基于沪杭高铁运营维护监测的技术设计研究

徐幸福

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200333)

1 概述

随着国家高速铁路“五纵、七横、八连线”的近、中期规划实施，我国的高速铁路(简称“高铁”)建设从零开始，至2012年9月20日，高铁在建项目达10 000 km，开通运营里程6 895 km。我国高铁技术虽然引自国外，但经创新发展，现已引领世界。如何掌握高铁线路运行状态和持久保持轨道结构的高稳定、平顺性，以确保高铁列车安全、高速、平稳运行，客观、全面的运营维护监测是基础和依据，科学、合理的维修养护是关键。

1.1 项目概况

沪杭高铁自上海虹桥交通枢纽站引出，由松江区进入浙江省，经嘉善、嘉兴、桐乡、海宁进杭州。该高铁设计正线165 km，采用无砟轨道设计，设计速度350 km/h，其中桥梁工程占87%。项目自2009年2月开工建设，历时一年半于2010年10月26日通车营运。该线运营维护监测工作始于2010年12月，为国内率先全线应用监测技术的高铁无砟轨道线路。

1.2 沿线工程地质与区域环境

沪杭高铁沿线地质构造属华东冲海积平原，基岩隐覆，由巨厚的第四系覆盖，水系发达，地下古河道、暗浜纵横交错，软土层多，分布复杂；区域经济发达，过度开采水资源和城市地下空间、工程基坑开挖等导致地下水严重下降，区域地面沉降严重[9，10]。

1.3 工程构筑物变形

文中所述高铁工程变形，主要指轨道工程及相关建构筑物的变形移位(如连续梁结构梁体的竖、横向形变和梁体纵向伸缩及该伸缩引起的粱缝两侧钢轨支承点竖向相对位移等)、构筑物工后沉降(如桥墩台、基床等)、区域地面沉降和工程地面沉降等。工后沉降是指轨道铺设完成后，建构筑物可能继续发生的沉降，如图1。

图1 工后沉降示意

1.4 变形监测

变形监测主要采用测量方法、仪表感应传输法观测，是依据建(构)筑物的变形类型、特征，采用断面法布点观测，以测定其变形量(垂直位移量和水平位移量)，综合分析、研究变形规律和预测变形发展趋势。本文结合项目执行，着重探讨工后沉降监测技术。为便于描述，文中所述的线上、线下监测是以基床(桥面、隧面)为据划分。

2 监测工作内容与监测项

2.1 工作内容

运营维护监测工作内容主要为：全线复测建设期的各级平面与高程控制网，建立运营期的线下工程变形监测控制网，建立运营期的线上工程变形监测控制网(轨道维护基标网)，轨道运营维护监测。

2.2 监测对象

运营维护监测工作是依据规范、设计和运营管理要求[1-8]，结合高铁运行状态、周边近距区域的环境变化，开展定期、不定期监测。线上监测主要有：基床(或桥、隧面)、混泥土底座、轨道板、轨道及站设备等；线下主要有：基体及边坡、桥墩台、梁体形变移位和环境监测(高铁沿线交叉、穿越地段及病害整治跟踪控制监测)等。

3 技术准备

3.1 资料收集

(1)工程资料

收集项目勘察设计、竣工验收文件(含静、动态验收检测数据分析及评估结果)，项目建设期的各级控制网测量成果和咨询、评估意见，尤其是各单项工程施工过程中的监测资料、趋势分析和评估成果等。

(2)相关资料

收集项目沿线国家或地方各级监测部门的区域沉降监测资料，调查沿线水井分布及地下水开采情况，收集新近水文地质资料和水文地质条件的变化趋势评估资料等。

3.2 踏勘调查

在分析研究基础上，划分重点监测项、监测区段，制定监测预案并实地踏勘落实。技术设计中要着重研究开展单项、单位工程及轨道维护监测控制网的技术条件；要结合施工、维修养护记录，以及设计、验收文件，重点对不良或特殊岩土条件地段、过渡段不均匀沉降段落、站段咽喉区等进行调查和技术论证。

3.3 设备及软件

本项目采用几何测量法监测，全站仪选用具有自动目标搜索、观测、记录功能，标称精度不低于(±1″， ±(1+2×-6D) mm)；几何水准测量监测的水准仪不低于DS1级；测量仪器和测量杆件、器具及温度、气压计等必须按规定检测，以确保满足规范精度要求。数据采集与处理选用专用软件，须按规定审定并获通过。如本项目采用DMS数据采集软件；监控网解算及平差计算分别采用Topcon Pinnacle 、TGO、GeoTrans和COSA GPS、COSA_CODAPS等软件。

3.4建设期控制网复测评估

(1)平面复测评估

采用GPS测量技术，同精度复测并评估建设期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制网，主要技术要求见表1；采用全站仪自由设站边角交会法同精度复测并评估建设期平面CPⅢ网，主要技术要求与精度指标见表5。

