李浩標 譚社會 索廣建 張獻州 蔣英豪

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 611756； 2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；3.中國鐵路上海局集團有限公司工務檢測所，上海 200071)

1 概述

隨著“八縱八橫”主要路網(wǎng)的建設完成，我國大部分高速鐵路已從施工建設階段進入運營維護階段。運營高速鐵路重點地段基礎變形監(jiān)測是線路安全運營的重要保障。近年來，諸多學者對運營高速鐵路基礎變形監(jiān)測進行研究，并產(chǎn)生了不少重要的理論成果。祝安龍等總結(jié)分析結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道圍巖及結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點[1]；劉大偉提出適用于滬寧城際鐵路重點沉降觀測地段的監(jiān)測方法[2]；郭高冉提出了基于光纖振動加速度傳感陣列的高速鐵路無砟軌道基礎變形監(jiān)測方法，為高速鐵路健康監(jiān)測提供新思路[3]；張宇昕提出運營高速鐵路綜合變形監(jiān)測評估方法，有利于監(jiān)測評估體系建設[4]。但目前仍缺乏行之有效的技術(shù)體系為線路養(yǎng)護維修提供指導。

為更好解決重點地段基礎變形監(jiān)測中的技術(shù)難點，以下對運營高速鐵路重點地段基礎變形監(jiān)測技術(shù)體系開展多方面研究。

2 重點地段基礎變形監(jiān)測內(nèi)容

2.1 重點地段基礎變形監(jiān)測特點

高速鐵路多具有線路長、地理環(huán)境復雜等特點，作為工程構(gòu)筑物，其基礎結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形是客觀存在的[5]。因此，在高速鐵路運營期間，對于基礎變形比較嚴重的地段，需進行一定周期的重點監(jiān)測，此類地段稱為重點地段。對運營高速鐵路開展基礎變形監(jiān)測，目的是掌握基礎變形規(guī)律和變形趨勢，結(jié)合其狀態(tài)進行養(yǎng)護維修，以確保行車穩(wěn)定性和線路平順性[6-8]。

運營期重點地段變形監(jiān)測不同于建設期，主要體現(xiàn)在以下幾個方面[9-12]。

(1)運營期高速鐵路監(jiān)測重點為差異沉降，對絕對沉降不敏感。

(2)運營期高速鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集多采用自動化監(jiān)測技術(shù)。

(3)運營期高速鐵路監(jiān)測頻次應根據(jù)線路變形情況而具體調(diào)整。

(4)運營期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法多數(shù)還處于探索階段，相應數(shù)學模型有待建立。

2.2 重點地段選取原則

為做好高速鐵路的運營維護，針對高速鐵路變形特點，一般把以下情況的區(qū)域地段確定為變形監(jiān)測重點地段[13-15]。

(1)橋梁、隧涵、路基、車站等建設期已發(fā)現(xiàn)的顯著差異沉降地段。

(2)精測網(wǎng)復測，構(gòu)筑物普查性監(jiān)測以及軌道動、靜態(tài)監(jiān)測過程中出現(xiàn)形變較大的地段。

(3)鐵路部門對線路進行日常維護工作時，線路設備狀態(tài)發(fā)生異常變化的地段。

3 重點地段基礎變形監(jiān)測方法

3.1 重點地段基礎變形監(jiān)測基準網(wǎng)建立

重點地段基礎變形監(jiān)測基準網(wǎng)由基準點與工作基點組成，分為重點地段平面位移監(jiān)測基準網(wǎng)和重點地段沉降監(jiān)測基準網(wǎng)。其目的是給重點地段水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測提供一個參照系，進而計算分析該重點地段的變形情況[16-18]。

