高速铁路运营期沉降监测的数据处理与分析

徐源强

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

高速铁路运行速度快，对安全性、平稳性和准时性的要求高，线下工程构筑物的变形程度直接关系到轨道结构的质量状态，进而影响高速铁路的运营安全。因此，沉降变形观测及数据处理分析工作对于高速铁路的健康发展具有重大的意义。

目前，高速铁路沉降观测手段包括传统精密水准测量、GPS监测[1-2]、三维激光扫描技术[3]、Insar技术以及不同手段的融合[4]等，自动化监测手段[3]也日益成熟。在沉降监测数据处理方面，主要有回归分析法、灰色系统法、时间序列分析法、BP神经网络[5]和卡尔曼滤波[6]等方法。目前，大多数的高速铁路沉降观测还是采用传统方法。利用传统观测方法获得的构筑物沉降量实际上是构筑物沉降量与区域差异沉降量的叠加[7]，偶尔会导致桥墩“上升”。因此，起算点的稳定性分析对于沉降观测数据处理至关重要[8]。参考相关文献中的工程案例[9-10]以及数据处理方法[11-13]，结合工程实践，提出高速铁路运营期沉降监测数据处理的分析方法。

1 起算点稳定性分析

按照《高速铁路工程测量规范》[14]中二等水准测量的技术要求，每一测站前后视两次读数所测高差之差的限差Δ=±0.6 mm，取两倍中误差作为限差，则观测高差的中误差[15-16]为

mh=±0.2 mm

每一测站的高差均取往返观测所测高差中数，因此测站的高差中误差为

设二等水准线路长为L，测站数为N，则附合水准线路的测量中误差为

取2倍中误差作为限差，则附合水准线路的允许测量误差为

2 起算点稳定性影响模拟实验

高速铁路构筑物的沉降监测网是以线下基准网为基础建立的。线下基准网由基岩点或国家水准点、深埋水准点、二等水准点、工作基点(稳定的桥墩点)组成，一般每150 km联测1处国家水准点或基岩点，每10 km布设1处深埋水准点，每2 km左右布设1处二等水准点，每1～2 km左右布设1个工作基点。

运营期的线下基准网一般选取基岩点或国家水准点、深埋水准点作为起算点。

在高速铁路运营期沉降监测工作中，如果选择不稳定(下沉)的起算点进行计算，会造成下一级水准点或沉降监测点出现点位“上升”的情况。以下通过模拟实验(“单点沉降实验”和“区域沉降实验”)，分析深埋点的稳定性对二等水准点成果的影响(同样适用于工作基点对沉降观测点成果的影响)。某线下基准网由3个深埋点(SMD1、SMD2、SMD3)和10个二等水准点(BM1～BM10)组成，以深埋水准点SMD1、SMD2、SMD3作为起算点，其高程成果分别为1.000 0 m、1.623 8 m、2.093 3 m，各水准点间的高差真值见表1。

表1 各水准点间的高差真值

2.1 单点沉降实验

对深埋水准点SMD2引入3 mm沉降误差，平差计算时，仍选取SMD1、SMD2、SMD3作为起算点，通过其他10个二等水准点的高程误差(引入误差后的高程平差成果减去高程真值)分析起算点稳定性对二等水准点成果的影响，见图1。

通过图1可以看出，如果选取“沉降”的点作为起算点，求算的二等水准点成果出现了“上升”的现象，各基准点成果的上升值随着与“异常起算点”距离的增大而减小，并呈现出“两端对称”。设二等水准点与不稳定起算点(SMD2)的距离为L，深埋点间的距离为S，则影响值大小为3(S-L)/S，由此计算出最大影响值为2.6 mm。

图1 基准点稳定性分析(单点沉降)

2.2 区域沉降实验

对深埋水准点SMD2附近5 km区域(BM4、BM5、SMD2、BM6、BM7)引入3 mm“区域性沉降”。平差计算时，仍选取SMD1、SMD2、SMD3作为起算点，通过其他10个二等水准点的高程误差(引入误差后的高程平差成果减去高程真值)，分析起算点稳定性对二等水准点成果的影响，见图2。

