厲東偉，陳冉麗，徐元坤

(1．中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116;2．石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪工程系，河北 石家莊050047)

一、引 言

目前，國內(nèi)外對高鐵沉降變形的預(yù)警研究并不深入，多數(shù)基于“數(shù)據(jù)處理+判定規(guī)則”這一簡單的模式。沉降變形的預(yù)警核心問題在于判定規(guī)則的科學(xué)性與合理性。按照陳善雄等提出的理論，一般判定規(guī)則包括核心指標(biāo)、控制性指標(biāo)、一般指標(biāo)3個方面［1］。3個指標(biāo)重要性不同，預(yù)警系統(tǒng)采用的判別模式就要考慮到各方面的因素。

二、一般預(yù)警機制

參考《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)［2］、武廣客運專線、合福新建客運專線等規(guī)范，以及工程實際對沉降變形評估的有關(guān)要求、規(guī)定后，總結(jié)出一般高速鐵路線下結(jié)構(gòu)沉降變形預(yù)警的幾個指標(biāo):

1)在路基和橋梁評估中，當(dāng)主體工程完工后，觀測期大于3個月且沉降波動幅度在3．0 mm之內(nèi)、沉降增量在±2 mm之內(nèi)、最后4次(且觀測時間不少于一個月)觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)連續(xù)下沉現(xiàn)象時，認(rèn)為符合要求。

2)根據(jù)實際荷載情況及觀測數(shù)據(jù)，作回歸分析及預(yù)測，綜合確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0．92。

3)對于按前述標(biāo)準(zhǔn)評估仍不能通過的測點，在主體工程完工后，在觀測時間不小于3個月的時間范圍內(nèi)，沉降曲線總體呈現(xiàn)為收斂狀水平發(fā)展趨勢，則認(rèn)為該測點通過評估，不予曲線擬合，但必須繼續(xù)觀測驗證。

4)測點當(dāng)前沉降量與預(yù)測最大沉降量比值大于75%。

5)靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺工后沉降量之差，對于無砟橋面橋梁不超過5 mm。

6)同一斷面的預(yù)測最終沉降值與設(shè)計沉降值之差不宜大于10 mm。

7)各斷面工后沉降不大于15 mm。

從以上幾個指標(biāo)可以看出，對于高速鐵路線下結(jié)構(gòu)沉降變形預(yù)警來說，應(yīng)該從單點沉降變形預(yù)警和不均勻沉降變形預(yù)警兩個方面進行研究。

三、單點沉降預(yù)警

單點沉降變形的預(yù)警主要是指對任意觀測斷面的沉降觀測點發(fā)生的工后沉降的預(yù)警，從時間上來說包括了無砟軌道鋪設(shè)完成及運營期兩大時間段的預(yù)警。對于監(jiān)測的時間來說，一般高速鐵路的運營期為100年，不過在預(yù)警時不可能直接采用這一時間段，可行的方法是按照自然年的周期進行監(jiān)測和預(yù)警，同時要對已發(fā)生的沉降計入預(yù)警過程中去。

而對于單點沉降實際發(fā)生的形式來說可以分為兩種:一種是突發(fā)沉降，短時間之內(nèi)可能造成比較大的有破壞性的沉降;另一種是緩慢的發(fā)生沉降，如按照其發(fā)展趨勢，在一定時間內(nèi)將超過《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)要求的限度。

單點突發(fā)沉降在工程中是普遍存在的。如工程現(xiàn)場的地質(zhì)構(gòu)造比較差，如紅壤土、地下溶洞等不利的地質(zhì)條件，或者是突發(fā)洪水、持續(xù)暴雨等因素可能會發(fā)生高速鐵路線下結(jié)構(gòu)的工后的突發(fā)較大沉降。因此在洪水、持續(xù)暴雨時，預(yù)警自然要啟動，而對于那些不易觀測到的因素所引起的突發(fā)沉降將需要通過工后沉降監(jiān)測來預(yù)警。按照路基沉降觀測頻次表，可以發(fā)現(xiàn)工后一年的正常觀測數(shù)為7次，見表1。而《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)對工后沉降的要求為不超過15 mm，因此按照自然年的周期來分析，工后沉降監(jiān)測時，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應(yīng)該小于2 mm。

表1 路基工后一年的正常沉降觀測數(shù)

相對于單點突發(fā)沉降，緩慢的工后沉降對高速鐵路運行的影響小得多，但是如果不對其進行監(jiān)測預(yù)警，一旦達到一定的趨勢就會對高速鐵路造成嚴(yán)重的后果，因此其沉降發(fā)展趨勢需重點監(jiān)測的。因此筆者采用15組沉降數(shù)據(jù)在恒載的情況下到達沉降穩(wěn)定的沉降量，同時按照不同的時間周期，如日、周、月及年分別計算其沉降量，見表2。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)1號、6號、8號、9號和13號年沉降量超過了15 mm，其沉降發(fā)展趨勢如圖1—圖5所示，其中虛線為沉降線性趨勢。

