运营高速铁路重点地段基础变形监测技术研究

2021-03-09李浩标谭社会索广建张献州蒋英豪

铁道勘察 2021年1期

李浩标谭社会索广建张献州蒋英豪

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756； 2.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；3.中国铁路上海局集团有限公司工务检测所，上海 200071)

1 概述

随着“八纵八横”主要路网的建设完成，我国大部分高速铁路已从施工建设阶段进入运营维护阶段。运营高速铁路重点地段基础变形监测是线路安全运营的重要保障。近年来，诸多学者对运营高速铁路基础变形监测进行研究，并产生了不少重要的理论成果。祝安龙等总结分析结合人工智能技术的隧道围岩及结构安全智能监测系统的优缺点[1]；刘大伟提出适用于沪宁城际铁路重点沉降观测地段的监测方法[2]；郭高冉提出了基于光纤振动加速度传感阵列的高速铁路无砟轨道基础变形监测方法，为高速铁路健康监测提供新思路[3]；张宇昕提出运营高速铁路综合变形监测评估方法，有利于监测评估体系建设[4]。但目前仍缺乏行之有效的技术体系为线路养护维修提供指导。

为更好解决重点地段基础变形监测中的技术难点，以下对运营高速铁路重点地段基础变形监测技术体系开展多方面研究。

2 重点地段基础变形监测内容

2.1 重点地段基础变形监测特点

高速铁路多具有线路长、地理环境复杂等特点，作为工程构筑物，其基础结构产生变形是客观存在的[5]。因此，在高速铁路运营期间，对于基础变形比较严重的地段，需进行一定周期的重点监测，此类地段称为重点地段。对运营高速铁路开展基础变形监测，目的是掌握基础变形规律和变形趋势，结合其状态进行养护维修，以确保行车稳定性和线路平顺性[6-8]。

运营期重点地段变形监测不同于建设期，主要体现在以下几个方面[9-12]。

(1)运营期高速铁路监测重点为差异沉降，对绝对沉降不敏感。

(2)运营期高速铁路监测数据的采集多采用自动化监测技术。

(3)运营期高速铁路监测频次应根据线路变形情况而具体调整。

(4)运营期监测数据分析方法多数还处于探索阶段，相应数学模型有待建立。

2.2 重点地段选取原则

为做好高速铁路的运营维护，针对高速铁路变形特点，一般把以下情况的区域地段确定为变形监测重点地段[13-15]。

(1)桥梁、隧涵、路基、车站等建设期已发现的显著差异沉降地段。

(2)精测网复测，构筑物普查性监测以及轨道动、静态监测过程中出现形变较大的地段。

(3)铁路部门对线路进行日常维护工作时，线路设备状态发生异常变化的地段。

3 重点地段基础变形监测方法

3.1 重点地段基础变形监测基准网建立

重点地段基础变形监测基准网由基准点与工作基点组成，分为重点地段平面位移监测基准网和重点地段沉降监测基准网。其目的是给重点地段水平位移监测和垂直位移监测提供一个参照系，进而计算分析该重点地段的变形情况[16-18]。

按照TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》，平面位移监测基准网一般由3个及以上基准点组成。平面位移监测基准网可一次布网，布网形式为导线网、GNSS网等。当平面监测区段长度>800 m时，应复测对应区段线上CPⅡ点，并对线上CPⅡ点进行平差分析，选取稳定的线上CPⅡ点作为平差计算基准点；若监测区段较短，或距线上CPⅡ点过远，则可选用监测地段两端稳定的CPⅢ点作为平面监测基准点，并将与该基准点相邻的稳定CPⅢ点作为备用基准点。选取稳定CPⅢ点时，需要将相邻3对点的自由网平差成果与原测成果坐标较差之差和横向坐标差之差进行对比，当坐标较差之差≤±2 mm，横向坐标差之差≤±2 mm，可认为控制点稳定。

沉降监测基准网一般由3个及以上基准点组成，但对于重点地段，往往布设4个基准点和4个备用基点。沉降监测基准网可采用闭合环状或附合水准路线等形式进行布设。沉降监测基准点应优先选取重点地段两端稳定的线上水准基点，若重点地段监测边界距线上水准基点超过200 m，可选用重点地段两端稳定的CPⅢ点，并使用与该基准点相邻的稳定CPⅢ点作为备用工作基点。基准点间应按二等附合水准线路测量要求进行观测，以检核基准点的稳定性，进而确定两个基点间的高差基准值和相邻CPⅢ点间基准高差。选取稳定基准点时，需要对比基准点间观测高差和上一次复测基准高差，其高差之差应满足

(1)

式中，h观为观测高差；h上为上一次复测基准高差；L为线路长度。

若监测工作中发现基准点不稳定，可采用联测附近的线上水准基点，并对不稳定的基准点进行更新；若仍不满足基准点的稳定性要求，则应启用备用基准点或延长监测区段。对于原有的重点地段，监测基准点应保持历史数据的延续性。