按照TB10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》，平面位移監(jiān)測基準網(wǎng)一般由3個及以上基準點組成。平面位移監(jiān)測基準網(wǎng)可一次布網(wǎng)，布網(wǎng)形式為導線網(wǎng)、GNSS網(wǎng)等。當平面監(jiān)測區(qū)段長度>800 m時，應復測對應區(qū)段線上CPⅡ點，并對線上CPⅡ點進行平差分析，選取穩(wěn)定的線上CPⅡ點作為平差計算基準點；若監(jiān)測區(qū)段較短，或距線上CPⅡ點過遠，則可選用監(jiān)測地段兩端穩(wěn)定的CPⅢ點作為平面監(jiān)測基準點，并將與該基準點相鄰的穩(wěn)定CPⅢ點作為備用基準點。選取穩(wěn)定CPⅢ點時，需要將相鄰3對點的自由網(wǎng)平差成果與原測成果坐標較差之差和橫向坐標差之差進行對比，當坐標較差之差≤±2 mm，橫向坐標差之差≤±2 mm，可認為控制點穩(wěn)定。

沉降監(jiān)測基準網(wǎng)一般由3個及以上基準點組成，但對于重點地段，往往布設4個基準點和4個備用基點。沉降監(jiān)測基準網(wǎng)可采用閉合環(huán)狀或附合水準路線等形式進行布設。沉降監(jiān)測基準點應優(yōu)先選取重點地段兩端穩(wěn)定的線上水準基點，若重點地段監(jiān)測邊界距線上水準基點超過200 m，可選用重點地段兩端穩(wěn)定的CPⅢ點，并使用與該基準點相鄰的穩(wěn)定CPⅢ點作為備用工作基點。基準點間應按二等附合水準線路測量要求進行觀測，以檢核基準點的穩(wěn)定性，進而確定兩個基點間的高差基準值和相鄰CPⅢ點間基準高差。選取穩(wěn)定基準點時，需要對比基準點間觀測高差和上一次復測基準高差，其高差之差應滿足

(1)

式中，h觀為觀測高差；h上為上一次復測基準高差；L為線路長度。

若監(jiān)測工作中發(fā)現(xiàn)基準點不穩(wěn)定，可采用聯(lián)測附近的線上水準基點，并對不穩(wěn)定的基準點進行更新；若仍不滿足基準點的穩(wěn)定性要求，則應啟用備用基準點或延長監(jiān)測區(qū)段。對于原有的重點地段，監(jiān)測基準點應保持歷史數(shù)據(jù)的延續(xù)性。

3.2 重點地段監(jiān)測斷面和監(jiān)測點布設

(1)監(jiān)測斷面布設

重點地段沉降監(jiān)測橫斷面分為兩種，一種是基礎斷面，另一種是加密斷面。一般情況下，路基、隧道地段每20 m布設一個斷面，橋梁地段在梁固定端和跨中位置各布設一個斷面。重點地段沉降監(jiān)測斷面的編號根據(jù)里程排序。每個斷面應在下行底座板外側(cè)觀測點旁用紅油漆噴寫斷面號(采用統(tǒng)一規(guī)格字模)。無砟軌道基礎斷面一般布設在距離下行CPⅢ點最近的軌道板和底座板上，加密斷面布設在兩個基礎斷面之間。

無砟軌道重點地段沉降監(jiān)測橫斷面由上下行路肩監(jiān)測點、上下行支承層外側(cè)監(jiān)測點、上下行軌道板外側(cè)監(jiān)測點等組成，如圖1所示。有砟軌道基礎斷面與CPⅢ點所在的斷面一致，加密斷面布設在兩個基礎斷面之間。有砟軌道重點地段沉降監(jiān)測斷面由下行路肩監(jiān)測點、上行路肩監(jiān)測點組成，如圖2所示。

