大张高速铁路跨越活动断裂带监测方法研究

2020-12-17邹鑫

铁道勘察 2020年6期

邹鑫

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

随着中国高速铁路的发展，工程建设规模的不断扩大，跨越地质断裂带不可避免。断裂带分为活动断裂带与非活动断裂带两大类，活动断裂带是指晚更新世(1 万年～12 万年)以来曾经活动，未来仍可能活动的断裂带，与地震的发生具有密切关系。活动断裂不仅可直接错断工程构筑物，还可能诱发其他地质灾害。因此，活动断裂带监测对于发现灾害、认识灾害、减灾避灾十分重要。

目前，多采用“水准测量+钢尺丈量” 的监测方法进行活动断裂带监测，具体步骤为:在活动断裂两侧布设固定标志，用钢尺进行距离丈量，获得平面位置变化情况；用水准仪测量两点的高差，获得高度位置变化情况。另外，对活动断裂进行水平位移监测还可以采用水平位移计。其工作原理为:若锚固点在水平方向上发生位移，可通过一端固定在锚固板上的铟钢丝(或钢缆)传递给位移传感器，从而得到测点处的水平位移。

大同至张家口高速铁路东起张家口，西至晋北“煤都”大同，是晋北与北京、河北省交流的快速客运通道，也是华北北部地区铁路快速客运网主要客运干线。该线设计速度为250 km/h，线路长141.3 km，全线控制性工程为长13.4 km 的大梁山隧道。

根据区域地质资料及《地震安全性评价报告》，影响本线的主要断裂带为怀安镇盆地南缘断裂带、天镇—阳高盆地北缘断裂带及恒山北麓断裂带[2]。这些断裂带东起天镇县，向西经瓦窑口、孙仁堡，止于大同镇川堡，全长约90 km。断裂带与大张高铁相交于大梁山隧道出口段(断层编号为F011，为正断层)，线路里程为DK68+810 ～DK68+935，总体走向NW，产状186∠65°，断距大于15 m，断层宽3 m，破碎带宽约200 m。断裂带分布见图1。

图1 大张高铁断裂带平面范围示意

2 监测思路

应根据活动断裂带的分布、埋深、类型、性质、交叉关系等设计活动断裂带地区监测方案，原则上，需通过监测及时发现高速铁路构筑物受活动断裂带位移的影响(含水平位移与垂直位移)，以保证铁路施工与运营安全，并为工程建设及铁路运营维护提供可靠的数据和信息。

由于活动断裂带监测是一个长期的实时性的监测工程，人工测量无法满足其要求。因此，决定采用自动化监测为主，人工监测为辅的方式。其中，隧道结构的水平、垂直位移监测依托中国铁设自主开发的高铁(城轨)综合监测和检测系统平台实现。

3 自动化监测方法

本次大张高铁活动断裂带监测设计有两套方案:①采用全站仪自动化监测系统对活动断裂带的水平与垂直位移进行监测，并通过人工监测手段对监测点的水平与垂直位移进行季度性检测；②采用阵列式位移传感器(SAA)监测系统对隧道内垂直位移进行监测，并通过人工监测手段对隧道内监测点的垂直位移进行季度性检测。

3.1 全站仪自动化监测

全站仪自动化监测系统由3 部分组成:数据采集端、服务器端(负责数据解算、发布等)、用户端(登录数据发布网站浏览、下载数据)。

①数据采集端

主要由控制器和全站仪组成，控制器定期启动全站仪对目标点进行多测回观测，并将数据发往服务器。采用精度为0.5″级全站仪机器人。

②服务器端

负责接收监测现场发送的原始观测数据，并进行数据质量检查与解算，以及通过网站向用户发布监测成果。

③用户端

用户通过电脑、手机等远程登录数据发布网站实现在线查询、下载监测信息，以及报表输出等。

全站仪自动化监测系统构成如图2 所示。其实现步骤如下。

(1)全站仪及基准点布设

在DK68+700、DK68+900 附近各布设1 台全站仪，在远离监测区间大小里程端25 m 和50 m 左右位置各布设4 个基准点，作为全站仪观测的基准点。在DK68+780、DK68+820 各布设1 对连接棱镜，作为两台全站仪观测的公共点，以保证监测网的整体性。具体布设位置见表1。

