京沪高速铁路沉降观测的影响因素

2010-03-21丘发全

铁道勘察 2010年4期

丘发全

(中铁二院(成都)监理咨询有限责任公司,四川成都 610031)

京沪高速铁路从开始沉降观测至今已有两年多了,大部分段落通过了沉降观测评估。有必要对沉降观测的影响因素作客观全面的评价分析,以便今后更好的开展沉降观测工作。从管理的角度就建设单位、设计院与科研院校、评估单位、监理单位、施工单位等五个方面进行粗浅分析,重点从监理单位和施工单位的角度进行论述。

1 建设单位对沉降观测工作的作用因素

组织理论及技术培训,制定沉降观测管理办法和管理制度,委托编写沉降观测与评估实施细则,组织沉降观测培训,召开测量专题会议,组织专项检查和交叉检查。要求监理单位上报沉降观测半月报,通过半月报了解和督促沉降观测工作。

1.1 沉降观测费用

由于历史原因,建设单位对沉降观测所需的费用及投入认识是不够的,建设单位应当组织设计院听取施工单位、监理单位和评估单位的意见,共同参与对沉降观测工作所需费用和投入的分析论证,按不同的地形类别(如平原地区、丘陵地区、山区),按不同地质条件及不同观测期限进行客观、公正的预算,使建设单位支付的沉降观测费用与客观实际支出基本相符。目前建设单位支付的沉降观测费用与实际费用相差若干倍,这才是最大的影响因素。

1.2 基准点的稳定

京沪高速铁路土建四标段1～22工区大量的沉降观测数据显示,沉降观测曲线产生波动的原因除观测精度有待进一步提高以外,基准点(包括 CPⅠ和CPⅡ,加密点)的高程普遍存在随季节、地下水位的变化上下浮动的现象,许多基准点的变化甚至明显大于墩台的高程变化。由此,本人建议：客远专线在冲积平原的深厚层软土地区,应当在1～2 km范围内设置一个钻孔灌注桩,既作为工程试桩又作为CPⅠ、CPⅡ基准点,便于检测其他基准点的上下浮动,便于开展沉降观测。其他丘陵地区和山区,有条件时在基岩上每隔1 km甚至更密埋设基准点,无条件时参照平原地区。

在冲积平原的深厚层软土地区,也可以对基准点的埋设深度,基准点的底盘大小及其他因素对基准点高程的稳定性影响进行专题研究,寻找埋设稳定基准点的方法。

作为建设单位,为了给土建施工单位沉降观测提供基本保障,在费用预算和基准点设置上应慎重考虑,作出科学决策,在资金和技术上提供基本保障。

2 设计院和科研院校对沉降观测工作的影响因素

在《京沪高速铁路线下工程沉降变形观测与评估实施细则》(简称“实施细则”)编写过程中,设计院和科研院校做了大量的工作,在吸收各方反馈意见的基础上编写出了高水平的“实施细则”,但也有一些问题值得探讨。

京沪高速铁路沉降观测工作是一项工作量非常浩大的工程。就土建四标而言,线路长286 km,施工单位共配备了71台电子水准仪,沉降观测人员245人；监理单位共配备5台电子水准仪,专职平行测量人员21人。通过京沪高速铁路的技术总结,有必要对下面问题进行探讨。

2.1 工作量的确定

是否每个墩都有必要设置沉降观测点,是否每个墩都必须观测两个点值得商榷。从理论上讲,每个承台都观测4个点是最理想的,但是从工程上讲工作量实在太大、花费太大。设计院在费用预算时又没有准确估算,导致前面提到的建设单位支出费用与实际费用相差几倍,这对施工单位是不公平的,也给建设单位和监理的管理带来很大的难度。

2.2 观测频率

沉降观测是否需要每周观测一次,各个不同地区、所有各个不同工程结构类型、各种荷载状态下、直到沉降观测评估通过前的整个观测期间是否都需要每周观测一次?有没有理论依据或试验验证依据?现在没有看到过类似的文章报道。所有这些问题都需要设计院和科研院校提供理论依据和试验依据,不能光凭拍脑袋决定。

2.3 观测精度

就目前沉降观测所具备的测量设备和手段,对沉降观测的部分精度等级或精度指标还可以进一步提高,尤其对闭合差(往返观测较差)的要求还可以进一步提高。大量的观测结果证明,在1 km范围内往返测较差可达到1 mm以内。