圖1 無砟軌道段沉降監(jiān)測點(斷面)布設

圖2 有砟軌道段沉降監(jiān)測點(斷面)布設

重點地段橫向監(jiān)測斷面里程位置原則上與垂向統(tǒng)一，其測點標識根據(jù)所采用的監(jiān)測方法進行設置。

(2)監(jiān)測點布設

路基地段沉降監(jiān)測點應布設在沉降監(jiān)測斷面上。無砟軌道選用線路兩側(cè)的CPⅢ點作為路基沉降監(jiān)測點，若沒有CPⅢ點，應補設路基沉降監(jiān)測點；無砟軌道底座板監(jiān)測點應布設在線路外側(cè)小里程方向的邊角區(qū)域上，監(jiān)測標志可選用不銹鋼監(jiān)測釘。無砟軌道板監(jiān)測點采用在軌道板外側(cè)邊角打磨φ16.0 mm、深約8 mm的淺圓孔，放置鋼珠作為點位標識。在有砟軌道路基上，一般采用埋設監(jiān)測標石的方式。標石以現(xiàn)場澆筑為宜，無現(xiàn)場澆筑條件的可使用預埋式標石或打入長1.5 m左右的鋼筋，地面露出部分焊接不銹鋼監(jiān)測釘，并制作保護井蓋。隧道地段監(jiān)測點布設方法與路基地段監(jiān)測點布設方法相同。

橋梁地段選用CPⅢ點作為沉降監(jiān)測點。若沒有CPⅢ點，簡支梁地段在梁固定端和跨中位置各布設一對，連續(xù)梁地段在中間支座和跨中位置各布設一對。

3.3 重點地段基礎變形監(jiān)測技術(shù)要求

重點地段變形監(jiān)測主要包括周期性沉降監(jiān)測、CPⅢ平面不定期測量、橫向變形監(jiān)測和CPⅢ修復測量。監(jiān)測前應首先對監(jiān)測點位進行普查，已丟失或破壞的監(jiān)測點應及時補設。

(1)重點地段周期性沉降監(jiān)測

重點地段周期性沉降監(jiān)測可按矩形環(huán)單程水準網(wǎng)觀測，CPⅢ測點的觀測過程中采用中視法對監(jiān)測點(非CPⅢ點)進行觀測。每測站應在對水準線路中相鄰CPⅢ點進行線路觀測后一次性對該站范圍內(nèi)所有監(jiān)測點(非CPⅢ點)進行觀測，以便觀測精度統(tǒng)一，并減少線路觀測誤差對監(jiān)測點成果的影響。路基、隧道及橋梁沉降監(jiān)測的水準測量路線結(jié)合CPⅢ控制網(wǎng)的水準路線進行在測量CPⅢ測點的過程中，采用中視法對監(jiān)測點(非CPⅢ點)進行觀測，每個監(jiān)測點(非CPⅢ點)均測量兩次，其觀測的高程之差不得大于1 mm。滿足限差要求后，取兩組高程平均值作為最終高程。當受條件限制無法進行水準測量時，可采用CPⅢ控制網(wǎng)自由測站三角高程測量。

重點地段外業(yè)觀測完成后，需先檢核觀測數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)不合格數(shù)據(jù)應重新觀測。待粗差檢驗合格后，通過計算相鄰點間附合水準路線高差閉合差判斷內(nèi)業(yè)平差起算點的穩(wěn)定性，當起算點不滿足閉合差時，分別向大小里程延伸尋找穩(wěn)定的起算點，直至滿足相關閉合差要求。平差控制指標均滿足相關要求時，可認為重點地段周期性沉降監(jiān)測合格；反之為不合格，對于不合格項要查明原因，并盡快返工重測。

(2)重點地段CPⅢ平面不定期測量

對高速鐵路重點地段進行CPⅢ平面不定期測量，可以獲得該重點地段的平面坐標變化量，并且視情況更新該地段的CPⅢ平面成果用于線路維護。重點地段CPⅢ平面不定期測量主要采用自由測站邊角交會法施測。外業(yè)測量完成后，通過計算CPⅢ點原復測坐標較差、相鄰點坐標差之差判斷內(nèi)業(yè)平差起算點的穩(wěn)定性，當起算點不滿足相關要求時，可分別向大小里程延伸尋找穩(wěn)定的起算點，直至滿足相關要求。平差完成后，應將本次測量成果與上次測量成果在線路方向上的橫、縱坐標差及累計變化量進行分析，將該重點地段更新后的CPⅢ平面控制網(wǎng)成果應用于線路維護工作中。

