高速铁路路基常用沉降变形监测方法浅析

花 梅

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

无砟轨道路基沉降控制是工程的关键，然而，受地层条件复杂和地层参数获得手段的影响，理论计算沉降往往与路基填筑现场实测沉降存在一定差异。路基沉降情况是能否铺设轨道的依据，所以获得准确的沉降变形数据，更好地掌握路基变形规律，是沉降变形观测的难点也是重点。

本文介绍几种路基现场沉降测试常用方法并加以比较，结合高速铁路工程中路基沉降变形特点和要求，以及高速铁路路基施工工艺，从各种测试方法的结构组成、工作原理、埋设方法和技术要点、技术参数等方面进行综合分析。详细分析了基底沉降板、沉降传感器等方法现场实测数据处理和分析技术，旨在获得改善并提高路基地基沉降变形监测方法、精度和现场维护措施。

1 常用沉降变形观测方法

高速铁路路基工程中较为常用的观测方法主要有沉降板和沉降观测桩。

1.1 沉降板

(1)工作原理及组成结构

沉降板组成结构:基本结构是由钢板、连接管(接长)和套护管组成，钢板结构尺寸多为0.5 m×0.5 m×0.03 m;与底板固定的连接杆是垂直的，一般用Φ40 mm镀锌钢管，护管采用PVC塑料套管，护管结构尺寸以套住连接杆为宜(图1)。当路基不断填高时，连接杆和护管需要逐渐接长，一般情况每节连接杆或护管不宜超过50～100 cm。接管时，必须测出接管前后的高程，计算出接管长度，做好记录，便于测量前后对比分析。这样沉降板随所在土层发生位移变形，带动其连接管，表征为路基沉降，通过连接管管口前后两次高程测量，考虑连接管长度换算成沉降板处的沉降量。

图1 路基沉降板埋设

(2)测量技术及相关要求

采用高精度电子水准仪并配备专用的铟瓦水准尺对沉降板沉降变形观测，观测精度需按要求进行。为了精确获得高速铁路地基或路基内部的沉降信息，高速铁路现行标准和要求是采用国家一等精密水准测量路基沉降变形，首先，获得沉降板的初始读数，即以沉降板连接管管口高程作为初始读数，随着路基填筑施工逐渐接高连接管和护管，一般每次接长50～100 cm。

(3)安装埋设沉降板

根据要求确定观测位置，利用仪器对观测点放样，并进行标识，在地基面挖观测点埋设坑槽，尺寸为50 cm×50 cm×20 cm，坑底填筑10 cm厚砂垫层并压实，然后将沉降板安放其上，并回填原土，压实，整个过程采用仪器校正连接管垂直;填料过程中，需对沉降板进行保护，其周围填料采用人工处理和压实，连接管倾斜度不大于1°，最后设置保护架，并做好保护标志。

1.2 变形观测桩

观测桩结构:采用φ2 cm的圆形钢筋，顶端磨圆，底端做成T形弯钩。观测桩一般是在基床底层表面或基床表层表面填筑完成后，在其表面埋设这种观测桩，每个断面一般埋设3个点，埋置深度一般不小于0.5 m，通常采用挖孔浇筑直径为15 cm孔，采用C15混凝土浇筑固定(图2)。钢筋顶部一般为半球形或凸形，高出其表面一般3～5 mm，表面防锈采用涂漆等方法处理，静止3 d即可观测，通过3次观测，确定高程的初始值。

图2 基床表面观测桩埋设示意(单位:mm)

2 传感器监测方法

目前，传感器类监测方法较多，本文就几类传感器进行总结分析:单(多)点沉降计，剖面沉降仪，分层沉降仪。

2.1 单(多)点沉降计

(1)结构和原理

单点沉降计一般由主件位移计和辅件锚头、法兰盘、连接杆等部件组成。可进行长期监测和自动化测量，其工作原理是测量锚头与沉降盘之间地层或填料的压缩变形情况，其锚头严格要求设置在指定的位置上，法兰盘一般位于地基表面或路基体内，传输线从路基侧面引出。当地基向下变形时，法兰盘与地基协同变形，使位移计中导磁体在其磁感线圈内相对滑移，通过人工采集或自动采集测出位移变形量，从而达到沉降并行测试目的(图3)。

