武广铁路客运专线路基沉降监测技术及元器件埋设方法

贺胡国

(中铁一局集团建筑安装工程有限公司,西安 710054)

1 概述

无砟轨道的出现对我国传统铁路设计、施工、检测、养护维修提出了新的挑战,在许多方面深化和改变了传统的设计观念和思想。由于普通铁路路基工程是按强度破坏设计的,而无砟轨道路基的主要控制因素是变形问题。无砟轨道路基在达到强度破坏之前,可能已出现不允许的过量变形。因而无砟轨道路基在设计、施工、检测等方面必须比普通铁路有较大的改善和提高。对无砟轨道路基进行沉降监测的仪器和方法随着工业化的发展在不断地发生变化,总的趋势是快速、准确地满足施工的需要。

2 武广铁路客运专线路基沉降监测原则及元器件埋设方法

客运专线无砟轨道路基变形控制十分严格,在设计使用年限内工后沉降一般不应超过15 mm,路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 mm,过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1 000,以免引起列车与线路剧烈地相互作用及线路频繁的养护维修。根据路基填筑高度、压缩层厚度、路基填料类型以及填筑原地面的坡度来进行路基沉降监测类型的选择。无砟轨道路基施工中应进行沉降变形动态监测,在路基完成或施加预压荷载后应有6～18个月的观测和调整期,分析评估沉降稳定满足无砟轨道铺设要求后方可铺设无砟轨道。武广铁路客运专线在路堑基床(主要为土质路堑、全风化层)和路堤基底、填筑层、路基面布置监测点,构筑纵横向立体监测网络。下面对武广铁路客运专线采用的几种监测方法的结构形式和工作原理作一简单介绍,并根据监测实际情况提出几点建议。

2.1 路基面沉降桩

对于基底压缩层较簿且填筑不高的路堤及路堑地段,以路基面沉降监测为主,主要在路基面布设沉降监测桩进行路基沉降监测。

(1)元器件埋设(图1)

采用φ20 mm底端带弯头的钢筋,钢筋原长不小于40 cm,底部做成带弯钩状。一般路基填筑至基床表层顶面,加载预压路堤填筑到基床底层顶面后,挖坑埋置于设计位置,坑深30 cm,边长15 cm,采用砂浆浇筑固定。采用水准仪按国家一等精密水准测量方法测量沉降监测桩高程变化。

图1 沉降桩示意(单位：mm)

(2)数据采集

以加密后的工作基点为控制点,以沉降板、沉降桩为待测点,进行闭合或符合水准导线或网测量。采用标称精度为0.4 mm/km的电子水准仪及配套的铟钢条码尺进行测量,遇到转点时应用2.5 kg尺垫作为转点,且尺垫要用脚踩实,防止下沉。测量中前后视距不大于50 m,且前后视距差不大于1.0 m,在任意一点上前后视距差累计不大于3.0 m。每一闭合环或符合导线最终测站数应为偶数。采用奇数站后-前-前-后,偶数站前-后-后-前的方法进行测量。

2.2 沉降板

用于测试基底沉降。由钢底板、金属测杆(φ40 mm厚壁镀锌铁管)及保护套管(直径不小于φ75 mm、壁厚不小于4 mm的硬PVC管)组成,钢底板尺寸为50 cm×50 cm,厚1 cm；具体按设计图样焊接组装(图2)。采用水准仪按国家一等精密水准测量方法测量沉降板高程变化。

图2 沉降板示意(单位：cm)

(1)埋设要求

①沉降板埋设位置应按试验设计测量确定,沉降板埋在褥垫层顶部并嵌入其内10 cm,采用中粗砂回填密实,再套上保护套管,保护套管略低于沉降板测杆,上口加盖封住管口,并在其周围填筑相应填料稳定保护套管,完成沉降板的埋设工作。

②采用水准仪，按国家一等精密水准测量方法测量埋设就位的沉降板测杆杆顶高程作为初始读数,随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管,每次接长高度以1 m为宜,接长前后测量杆顶高程变化量确定接高量。金属测杆用内接头连接,保护套管用PVC管外接头连接。

