顧 嵐

(中國鐵路呼和浩特鐵路局集團公司 呼和浩特工務段，內蒙古 呼和浩特 010050)

鐵路基礎的變形直接影響著鐵路線路上部結構的幾何尺寸。高速鐵路基礎沉降變形對線路的運營質量起著至關重要的作用，是高速鐵路高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性運營的決定因素。

京包客專線是國家“十一五”規(guī)劃的重點工程，是內蒙古首條高速鐵路。其中，新建烏蘭察布至呼和浩特東K361+870～K481+300段，位于華北北部，呈東西走向，于2017年8月3日正式開通。該段設計時速250km，全長119.43km，路基長度約54.33km，占全段的45.5%，橋梁共64座約40.2km(不含框構橋)，占全段的33.7%，隧道共19座24.9km，占全段的20.8%；工程結構形式多，沿線地基處理措施多樣，過渡段多，沉降觀測工作量巨大。

筆者主要介紹了該開通段通過建立長期基礎沉降監(jiān)測網(wǎng)，在實施過程中對沉降變形觀測技術和預測方法進行認真探索和總結，為鐵路有關單位及時了解沉降變形現(xiàn)狀和后續(xù)的沉降變形發(fā)展趨勢提供科學的數(shù)據(jù)依據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，對病害地段提前采取整治措施，避免了安全事故和巨額經濟損失。

1 基礎變形監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測斷面設置原則

沉降監(jiān)測項目包含：一般路基地段、過渡段、橋梁、涵洞、隧道、隧道檢查井及中心管偏位沉降、水源井影響區(qū)域路基的沉降監(jiān)測。運營期沉降變形監(jiān)測斷面設置與建設期設計要求相同，測標已在建設期間埋設，如果破壞或者不便于測量，則需重新進行布標、埋設。

1.1.1 路基(含過渡段)沉降監(jiān)測斷面設置。沿線路方向間距一般≤50m；對于地勢平坦且地基條件均勻良好的路塹、填方高度<5m且地基條件均勻良好的路堤及路塹可放寬到100m；路橋、路隧過渡段分別在橋臺臺尾、隧道出入口距結構物起點1m～5m處、10m～20m處、30m～50m處各設置1個觀測斷面；路涵過渡段在涵洞中心及距涵洞中心兩側5m～10m、15m～25m處各設置1個觀測斷面；路堤路塹過渡段，在分界處設路基面觀測斷面。

路橋、路隧過渡段，沉降監(jiān)測斷面一般在距不同結構物起點5m～10m處、20m～30m處、50m處各設置一斷面。路涵過渡段應于涵洞兩側2m處設一觀測斷面。

1.1.2 涵洞、橋梁墩臺沉降監(jiān)測斷面設置。涵洞觀測標：當涵洞的涵頂填土≤3m時需對涵洞進行沉降觀測，觀測標應設在涵洞進出口及涵洞中心兩側邊墻上，每個涵洞≥6個觀測標。當涵洞填土超過3m時不對涵洞進行沉降觀測，需根據(jù)路基專業(yè)要求對涵洞涵頂填土進行沉降觀測。

當橋墩墩身全高>14m時每墩設置觀測點數(shù)量2處，位于墩身兩側高于地面0.5m位置；當橋墩墩身全高>14m時，布設每墩設置觀測點數(shù)量1處，位于墩身兩側高于地面0.5m位置。水中墩及3m以下矮墩或橋墩墩身觀測點間高差特別大等特殊地段可設置在墩頂固定支座端防撞墻頂。每墩設置觀測點數(shù)量2處，位于墩身兩側高于地面0.5m位置。水中墩等特殊地段同上可設置在墩頂固定支座端防撞墻頂。