图3 单点沉降计示意

(2)安装方法步骤

单点沉降计安装主要由以下几个步骤组成:钻孔、探孔、安装沉降计、注浆、安装沉降盘、灌沙 、保护等。

钻孔尺寸以φ95 mm～120 mm为宜，仪器孔应垂直地面，地基总沉降测试时，需要钻孔深度超过地基压缩层厚度，设置在相对较稳定的基岩层，且应嵌入基岩至少0.5 m，若基岩埋藏过深，孔的深度应超过压缩层厚度。探孔的主要目的是确定孔的实际深度，以便确定测杆的长度。为了更好地保护沉降计主体，要求法兰沉降盘应安装在监测面以下10～20 cm。钻孔完成后，将锚头和连接杆连接后逐渐下入仪器孔内，并加长连接杆，直至将锚头下到预定位置，然后将沉降计与连接杆连接好，逐层回填中砂并使其密实，锚头部位一般采用注水泥砂浆使其稳定在该层位上。

仪器孔回填完后，静止2 d，安装法兰盘，安装法兰盘时，需拉伸传感器至满量程的90%左右，然后将法兰盘底填密实，并用测试仪对传感器进行测试，为了使单点沉降计初装位移值在2/3满量程左右，当传感器安装好，需等水泥砂浆稳定3 h，以防止仪器孔塌孔而影响测试环境。传感器输出线用钢丝波纹管进行保护，安装时钢丝波纹管首端应插入法兰沉降盘下，并在地基面挖槽从观测箱侧面引出至路基坡脚观测房。

(3)技术参数

使用温度范围-20～80℃，不同型号有不同量程，一般为50～400 mm，精度为0.05 mm，分辨率0.01、0.1 mm。

2.2 剖面沉降仪

(1)结构及工作原理

剖面沉降测量是通过预埋在路基底部的横剖管，采用剖面沉降仪按照一定的间距依次读数，通过量测剖面沉降管的变化反映路基的沉降量。起始端口的高程采用水准仪按二等水准精度进行量测，再通过数据处理计算不同位置处地基沉降量。观测时，首先把横剖仪置于基准点顶测量初值，然后将横剖仪探头匀速拉入横剖管内，用配套特制耐拉拽镀锌钢丝绳拉动测量各测点。

(2)剖面沉降仪埋设方法

地基处理及垫层施工完毕后，可进行基底的剖面沉降管埋设工作，在填筑土中开槽0.3 m宽，0.5 m深，槽底先填0.1～0.2 m厚的中粗砂，然后在槽内敷设横剖管，横剖管接头需采用无纺布包裹，防止进入砂砾和土粒等杂物，管内预先穿入钢丝绳(或后期采用钢丝进行引线穿绳)，槽内回填中粗砂并压实至表面;至少一侧管口处设置混凝土观测桩(基准桩)，在桩顶埋设凸形不锈钢测点，观测桩采用钢筋混凝土现浇而成。

2.3 分层沉降仪

(1)结构及工作原理

分层沉降监测仪主要包括探头和测尺两部分，所用传感器是根据电磁感应原理设计，通过钻孔将磁感应沉降环预先埋入地下指定位置，当传感器通过磁感应环时，发出声光警报。此时，读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值，并建立沉降管管口高程与其关系，即可推导沉降环位移情况。

(2)安装过程

钻头采用φ108 mm进行钻孔，孔深一般都需比安装深度深一些，方便沉降管顺利地放到底，然后清孔，当钻到预定位置后，需把泵接到清水里向下灌清水，使泥浆返出，直至泥浆水变成清水为止。安装工作准备就绪后，才能提钻。安装管子的联接采用外接头，接头需用无纺布包裹，一边下管子一边向管子内注入清水，便于下管;磁环的安装，需严格按设计要求在管子指定位置上套上磁环和定位环，然后用螺丝固定定位环，拧紧螺钉，这样边接边向下放到设计深度;最后，在外漏管口盖上盖子，逐层进行回填中粗砂。回填速度根据实际情况确定，不宜太快，以免堵塞后，导致回填不密实，从而形成空隙，可用清水沉淀法回填，必要时隔一定时间再回填，两三天后再去检查一下，补充回填料，并给管子周围加上保护措施。