沉降观测：沉降观测采用水准仪进行，利用底座位置的变化来测定土体的垂直位移，即当土体发生沉降或隆起时,埋设在土中的底座或沉降桩也跟随一道移动,测定观测杆、沉降桩的顶面高程,即可推算出待测点的沉降值。

(2)数据采集

数据采集方法见沉降桩。

2.3 单点沉降计

在路基压缩层较厚(≥20 m)处,为测试基底沉降、或路基填料为改良土时或基底为膨胀土时为测试隆起值,采用单点沉降计。单点沉降计是一种埋入式电感调频类智能型位移传感器,由电测位移传感器、测杆、锚头、锚板及金属软管和塑料波纹管等组成。采用钻孔引孔埋设,钻孔孔径φ108 mm,钻孔垂直,孔深应与沉降仪总长一致,孔口应平整。

(1)埋设要求

①当地基采用桩处理时,单点沉降计应埋置于桩间形心处。

②采用钻孔引孔埋设,钻孔孔径φ108 mm,钻孔垂直,孔深应与沉降仪总长一致,应达到硬质稳定层(最好为基岩),孔口应平整密实。

③安装前先在孔底灌浆,固定底端锚板。

④沉降计安装时,锚板朝下,法兰沉降板朝上,注意要用拉绳保护以防止元件自行掉落,采用合适方法将沉降计底端锚板压至设计深度。

⑤每个测试断面埋设完成后,将位移计导线用钢丝波纹管保护好后引出,且应挖槽集中从一侧引出路基,引入坡脚观测箱内,注意导线应适当松弛。

⑥元件埋入之前应采取措施保证孔径满足安装要求,一般埋设完成后3～5 d待缩孔完成后测试初读数。

(2)数据采集

采用测试仪,测试每次的绝对沉降量和相对沉降量,不同时期测量的数据之差,为该段时间该点的沉降。

2.4 静力水准仪

静力水准仪主要用于测试路桥过渡段的不均匀沉降。静力水准仪是一种电感调频类智能型位移传感器,由多个精密液位计组成。安装时将多个液位计设置在被测点,一个精密液位计设置在不动点,并用连通管连接。

(1)埋设安装(图3)

图3 静力水准仪现场安装

①布点：根据设计方案,确定好水平基点(相对不动点)、沉降观测点。在桥台上先用M10膨胀螺栓安装专用的安装支架,并用水平尺调平,使其安装平面处于水平作为水平基点,如图4所示。

图4 埋入式静力水准仪安装示意(单位：mm)

若沉降观测点已经填实,则需把沉降观测点挖深至所需的安装深度。一般要求观测点与基准点高程一致(即在同一水平面上),基准点也可略低于沉降观测点(一般为全量程的60%左右),即使基准点的液位传感器的读数处于全量程的80%左右,而被测点的液位传感器处于全量程的20%左右,以充分利用其量程范围。如图5所示。

图5 埋入式静力水准仪典型安装方式

在沉降观测点应用混凝土浇筑出可供安装的固定平台(用水平尺调水平),可预埋4个M10地脚螺栓或打入4个M10膨胀螺栓,以便固定安装仪器。

②根据各测试点的距离,准备好适当长度的液管、气管、PVC钢丝软管,长度应比安装距离略长(一般长10%),以保证在沉降过程中有一定自由延展,防止连通管被拉脱。将各点之间用密封接头连通,并保证密封。

③在灌液前先把灌液口堵头打开,往高端灌入防冻液使其有一定高低差以利于流动,另一端则排气(注意只允许从选定的高端灌注防冻液,以利于连通管内的空气排尽)。灌注好防冻液后,用缠好密封生料带的堵头把灌液口、排气口堵住完全封闭。在安装点用M10螺母将仪器固定,并用水平尺调平。同时应将放置连通液管、气管的沟槽布置好,并浇筑混凝土以保护连通管。