表2 恒載期到沉降穩(wěn)定不同時間尺度下的沉降量

圖1 路基工后沉降超標(biāo)趨勢1號圖

圖2 路基工后沉降超標(biāo)趨勢6號圖

圖3 路基工后沉降超標(biāo)趨勢8號圖

圖4 路基工后沉降超標(biāo)趨勢9號圖

圖5 路基工后沉降超標(biāo)趨勢13號圖

同時選取1組未超標(biāo)的工后沉降趨勢圖，如圖6所示。從圖1—圖5與圖6的對比中，可以看到超標(biāo)各組的線性趨勢是比較明顯的，如果進行量化指標(biāo)可以將15 mm按表2的形式量化，見表3。由此可以得出當(dāng)按周為周期來監(jiān)測時其預(yù)警值應(yīng)該為0．3 mm，如果按月為周期其監(jiān)測預(yù)警值為1．2 mm。

圖6 路基工后沉降趨勢2號圖

表3 工后沉降一年期量化指標(biāo)

四、不均勻沉降預(yù)警

工后的不均勻沉降不僅破壞了乘車的舒適性及行車的平順性，而且使車輛無法快速行駛，嚴(yán)重的甚至造成安全事故。然而目前不均勻沉降指標(biāo)的研究比較少，其預(yù)警也很少有研究。

根據(jù)《客運專線無柞軌道鐵路設(shè)計指南》及《新建時速300-350公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》，同時借鑒德國對于路基不均勻沉降限值的控制方法，我國無砟軌道路基工后不均勻沉降有如下要求:調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)能滿足式(1)

式中，Ra為軌面圓順的豎曲線半徑，單位為m;VE為設(shè)計時速，單位為km/h。

由此可以得到不均勻沉降的第一個預(yù)警指標(biāo)，如對于300 km/h的客運專線來說，軌面圓順的豎曲線半徑應(yīng)大于36 000 m。

原鐵道部科技司在《新板式軌道線路的土工結(jié)構(gòu)—實施的原則和建議》中認(rèn)為，從保證舒適度出發(fā)，產(chǎn)生不均勻沉降形成的曲線要滿足式(1)的同時，另外其不均勻沉降量應(yīng)滿足

式中，ΔS為不均勻沉降量;ΔL為豎曲線弦長。

由此可以得到對于300 km/h的客運專線來說，50 m長的軌道基線的最大不均勻沉降量為17 mm。同時采用上一節(jié)的預(yù)警方法可知相鄰沉降觀測點在當(dāng)次觀測期內(nèi)的沉降量的絕對值大于2．4 mm時，不均勻沉降預(yù)警應(yīng)啟動;而相鄰觀測點持續(xù)性的不均勻沉降量預(yù)警閾值采用達到最大不均勻沉降量的75%，由此可以得到該預(yù)警值應(yīng)該為13 mm。

五、結(jié) 論

通過《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601—2009)和工程現(xiàn)場的經(jīng)驗總結(jié)，對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)工后沉降變形預(yù)警作了分析和研究，并得出了一些結(jié)果，具體來說有以下幾點:

1)沉降變形預(yù)警的核心指標(biāo)為工后沉降不大于15 mm。

2)通過對恒載期沉降變形的趨勢研究，得出:對于獨立的沉降觀測點的緩慢的工后沉降預(yù)警值，當(dāng)按周為周期來監(jiān)測時其預(yù)警值應(yīng)該為0．3 mm，如果按月為周期其監(jiān)測預(yù)警值為1．2mm。

3)工后沉降監(jiān)測時，對于線下結(jié)構(gòu)的單獨沉降觀測點突發(fā)沉降來說，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應(yīng)該小于2 mm。

4)對于300 km/h的客運專線，其工后不均勻沉降中的軌面圓順的豎曲線半徑應(yīng)大于36 000 m。

5)對于300 km/h的客運專線，50 m長的軌道基線的最大不均勻沉降量為17 mm。相鄰沉降觀測點在當(dāng)次觀測期內(nèi)的沉降量的預(yù)警值為絕對值大于2．4 mm;而相鄰觀測點持續(xù)性的不均勻沉降量預(yù)警值應(yīng)為13 mm。

［1］ 陳善雄，宋劍，周全能，等．高速鐵路沉降變形觀測評估理論與實踐［M］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［2］ TB 10601—2009高速鐵路工程測量規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．