3 评估单位对沉降观测工作的影响因素

京沪高速铁路土建四标段的沉降观测工作和评估单位的影响作用是密不可分的,具体作用有如下三个方面。

3.1 技术培训与技术指导

京沪高速铁路四标段从事沉降观测工作的绝大多数技术人员和管理人员从未经历过如此高精度的沉降观测工作,尤其管理人员缺乏对沉降观测工作的充分了解。因此,评估单位在沉降观测技术培训的基础上到现场对具体作业人员和管理人员进一步进行技术培训和技术指导是非常必要的,在京沪高速铁路土建四标段的成效也是显著的。

3.2 检查督促

评估单位参与蚌埠指挥部、监理项目部、十二局四标项目部一起组织的对京沪高速铁路土建四标所有的工区(包括下面分工区)进行逐一的沉降观测成果检查,包括电子记录手簿、沉降曲线、各种图表、各种台账,并协助进行原因分析和技术指导,从而使标段项目部和工区项目部领导层对管辖范围内的沉降观测工作现状、存在的问题有了清醒的认识,对具体作业人员和管理人员起到明显的督促和指导作用。

3.3 对评估软件的不断完善

客观上讲,评估单位最初提供的沉降观测评估软件功能已比较强大和完善,评估单位深入生产第一线,多次参与对全标段所有工区的逐一检查和成果分析,根据实际情况和需要适时地对评估软件进行完善,不断地推陈出新,从而使该软件的功能更加强大,操作使用更加方便,很受作业层和基层管理层欢迎。

4 监理单位对沉降观测工作的影响因素

监理单位是沉降观测监督、督促、见证、管理的主体单位,是参与各方中的重要组成部分,对沉降观测工作的好坏起着重要作用。

4.1 健全组织机构

(1)成立领导小组

监理项目部成立以总监理工程师为组长(总监必须任组长,因为调入测量工程师,参加培训,购置仪器设备等必须要由总监拍板定夺),分管副总监为副组长,监理项目部测量主管工程师,各监理组长,各监理组测量专监为成员的沉降观测领导小组,负责组织实施沉降观测工作的监督管理以及平行观测工作的实施。

(2)职责分工

总监要亲任监理项目部沉降观测领导小组长,亲自领导、关心、过问沉降观测工作；监理项目部分管副总监亲自主抓监理内部和标段内沉降观测工作的监督管理工作；监理项目部测量主管工程师具体负责对内对外的沉降观测工作日常管理；各监理组组长负责各管段内沉降观测监督管理的领导工作；各监理组测量监理工程师具体负责管段内沉降观测的监督管理及平行观测工作。

4.2 加强队伍建设

(1)配齐各类有关人员

监理项目部沉降观测领导小组成员中分管副总监,应当由对测量工作比较熟悉的人员担任；监理项目部测量主管工程师应由精通测量技术,熟练掌握沉降观测技术,能熟悉使用计算机及现代网络通讯技术且责任心强的人员担任；各监理组测量专监应由熟练掌握测量技术、计算机及现代网络通讯技术,责任心强且能吃苦的人员担任。

(2)加强业务培训

沉降观测领导小组成员应积极参与建设单位组织的各种有关沉降观测及其他测量技术培训班学习,提高自身的技术和管理素质,更新测量技术知识。必要时监理部还应组织内部培训,统一认识,统一标准,统一行动,共同提高。

4.3 积极开展监督管理工作

沉降观测监督管理不是一项纯管理工作,更不是一项纯技术工作,涉及到施工管理、施工技术、资金投入、人员和设备投入、现场协调等繁杂的内容。

(1)监理规划

在编写《监理规划》时,一定要明确沉降观测监理的内容、方法。沉降观测工作是高速铁路或铁路客运专线必不可少的工作内容,在五大核心技术中起到举足轻重的作用,应将沉降观测的监理工作纳入到《监理规划》中。

(2)监理实施细则

《沉降观测工作监理实施细则》是沉降观测监理工作的作业指导书,应当根据建设单位的具体要求、设计图纸和相应的规范规定、现场的地形、地貌及地质条件、地理环境、现有技术条件、施工单位的测量水平及管理模式、监理的自身条件等,有针对性地制定《沉降观测监理实施细则》。通常应包含以下主要内容。

