铁路客运专线基础变形监测

顾 岚

(中国铁路呼和浩特铁路局集团公司 呼和浩特工务段，内蒙古 呼和浩特 010050)

铁路基础的变形直接影响着铁路线路上部结构的几何尺寸。高速铁路基础沉降变形对线路的运营质量起着至关重要的作用，是高速铁路高可靠性、高稳定性和高平顺性运营的决定因素。

京包客专线是国家“十一五”规划的重点工程，是内蒙古首条高速铁路。其中，新建乌兰察布至呼和浩特东K361+870～K481+300段，位于华北北部，呈东西走向，于2017年8月3日正式开通。该段设计时速250km，全长119.43km，路基长度约54.33km，占全段的45.5%，桥梁共64座约40.2km(不含框构桥)，占全段的33.7%，隧道共19座24.9km，占全段的20.8%；工程结构形式多，沿线地基处理措施多样，过渡段多，沉降观测工作量巨大。

笔者主要介绍了该开通段通过建立长期基础沉降监测网，在实施过程中对沉降变形观测技术和预测方法进行认真探索和总结，为铁路有关单位及时了解沉降变形现状和后续的沉降变形发展趋势提供科学的数据依据，通过分析数据，对病害地段提前采取整治措施，避免了安全事故和巨额经济损失。

1 基础变形监测方案

1.1 监测断面设置原则

沉降监测项目包含：一般路基地段、过渡段、桥梁、涵洞、隧道、隧道检查井及中心管偏位沉降、水源井影响区域路基的沉降监测。运营期沉降变形监测断面设置与建设期设计要求相同，测标已在建设期间埋设，如果破坏或者不便于测量，则需重新进行布标、埋设。

1.1.1 路基(含过渡段)沉降监测断面设置。沿线路方向间距一般≤50m；对于地势平坦且地基条件均匀良好的路堑、填方高度<5m且地基条件均匀良好的路堤及路堑可放宽到100m；路桥、路隧过渡段分别在桥台台尾、隧道出入口距结构物起点1m～5m处、10m～20m处、30m～50m处各设置1个观测断面；路涵过渡段在涵洞中心及距涵洞中心两侧5m～10m、15m～25m处各设置1个观测断面；路堤路堑过渡段，在分界处设路基面观测断面。

路桥、路隧过渡段，沉降监测断面一般在距不同结构物起点5m～10m处、20m～30m处、50m处各设置一断面。路涵过渡段应于涵洞两侧2m处设一观测断面。

1.1.2 涵洞、桥梁墩台沉降监测断面设置。涵洞观测标：当涵洞的涵顶填土≤3m时需对涵洞进行沉降观测，观测标应设在涵洞进出口及涵洞中心两侧边墙上，每个涵洞≥6个观测标。当涵洞填土超过3m时不对涵洞进行沉降观测，需根据路基专业要求对涵洞涵顶填土进行沉降观测。

当桥墩墩身全高>14m时每墩设置观测点数量2处，位于墩身两侧高于地面0.5m位置；当桥墩墩身全高>14m时，布设每墩设置观测点数量1处，位于墩身两侧高于地面0.5m位置。水中墩及3m以下矮墩或桥墩墩身观测点间高差特别大等特殊地段可设置在墩顶固定支座端防撞墙顶。每墩设置观测点数量2处，位于墩身两侧高于地面0.5m位置。水中墩等特殊地段同上可设置在墩顶固定支座端防撞墙顶。

图1 路堤段沉降观测断面布置

图2 涵洞沉降观测标志布置

1.1.3 隧道沉降监测断面设置。①隧道工程沉降监测是指隧道基础的沉降观测，即隧道的仰拱部分。其他如洞顶地表沉降、拱顶下沉、断面收敛沉降变形等不列入沉降观测的内容。②隧道的进出口进行地基处理的地段，从洞口起每25m布设一断面。③隧道内一般地段沉降观测断面的布设根据地质围岩级别确定，一般情况下Ⅲ级围岩每400m、Ⅳ级围岩每300m、Ⅴ级围岩每200m布设一个观测断面。当长度不足时，每段围岩或不同衬砌段应至少布置一个断面。④明暗交界处、围岩级别、衬砌类型变化段及沉降变形缝位置应至少布设两个断面(前后各0.5m处)。⑤地应力较大、断层或隧底溶蚀破碎带等不良和复杂地质区段，特殊基础类型的隧道段落、隧底由于承载力不足进行过换填、注浆或其他措施处理的复合地基段落加密布设(段长>20m时，每20m设置一个观测断面；段长小于或等于20m时，至少设置2个观测断面)。⑥隧道洞口至分界里程范围内应至少布设一个观测断面。⑦路隧分界点处，路、隧两侧分别设置至少一个观测断面。