④在灌液的同时应用综合测试仪随时读液位传感器的数值,来判断液位高低的变化是否处于要求的合适位置,以确定灌液量。一般使基准点的读数在全量程的80%左右,被测点的读数在20%左右,以充分利用其量程范围,若不够,则灌加至要求的液位为止。

⑤安装完毕后,应检查液管、气管各连接接头以及灌液口等所有密封情况是否完好,必须保证其完全密封,然后对安装部位及布管沟槽进行回填压实。记录好各埋入式静力水准仪的埋设位置、编号、日期、天气、埋设人员等相关资料。

⑥将导线用PVC钢丝软管保护好,并引到指定的位置。

(2)数据采集

因通过液管和气管连通,所以液缸中的液体始终处于同一水平面上。当被测点发生沉降时,浮筒随液位上升，则被测点的液位传感器读数将增加(差值为正),基准点的浮筒液位下降，液位传感器读数将减小(差值为负)。即：被测点的沉降量=被测点液位传感器读数差值-基准点液位传感器的读数差值。测试时采用测试仪读取不同时间的被测点的沉降量,差值为该点的沉降量。

2.5 剖面沉降管

可连续测读结构物下部的地表沉降量，不影响地表以上的施工,不破坏上部结构的完整。用于测试基底坡度较大、半填半挖或过渡段位置断面的不均匀沉降。

采用专用PVC塑料硬管,其抗弯刚度应适应被测土体的竖向位移要求,导管内十字导槽应顺直,管端接口密合。剖面沉降测量是将剖面沉降仪探头导轮卡至于预埋剖面沉降管的十字导槽内,从一端按一定间隔依次读数。起始端管口高程采用水平仪按国家一等精密水准测量方法进行测量,再通过数据处理计算求出不同位置处地基的沉降量，剖面沉降管埋设在基底碎石垫层中间的土工格栅上,复合地基平面应布置在观测断面附近加固孔之间中心处,埋设剖面沉降管的上下各垫10 cm左右的砂垫层,中部填砂尽可能抬高,使剖面沉降管埋设呈向上拱的圆顺弧线状,但上拱高度不超过计算沉降量的一半。如图6、图7所示。

图6 沉降管端头保护

图7 沉降管埋设

(1)埋设要点

①剖面沉降管埋设在基底碎石垫层顶部,在碎石褥垫层顶面开槽埋设,槽底采用5 cm左右中粗砂找平,剖面管顶面回填5 cm中粗砂并与褥垫层相平。

②剖面沉降管埋设时应按设计用螺钉进行组装,导管用外接头连接至大于埋设长度约2 m(两端各伸出1 m左右),两端用管盖封住,并预先在导管内穿一条镀锌钢丝绳作测试时来回牵引沉降仪用。

③剖面沉降管内十字导槽方向应与地面垂直,两头应砌筑观测井,以方便观测并对孔口进行长期保护,同时应做好井内及其周围的排水。

④待上部一层填料压实稳定后,连续监测数日,取稳定读数作为初始读数。

(2)数据采集

采用精密水准测量采集起始端管口高程,使剖面测试仪处于工作状态,将测头导轮插入沉降管导槽内,由一端开始自左而右沿导槽全长每隔0.5 m测读1次,记录测点位置和读数,测读完后,将测头旋转180°,插入同一对导槽,按以上方法再测1次,测点位置与第1次相同。不同时间测试值,同一位置之差为该剖面该点的沉降量,各点连接后为该剖面的沉降量。

3 路基沉降监测技术

3.1 建立高精度的沉降观测网

武广铁路客运专线沉降观测采用国家二等水准技术要求进行观测。垂直位移监测网可根据需要独立建网,按二等水准测量精度施测,高程采用施工高程控制网系统,不能利用水准基点的监测网,在施工阶段至少与一个施工高程控制点联测,使垂直位移监测网与施工高程控制网高程基准一致；全线二等水准贯通后,将垂直位移监测网与二等水准基点联测,将垂直位移监测网高程基准归化到二等水准基点上。观测时按国家一等水准测量的技术要求施测。