3.2 重点地段监测断面和监测点布设

(1)监测断面布设

重点地段沉降监测横断面分为两种，一种是基础断面，另一种是加密断面。一般情况下，路基、隧道地段每20 m布设一个断面，桥梁地段在梁固定端和跨中位置各布设一个断面。重点地段沉降监测断面的编号根据里程排序。每个断面应在下行底座板外侧观测点旁用红油漆喷写断面号(采用统一规格字模)。无砟轨道基础断面一般布设在距离下行CPⅢ点最近的轨道板和底座板上，加密断面布设在两个基础断面之间。

无砟轨道重点地段沉降监测横断面由上下行路肩监测点、上下行支承层外侧监测点、上下行轨道板外侧监测点等组成，如图1所示。有砟轨道基础断面与CPⅢ点所在的断面一致，加密断面布设在两个基础断面之间。有砟轨道重点地段沉降监测断面由下行路肩监测点、上行路肩监测点组成，如图2所示。

图1 无砟轨道段沉降监测点(断面)布设

图2 有砟轨道段沉降监测点(断面)布设

重点地段横向监测断面里程位置原则上与垂向统一，其测点标识根据所采用的监测方法进行设置。

(2)监测点布设

路基地段沉降监测点应布设在沉降监测断面上。无砟轨道选用线路两侧的CPⅢ点作为路基沉降监测点，若没有CPⅢ点，应补设路基沉降监测点；无砟轨道底座板监测点应布设在线路外侧小里程方向的边角区域上，监测标志可选用不锈钢监测钉。无砟轨道板监测点采用在轨道板外侧边角打磨φ16.0 mm、深约8 mm的浅圆孔，放置钢珠作为点位标识。在有砟轨道路基上，一般采用埋设监测标石的方式。标石以现场浇筑为宜，无现场浇筑条件的可使用预埋式标石或打入长1.5 m左右的钢筋，地面露出部分焊接不锈钢监测钉，并制作保护井盖。隧道地段监测点布设方法与路基地段监测点布设方法相同。

桥梁地段选用CPⅢ点作为沉降监测点。若没有CPⅢ点，简支梁地段在梁固定端和跨中位置各布设一对，连续梁地段在中间支座和跨中位置各布设一对。

3.3 重点地段基础变形监测技术要求

重点地段变形监测主要包括周期性沉降监测、CPⅢ平面不定期测量、横向变形监测和CPⅢ修复测量。监测前应首先对监测点位进行普查，已丢失或破坏的监测点应及时补设。

(1)重点地段周期性沉降监测

重点地段周期性沉降监测可按矩形环单程水准网观测，CPⅢ测点的观测过程中采用中视法对监测点(非CPⅢ点)进行观测。每测站应在对水准线路中相邻CPⅢ点进行线路观测后一次性对该站范围内所有监测点(非CPⅢ点)进行观测，以便观测精度统一，并减少线路观测误差对监测点成果的影响。路基、隧道及桥梁沉降监测的水准测量路线结合CPⅢ控制网的水准路线进行在测量CPⅢ测点的过程中，采用中视法对监测点(非CPⅢ点)进行观测，每个监测点(非CPⅢ点)均测量两次，其观测的高程之差不得大于1 mm。满足限差要求后，取两组高程平均值作为最终高程。当受条件限制无法进行水准测量时，可采用CPⅢ控制网自由测站三角高程测量。

重点地段外业观测完成后，需先检核观测数据，若发现不合格数据应重新观测。待粗差检验合格后，通过计算相邻点间附合水准路线高差闭合差判断内业平差起算点的稳定性，当起算点不满足闭合差时，分别向大小里程延伸寻找稳定的起算点，直至满足相关闭合差要求。平差控制指标均满足相关要求时，可认为重点地段周期性沉降监测合格；反之为不合格，对于不合格项要查明原因，并尽快返工重测。

(2)重点地段CPⅢ平面不定期测量

对高速铁路重点地段进行CPⅢ平面不定期测量，可以获得该重点地段的平面坐标变化量，并且视情况更新该地段的CPⅢ平面成果用于线路维护。重点地段CPⅢ平面不定期测量主要采用自由测站边角交会法施测。外业测量完成后，通过计算CPⅢ点原复测坐标较差、相邻点坐标差之差判断内业平差起算点的稳定性，当起算点不满足相关要求时，可分别向大小里程延伸寻找稳定的起算点，直至满足相关要求。平差完成后，应将本次测量成果与上次测量成果在线路方向上的横、纵坐标差及累计变化量进行分析，将该重点地段更新后的CPⅢ平面控制网成果应用于线路维护工作中。

(3)重点地段横向变形监测

鉴于采用自由设站后方交会方法难以满足监测精度要求，且横向变形对线路平顺性影响较大，故采用轨道线形测量数据中的横向偏差代替重点地段横向变形监测。轨道线形测量前，应对CPⅢ控制网的稳定性进行复核，采用最新成果，核对线路设计参数，并根据线路桩点信息录入数据文件。