图3 隧道观测标埋设示意

1.1.4 隧道检查井及中心管偏位监测。对隧道排水管、检查井偏移地段的道床板进行垂直位移监测，监测范围为偏位排水管或检查井中心处前后各30m区段；观测标布设于偏移方向轨道左右轨两侧道床板上不妨碍行车的位置。为避开道床板中的钢筋，观测标埋设位置距离轨枕边沿线应≥10.5cm且≤15.5cm，两个观测标构成一个断面，在监测范围内间隔约5m布设一个断面。

1.1.5 水源井影响区域沉降监测。布设的沉降观测断面密度为：以水源井投影至线路的里程为中心里程，向两侧每隔5m、15m、50m间距分别布设3个断面，中心里程布设1个断面，共计布设断面19处，每处断面设置两个观测标。

1.1.6 其他。基础变形监测的监测点布置应结合工程建设期布设的观测点统筹考虑。差异沉降较大的特殊地段，应布设特征监测断面。

1.2 监测桩点号更新

全段监测点全部由施工单位埋设，由于施工单位各标段的沉降变形桩的命名不统一，为了便于项目及数据的管理，将原有点号全部统一更新。更新规则为：①路基段：观测桩所在位置的概略运营里程加左、中、右，如：442033左、442033中、442033右，代表K422+033处路基左中右3个监测点。②桥梁段：观测桩所在位置的概略运营里程加TA、TC，或DA、DC，如：442033TA、442033TC或442033DA、442033DC，代表K442+033处桥台或桥墩左右两个监测点。③涵洞：观测桩所在位置的概略运营里程加HA、HB、HC，如：442033HA、442033HB、442033HC。代表K442+033处涵洞左中右3个监测点。④隧道检查井及中心管偏位：观测桩所在位置的概略运营里程加G1……G40，如：442030G1……442125G40，代表K442+030～K442+125段每5m一对监测点，共计40个监测点。⑤水源井影响区域：利用原有CPIII点作为沉降监测点，点号延用原有CPIII点号。

1.3 监测点布设要求

1.3.1 路基工程沉降变形观测要求。路基工程沉降普查性变形监测点全部为施工单位施工期间埋设，根据沉降体的属性对称布设在两线间及线路两侧。

外业测量时采用附合水准测量网形式进行，如图4所示。

图4 沉降观测水准路线示意

1.3.2 桥梁工程沉降变形观测要求。桥梁监测点观测每段不小于2个水准基点，采用附合水准线路的测量形式执行。

桥墩水准路线观测按二等水准测量精度要求形成附合水准路线，如图5所示。

图5 桥墩沉降观测水准路线示意

1.3.3 涵洞工程沉降变形观测要求。涵洞监测点观测每段不≥个水准基点，采用附合水准线路的测量形式执行。

涵洞水准路线观测按二等水准测量精度要求形成附合水准路线，水准路线观测示意图，如图6所示。

图6 涵洞沉降观测水准路线示意

2 基础变形监测测量等级及精度要求

2.1 基础变形监测测量等级

①变形监测基准网采用和线路水准基点网相同的高程基准，技术要求按国家二等水准测量要求执行。②全段普查性监测时，监测网基准点复测与线路水准基点控制网复测合并进行；重点段落监测时，每次都应进行基准网复测。③每次监测时，监测网基准点使用时应作稳定性检验，并以稳定或相对稳定的点作为沉降变形的参考点，并应有一定数量稳固可靠的点用作校核。④投入项目的所有仪器和设备均应出具合法检定机构出具的检定合格证书，且应在检定有效期内使用。⑤基准网主要技术要求按表1执行。⑥沉降变形监测外业观测要求按国家二等水准测量(变形测量三等)要求执行。变形监测精度要求见表2。

表1 变形监测网技术要求(mm)

表2 变形测量等级及精度要求

2.2 基础变形监测精度要求

沉降变形水准测量执行国家二等水准测量要求，采用单路线往返观测。对线下工程沉降变形点的测量，应形成附合或闭合水准路线，水准路线经过的工作基点或基准点≥2个。

使用DS05级及以上的自动安平电子水准仪，仪器及配套水准标尺均应在有效的合格检定期内。水准仪与水准尺在使用前及使用过程中，经常规检校合格，水准仪视准轴与水准管轴的夹角均不超过15″。仪器各种设置正确，其中有限差要求的项目按规范要求在仪器中进行设置，并在数据采集时自动控制，不满足要求时应根据仪器的提示进行重测。