方案审查：

对施工单位的沉降观测实施方案,尤其特殊地段(如水域地段,区域地面沉降地段)的沉降观测方案进行审查。包括审查测量精度等级、测量方法、测量仪器的型号及其精度等级等,审查确保观测精度的措施,审查数据传输、保存、备份,以及实时数据处理、分析等,审查月报资料填报,资料打印、装订、签署等内容。

现场巡视和旁站：

现场监理工程师和监理员通过现场巡视和旁站,适时掌握沉降观测的现场作业是否规范,了解沉降观测的进度(每个观测小组正常天气每天能完成的工作量),了解实际观测精度和影响观测精度的因素,了解影响沉降观测进度的原因和责任,并做好监理日记。适时向监理组长和监理部汇报情况,必要时及时发出各种书面指令或口头指令。对于每一个观测点的首次观测尤其要注意观测方法和精度,对每一个点必须进行严格往返观测或两次观测取其平均值。

沉降观测及计算成果分析与签认：

每天晚上沉降观测外业结束后,要求施工单位及时传输、存储、计算分析及备份资料。测量监理工程师要经常(如果兼管施工放样,每周不少于一次)对电子计录手簿、计算成果、相关图表进行分析,发现问题及时发布口头或书面指令,要求整改到位。

附合路线往返观测：

测量监理工程师要注意掌握通过电子记录手簿了解是否按要求进行了附合路线往返观测,不允许单方向观测,一般情况下不允许单基准点闭合路线观测。

限制观测路线长度：

通过电子记录手簿了解观测路线长度。根据《京沪高速铁路线下工程沉降变形观测及评估实施细则》要求,观测路线长度一般控制在300 m以内。高填筑路基由于上下路基水准测量困难,属于例外。众所周知,观测路线越长,误差累积会越大,影响到观测点的实际观测精度。任何误差在沉降曲线上都会反映出上下波动的不规则曲线。因此,观测线路的长度必须受限制并尽量减短。

闭合差分析：

通过电子记录手簿或计算成果,分析往返观测闭合差、单基点闭合差、单程观测附合路线闭合差,闭合差超限的应当及时返工重测,以验证分析是由于观测精度不高所致还是基准点上下浮动过大所致。若是由于基准点上下浮动,则应对基准点分段进行复测,对基准点赋予新的高程并注解说明。

通过对计算成果信息分析,了解观测精度。在沉降观测大检查中,曾发现有的单位权中误差、全中误差超过2 mm,甚至超过5 mm,这些观测成果是有问题的,应当分析原因,必要时返工重测,直到找出原因为止。

5 施工单位对沉降观测工作的影响因素

施工单位作为沉降观测的主要责任单位,是沉降观测工作的主体,对沉降观测工作的影响起着最关键的影响作用。前面叙述的监理单位对沉降观测工作的影响因素时已涉及到许多施工单位的影响因素,归结起来主要有以下各种因素。

5.1 认识到位

可以毫不夸张的概括：没有项目经理们的高度认识和高度重视就没有京沪高速铁路的沉降观测工作,项目经理的高度认识与高度重视是高速铁路也是其他铁路客运专线沉降观测工作的最根本保障。

没有决策领导的高度认识和重视,就没有足够数量的仪器设备,就没有足够的观测人员,甚至连小到观测标志都没有；没有决策领导的高度认识和重视,就没有交通车辆,就没有专用的计算工具,甚至连沉降观测评估(数据处理)软件都没有；没有决策领导的高度认识和重视,就没有沉降观测队伍合理的待遇,也就没有稳定的观测队伍,从而也就没有可靠的观测成果；没有决策领导的高度认识和重视,就不可能在施工过程中协调施工组织,就不可能为沉降观测创造条件,反而会出现只顾抓工程进度,该回填的基坑不回填,该清运的弃土不清运,从而导致沉降观测工作无法进行；没有决策领导的高度认识和重视,甚至连基准点遭破坏,观测标志遭破坏需补埋基准点和补埋观测标志这样的小事都无法实施。