通过图2可以看出，如果选取“沉降”的点作为起算点(异常起算点)，而该点附近区域均存在沉降，求算的二等水准点成果出现了“稳定点上升”、“沉降点下沉”的现象。各稳定的二等水准点的上升值随着与“异常区域”距离的增大而减小，并与“单点沉降”实验中的值相同；而各不稳定的二等水准点的下沉值则随着与“异常起算点”距离的增加而增大。

图2 基准点稳定性分析(区域沉降)

3 沉降数据处理分析

高速铁路构筑物主要由桥涵、隧道、路基以及过渡段构成，选取某高速铁路K240+749～K267+858段桥梁监测数据、K267+858～K269+362段隧道监测数据进行分析。桥梁段每1 km布设一个工作基点，隧道段每2 km布设一个工作基点，共布设了26个桥墩工作基点，2个隧道工作基点。

3.1 高程分析法

选取桥梁和隧道的第一期(2014年12月)、第二期(2015年4月)、第三期(2015年11月)监测数据，采用工作基点作为起算点，计算每一期监测点的高程，然后通过高程对比，来判断构筑物的沉降情况(如图3、图4所示)。

图3 桥墩监测点沉降趋势

按照二等水准测量的技术要求，通过计算，可以得出桥墩工作基点间差异沉降的“检验盲区”为[-2.9，2.9]mm，隧道工作基点间差异沉降的“检验盲区”为[-4.1，4.1]mm。因此，当各期沉降监测点在这个范围内时，需要通过分析沉降监测点是否“整体下沉”且呈现一定的规律性，来判断该误差是否由“检验盲区”引起，从而评估构筑物的稳定情况。

从图3可以看出，桥梁段落三期沉降监测成果的高程差值基本在-1.0～1.0 mm范围内波动，且呈现随机性，可判断该段桥梁是稳定的。

从图4可以看出，相较于第二期监测成果，2015年11月第三期监测成果产生了1.0～3.0 mm的“整体沉降”。此时，不能简单地认为监测点为整体沉降。通过分析，该“整体沉降量”在检验盲区范围内，可能是由于工作基点的高程引入误差影响，再结合下节的“高差分析法”和隧道相关资料进行综合分析，从而对该段隧道的稳定性做出评价。

3.2 高差分析法

通过3.1节中隧道的第三期监测成果可以看出，“高程分析法”不可避免地引入了工作基点的沉降误差(在限差范围内)，不能客观、直接地反映构筑物的沉降情况。因此，在运营期，往往通过比较各期沉降监测点间的高差差值(未引入工作基点的误差)来分析构筑物的沉降情况，如图5和图6所示。

图4 隧道监测点沉降趋势

图5 相邻桥墩监测点间高差较差

图6 隧道相邻监测点间高差较差

通过图5和图6可以看出，桥梁段落相邻监测点间各期的高差差值基本在-1.0～1.0 mm范围内波动，且呈现随机性，隧道段落相邻监测点各期的高差差值基本在-0.5～0.5 mm范围内波动。因此，可以判断该段桥梁和隧道是稳定的。

通过对比分析图3～图6，可以看出，高差分析法消除了工作基点(起算点)的引入高程误差，对于分析运营期构筑物间的差异沉降，更为直接和客观。

4 结论

通过误差理论分析，得出了二等测量技术要求限差范围内的“检验盲区”，通过模拟实验，分析了起算点不稳定对下一级测量成果的影响，影响值的大小与不稳定起算点的距离有关。结合工程实例，选取桥梁和隧道中两段有代表性的段落，对比分析了高程分析法和高差分析法的优劣。相较于高程分析法，高差分析法消除了工作基点(起算点)的引入误差，可以更客观地反映构筑物间的差异沉降。在高速铁路的运营期，更关心的是构筑物之间的差异沉降。因此，采用高差分析法更为有利。