圖1 路堤段沉降觀測斷面布置

圖2 涵洞沉降觀測標志布置

1.1.3 隧道沉降監(jiān)測斷面設置。①隧道工程沉降監(jiān)測是指隧道基礎的沉降觀測，即隧道的仰拱部分。其他如洞頂?shù)乇沓两?、拱頂下沉、斷面收斂沉降變形等不列入沉降觀測的內容。②隧道的進出口進行地基處理的地段，從洞口起每25m布設一斷面。③隧道內一般地段沉降觀測斷面的布設根據(jù)地質圍巖級別確定，一般情況下Ⅲ級圍巖每400m、Ⅳ級圍巖每300m、Ⅴ級圍巖每200m布設一個觀測斷面。當長度不足時，每段圍巖或不同襯砌段應至少布置一個斷面。④明暗交界處、圍巖級別、襯砌類型變化段及沉降變形縫位置應至少布設兩個斷面(前后各0.5m處)。⑤地應力較大、斷層或隧底溶蝕破碎帶等不良和復雜地質區(qū)段，特殊基礎類型的隧道段落、隧底由于承載力不足進行過換填、注漿或其他措施處理的復合地基段落加密布設(段長>20m時，每20m設置一個觀測斷面；段長小于或等于20m時，至少設置2個觀測斷面)。⑥隧道洞口至分界里程范圍內應至少布設一個觀測斷面。⑦路隧分界點處，路、隧兩側分別設置至少一個觀測斷面。

圖3 隧道觀測標埋設示意

1.1.4 隧道檢查井及中心管偏位監(jiān)測。對隧道排水管、檢查井偏移地段的道床板進行垂直位移監(jiān)測，監(jiān)測范圍為偏位排水管或檢查井中心處前后各30m區(qū)段；觀測標布設于偏移方向軌道左右軌兩側道床板上不妨礙行車的位置。為避開道床板中的鋼筋，觀測標埋設位置距離軌枕邊沿線應≥10.5cm且≤15.5cm，兩個觀測標構成一個斷面，在監(jiān)測范圍內間隔約5m布設一個斷面。

1.1.5 水源井影響區(qū)域沉降監(jiān)測。布設的沉降觀測斷面密度為：以水源井投影至線路的里程為中心里程，向兩側每隔5m、15m、50m間距分別布設3個斷面，中心里程布設1個斷面，共計布設斷面19處，每處斷面設置兩個觀測標。

1.1.6 其他?；A變形監(jiān)測的監(jiān)測點布置應結合工程建設期布設的觀測點統(tǒng)籌考慮。差異沉降較大的特殊地段，應布設特征監(jiān)測斷面。

1.2 監(jiān)測樁點號更新

全段監(jiān)測點全部由施工單位埋設，由于施工單位各標段的沉降變形樁的命名不統(tǒng)一，為了便于項目及數(shù)據(jù)的管理，將原有點號全部統(tǒng)一更新。更新規(guī)則為：①路基段：觀測樁所在位置的概略運營里程加左、中、右，如：442033左、442033中、442033右，代表K422+033處路基左中右3個監(jiān)測點。②橋梁段：觀測樁所在位置的概略運營里程加TA、TC，或DA、DC，如：442033TA、442033TC或442033DA、442033DC，代表K442+033處橋臺或橋墩左右兩個監(jiān)測點。③涵洞：觀測樁所在位置的概略運營里程加HA、HB、HC，如：442033HA、442033HB、442033HC。代表K442+033處涵洞左中右3個監(jiān)測點。④隧道檢查井及中心管偏位：觀測樁所在位置的概略運營里程加G1……G40，如：442030G1……442125G40，代表K442+030～K442+125段每5m一對監(jiān)測點，共計40個監(jiān)測點。⑤水源井影響區(qū)域：利用原有CPIII點作為沉降監(jiān)測點，點號延用原有CPIII點號。