(4)重点地段CPⅢ修复测量

重点地段CPⅢ修复测量包括CPⅢ高程修复测量和CPⅢ平面修复测量。若监测地段范围内的相邻2个及以上观测点(含CPⅢ点)垂向位移超过3 mm，需对监测地段范围内所有CPⅢ点的高程采用平差后的新成果进行修复。若无法满足线形检测起算要求，则需要进行修复测量，修复原则同周期性沉降监测。若监测地段范围内相邻2个及以上CPⅢ点垂向位移量大于3 mm，应对CPⅢ点的平面坐标进行修复测量。约束平差后的CPⅢ点坐标成果与原坐标成果应统一归算到线路法线方向，再进行差值分析，当差值大于3 mm时，需对监测地段范围内的所有CPⅢ点的平面坐标采用平差后的新成果进行修复。完成CPⅢ修复测量后，应及时更新CPⅢ成果，为后续基础变形监测变形分析提供可靠的CPⅢ高程与平面基准，并建立新旧成果的联系，保证变形成果的可延续性。

3.4 监测周期的确定及调整

重点地段监测周期应以能够反映该地段变形过程且不遗漏其变化为原则，并综合考虑该地段变形速率、变形特征及工况等信息。重点地段的监测周期原则上每月观测1次，同时根据其变形速率与评判标准进行动态调整，调整原则如表1所示。

表1 沉降监测周期调整

4 重点地段变形分析与预警机制

4.1 重点地段变形分析

重点地段变形监测数据可采用作图、统计、对比和建模等方法进行分析。作图分析是将重点地段观测数据按时间顺序绘制成曲线反映出变形趋势；统计分析是对重点地段监测数据进行统计寻找变形规律和特征；对比分析是把实测值与设计值或模型试验值进行比较，相互验证寻找变形原因进而找到改进方法；建模分析是通过建立数学模型来研究重点地段的变形趋势。

运营期高速铁路重点地段的变形分析可以分为同一断面不同类型监测点累计变形分析、监测点变形速率分析、不同断面差异变形分析、上下行线差异变形分析与过渡段差异变形分析等。考虑到相邻结构断面的差异性变形，以及由此引起的附加坡度和坡度差的变化量将会对高速铁路运营期间结构稳定性和轨道平顺性造成较大影响。因此，相邻结构断面的差异性变形是运营期沉降监测变形分析的重点内容。针对沉降变形分析，其主要控制指标包括变形监测点的绝对沉降量、沉降速率、相邻断面差异沉降量等。根据沉降变形分析结果，结合结构特征和工况信息进一步分析沉降变形对线路结构、轨道平顺性造成的影响，为运营管理提供决策支持。

4.2 重点地段综合预警机制

设立运营高速铁路基础变形监测综合预警机制的目的是尽可能缓解或阻止风险的发生，保障高速铁路的安全运营。重点地段基础变形监测综合预警机制应在充分考虑监测项目的特点、变形速率以及监测对象的安全性等指标的基础上，统筹制定。

重点地段综合预警机制的具体内容如下：当单次月变形量大于2 mm或3个月累计变形量超过5 mm时，应在24 h内发出预警提示，并酌情缩短监测周期；当连续3个月单次月变形量均大于2 mm或连续3次每3个月累计变形量均超过5 mm时，应及时书面报告集团公司业务部、设备管理单位和资产管理公司。横向变形监测单次月变形量大于5 mm或3个月累计变形量达到5 mm，应及时书面报告集团公司业务部、设备管理单位和铁路公司。对于因施工等因素导致高铁工务设备变形速率较快，应根据设备状态和变形特点，制定特殊的预警值。

5 重点地段基础变形监测实例

5.1 工程概况

某高速铁路位于长江冲积平原区，地形平坦，地势开阔，地层岩性变化大，季节和地表水位的变化导致地下水位略有浮动，线路区域内堆积着松散的淤泥质土层和软土层。2018年，进行了精测网复测，复测与原测成果对比时发现部分区段成果差异较大，里程为K0245+002～K0246+044，长11.640 km。根据重点地段监测办法，将该区段列为基础变形重点地段，沉降监测频次为每月1次。本区段基础变形监测的高程基准采用1985国家高程基准。

5.2 监测过程

(1)基准稳定性分析

在该重点地段，大里程基准点选取离监测区域200 m处的路堤CPⅢ点，小里程选取离监测区域300 m处的隧道CPⅢ点。由表2可知，各基准点间观测高差与上一次精测网复测两点间的高差之差均小于限差，满足相关规范要求，可用作稳定的基准点。

表2 基准点间观测高差与基准高差统计

(2)沉降监测预警

对重点地段进行了3期观测，其变形趋势如图3、图4，发现本区段小里程方向部分发生明显的沉降变形，大里程方向发生略微的隆起变形。其中，累计最大变形量为-5.22 mm，位于K0245+425处，超过预警值5.00 mm；本期最大变化量为-2.32 mm/月，位于K0245+425处，超过预警值2.00 mm/月。