(3)重點地段橫向變形監(jiān)測

鑒于采用自由設站后方交會方法難以滿足監(jiān)測精度要求，且橫向變形對線路平順性影響較大，故采用軌道線形測量數(shù)據(jù)中的橫向偏差代替重點地段橫向變形監(jiān)測。軌道線形測量前，應對CPⅢ控制網(wǎng)的穩(wěn)定性進行復核，采用最新成果，核對線路設計參數(shù)，并根據(jù)線路樁點信息錄入數(shù)據(jù)文件。

(4)重點地段CPⅢ修復測量

重點地段CPⅢ修復測量包括CPⅢ高程修復測量和CPⅢ平面修復測量。若監(jiān)測地段范圍內(nèi)的相鄰2個及以上觀測點(含CPⅢ點)垂向位移超過3 mm，需對監(jiān)測地段范圍內(nèi)所有CPⅢ點的高程采用平差后的新成果進行修復。若無法滿足線形檢測起算要求，則需要進行修復測量，修復原則同周期性沉降監(jiān)測。若監(jiān)測地段范圍內(nèi)相鄰2個及以上CPⅢ點垂向位移量大于3 mm，應對CPⅢ點的平面坐標進行修復測量。約束平差后的CPⅢ點坐標成果與原坐標成果應統(tǒng)一歸算到線路法線方向，再進行差值分析，當差值大于3 mm時，需對監(jiān)測地段范圍內(nèi)的所有CPⅢ點的平面坐標采用平差后的新成果進行修復。完成CPⅢ修復測量后，應及時更新CPⅢ成果，為后續(xù)基礎變形監(jiān)測變形分析提供可靠的CPⅢ高程與平面基準，并建立新舊成果的聯(lián)系，保證變形成果的可延續(xù)性。

3.4 監(jiān)測周期的確定及調(diào)整

重點地段監(jiān)測周期應以能夠反映該地段變形過程且不遺漏其變化為原則，并綜合考慮該地段變形速率、變形特征及工況等信息。重點地段的監(jiān)測周期原則上每月觀測1次，同時根據(jù)其變形速率與評判標準進行動態(tài)調(diào)整，調(diào)整原則如表1所示。

表1 沉降監(jiān)測周期調(diào)整

4 重點地段變形分析與預警機制

4.1 重點地段變形分析

重點地段變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可采用作圖、統(tǒng)計、對比和建模等方法進行分析。作圖分析是將重點地段觀測數(shù)據(jù)按時間順序繪制成曲線反映出變形趨勢；統(tǒng)計分析是對重點地段監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計尋找變形規(guī)律和特征；對比分析是把實測值與設計值或模型試驗值進行比較，相互驗證尋找變形原因進而找到改進方法；建模分析是通過建立數(shù)學模型來研究重點地段的變形趨勢。

運營期高速鐵路重點地段的變形分析可以分為同一斷面不同類型監(jiān)測點累計變形分析、監(jiān)測點變形速率分析、不同斷面差異變形分析、上下行線差異變形分析與過渡段差異變形分析等?？紤]到相鄰結(jié)構(gòu)斷面的差異性變形，以及由此引起的附加坡度和坡度差的變化量將會對高速鐵路運營期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和軌道平順性造成較大影響。因此，相鄰結(jié)構(gòu)斷面的差異性變形是運營期沉降監(jiān)測變形分析的重點內(nèi)容。針對沉降變形分析，其主要控制指標包括變形監(jiān)測點的絕對沉降量、沉降速率、相鄰斷面差異沉降量等。根據(jù)沉降變形分析結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)特征和工況信息進一步分析沉降變形對線路結(jié)構(gòu)、軌道平順性造成的影響，為運營管理提供決策支持。

