚度。探孔的主要目的是確定孔的實(shí)際深度，以便確定測(cè)桿的長(zhǎng)度。為了更好地保護(hù)沉降計(jì)主體，要求法蘭沉降盤應(yīng)安裝在監(jiān)測(cè)面以下10～20 cm。鉆孔完成后，將錨頭和連接桿連接后逐漸下入儀器孔內(nèi)，并加長(zhǎng)連接桿，直至將錨頭下到預(yù)定位置，然后將沉降計(jì)與連接桿連接好，逐層回填中砂并使其密實(shí)，錨頭部位一般采用注水泥砂漿使其穩(wěn)定在該層位上。

儀器孔回填完后，靜止2 d，安裝法蘭盤，安裝法蘭盤時(shí)，需拉伸傳感器至滿量程的90%左右，然后將法蘭盤底填密實(shí)，并用測(cè)試儀對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，為了使單點(diǎn)沉降計(jì)初裝位移值在2/3滿量程左右，當(dāng)傳感器安裝好，需等水泥砂漿穩(wěn)定3 h，以防止儀器孔塌孔而影響測(cè)試環(huán)境。傳感器輸出線用鋼絲波紋管進(jìn)行保護(hù)，安裝時(shí)鋼絲波紋管首端應(yīng)插入法蘭沉降盤下，并在地基面挖槽從觀測(cè)箱側(cè)面引出至路基坡腳觀測(cè)房。

(3)技術(shù)參數(shù)

使用溫度范圍-20～80℃，不同型號(hào)有不同量程，一般為50～400 mm，精度為0.05 mm，分辨率0.01、0.1 mm。

2.2 剖面沉降儀

(1)結(jié)構(gòu)及工作原理

剖面沉降測(cè)量是通過(guò)預(yù)埋在路基底部的橫剖管，采用剖面沉降儀按照一定的間距依次讀數(shù)，通過(guò)量測(cè)剖面沉降管的變化反映路基的沉降量。起始端口的高程采用水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)精度進(jìn)行量測(cè)，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算不同位置處地基沉降量。觀測(cè)時(shí)，首先把橫剖儀置于基準(zhǔn)點(diǎn)頂測(cè)量初值，然后將橫剖儀探頭勻速拉入橫剖管內(nèi)，用配套特制耐拉拽鍍鋅鋼絲繩拉動(dòng)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)。

(2)剖面沉降儀埋設(shè)方法

地基處理及墊層施工完畢后，可進(jìn)行基底的剖面沉降管埋設(shè)工作，在填筑土中開槽0.3 m寬，0.5 m深，槽底先填0.1～0.2 m厚的中粗砂，然后在槽內(nèi)敷設(shè)橫剖管，橫剖管接頭需采用無(wú)紡布包裹，防止進(jìn)入砂礫和土粒等雜物，管內(nèi)預(yù)先穿入鋼絲繩(或后期采用鋼絲進(jìn)行引線穿繩)，槽內(nèi)回填中粗砂并壓實(shí)至表面;至少一側(cè)管口處設(shè)置混凝土觀測(cè)樁(基準(zhǔn)樁)，在樁頂埋設(shè)凸形不銹鋼測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)樁采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成。

2.3 分層沉降儀

(1)結(jié)構(gòu)及工作原理

分層沉降監(jiān)測(cè)儀主要包括探頭和測(cè)尺兩部分，所用傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，通過(guò)鉆孔將磁感應(yīng)沉降環(huán)預(yù)先埋入地下指定位置，當(dāng)傳感器通過(guò)磁感應(yīng)環(huán)時(shí)，發(fā)出聲光警報(bào)。此時(shí)，讀取孔口標(biāo)記點(diǎn)上對(duì)應(yīng)鋼尺的刻度數(shù)值，并建立沉降管管口高程與其關(guān)系，即可推導(dǎo)沉降環(huán)位移情況。

(2)安裝過(guò)程

鉆頭采用φ108 mm進(jìn)行鉆孔，孔深一般都需比安裝深度深一些，方便沉降管順利地放到底，然后清孔，當(dāng)鉆到預(yù)定位置后，需把泵接到清水里向下灌清水，使泥漿返出，直至泥漿水變成清水為止。安裝工作準(zhǔn)備就緒后，才能提鉆。安裝管子的聯(lián)接采用外接頭，接頭需用無(wú)紡布包裹，一邊下管子一邊向管子內(nèi)注入清水，便于下管;磁環(huán)的安裝，需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求在管子指定位置上套上磁環(huán)和定位環(huán)，然后用螺絲固定定位環(huán)，擰緊螺釘，這樣邊接邊向下放到設(shè)計(jì)深度;最后，在外漏管口蓋上蓋子，逐層進(jìn)行回填中粗砂?；靥钏俣雀鶕?jù)實(shí)際情況確定，不宜太快，以免堵塞后，導(dǎo)致回填不密實(shí)，從而形成空隙，可用清水沉淀法回填，必要時(shí)隔一定時(shí)間再回填，兩三天后再去檢查一下，補(bǔ)充回填料，并給管子周圍加上保護(hù)措施。