总之,要搞好沉降观测工作,项目经理、行政一把手起决定性的关键作用。

5.2 配足仪器设备人员数量

随着线下工程的不断进行,施工完成的墩台数量随之增加,沉降观测的工作量也随之增大,施工单位应根据具体的工作量和沉降观测工作效率适时增加仪器设备和人员数量。根据京沪高速铁路土建四标的经验,在平原地区或浅丘地区以普通桥梁结构为主时,按7 d观测一次的频率考虑,一般1台仪器(即一个沉降观测组)能承担4～5 km的沉降观测任务。各施工单位或工区可以按大约5 km配备一个沉降观测小组。

人员配备一般按1个观测小组3人配置(这3人是沉降观测人员,不包括司机和打伞人员)。每个测量队至少配备1名内业人员,专门负责数据传输、数据存储、数据处理、生成相关图表、数据分析,作出是否返工重测、是否复测基准点的决定。每个测量队还要考虑到观测人员休假、生病等因素。

人员设备是沉降观测的基本条件,但是必须在决策领导的重视和支持下才能具备这些基础条件,要解决仪器设备和人员配备问题,还是要首先解决行政一把手的认识与重视的问题。项目经理不愿花钱买仪器设备和增加人员,一切问题都无从谈起。

5.3 人员培训

施工单位从事沉降观测的成员绝大多数从未经历过二等水准测量或类似的沉降观测,所以必须对全体参加人员进行岗前培训,以便观测出的成果满足质量要求,达到预期目的。

在前期的沉降观测大检查中发现,个别分工区由于人员素质低,尽管配足人员设备,也进行了相应频率的观测,但观测质量差,达不到预期目的,甚至观测工作做得越多浪费越大。

岗前培训应从以下几方面入手。

(1)沉降观测的意义和作用

让每一个从事沉降观测的人员思想认识上明确沉降观测在高速铁路、铁路客运专线的顺利建成和建成通车后确保营运中所起的保障作用,在高速铁路和客运专线的五大核心技术中占有一席之地。只有让他们在思想认识上解决问题,才能积极主动地完成沉降观测任务。

(2)水准测量的基本几何原理及仪器结构原理

从几何的角度明确水准测量的形成思路与原理、仪器构造原理、各种误差的来源等。

(3)基准点的分布与选埋

工作基准点的埋设质量直接影响沉降观测的效率和质量。按照京沪高速铁路要求和经验,工作基准点应在线路附近50 m范围内,每隔200～300 m埋设一个较为合理。工作基准点,尤其是与平面的公用点不能紧靠施工便道,以防车辆和重型设备碾压便道引起工作基准点位移。在平原地区,水准点会随着季节和天气的变化,随着地下水位的变化而引起高程的上下浮动变化,变化幅度可达 ±3 mm左右,对沉降观测极为不利。不得已的弥补办法是埋点时尽可能加大埋设深度,最好要超过地下水位变化范围,混凝土底盘要尽可能大,中间柱石可减小尺寸,做成柱形。但需挖多深、底盘需做多大才能有效防止因地下水位的变化引起基准点高程的上下浮动,需要进行专题研究和试验。

根据京沪高速铁路的经验,工作基准点不能埋在靠近水塘、水库、大型沟渠等地下水位容易发生变化的地方,也不能埋在容易被农用车辆和农业机具碾压、挤压的地方。

(4)观测标志的埋设

观测标志埋设的质量也直接影响到沉降观测的效率和质量,尤其对观测质量影响很大。

平面位置的选择：

京沪高速铁路开始要求墩身观测标埋在承台和墩身的前后两斜对角,这增加了观测的难度和工作量；后改为桥墩的左右两侧,方便了观测。

埋设高度：

京沪高速铁路开始要求墩身观测标埋在离承台0.5 m高度。实际上有的基坑回填后墩身观测高程埋在了地面以下,后改为埋在回填土地面以上0.5 m。实际上观测标的高度不需要做统一的规定,各工区根据自身的情况和现场条件埋在便于观测的高度,具体讲应埋在便于扶尺,便于观察水准尺的圆气泡是否居中的高度位置即可。

观测标志类型的选择：

京沪高速铁路要求带丝口套筒的直杆标志,这种标志选择缺乏科学性。一是容易被盗、被破坏,二是一旦直杆埋成向下倾斜时存在一个标志观测多值的情况。只有埋成向上倾斜才能满足沉降观测需要,但实际上100%的向上倾斜是难以实现的。根据京沪高速铁路土建四标十八工区的经验,圆杆前端带个小圆球,既科学又经济实惠,且便于埋设,杜绝了多值性。