4.2 重點地段綜合預警機制

設立運營高速鐵路基礎變形監(jiān)測綜合預警機制的目的是盡可能緩解或阻止風險的發(fā)生，保障高速鐵路的安全運營。重點地段基礎變形監(jiān)測綜合預警機制應在充分考慮監(jiān)測項目的特點、變形速率以及監(jiān)測對象的安全性等指標的基礎上，統(tǒng)籌制定。

重點地段綜合預警機制的具體內(nèi)容如下：當單次月變形量大于2 mm或3個月累計變形量超過5 mm時，應在24 h內(nèi)發(fā)出預警提示，并酌情縮短監(jiān)測周期；當連續(xù)3個月單次月變形量均大于2 mm或連續(xù)3次每3個月累計變形量均超過5 mm時，應及時書面報告集團公司業(yè)務部、設備管理單位和資產(chǎn)管理公司。橫向變形監(jiān)測單次月變形量大于5 mm或3個月累計變形量達到5 mm，應及時書面報告集團公司業(yè)務部、設備管理單位和鐵路公司。對于因施工等因素導致高鐵工務設備變形速率較快，應根據(jù)設備狀態(tài)和變形特點，制定特殊的預警值。

5 重點地段基礎變形監(jiān)測實例

5.1 工程概況

某高速鐵路位于長江沖積平原區(qū)，地形平坦，地勢開闊，地層巖性變化大，季節(jié)和地表水位的變化導致地下水位略有浮動，線路區(qū)域內(nèi)堆積著松散的淤泥質(zhì)土層和軟土層。2018年，進行了精測網(wǎng)復測，復測與原測成果對比時發(fā)現(xiàn)部分區(qū)段成果差異較大，里程為K0245+002～K0246+044，長11.640 km。根據(jù)重點地段監(jiān)測辦法，將該區(qū)段列為基礎變形重點地段，沉降監(jiān)測頻次為每月1次。本區(qū)段基礎變形監(jiān)測的高程基準采用1985國家高程基準。

5.2 監(jiān)測過程

(1)基準穩(wěn)定性分析

在該重點地段，大里程基準點選取離監(jiān)測區(qū)域200 m處的路堤CPⅢ點，小里程選取離監(jiān)測區(qū)域300 m處的隧道CPⅢ點。由表2可知，各基準點間觀測高差與上一次精測網(wǎng)復測兩點間的高差之差均小于限差，滿足相關規(guī)范要求，可用作穩(wěn)定的基準點。

表2 基準點間觀測高差與基準高差統(tǒng)計

(2)沉降監(jiān)測預警

對重點地段進行了3期觀測，其變形趨勢如圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)本區(qū)段小里程方向部分發(fā)生明顯的沉降變形，大里程方向發(fā)生略微的隆起變形。其中，累計最大變形量為-5.22 mm，位于K0245+425處，超過預警值5.00 mm；本期最大變化量為-2.32 mm/月，位于K0245+425處，超過預警值2.00 mm/月。

圖3 基礎變形監(jiān)測月變形態(tài)勢

圖4 基礎變形監(jiān)測累計沉降態(tài)勢

設備管理單位收到預警提示之后，按照應急預案要求，對該區(qū)段監(jiān)測周期由1次/月調(diào)整為2次/月，并注意巡查現(xiàn)場情況，進一步觀察其變形趨勢。

6 結(jié)論

(1)運營期重點地段基礎變形監(jiān)測是一個長期且復雜的過程，變形區(qū)段的選擇、監(jiān)測內(nèi)容和頻率需視實際情況進行動態(tài)調(diào)整。

(2)以“單次月變形量”和“三個月累計變形量”為主要衡量指標的重點地段綜合預警機制具有高效性、系統(tǒng)性、操作性等特點，可為高速鐵路的安全運營提供重要保障。

(3)單獨的監(jiān)測結(jié)果往往難以反映運營高速鐵路變形情況，必須結(jié)合往期監(jiān)測數(shù)據(jù)和自然環(huán)境、施工工況等情況進行分析，才能相互印證、去偽存真。