劉丙強(qiáng)

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局工務(wù)部，北京 100844)

高速鐵路對軌道幾何平順性以及路基、橋梁變形提出了更高的要求。經(jīng)過幾年的運(yùn)營，華北平原、長江三角洲等地區(qū)出現(xiàn)的大面積基礎(chǔ)沉降給高速鐵路運(yùn)營帶來了潛在危害。高速鐵路是大型線狀結(jié)構(gòu)，跨度大，沿線地形復(fù)雜，基礎(chǔ)變形分布廣且在發(fā)展過程中呈現(xiàn)不均勻性和階段性等特征［1］。因此，高速鐵路基礎(chǔ)沉降監(jiān)測十分重要。早期的常規(guī)人工測量技術(shù)工作量大，精度難以達(dá)到要求。伴隨著高速鐵路的發(fā)展，先進(jìn)的測量技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，可用來及時掌握高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形情況。這樣可在設(shè)計(jì)、施工中及時處理沉降偏大的路基，以免留下隱患;而在運(yùn)營階段，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測沉降值異常，可以提前作出預(yù)警，防止出現(xiàn)安全事故［2］。由于各種方法的觀測范圍、對象、精度及周期有所不同，因此需要系統(tǒng)地研究各種方法的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合應(yīng)用，揚(yáng)長避短，形成經(jīng)濟(jì)可靠的高速鐵路基礎(chǔ)變形測量技術(shù)體系。

1 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測內(nèi)容

施工階段的基礎(chǔ)變形觀測包括路基面、路基基底和路基本體沉降觀測［3］以及橋梁基礎(chǔ)沉降觀測。在運(yùn)營階段，除對基礎(chǔ)進(jìn)行長期監(jiān)測外，還要對軌道幾何尺寸如高低、軌向、三角坑等進(jìn)行檢測。在建設(shè)及運(yùn)營階段，對水位及孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，可以預(yù)測地基沉降趨勢，對沉降監(jiān)測具有重要意義［4］。

2 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測方法及原理

高速鐵路沉降監(jiān)測范圍大，在不同階段監(jiān)測內(nèi)容和目的不同，所采用的監(jiān)測方式也是多樣的。為了能夠選出合適的監(jiān)測，需要對現(xiàn)有的沉降測量技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，掌握各種方法的觀測精度、觀測周期以及適用范圍。

2.1 常規(guī)監(jiān)測技術(shù)

監(jiān)測高速鐵路基礎(chǔ)沉降最常用的方法有路基沉降板法、變形觀測樁法、沉降水杯法以及路基、橋梁通用的電子水準(zhǔn)儀等高精度儀器的高程測量法。按施測階段、施測目的及功能測控網(wǎng)可分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運(yùn)營維護(hù)控制網(wǎng)。各階段高程控制網(wǎng)以線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)為基準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)是控制網(wǎng)覆蓋了鐵路沿線，精度高，范圍廣。其缺點(diǎn)是需要定期維護(hù)，樁點(diǎn)保護(hù)困難、復(fù)測成本高，測量效率低，不能實(shí)現(xiàn)全天候測量等。以下詳細(xì)敘述各種常規(guī)檢測方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.1 沉降板法

沉降板法是一種簡單的沉降觀測方法，沉降板由鋼板、連接管和套護(hù)管組成。鋼板尺寸多為0.5 m×0.5 m×0.03 m，連接管一般采用直徑40 mm的鋼管，隨著路基不斷填高，連接管和套護(hù)管需要不斷加長。沉降板隨所在土層一起發(fā)生位移并帶動連接管，通過在地表測量連接管管口前后兩次高程差，可計(jì)算出沉降板處地基的沉降量［5］。沉降板法具有操作簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯，如對施工有干擾，連接管很容易被撞壞。此外，受損后修復(fù)困難［6］。

2.1.2 變形觀測樁法

觀測樁采用圓形鋼筋，一般是在基床底層表面或基床表層表面填筑完成后，在表面埋設(shè)這種觀測樁，鋼筋頂部一般高出表面3～5 mm，用涂漆等方法進(jìn)行防銹處理，靜置3 d即可進(jìn)行觀測。變形觀測樁法操作比較簡單，但是只能測量路基表面沉降值，無法測定土體內(nèi)部的沉降，且對施工有一定的影響。

2.1.3 水準(zhǔn)測量法

水準(zhǔn)測量法是利用水準(zhǔn)儀提供的水平視線，讀取豎立在兩點(diǎn)的水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，計(jì)算兩點(diǎn)之間的高差，并由其中已知點(diǎn)的高程推算另一未知點(diǎn)的高程。該方法精度較高，但是需要人工觀測，工作效率低、強(qiáng)度大且受天氣、地形等的影響，因此一般只適用于小范圍測量［7］。

2.2 自動化監(jiān)測技術(shù)