另外,根据经验,应取消套筒,等到混凝土到达一定强度后钻孔埋设,灵活性大,破坏后也容易补埋。

(5)沉降观测的一些细节问题

观测路线：

为了便于了解自身观测精度和及时发现相邻基准点的相对沉降,必须进行往返观测；观测线路一般地段宜控制在300 m以内,以便提高观测精度；尽量避免单基准点闭合路线,以便于及时发现错误和基准点的下沉。

首次观测：

首次观测是以后每次沉降观测曲线的坐标原点和参照,必须以尽可能高的精度进行观测,建议最好采用两次观测的平均值作为首次观测值,以便提高观测精度和避免错误。

观测细节：

根据水准测量的基本原理和仪器结构原理,前后水准尺必须尽量保持垂直；前后视距尽量相等；观测人员和立尺要做到配合默契,要等到水准尺立直才能启动观测键；要保持水准尺下端、尺垫顶面、观测标志与水准尺接触处洁净无杂物,以防影响观测质量；水准仪的三条腿应左右交替前进；经常对仪器和水准尺进行常规检验；立尺前检查观测标有无松动。必须注意以上各项细节,可能还会有其他细节,如避免周围有振动,避免大风时观测,避免太阳暴晒仪器等。

数据处理：

良好的习惯和工作责任心应当是每天观测完成回到驻地后,及时将当天的外业观测数据传输进电脑,通过评估软件进行数据处理。首先了解闭合差是否超限或接近限差,对那些超限或接近限差的,第二天应及时进行重测。第二了解是否有异常沉降,对异常沉降原因进行分析并注明,建立台账；必要时通过外业再次观测,证实是否存在异常沉降。第三了解工作基准点是否存在明显沉降,如存在明显沉降,必须及时对工作基准点进行复测,并予注明,建立台账。最后,及时生成相关图表,观察沉降观测曲线的变化趋势,以便调整观测频率和观测时间。

对各种原始观测数据和资料要妥善保存和备份,预防由于各种原因造成原始资料和数据丢失。

调整观测频率和观测时间：

为了正确反映沉降曲线与荷载变化的关系,在紧跟架梁前后必须增加观测频次；在路基填筑前后必须按要求频率和时间进行观测,尤其沉降板接管前、接管后必须观测,否则将导致前期观测成果失效,这在某个工区是有教训的。其他结构,在荷载变化前后需增加观测频次。

只要在培训期间阐明以上各个问题,沉降观测人员对沉降观测工作应该有了一个比较清楚和完整的认识。

5.4 前期准备

(1)仪器配备计划

按约每5 km配备一台电子水准仪。开始可以先购进一部分,随后根据工作量大小适时增加仪器。

(2)人员配备计划

按一个观测小组配备3个观测人员,一个测量队配备一个队长,一个专职内业数据处理人员做初步考虑,再结合实际工作需要做适当调整。需要说明的是,必须考虑各种原因造成人员缺减的替补,如生病、休假等。一个队至少要有一名熟悉沉降观测的人员作为骨干,至少要有一名精通测量技术的人员参加过沉降观测培训,最好全员参加培训。

(3)其他设备计划

必须要有可供外业使用的交通车辆,要有专用电脑、专用移动硬盘或U盘,要有可供使用的打印机、复印机等。

(4)CPⅠ、CPⅡ等精测网水准点复测

水准点复测时必须按不低于原测量等级进行复测,必须严格按往返观测进行复测。如发现较差大时,必须再次进行复测,以确认自身复测准确无误,然后向指挥部通报复测结果,由设计院复测确认。

(5)工作基准点加密

按要求埋设工作基准点,按要求的等级(如二等水准测量)进行工作基准点加密。

(6)观测标志埋设

按《京沪高速铁路线下工程沉降变形观测及评估实施细则》要求进行观测点埋设。观测标一定要便于立尺,便于长期保存,不求豪华,只求适用。

(7)配置沉降观测评估软件

每个工区、每个成建制的分工区必须配备一套沉降观测评估软件,以适时进行数据传输、数据处理及原因分析。