3.2 配备高精度的测量仪器及高素质的观测人员

客运专线沉降观测精度要求高,沉降观测应使用精密水准仪(DS05或DS1级),水准尺也应使用受环境及温差变化影响小的高精度铟瓦水准尺。电子读数仪应采用高质量的仪器,在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检测校正,必要时经计量单位予以鉴定。连续使用3～6个月重新对所用仪器、设备进行检校。在作业过程中,每次作业开始后第一周内应每日检校i角一次,连续使用时当i角较稳定,可延续检校时间,但不应大于15 d。

人员素质的要求,熟练掌握仪器的操作规程,熟悉测量理论，能针对不同工程特点采用不同的观测方法及观测程序,对实施过程中出现的问题能够分析原因并正确的运用误差理论进行平差计算,做到按时、快速、精确地完成每次观测任务。在观测过程中,操作人员要相互配合,工作协调一致,认真仔细,做到步步有校核,测量应进行往返观测。

3.3 最佳路径的选择

观测标设置较多或施工场地狭小时,须对现场进行合理规划,确定仪器安放的位置。结构物上所有沉降观测标与工作基点在观测时均要在闭合线路上,在保证各测站仪器所需最小视距的前提下,选择最短闭合线路作为最佳观测路径,同时注意最佳路径应尽量减少测站、转点,所设测站尽可能观测到最多的观测标,减少累计误差。并根据选定的水准点、安放仪器的位置以及观测路线绘制观测路线图。

3.4 选择合理有效的观测方法

客运专线沉降观测工作量较大,种类繁多,变形观测点设置比较密集,因此,观测方法的选择也直接影响到观测成果的可靠性。

(1)选择合理的观测时间

观测时间应选在标尺分划线成像清晰和稳定的条件下进行观测。不在日出后或日出前约半小时、太阳中天前后、风力大于四级、气温突变时以及标尺分划线的成像跳动而难以照准时进行观测,晴天观测时,使用测伞为仪器遮蔽阳光。

(2)坚持“五定”原则

沉降观测的自始至终要遵循“五定”原则,所谓“五定”,即通常所说的沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测线路上的沉降观测点,点位要稳定；所用仪器、设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本固定；观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性,使所测的结果具有统一的趋向性,保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致,使所观测的沉降量更真实。

(3)测站操作

每测段往测与返测的测站数应为偶数,否则应加入标尺零点差改正。由往测转向返测时,两标尺应互换位置,并应重新整置仪器。应使前后视距相等,在同一测站上观测时,不得两次调焦。转动仪器的倾斜螺旋和测微螺旋时,最后旋转方向均应为“旋进”方向。

3.5 选择合适的沉降评估预测模型

客运专线无砟轨道对路基的工后沉降要求很严格,要求工后沉降不大于15 mm,在进行无砟轨道施工前,必须进行沉降评估。沉降评估的一项重要内容就是沉降预测,本文研究范围内采用双曲线模型。

4 结论

(1)在各种沉降监测方法中,沉降板法适用条件最广,而且由于其成本低,在武广铁路客运专线上得到大量应用,沉降桩埋设在基床表层,其沉降量很小,可以与沉降板一起作为校核作用。静力水准仪用于路桥过渡段,由于其成本高,长期稳定性需进一步考虑,应与沉降桩一起作为校核用。剖面沉降管由于其精度限制,建议只用于沉降量较大(≥50 mm)地段。单点沉降计由于其成本较高,可以考虑用于重点监控地段。

(2)在高速铁路施工中要因时、因地制宜地选择合理的路基沉降监测方法,使之既能满足工程所需的精度,又要操作简便,经济合理。

(3)无砟轨道对路基工后沉降要求严格。因此需要对路堤施工的全过程实施沉降与稳定监测的动态控制,合理确定土部结构铺装时间,以获得高标准稳定路基及平顺线路。

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