全站仪通过固定支架安装在线路一侧的洞壁上，架设高度为2 m，基准点埋设高度为轨道板以上1.5 m。全站仪安装示意见图3，基准点布设见图4，连接棱镜布设见图5。

图2 全站仪监测系统构成

表1 基准点、全站仪布设里程

图3 全站仪设置

图4 基准点设置

图5 连接棱镜设置

(2)监测点布设

依据Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》的规定，结合大张客专现场实际情况，共布设20 个监测断面(见表2)。

表2 监测点断面分布

大张高铁为运营铁路，在隧道拱顶安装测点比较困难，且易对行车安全造成隐患。因此，决定将拱顶测点舍去。另外，考虑隧道活动断裂带对隧道变形的影响在mm 级，为尽可能减少在运营高铁隧道内安装检测设备，仅在隧道洞壁上布设1 条测线，在隧道左右线侧壁上各埋设1 个监测点(单个断面)，埋设高度为距离地面约3 m(如图6)。

图6 隧道洞壁监测点布设示意(单位：m)

(3)基准网测量

①平面基准网

使用独立假定坐标系，利用全站仪对布设的基准点采用自由设站边角交会网的方法进行整网测量，构建相对坐标系。沿铁路方向设为X，垂直于铁路线路方向设为Y。取3 次测量成果均值为基准点初始值，后续复测采用同级扩展的方式更新。

②高程基准网

利用电子水准仪对布设的基准点进行高程测量，高程基准网按照变形测量三等规定执行。

(4)监测点测量

全站仪自动化监测系统中，监测点采用坐标法和三角高程法进行施测。为保证测量精度，对监测点进行分组，按照每3 个断面为一组(如图7)。

(5)数据发布

平台通过图形化与数字化呈现数据，采用先宏观后微观的形式向用户展示监测信息，可一目了然地把控变形状态(如图8、图9)。

(6)全站仪监测系统特点

图7 监测点测量示意

图8 监测点位置平面

图9 监测点位置实景

①高度集成，插入手机Sim 卡，接通电源即可运行，无需其他附件；

②带有硬件电源管理模块，可实现超低功耗运行；

③带有硬件电量检测模块，可自动实时检测电量，并在电量低时及时发送短信通知用户；

④带有电源输出开关，可在全站仪死机的情况下，对全站仪断电、通电进行硬重启；

⑤带有硬件“看门狗”，可保证数据采集控制器的可靠性；

⑥带有数据存储功能，在网络不稳定的情况下(如采用手机网传数据，信号不理想时)，不影响数据的完整性；

⑦可远程修改数据采集控制器的相关配置；

⑧采用多测回全圆观测法对监测点观测。

3.2 阵列式位移传感器(SAA)变形监测

SAA 监测系统由现场监测数据采集和远程监控中心两部分组成。现场监测数据采集部分包括:SAA传感器、数据采集器、通信系统、供电系统等模块。远程监控中心部分包括:数据处理分析系统、信息发布系统。其组成结构如图10、图11 所示。

(1)工作原理

图10 监测系统的组成结构

图11 SAA 组成示意

SAA 可进行高频率测量，最高频次为30 s/次，短期(监测时间＜10 d)测量精度为0.5 mm/32 m，长期(监测时间＞1 年)测量精度为1.5 mm/32 m。

SAA 的每个节段内均包含一套三轴加速度计，通过检测重力场，可以计算出节段各轴之间的弯曲角度θ，利用计算得到的弯曲角度和已知节段长度L，可确定每节段SAA 的变形Δx，即Δx=θ×L；同理，也可以计算出Δy 和Δz。单节段示意如图12 所示。

图12 单节段示意

单个节段变形量为Δx、Δy、Δz，假设基准点坐标为(x0，y0，z0)，依次连续对各节段变形量算术求和，就得到各个关节位置的坐标值(xi，yi，zi)，进而得到整套SAA 的三维坐标。一旦任何位置发生变化， SAA 的三维坐标也随即发生改变，两次坐标变化值为对应关节的变化量。多节段示意如图13 所示。