3 各类监测方法特点及工程应用中对比分析

路基沉降监测方法很多，但以上介绍的方法，是常见的较适用的，下面根据各种方法的特点分析一下各自的在铁路路基沉降中的适用范围和条件。

3.1 路基沉降监测方法

单(多)点沉降计、液位沉降计法、剖面沉降管法、沉降观测桩法、沉降板法等方法是路基沉降测试较为适用、常用的方法。

沉降板是其中最常采用的方法之一。沉降板测量法技术成熟，观测精度容易控制，监控面广，便于灵活地设站观测。但它也受气象条件(如风、雨、雾、雪等)的影响，重复测量工作量大，难以实现自动化观测等，同时对施工干扰较大，且沉降杆易在施工过程中被施工机械碰撞或因碾压发生偏斜，影响测读的准确性。

沉降观测桩法是采用测桩作为观测对象，往往只能测试路堤或地基表面的沉降，同样易受到施工的干扰和破坏，施工过程中对测试结果有一定影响。

目前较多应用的剖面沉降管法测试点多，可以反应出整个测试断面的变形趋势，沉降管埋设在路基内部便于保护，不影响路面正常施工。主要缺点是由于采用累加的算法，测试精度有待提高，对于高精度监测工程一般不适用，测试过程受环境因素影响也较大，维修维护难度较大，每次测试需要校准基准点。

3.2 路基深部沉降变形

单点沉降计法、分层沉降仪法、多点沉降计法、沉降磁环管法是目前地基深层沉降监测常用方法。单点沉降计法测试精度高，可自动获取数据并能远程无线传输，实现了远程自动实时监测。但其安装相对复杂，对安装要求较高，同时埋设时由于需要钻孔一次性投入的总体费用较高，受经费限制往往不能大量设置。当需要针对不同深度、层位的土体进行多部位的沉降观测时，可以采用分层沉降仪、多点沉降计。受施工影响分层磁环沉降法精度不高，不适用小变形量测。

3.3 监测方法选取

测量误差不可避免，实际操作中应尽量减小来自仪器本身误差、观测过程中人为误差以及外界条件变化对仪器和设备等不利影响导致的测试结果的影响。一般采用以下3条标准确定沉降观测的精度指标:首先是根据总沉降量的大小或工程要求确定精度指标;其次是通过与被观测修筑物结构变形值与沉降观测中误差的范围的比例关系确定;再次是采用规范或标准中规定的固定值来确定。总的来说，总沉降量越小，需要的观测精度和仪器设备要求也越高，反之，要求为低。

(1)不同观测方法联合应用

对土层深层处的沉降变形观测，往往采用单点沉降计来测量，在施工过程中，可同时采用沉降板、沉降边桩、液位沉降计或者沉降磁环等与之联合测试，以达到相互验证、提高精度。

(2)对于水准测量，应明确沉降变形观测精度，建立沉降变形观测小组，严格杜绝不良的观测习惯，每次观测前，对所使用的仪器和设备进行检验校正，严格按国家规定的水准技术要求施测，确保仪器的各项指标参数符合测量精度要求，并保留检验记录。同时对水准基点使用时应进行校验。

(3)沉降观测仪器比选

我们所提的每种测试仪器都有其精度水平和适用的环境，据测试原理的不同目前沉降变形观测仪器分为很多种，实际使用中应全面了解各种观测仪的原理、现场使用环境和工程技术等级等，因地制宜灵活运用。如对水准仪与水准尺的选择，先确定出沉降测量的等级，进而选择与之相适应的观测仪器和类型。

