張 丹，郝亞東

(1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，河南 開封 475003； 2. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003)

鄭徐高鐵開封段地面沉降分層監(jiān)測(cè)方法

張 丹1,2，郝亞東1

(1. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院，河南 開封 475003； 2. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003)

高鐵沿線施工期間引起地面沉降的因素錯(cuò)綜復(fù)雜、相互影響，本文提出通過對(duì)沉降區(qū)域地下水位、孔隙水壓力等進(jìn)行分層觀測(cè)，根據(jù)分層觀測(cè)得到地下水位變化、孔隙水壓力變化等數(shù)據(jù)，并采用回歸分析法構(gòu)建了沉降區(qū)域地面沉降與諸影響因子的關(guān)聯(lián)模型，通過對(duì)鄭徐客運(yùn)專線開封段進(jìn)行的地面沉降監(jiān)測(cè)量與同時(shí)采用二等精密水準(zhǔn)測(cè)量得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明本方法的有效性和可靠性。

高鐵；地面沉降；分層監(jiān)測(cè)；回歸分析

鄭徐客運(yùn)專線是《國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》“四縱四橫”中的徐州至蘭州鐵路客運(yùn)專線的重要組成部分。鄭徐高鐵客運(yùn)專線西起鄭州東站、東至徐州東站，線路全長(zhǎng)361.937 km，其中開封段59.5 km。開封段地處黃淮沖積平原，沿線為較厚層第四系地層覆蓋，地面表層的軟土厚度較大。鄭徐客運(yùn)專線采用無砟軌道，軌道路基容許沉降值為15 mm，對(duì)路基進(jìn)行沉降控制顯得尤為重要。此外，由于開封段沿線地下水大規(guī)模開采所引起的地面沉降較為突出，對(duì)高鐵施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成了嚴(yán)重影響。因此，研究鄭徐客運(yùn)專線開封段沿線地面沉降監(jiān)測(cè)方法，為客運(yùn)專線施工過程進(jìn)行沉降控制，保證高鐵安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 地面沉降分層監(jiān)測(cè)

1.1 分層監(jiān)測(cè)原理

地面沉降分層監(jiān)測(cè)是在土層不同深度及不同層位分別埋設(shè)沉降磁環(huán)，當(dāng)沉降磁環(huán)受到土層不斷壓縮變形所產(chǎn)生的應(yīng)力作用時(shí)其位置會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)位移量就可以確定土層土體的壓縮固結(jié)量，從而監(jiān)測(cè)土體的垂直位移量(即沉降)。地面沉降分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由沉降磁環(huán)、沉降管、沉降觀測(cè)儀等設(shè)備構(gòu)成，當(dāng)沉降觀測(cè)儀內(nèi)部的磁感應(yīng)測(cè)量探頭接觸沉降磁環(huán)時(shí)，受磁場(chǎng)作用后其電流會(huì)發(fā)生變化。分層沉降觀測(cè)儀內(nèi)部有一個(gè)變化極小的鋼尺(長(zhǎng)度在50～100 m)連接在測(cè)量探頭端部，與探頭一起安置在分層沉降管中，用以監(jiān)測(cè)分層沉降磁環(huán)的高度變化。

對(duì)地面進(jìn)行分層沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)每個(gè)分層沉降磁環(huán)的初始讀數(shù)為D0i(分層沉降磁環(huán)到管口的距離)，每次觀測(cè)沉降磁環(huán)的讀數(shù)為Di，設(shè)分層沉降管口的初始高程為H0，則各分層沉降磁環(huán)的初始高程為H0-D0i，每次觀測(cè)各個(gè)分層沉降磁環(huán)的高程為H0-Di，則各分層沉降磁環(huán)歷次測(cè)量的沉降量hi可依據(jù)下式計(jì)算

hi=(H0-D0i)-(H0-Di)

(1)

根據(jù)每次分層沉降磁環(huán)的沉降量，可推算出各分層沉降磁環(huán)所處土層的壓縮量為

H=hi-1-hii=2,3,…，n

(2)

將所有土層的壓縮量進(jìn)行疊加，可得到整個(gè)土層的壓縮總量為

(3)