1.3 監(jiān)測點布設要求

1.3.1 路基工程沉降變形觀測要求。路基工程沉降普查性變形監(jiān)測點全部為施工單位施工期間埋設，根據(jù)沉降體的屬性對稱布設在兩線間及線路兩側。

外業(yè)測量時采用附合水準測量網(wǎng)形式進行，如圖4所示。

圖4 沉降觀測水準路線示意

1.3.2 橋梁工程沉降變形觀測要求。橋梁監(jiān)測點觀測每段不小于2個水準基點，采用附合水準線路的測量形式執(zhí)行。

橋墩水準路線觀測按二等水準測量精度要求形成附合水準路線，如圖5所示。

圖5 橋墩沉降觀測水準路線示意

1.3.3 涵洞工程沉降變形觀測要求。涵洞監(jiān)測點觀測每段不≥個水準基點，采用附合水準線路的測量形式執(zhí)行。

涵洞水準路線觀測按二等水準測量精度要求形成附合水準路線，水準路線觀測示意圖，如圖6所示。

圖6 涵洞沉降觀測水準路線示意

2 基礎變形監(jiān)測測量等級及精度要求

2.1 基礎變形監(jiān)測測量等級

①變形監(jiān)測基準網(wǎng)采用和線路水準基點網(wǎng)相同的高程基準，技術要求按國家二等水準測量要求執(zhí)行。②全段普查性監(jiān)測時，監(jiān)測網(wǎng)基準點復測與線路水準基點控制網(wǎng)復測合并進行；重點段落監(jiān)測時，每次都應進行基準網(wǎng)復測。③每次監(jiān)測時，監(jiān)測網(wǎng)基準點使用時應作穩(wěn)定性檢驗，并以穩(wěn)定或相對穩(wěn)定的點作為沉降變形的參考點，并應有一定數(shù)量穩(wěn)固可靠的點用作校核。④投入項目的所有儀器和設備均應出具合法檢定機構出具的檢定合格證書，且應在檢定有效期內使用。⑤基準網(wǎng)主要技術要求按表1執(zhí)行。⑥沉降變形監(jiān)測外業(yè)觀測要求按國家二等水準測量(變形測量三等)要求執(zhí)行。變形監(jiān)測精度要求見表2。

表1 變形監(jiān)測網(wǎng)技術要求(mm)

表2 變形測量等級及精度要求

2.2 基礎變形監(jiān)測精度要求

沉降變形水準測量執(zhí)行國家二等水準測量要求，采用單路線往返觀測。對線下工程沉降變形點的測量，應形成附合或閉合水準路線，水準路線經過的工作基點或基準點≥2個。

使用DS05級及以上的自動安平電子水準儀，儀器及配套水準標尺均應在有效的合格檢定期內。水準儀與水準尺在使用前及使用過程中，經常規(guī)檢校合格，水準儀視準軸與水準管軸的夾角均不超過15″。儀器各種設置正確，其中有限差要求的項目按規(guī)范要求在儀器中進行設置，并在數(shù)據(jù)采集時自動控制，不滿足要求時應根據(jù)儀器的提示進行重測。

外業(yè)測量一條路線的往返測使用同一類型儀器和轉點尺墊，沿同一路線進行。觀測成果的重測和取舍按《國家一二等水準測量規(guī)范》(GB/T12897-2006)二等水準有關要求執(zhí)行。觀測時，視線長度≤50m，前后視距差≤1.5m，前后視距累積差≤6.0m，視線高度≥0.55m且≤2.80m。測站限差：兩次讀數(shù)差≤0.4mm，兩次所測高差之差≤0.6mm，檢測間歇點高差之差≤1.0mm。觀測讀數(shù)和記錄的數(shù)字取位：使用數(shù)字水準儀讀記至0.01mm。

觀測時，一般按后-前-前-后的順序進行，對于有變換奇偶站功能的電子水準儀，按以下順序進行：

往返測：奇數(shù)站為后—前—前—后

偶數(shù)站為前—后—后—前

每一測段均為偶數(shù)測站結束。

數(shù)字水準儀正式觀測前應進行≥20次單次測量，達到儀器預熱的目的，使儀器與外界氣溫趨于一致。每天觀測前應對儀器i角檢測并做好記錄。測量中避免望遠鏡直接對著太陽；避免視線被遮擋，遮擋不超過標尺在望遠鏡中截長的20%。

自動安平水準儀的圓水準器，嚴格置平。在連續(xù)各測站上安置水準儀時，使其中兩腳螺旋與水準路線方向平行，第三腳螺旋輪換置于路線方向的左側與右側。除路線拐彎處外，每一測站上儀器與前后視標尺的3個位置，一般為接近一條直線。

觀測過程中為保證水準尺的穩(wěn)定性，選用5kg以上的鑄鐵尺墊；水準觀測路線必須路面硬實，觀測過程中尺墊踩實以避免尺墊下沉。同時觀測過程中避免儀器安置在容易震動的地方，如果臨時有震動，確認震動源造成的震動消失后，再激發(fā)測量鍵。水準尺均借助尺撐整平扶直，確保水準尺垂直。