(2)高程复测评估

同精度复测并评估建设期各级高程控制网，主要技术指标要求见表2。

表1 建设期CP0、CPⅠ、CPⅡ控制网复测的主要技术要求

表2 高程控制网复测主要技术要求

3.5 监测方案评审

以高铁建设期的施工监测和咨询、评估验收资料为基础，结合静、动态检测数据分析及评估结果，对高铁运营(试)线沉降及设备状态进行检测分析，在系统评估、研究的基础上设计监测方案并送相关部门审，在方案获评审通过后开展监测技术设计。

4 技术设计

4.1 设计原则

(1)系统客观性

监测控制网以经复测满足要求的建设期控制网为基础建设，结合建设期监测成果、趋势分析和评估意见，在整体、系统的基础上突出重点、要点，力求监测数据能系统、客观、全面反映变形规律。

(2)准确可靠性

高铁运营维护监测技术设计，要突显技术先进、方案科学，做到监测频次设计科学、合理和技术成熟，方法简单，要利用系统功效性减少测设误差，提高监测精度，以确保数据准确和成果可靠。

(3)相关因素性

在监测基准网、工作网及监测点的技术设计中，强调系统基础上的独立与相关性。工后沉降应充分考虑结构应变和区域(或工程)地面沉降和沉降“差异”的影响，重点关注路基、过渡段(堑堤、路桥、路隧、站咽喉区等) 的“差异”工后沉降监测，对监测环境因素(如温度、季节)开展研究，以求监测成果客观、真实。

(4)重点关键性

监测项重点为轨道工程、路基工程、过渡段、不良岩土条件地段建构筑物工程，监测工作重点为监控网点的沉降变化，过渡段的“差异”沉降分析和特殊设计的结构变形、变位(如项目转体桥的梁竖向残余徐变变形，桥面处梁端水平折角等)监测分析。监测工作的关键是监测成果分析，变形趋势判析与预报、预警等。

(5)经济合理性

经济合理性取决于监测技术、方法的先进合理性和对监测工作的把控能力，原则是在确保技术先进，安全、可靠的前提下，采用简单直观，成熟有效的技术和方法，做到科学、合理监测。

4.2 标准依据

项目监测内容、技术设计，严格按《高速铁路工程测量规范》、《高速铁路设计规范》、《建筑变形测量规范》、《高速铁路运营沉降监测管理办法》、《上海铁路局沪杭高铁无砟轨道线路维修管理办法(暂行)》等规范和标准要求执行[1-8]。

4.3 技术设计

监测控制网技术设计遵循“从整体到局部”的逐级控制原则，由监测点精度要求确立各监测控制网精度。变形监测分水平位移和垂直位移监测，监测控制网分基准点网、工作基点网，变形测量点分为基准点、工作基点和变形观测点。

(1)监测等级与精度指标设计

监测测量的等级选择因监测项精度指标设计而定，精度指标设计是以监测项的变形测量中误差小于允许变形值1/10～1/20为原则，本项目变形监测等级与精度设置见表3。

表3 变形观测等级与精度指标要求

(2)监测控制网技术指标设计

监测控制网的技术指标因监测项需求和监测精度要求而异，主要技术指标见表4。

表4 垂直位移监测各级控制网点的主要技术要求

轨道及轨道构筑物的监测基准点网为CPⅠ、CPⅡ及CPⅢ加密和线路上的二等水准及加密点，工作网为维护基标网，维护基标网主要技术指标见表5。

表5 CPⅢ网、维护基标网约束平差后的主要技术要求

(3)监测频率设计

监测频次是以监测项客观、系统地反映变形过程和合理的监测量为前提，依据监测项、目的，以及变形量大小、速率等因素确定。如本项目的路基、轨道工程观测频率为1次/3月，七段重点路基为1次/1月等。

(4)变形预警值设计

构筑物形变预警值设计原则是依据规范、设计和运营维护要求确定。本项目预警值设计为：当监测变形值大于1/2且小于2/3允许变形值时，列为关注；当大于2/3允许变形值时，列为重点关注，重点关注项要及时上报委托方并启动应急预案。

4.4 变形监测

监测是依据测量及相关规范和高铁建(构)筑物的设计技术要求、变形类型及特征要求确定监测项，在构筑物上设置特定观测点并按技术设计规定要求观测。

(1)路基与轨道工程构筑物监测

轨道构筑物监测的断面、观测点布设，是沿上、下行同断面的维护基标点(重点地段在CPⅢ点加密)布设6个观测点(含工作基点)，以基标点为工作基点，观测基床(桥面、隧道底面板)、混泥土底座和轨道板等构筑物的垂直位移(沉降、墩台监测周期间温差竖向徐变等的综合)；监测断面间隔一般不大于50 m，本项目以CPⅢ、维护基标点为工作基点，故断面间距为30 m。

(2)过渡段与轨道工程构筑物监测

依据设计要求[1-2]：路涵、路桥、路隧等过渡段交界处的差异沉降应不大于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。

过渡段主要有路涵、路堑、路桥、路隧等，其监测观测点布设原则与路基工程相同，但监测断面按需加密，主要在结构衔接处附近按5～10 m间隔布设加密断面(如桥台背2.0 m、涵中)，按技术要求观测。对重点监测对象、地质复杂及病害区段，按需开展水平位移监测。