1.2 分層監(jiān)測(cè)井標(biāo)布設(shè)

鄭徐高鐵開封段地面沉降監(jiān)測(cè)共布設(shè)包括D3水位分層監(jiān)測(cè)孔及F3-1、F3-2分層沉降監(jiān)測(cè)孔16個(gè)，地下水分層監(jiān)測(cè)孔是在同一鉆孔內(nèi)安裝多套井管，起到各自成井、分層止水及分層監(jiān)測(cè)水位等作用。采用上述成井工藝，可節(jié)約征占土地費(fèi)用、減少鉆探進(jìn)尺和進(jìn)場(chǎng)次數(shù)，達(dá)到節(jié)約成本、提高效益，縮短工期和便于維護(hù)與管理等目的。

1.3 分層監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1.3.1 孔隙水壓力觀測(cè)

對(duì)土體進(jìn)行真空預(yù)壓加固后，隨著載荷增加，土體將出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。為掌握土體中有效應(yīng)力的變化情況，需要監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化。土體受荷載后會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力變化，并引起土體運(yùn)動(dòng)。監(jiān)測(cè)不同深度土層的孔隙水壓力變化、土壓力變化，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以分析土體的有效應(yīng)力及土體強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律，據(jù)此計(jì)算沉降量或反演土層的固結(jié)系數(shù)，從而得到土層的固結(jié)度。

孔隙水壓力觀測(cè)需要首先埋設(shè)孔隙水壓力計(jì),然后觀測(cè)孔隙水壓力的初始值，該過程需要持續(xù)觀測(cè)一周，取平均值觀測(cè)值作為初始值?？紫端畨毫τ?jì)算公式如下

u=k(f2i-f20)

(4)

式中，μ為孔隙水壓力(單位：kPa)；k為標(biāo)定系數(shù)(kPa/Hz2)；fi、f0為測(cè)試頻率、初始頻率(Hz)。

1.3.2 地下水位觀測(cè)

由于高鐵路基施工過程中載荷在不斷增加，從而會(huì)引起鐵道沿線的地下水變化。因此，通過觀測(cè)鐵道沿線地下水位的變化狀況，則可以掌握地面沉降情況。地下水位觀測(cè)有以下兩種方法：

(1) 觀測(cè)孔設(shè)在施工區(qū)域外。通過外圍觀測(cè)，求出外圍地下水位的變化。

(2) 觀測(cè)孔設(shè)在施工區(qū)域內(nèi)。通過觀測(cè)該區(qū)域地下水位變化，為分析和計(jì)算地面沉降提供資料與依據(jù)。

2 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

地下水位、孔隙水壓力及地面載荷等是引起高鐵沿線地面沉降的主要因素，各種因素影響不盡相同，且相互影響，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。本文對(duì)多期觀測(cè)數(shù)據(jù)采用回歸分析法，旨在建立鐵路沿線地面沉降量與諸因素之間的關(guān)聯(lián)模型。

2.1 地下水位沉降模型

以地面作為參考基準(zhǔn)面，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档缴疃菻時(shí)，地表某點(diǎn)的沉降量δH可依據(jù)土力學(xué)中的沉降公式計(jì)算

δH=a0+a1H+a2H2

(5)

式中，H為該點(diǎn)抽水后的地下水位；a0、a1、a2可視為常數(shù)。

2.2 孔隙水壓力沉降模型

孔隙水壓力是各土層變形的重要監(jiān)測(cè)量，其引起的地面沉降可表示為孔隙水壓力p的函數(shù)，依據(jù)土力學(xué)中沉降公式，用泰勒級(jí)數(shù)展開后為

(6)

式(6)可表示為

δp=f(p)=b0+b1p+b2p2

(7)

2.3 時(shí)效因子模型

依據(jù)有效應(yīng)力原理，土體變形與有效應(yīng)力有關(guān)，某時(shí)刻t的沉降量δt為

δt=C1t+C2lnt

(8)

式中，C1、C2為有效應(yīng)力系數(shù)。

2.4 基于回歸分析的地面沉降模型

引入回歸分析方法，綜合考慮各種因素的變化影響，地面沉降計(jì)算模型為

δ總=a0+a1H+a2H2+b1p+b2p2+d1M+d2M2+c1t+c2lnt

(9)