自動化監(jiān)測是在變形變位的結(jié)構(gòu)物上布置傳感器，實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、預(yù)警、發(fā)布等功能。目前使用較多的有單(多)點(diǎn)沉降計(jì)、磁環(huán)沉降儀、基于液位傳感器原理的光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀、基于受激布里淵效應(yīng)的全分布式布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)、基于重力加速度微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的光纖式電水平梁和陣列式位移傳感器(SAA)等。自動化監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，可實(shí)時監(jiān)測，缺點(diǎn)是監(jiān)測范圍相對較小，初期成本相對較高。

2.2.1 單(多)點(diǎn)沉降計(jì)

單(多)點(diǎn)沉降計(jì)是地基深層沉降監(jiān)測常用儀器，由位移計(jì)、錨頭、法蘭盤、連接桿等組成，用來測量錨頭和沉降盤之間的壓縮變形。當(dāng)?shù)鼗蛳伦冃螘r，法蘭盤與地基同步變形，使位移計(jì)中導(dǎo)磁體在磁感線圈內(nèi)產(chǎn)生相對滑移，通過人工采集或自動采集測出位移變形量，達(dá)到沉降檢測的目的。單(多)點(diǎn)沉降計(jì)測試精度高，可自動獲取數(shù)據(jù)并能進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸，適用于長期沉降監(jiān)測。但其安裝復(fù)雜，埋設(shè)時由于需要鉆孔，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。

2014年3月1日，云南昆明發(fā)生嚴(yán)重恐怖暴力案件，社會治安面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。謝清森坐不住了，他接連幾天思考斟酌，總覺得應(yīng)該也有能力為社會做點(diǎn)什么。

2.2.2 磁環(huán)沉降儀

磁環(huán)沉降儀由分層沉降管、波紋管、磁環(huán)和分層沉降儀組成。在路基中相應(yīng)深度處安裝磁環(huán)，使得磁環(huán)與所在土層同步沉降，用分層沉降儀測量各磁環(huán)的位置，可分別計(jì)算各土層的沉降量。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，缺點(diǎn)主要是影響施工，沉降管容易被機(jī)械撞壞。

2.2.3 光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀

光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀是基于連通器原理，將靜力水準(zhǔn)儀的液位變化用光纖光柵的波長變化來反映，然后通過配套的解調(diào)儀來測量波長變化，從而得到高程變化的專用儀器［8］。試驗(yàn)中用光纖光柵傳感器測量各個測點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對變化，來得到各個測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對沉降量，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測站，經(jīng)解調(diào)后存儲于現(xiàn)場服務(wù)站［9］。為了進(jìn)行溫度補(bǔ)償［10］，可以在同一根光纖等強(qiáng)度量的正反面刻上兩個光柵，將兩個波長的變化相減，從而起到消除溫度影響的效果。光纖光柵靜力水準(zhǔn)傳感器可以實(shí)時監(jiān)測路基沉降，具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是安裝復(fù)雜，需要采用精密水準(zhǔn)儀使監(jiān)測點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)高一致。此外，光譜分析儀價格昂貴也是其主要缺點(diǎn)［11］。

2.2.4 全分布式布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)

光在光纖中傳輸時，光纖內(nèi)部會產(chǎn)生微弱的聲波，光子與光纖中的聲子相互作用，形成與入射光存在一定頻率差的散射光，成為布里淵散射光。布里淵散射光與入射光的頻率差稱為布里淵頻移。若入射光子受激后釋放一個聲子并同時產(chǎn)生一個頻率較低的光子，稱為斯托克斯光;若入射光子吸收一個聲子后產(chǎn)生一個頻率較高的光子，則稱為反斯托克斯光。在頻譜上，斯托克斯光和反斯托克斯光分別位于入射光兩邊約11 GHz。光纖外界環(huán)境(變形)會使該布里淵頻移發(fā)生變化，而光纖中布里淵頻移和變形有對應(yīng)的關(guān)系，于是可以根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系得到變形的信息，這就是布里淵分布式光纖傳感器的原理。利用此原理，制造出布里淵光時域分析儀(BOTDA系統(tǒng))可以對大壩、路基等的變形進(jìn)行監(jiān)測［12］。布里淵光時域分析儀檢測精度高，適合長距離傳感，但是存在功率不穩(wěn)定的問題，容易受到激擾。

2.3 InSAR測量技術(shù)

InSAR即合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)，是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉相位，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。InSAR技術(shù)所獲取的不是離散點(diǎn)的信息，而是大面積連續(xù)的地形信息。其具有全天候、全天時作業(yè)、測量結(jié)果覆蓋連續(xù)空間的優(yōu)勢。差分干涉測量技術(shù)(DInSAR)可對地表微量形變進(jìn)行測量，所以D-InSAR形變監(jiān)測技術(shù)可用于幅員遼闊、自然條件復(fù)雜的高鐵變形監(jiān)測。

2.4 綜合檢測列車動態(tài)檢測技術(shù)