3 各類監(jiān)測(cè)方法特點(diǎn)及工程應(yīng)用中對(duì)比分析

路基沉降監(jiān)測(cè)方法很多，但以上介紹的方法，是常見(jiàn)的較適用的，下面根據(jù)各種方法的特點(diǎn)分析一下各自的在鐵路路基沉降中的適用范圍和條件。

3.1 路基沉降監(jiān)測(cè)方法

單(多)點(diǎn)沉降計(jì)、液位沉降計(jì)法、剖面沉降管法、沉降觀測(cè)樁法、沉降板法等方法是路基沉降測(cè)試較為適用、常用的方法。

沉降板是其中最常采用的方法之一。沉降板測(cè)量法技術(shù)成熟，觀測(cè)精度容易控制，監(jiān)控面廣，便于靈活地設(shè)站觀測(cè)。但它也受氣象條件(如風(fēng)、雨、霧、雪等)的影響，重復(fù)測(cè)量工作量大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)等，同時(shí)對(duì)施工干擾較大，且沉降桿易在施工過(guò)程中被施工機(jī)械碰撞或因碾壓發(fā)生偏斜，影響測(cè)讀的準(zhǔn)確性。

沉降觀測(cè)樁法是采用測(cè)樁作為觀測(cè)對(duì)象，往往只能測(cè)試路堤或地基表面的沉降，同樣易受到施工的干擾和破壞，施工過(guò)程中對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響。

目前較多應(yīng)用的剖面沉降管法測(cè)試點(diǎn)多，可以反應(yīng)出整個(gè)測(cè)試斷面的變形趨勢(shì)，沉降管埋設(shè)在路基內(nèi)部便于保護(hù)，不影響路面正常施工。主要缺點(diǎn)是由于采用累加的算法，測(cè)試精度有待提高，對(duì)于高精度監(jiān)測(cè)工程一般不適用，測(cè)試過(guò)程受環(huán)境因素影響也較大，維修維護(hù)難度較大，每次測(cè)試需要校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 路基深部沉降變形

單點(diǎn)沉降計(jì)法、分層沉降儀法、多點(diǎn)沉降計(jì)法、沉降磁環(huán)管法是目前地基深層沉降監(jiān)測(cè)常用方法。單點(diǎn)沉降計(jì)法測(cè)試精度高，可自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)并能遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但其安裝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)安裝要求較高，同時(shí)埋設(shè)時(shí)由于需要鉆孔一次性投入的總體費(fèi)用較高，受經(jīng)費(fèi)限制往往不能大量設(shè)置。當(dāng)需要針對(duì)不同深度、層位的土體進(jìn)行多部位的沉降觀測(cè)時(shí)，可以采用分層沉降儀、多點(diǎn)沉降計(jì)。受施工影響分層磁環(huán)沉降法精度不高，不適用小變形量測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)方法選取

測(cè)量誤差不可避免，實(shí)際操作中應(yīng)盡量減小來(lái)自儀器本身誤差、觀測(cè)過(guò)程中人為誤差以及外界條件變化對(duì)儀器和設(shè)備等不利影響導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果的影響。一般采用以下3條標(biāo)準(zhǔn)確定沉降觀測(cè)的精度指標(biāo):首先是根據(jù)總沉降量的大小或工程要求確定精度指標(biāo);其次是通過(guò)與被觀測(cè)修筑物結(jié)構(gòu)變形值與沉降觀測(cè)中誤差的范圍的比例關(guān)系確定;再次是采用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的固定值來(lái)確定?？偟膩?lái)說(shuō)，總沉降量越小，需要的觀測(cè)精度和儀器設(shè)備要求也越高，反之，要求為低。

(1)不同觀測(cè)方法聯(lián)合應(yīng)用

對(duì)土層深層處的沉降變形觀測(cè)，往往采用單點(diǎn)沉降計(jì)來(lái)測(cè)量，在施工過(guò)程中，可同時(shí)采用沉降板、沉降邊樁、液位沉降計(jì)或者沉降磁環(huán)等與之聯(lián)合測(cè)試，以達(dá)到相互驗(yàn)證、提高精度。