式中，H、p、M為地下水位變化量、孔隙水壓力變化量和地面荷載變化量；t為時(shí)效分量；ai、bi、ci、di(i=0,1,2)為系數(shù)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 分層沉降觀測(cè)方法

本文以開封段59.5 km區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)研究，具體方法是沿高鐵線路無砟軌道的樁基上布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)36個(gè)，采用二等精密水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行往返觀測(cè)。以無砟軌道樁基及軌道箱梁施工期間作為監(jiān)測(cè)期，觀測(cè)周期為1次/月，共進(jìn)行20次。在進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的同時(shí)，利用16個(gè)分層監(jiān)測(cè)井標(biāo)觀測(cè)地下水位計(jì)測(cè)出的各層地下水位變化量、孔隙水壓力變化量，并在無砟軌道施工期間開展地面荷載變化分析。水準(zhǔn)測(cè)量與分層監(jiān)測(cè)井標(biāo)觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行，分別計(jì)算沉降結(jié)果，并對(duì)沉降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷分層監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和分層監(jiān)測(cè)方法的可行性。

3.2 結(jié)果分析

采用二等精密水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)得到的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降結(jié)果見表1；根據(jù)分層監(jiān)測(cè)井標(biāo)觀測(cè)的地下水位變化、孔隙水壓力變化，基于回歸分析法建立的地面沉降模型計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降結(jié)果見表2。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降結(jié)果

表2 回歸分析數(shù)學(xué)模型計(jì)算沉降結(jié)果

對(duì)比表1和表2兩種監(jiān)測(cè)方法結(jié)果可以看出，其最大偏差δmax=±0.3 mm、最小偏差δmin=±0.1 mm，兩種方法計(jì)算結(jié)果較為吻合，表明根據(jù)分層監(jiān)測(cè)井標(biāo)觀測(cè)的地下水位變化量和孔隙水壓力變化量，與采用回歸分析地面沉降數(shù)學(xué)模型計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降方法，均適合于鄭徐高鐵(開封段)地面沉降監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語

針對(duì)高鐵線路施工過程中采用常規(guī)方法監(jiān)測(cè)地面沉降，存在工作量大、監(jiān)測(cè)周期頻率高、施工交叉作業(yè)相互影響等不足，本文采用分層監(jiān)測(cè)方法對(duì)鄭徐高鐵開封段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)研究，通過觀測(cè)地下水位、孔隙水壓力、基于回歸分析模型計(jì)算地面沉降量，結(jié)果表明該方法適用于厚層軟土的地面沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)本文采用的一孔多井、分層觀測(cè)方法，可有效減少鉆探進(jìn)尺與進(jìn)場(chǎng)次數(shù)，提高作業(yè)效益，便于維護(hù)與管理。

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TheLandSubsidenceStratificationMonitoringofZheng-XuHigh-speedRailwayinKaifengSection

ZHANG Dan1,2,HAO Yadong1

(1. Yellow River Conservancy Vocational and Technical College, Kaifeng 475003, China; 2. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, NASG, Jiaozuo 454003, China)

In this paper, the factors that cause the land subsidence during the construction of high-speed railway are complicated and interactional. It is proposed that the ground water level and pore water pressure in the subsidence area are stratified observation, and the data of groundwater level change and pore water pressure change are obtained according to stratified observation. Regression analysis method to construct the correlation model of land subsidence and its influence factors in settlement area.The land subsidence monitoring of Zheng-Xu high-speed Kaifeng section is compared and analysed with the same period using second class precision level measurement points settlement. The results show that the method is effective and reliable.

high-speed rail; land subsidence; stratification monitoring; regression analysis

張丹，郝亞東.鄭徐高鐵開封段地面沉降分層監(jiān)測(cè)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(11)：77-79.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0352.

P258

A

0494-0911(2017)11-0077-03

2017-07-15；

2017-08-28

2016年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(2016YFC0803103)

張 丹(1980—)，男，碩士，講師，主要從事測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)教學(xué)及研究工作。E-mail：40663113@qq.com