(3)轨道静态几何状态检测

轨道静态几何状态检测的观测点为维护基标点和轨道。检测方法有轨检小车法和量测法。小车法是采用轨检小车系统，以采集轨道的轨距、超高、轨向、高低、水平、扭曲等几何数据和轨道坐标数据，检测项多，信息量大；量测法是测量线路三维坐标和量测偏距，应用设计线位资料，通过解析计算来检测轨道形态情况。

(4)桥墩台变形监测

桥墩(台)体变形监测主要是工后沉降观测，每墩布2个观测点，原则是建设期施工沉降监测的延续。但桥承梁面变形监测较为复杂，其垂直位移是结构徐变位移与墩台沉降的综合。沿线二等水准为基准控制网点，工作网结合现场桥的结构特点和观测点分布情况按规定布设，垂直变形按监测三等要求实施。桥梁的工后沉降限差要求见表6。

表6 构筑物工后沉降限差要求

(5)构筑物徐变监测

依据桥梁设计要求：构筑物徐变监测，无砟桥面当L≤50 m时，梁体竖向变形不大于10 mm；当L>50 m时，梁体竖向变形应不大于L/5 000且不大于20 mm。为此，通常简支梁徐变监测断面点布设于支点及跨中，观测点布设于左右防撞墙内侧；连续梁断面依据桥跨大小，分别布设于支点、1/4边跨、中跨中、1/4边跨处，观测点布设于左右防撞墙内侧；当桥跨数多于3跨时，其中跨布点原则不变。对特殊结构设计工程，按设计要求布设观测点、断面，如本项目跨沪杭高速公路的转体梁桥，其布点及监测见图2。监测方法有水准测量法、仪表自动监测法(如光纤光栅静力仪系统)，本项目采用二等水准进行监测观测。

图2 转体梁徐变监测观测标布设与断面监测

(6)区域沉降监测

依据项目收集的监测资料[9，10]：2010年嘉兴沉降中心的年沉降速率达7.3 mm，上海郊区县6.8 mm。沪杭高铁的工程基桩一般位于-40～-60 m，建筑物本体的工后沉降，应考虑区域性的地面沉降影响问题。又因项目受杭嘉湖平原的多个沉降“漏斗”(主漏斗水位-58.98 m、次漏斗水位-48.8 m)影响，为此应评估区域地面沉降，“差异”区域地面沉降对监测控制网、沉降监测及高铁工程的影响。

区域沉降监测通常综合运用水准测量、InSAR和分层标、地下水监测等手段监测。本项目当前应用区域监测站资料进行项目评估分析，存在缺乏针对性问题。

5 数据分析

5.1 数据处理

监测项的每期变形观测结束，应及时依据误差理论和统计检验原理对各监测数据进行归类、综合分析，以及时了解、预测构筑物的形变。

(1)数据改正与修正

数据改正主要有控制点复测后的更新改正和观测值的仪器检测指标改正、气象改正等；数据修正主要有控制点稳定性监测的区域(或工程)地面沉降修正和监测期间温差构筑物徐变的高差修正等。本项目二等水准的上桥精密光电测距三角高程测量中的高差值修正Δh1=α×Δh×Δt，钢筋混凝土膨胀系数α取1.2×10-5，Δh为桥上与桥下的高、低联测点的测量高差值，Δt为监测观测的期间温差(本次监测观测时温度与第一次观测时温度之差)。

(2)软件选用与应用技巧

采用经评审的可靠计算软件，数据处理人员要专职培训，并具有熟练的软件应用能力和技巧。

5.2 变形分析与预测

(1)原则

变形分析与预测评估遵循从局部到整体和水平位移和垂直位移相结合的原则。要求分析人员具有丰富的工程实践经验和分析能力，本项目采用变形几何分析法进行基准点稳定性检验、分析，以评估基准点是否稳定和起算依据可靠性，进而展开监测点、监测断面的变形相关性分析和变形趋势分析。

(2)分析与预测

监测分析是依据监测分类，以纵、横监测断面为分析单元，在充分考虑构筑物分布和结构特点、变形特性的基础上，建立变形量与变形因子关系的数学模型，对引起变形的原因进行分析和解释，分析监测项的变形规律，对监测对象的形变发展趋势进行预测，以指导运营维护工作。

6 结束语

高速铁路运营维护监测是一项系统性、独立性、相关性很强，集工程技术，统计分析，工程经验及评估、研判于一体，是一项系统工程。而监测工作的技术设计又是关乎监测技术科学应用和对监测项监测方案、方法的合理选用，是观测质量、监测效果和工作效率的关键控制因素。为此，高铁运营维护监测要求其技术设计做到方案科学、合理，技术先进、可靠，采集数据准确、客观、全面，综合趋势分析科学和趋势预测可靠。两年来，沪杭高铁运营维护监测工作执行顺利，及时为项目科学维修养护提供技术支持，也为病害整治决策和客观评估高铁运行状态提供了科学依据。

参考文献

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