(2)對(duì)于水準(zhǔn)測(cè)量，應(yīng)明確沉降變形觀測(cè)精度，建立沉降變形觀測(cè)小組，嚴(yán)格杜絕不良的觀測(cè)習(xí)慣，每次觀測(cè)前，對(duì)所使用的儀器和設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)校正，嚴(yán)格按國(guó)家規(guī)定的水準(zhǔn)技術(shù)要求施測(cè)，確保儀器的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)符合測(cè)量精度要求，并保留檢驗(yàn)記錄。同時(shí)對(duì)水準(zhǔn)基點(diǎn)使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)。

(3)沉降觀測(cè)儀器比選

我們所提的每種測(cè)試儀器都有其精度水平和適用的環(huán)境，據(jù)測(cè)試原理的不同目前沉降變形觀測(cè)儀器分為很多種，實(shí)際使用中應(yīng)全面了解各種觀測(cè)儀的原理、現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境和工程技術(shù)等級(jí)等，因地制宜靈活運(yùn)用。如對(duì)水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺的選擇，先確定出沉降測(cè)量的等級(jí)，進(jìn)而選擇與之相適應(yīng)的觀測(cè)儀器和類型。

(4)提高埋設(shè)工藝

對(duì)于沉降觀測(cè)元器件的埋設(shè)，應(yīng)加強(qiáng)與施工單位溝通，準(zhǔn)確確定埋設(shè)位置，整個(gè)施工過(guò)程中密切注意對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

(5)加強(qiáng)元件保護(hù)

施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)已埋設(shè)沉降板、沉降觀測(cè)樁、各類傳感器的元件和導(dǎo)線的保護(hù)工作，設(shè)置明顯的標(biāo)志，以避免施工機(jī)械碰撞。并在標(biāo)志上注明現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)負(fù)責(zé)人員的聯(lián)系方式，以便發(fā)生儀標(biāo)、元件、導(dǎo)線損壞時(shí)，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救。

4 工程實(shí)例

4.1 某高速鐵路試驗(yàn)段不同方法監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4為施工過(guò)程中某高速鐵路試驗(yàn)段A試驗(yàn)斷面單點(diǎn)沉降計(jì)和沉降板監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。

圖4 沉降板和單點(diǎn)沉降計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4中填筑期為183 d，此階段單點(diǎn)沉降計(jì)、沉降板測(cè)試的累計(jì)沉降量分別為12.94、18.57 mm;靜置期約1個(gè)月，此階段兩種方法測(cè)試的累計(jì)沉降量分別為6.39、5.47 mm;但預(yù)壓6個(gè)月后，兩種方法測(cè)試的累計(jì)沉降量分別為11.15、6.94 mm;預(yù)壓期結(jié)束后單點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試的總計(jì)累計(jì)沉降30.48 mm，沉降板測(cè)試的總計(jì)累計(jì)沉降30.98 mm。

4.2 不同方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的預(yù)測(cè)分析

分別采用指數(shù)曲線法、星野法、泊松曲線、Asaoka法、雙曲線法，以沉降板和單點(diǎn)沉降計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)A測(cè)試斷面進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)。

從表1可以看出，A斷面單點(diǎn)沉降計(jì)的測(cè)試值均與沉降板的測(cè)試值基本相同，前者比后者稍大。3種預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)最終沉降相差不大。

表1 A斷面沉降預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)比分析，在高速鐵路沿線的路基沉降觀測(cè)中，相比于液位沉降計(jì)法傳統(tǒng)常規(guī)的沉降板法具有性能可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)于電測(cè)的傳感器元件，采用人工測(cè)試的元器件埋設(shè)時(shí)對(duì)施工有很大影響，同時(shí)也受施工機(jī)械碾壓碰撞等影響，易遭到損壞，如分層磁環(huán)沉降儀、測(cè)斜管、剖面沉降管等安裝時(shí)與施工有交叉，必然受施工機(jī)械損害、彎折、壓碎等破壞，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果受到很大的影響。同時(shí)，沉降板測(cè)桿也經(jīng)常被撞彎、撞斜等。然而，智能式單點(diǎn)沉降計(jì)、液位沉降計(jì)等電測(cè)元件往往埋設(shè)在路基內(nèi)部，盡管施工現(xiàn)場(chǎng)晝夜施工，各類大型機(jī)械往返穿梭，基本不受施工影響，絕大部分能正常工作。所以在費(fèi)用允許的前提下，為了獲得較為準(zhǔn)確的路基的沉降測(cè)試數(shù)據(jù)，綜合考慮沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理選用，本文推薦在重點(diǎn)路段采用電測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)一般路段可采用以沉降板或剖面沉降管為主的測(cè)試方法，可以滿足對(duì)路基沉降的要求。

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