該技術(shù)是基于慣性基準(zhǔn)的相對測量技術(shù)，可以檢測軌道的幾何尺寸，其中高低、軌向可實(shí)現(xiàn)最長波長120 m的檢測。其優(yōu)點(diǎn)是測量周期短(約10～15 d)，成本低，檢測速度快，覆蓋面廣，能快速發(fā)現(xiàn)軌道幾何尺寸變化的處所。其缺點(diǎn)是無法獲取絕對空間的軌道幾何尺寸，可測波長相對于基礎(chǔ)變形來說不夠長，不能實(shí)現(xiàn)全天候測量。

3 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測體系

為了發(fā)揮各種測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，需要建立經(jīng)濟(jì)可靠的基礎(chǔ)變形監(jiān)測體系，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形歷史數(shù)據(jù)的可追溯性。

在設(shè)計(jì)階段，InSAR測量技術(shù)可用于高鐵沿線的較低精度的沉降變形普查，以確定區(qū)域沉降范圍、差異沉降較大地段、沉降漏斗中心及新的沉降地段，還可對工后沉降進(jìn)行長期跟蹤評估。由于SAR數(shù)據(jù)具有可追溯性，可保持高鐵建設(shè)前、建設(shè)中、運(yùn)營后沉降數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對探索某一地域的沉降規(guī)律及發(fā)展趨勢，指導(dǎo)高鐵維護(hù)具有重要意義。D-InSAR測量技術(shù)還可擴(kuò)展應(yīng)用到高鐵沿線路塹邊坡及隧道邊仰坡變形監(jiān)測、新建道路識別等，有助于復(fù)雜地形條件下的高鐵周邊環(huán)境檢查。但是在InSAR測量技術(shù)的平面測量精度取得進(jìn)展前，仍須應(yīng)用常規(guī)測量技術(shù)對高鐵平面變形進(jìn)行觀測。

在施工階段，主要采用精密水準(zhǔn)測量方法。在需要實(shí)時監(jiān)測的地段可設(shè)置自動化監(jiān)測儀器，如光纖光柵式靜力水準(zhǔn)儀、單點(diǎn)沉降計(jì)等。

在鐵路運(yùn)營階段，使用綜合檢測列車的長波長檢測功能，可識別擬合半徑劣于允許豎曲線半徑的差異沉降和線路方向變化。其短周期、高精度檢查的優(yōu)點(diǎn)有效彌補(bǔ)了InSAR測量技術(shù)和常規(guī)測量技術(shù)的不足。綜合檢測列車數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試至運(yùn)營后的追溯，結(jié)合作業(yè)記錄，可研究高鐵全線或某一區(qū)段軌道幾何尺寸(包括長波高低、長波方向)的變化規(guī)律。綜合檢測列車增加更高精度的慣性基準(zhǔn)后，可大大提高其檢測波長和測量精度。在鐵路運(yùn)營階段，有了InSAR測量技術(shù)的全面普查，常規(guī)測量技術(shù)可有針對性地對普查出來的區(qū)域沉降、新生沉降等地段進(jìn)行高精度測量。在此基礎(chǔ)上，針對存在較大區(qū)域沉降、較大差異沉降等的重點(diǎn)區(qū)段采用GPS或靜力水準(zhǔn)的測量方式，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，及時反映運(yùn)營鐵路的健康狀況，為行車安全提供信息保障［13］。這樣將大大提高觀測效率，降低觀測成本。

以上測量技術(shù)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。實(shí)際應(yīng)用中，建議采用InSAR測量技術(shù)對高鐵沉降進(jìn)行普查，用常規(guī)測量技術(shù)對區(qū)域沉降、新生沉降地段進(jìn)行精密測量，采用綜合檢測列車檢測技術(shù)對差異沉降進(jìn)行周期性檢查，用自動化監(jiān)測技術(shù)對差異沉降速率快的地段進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)全面普查與重點(diǎn)觀測相結(jié)合、靜態(tài)檢測與動態(tài)檢測相結(jié)合、定期檢測與實(shí)時監(jiān)測相結(jié)合、高精度與低精度測量技術(shù)合理搭配，從而建立高鐵經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的、可追溯的沉降測量技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 高速鐵路基礎(chǔ)變形測量技術(shù)體系

4 結(jié)語

高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形主要是地基受到荷載作用后排出孔隙中的水和氣體而引起的，采用有效的水位監(jiān)測技術(shù)探索水位變化與地基沉降的關(guān)系，可以預(yù)測地基沉降趨勢，在開采地下水、礦引起的地基沉降監(jiān)測方面意義重大。

另外近景攝影測量、地面雷達(dá)跟蹤測量、GPS實(shí)時測量等是近期研究十分活躍的變形測量技術(shù)。這些在地面變形觀測和建筑物變形觀測等方面得到了成功應(yīng)用，相關(guān)科研院校也進(jìn)行了探索。這些新的測量技術(shù)將在高鐵基礎(chǔ)變形觀測方面得到廣泛應(yīng)用。

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