數(shù)據(jù)處理時，閉合差、中誤差等均滿足要求后進行平差計算，主水準路線要進行嚴密平差，選用經鑒定合格的軟件進行處理。

3 基礎變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與問題整治

3.1 基礎變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1.1 變形數(shù)據(jù)處理。測點沉降數(shù)據(jù)優(yōu)先選用沉降曲線擬合的方法，其間可根據(jù)多種觀測方法獲得的區(qū)段沉降變形曲線進行相互驗證，確認實際沉降變形監(jiān)測結果。

3.1.2 沉降數(shù)據(jù)分級警示。根據(jù)線下工程結構變形引起軌道結構豎向變形的一般規(guī)律及分析方法，基于實測的線下工程結構沉降變形數(shù)據(jù)，分析軌道結構的變形，由此判斷軌道豎向不平順性，建立沉降分級預警機制。

3.1.3 沉降預警和應急機制。根據(jù)運營期間結構物變形點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析結構物施工期和運營期所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照分級警示原則，建立高速鐵路結構變形監(jiān)測和預警機制，及時上報結構物變形情況，結構物沉降預警與應急機制工作流程如下：①根據(jù)測量結果，對結構變形觀測過程中出現(xiàn)的可能影響行車安全的問題按照分級警示的原則及時上報；②工務段根據(jù)存在的問題組織相關專業(yè)進行分析，同時上報集團公司和呼張客專公司；③病害較小維修工作可以處理時，工務段根據(jù)現(xiàn)場情況納入維修工作；維修工作不能處理的病害，由呼張客專公司、集團公司共同組織相關單位、部門研究解決。

3.2 問題整治

通過對該鐵路線多次觀測，獲得了大量有效的實測數(shù)據(jù)。由于變形觀測點比較多，只選取其中變形最大的觀測點進行分析。

以2018年觀測K447+480處路橋過渡段為例，該過渡段共設置沉降觀測樁斷面4個，運營里程約為K447+450、K447+460、K447+470、K447+480。每個斷面設置沉降觀測樁3個。每個斷面的3個沉降觀測樁分別設置在左線左側砟腳路基面、兩線間路基面及右線右側砟腳路基面，具體點位，如圖7所示。

圖7 沉降樁示意

對沉降樁的觀測與分析447460A、447470A及447470B3個沉降觀測樁有明顯下沉跡象。其中：①447460A：2018年3月26日～5月25日下沉量為6.2mm，5月25日～6月19日下沉量為2mm，6月19日～7月18日下沉量為23.1mm，7月18日～7月22日下沉量為18.4mm，3月26日～7月22日累計下沉量為49.7mm。②447470A：3月26日～5月25日下沉量為11.1mm，5月25日～6月19日下沉量為6mm，6月19日～7月18日下沉量為51.9mm，7月18日～7月22日下沉量為50.7mm，3月26日～7月22日累計下沉量為119.7mm。③447470B：此觀測樁3月26日～7月18日累計下沉量為7.2mm，7月18日～7月22日下沉量為9.7mm，3月26日～7月22日累計下沉量為16.9mm。其他沉降觀測樁有沉降量，但沉降量相對較小。

造成該地段基礎下沉的主要原因是短時間內集中降雨沖蝕路基形成了空洞。基于以上數(shù)據(jù)報警，并結合現(xiàn)場勘察，鐵路局立即組織相關單位對病害處所進行了注漿加固處理，及時消除了安全隱患，保證了行車安全。

4 結束語

做好運營鐵路沉降變形觀測工作：①需要相關單位高度認識和高度重視，建立健全相關的管理制度和組織機構；②配備充足的測量儀器、測量專業(yè)人員，并加強測量人員的管理和培訓；③加強沉降變形觀測工作的現(xiàn)場實施與監(jiān)管，保證沉降變形觀測實施按照相關技術規(guī)范和設計要求進行，保證沉降變形觀測的精度和測量數(shù)據(jù)的真實、正確、可靠；④做好沉降變形觀測的數(shù)據(jù)分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)觀測過程中存在的問題并解決問題。新建京包客運專線烏蘭察布至呼和浩特東段通過建立長期基礎沉降監(jiān)測網(wǎng)，對病害地段提前采取有效整治措施，為鐵路安全平穩(wěn)暢通打下堅實基礎。