(4)提高埋设工艺

对于沉降观测元器件的埋设，应加强与施工单位沟通，准确确定埋设位置，整个施工过程中密切注意对其进行保护。

(5)加强元件保护

施工过程中，应加强对已埋设沉降板、沉降观测桩、各类传感器的元件和导线的保护工作，设置明显的标志，以避免施工机械碰撞。并在标志上注明现场观测技术负责人员的联系方式，以便发生仪标、元件、导线损坏时，及时进行补救。

4 工程实例

4.1 某高速铁路试验段不同方法监测结果对比

图4为施工过程中某高速铁路试验段A试验断面单点沉降计和沉降板监测结果对比图。

图4 沉降板和单点沉降计实测结果对比

图4中填筑期为183 d，此阶段单点沉降计、沉降板测试的累计沉降量分别为12.94、18.57 mm;静置期约1个月，此阶段两种方法测试的累计沉降量分别为6.39、5.47 mm;但预压6个月后，两种方法测试的累计沉降量分别为11.15、6.94 mm;预压期结束后单点沉降计测试的总计累计沉降30.48 mm，沉降板测试的总计累计沉降30.98 mm。

4.2 不同方法监测结果的预测分析

分别采用指数曲线法、星野法、泊松曲线、Asaoka法、双曲线法，以沉降板和单点沉降计监测数据为基础，对A测试断面进行沉降预测。

从表1可以看出，A断面单点沉降计的测试值均与沉降板的测试值基本相同，前者比后者稍大。3种预测方法的预测最终沉降相差不大。

表1 A断面沉降预测统计

5 结语

通过以上对比分析，在高速铁路沿线的路基沉降观测中，相比于液位沉降计法传统常规的沉降板法具有性能可靠、价格低廉等优点。但相对于电测的传感器元件，采用人工测试的元器件埋设时对施工有很大影响，同时也受施工机械碾压碰撞等影响，易遭到损坏，如分层磁环沉降仪、测斜管、剖面沉降管等安装时与施工有交叉，必然受施工机械损害、弯折、压碎等破坏，进而导致监测结果受到很大的影响。同时，沉降板测杆也经常被撞弯、撞斜等。然而，智能式单点沉降计、液位沉降计等电测元件往往埋设在路基内部，尽管施工现场昼夜施工，各类大型机械往返穿梭，基本不受施工影响，绝大部分能正常工作。所以在费用允许的前提下，为了获得较为准确的路基的沉降测试数据，综合考虑沉降监测系统的合理选用，本文推荐在重点路段采用电测传感器的监测方案，对一般路段可采用以沉降板或剖面沉降管为主的测试方法，可以满足对路基沉降的要求。

［1］ Hewlett W J，Randolph M F.Analysis of piled embankments［J］.Ground Engineering，1988，21(3):12-18.

［2］ 陈云敏，贾宁，陈仁朋.桩承式路堤土拱效应分析［J］.中国公路学报，2004，17(4):1-6.

［3］ 蒋鑫，凌建明.软土地区桩柱式路基力学行为的数值模拟［J］.交通运输工程学报，2007，7(6):123-126.

［4］ 李昌宁，王炳龙，周顺华.CFG桩-网复合结构软基加固技术及其实际应用［J］.铁道工程学报，2006(1):27-31.

［5］ 周镜，叶阳升，蔡德钩.国外加筋垫层桩支承路基计算方法分析［J］.中国铁道科学，2007，28(2):1-6.

［6］ 曹新文，卿三惠，周立新.桩网复合地基土工格栅加筋效应的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(1).

［7］ 饶卫国.桩——网复合地基原理及实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2004:95-96.

［8］ 中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［9］ 荆志东.深厚软基新型桩板结构路基结构设计研究［D］.成都:西南交通大学，2010.

［10］刘双菊.桩-板不同连接方式沉降机理及在路基处理中的应用研究［D］.天津:天津大学，2008.

［11］万涛.高速铁路软土地基沉降的预测与控制研究［D］.天津:天津大学，2006.

［12］刘升传，曹渊.新建铁路软土路基沉降规律研究［J］.铁道工程学报，2010(5):1-3.