外业测量一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺垫，沿同一路线进行。观测成果的重测和取舍按《国家一二等水准测量规范》(GB/T12897-2006)二等水准有关要求执行。观测时，视线长度≤50m，前后视距差≤1.5m，前后视距累积差≤6.0m，视线高度≥0.55m且≤2.80m。测站限差：两次读数差≤0.4mm，两次所测高差之差≤0.6mm，检测间歇点高差之差≤1.0mm。观测读数和记录的数字取位：使用数字水准仪读记至0.01mm。

观测时，一般按后-前-前-后的顺序进行，对于有变换奇偶站功能的电子水准仪，按以下顺序进行：

往返测：奇数站为后—前—前—后

偶数站为前—后—后—前

每一测段均为偶数测站结束。

数字水准仪正式观测前应进行≥20次单次测量，达到仪器预热的目的，使仪器与外界气温趋于一致。每天观测前应对仪器i角检测并做好记录。测量中避免望远镜直接对着太阳；避免视线被遮挡，遮挡不超过标尺在望远镜中截长的20%。

自动安平水准仪的圆水准器，严格置平。在连续各测站上安置水准仪时，使其中两脚螺旋与水准路线方向平行，第三脚螺旋轮换置于路线方向的左侧与右侧。除路线拐弯处外，每一测站上仪器与前后视标尺的3个位置，一般为接近一条直线。

观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用5kg以上的铸铁尺垫；水准观测路线必须路面硬实，观测过程中尺垫踩实以避免尺垫下沉。同时观测过程中避免仪器安置在容易震动的地方，如果临时有震动，确认震动源造成的震动消失后，再激发测量键。水准尺均借助尺撑整平扶直，确保水准尺垂直。

数据处理时，闭合差、中误差等均满足要求后进行平差计算，主水准路线要进行严密平差，选用经鉴定合格的软件进行处理。

3 基础变形监测数据处理与问题整治

3.1 基础变形监测数据处理

3.1.1 变形数据处理。测点沉降数据优先选用沉降曲线拟合的方法，其间可根据多种观测方法获得的区段沉降变形曲线进行相互验证，确认实际沉降变形监测结果。

3.1.2 沉降数据分级警示。根据线下工程结构变形引起轨道结构竖向变形的一般规律及分析方法，基于实测的线下工程结构沉降变形数据，分析轨道结构的变形，由此判断轨道竖向不平顺性，建立沉降分级预警机制。

3.1.3 沉降预警和应急机制。根据运营期间结构物变形点的监测数据，综合分析结构物施工期和运营期所有监测数据，按照分级警示原则，建立高速铁路结构变形监测和预警机制，及时上报结构物变形情况，结构物沉降预警与应急机制工作流程如下：①根据测量结果，对结构变形观测过程中出现的可能影响行车安全的问题按照分级警示的原则及时上报；②工务段根据存在的问题组织相关专业进行分析，同时上报集团公司和呼张客专公司；③病害较小维修工作可以处理时，工务段根据现场情况纳入维修工作；维修工作不能处理的病害，由呼张客专公司、集团公司共同组织相关单位、部门研究解决。

3.2 问题整治

通过对该铁路线多次观测，获得了大量有效的实测数据。由于变形观测点比较多，只选取其中变形最大的观测点进行分析。

以2018年观测K447+480处路桥过渡段为例，该过渡段共设置沉降观测桩断面4个，运营里程约为K447+450、K447+460、K447+470、K447+480。每个断面设置沉降观测桩3个。每个断面的3个沉降观测桩分别设置在左线左侧砟脚路基面、两线间路基面及右线右侧砟脚路基面，具体点位，如图7所示。

图7 沉降桩示意

对沉降桩的观测与分析447460A、447470A及447470B3个沉降观测桩有明显下沉迹象。其中：①447460A：2018年3月26日～5月25日下沉量为6.2mm，5月25日～6月19日下沉量为2mm，6月19日～7月18日下沉量为23.1mm，7月18日～7月22日下沉量为18.4mm，3月26日～7月22日累计下沉量为49.7mm。②447470A：3月26日～5月25日下沉量为11.1mm，5月25日～6月19日下沉量为6mm，6月19日～7月18日下沉量为51.9mm，7月18日～7月22日下沉量为50.7mm，3月26日～7月22日累计下沉量为119.7mm。③447470B：此观测桩3月26日～7月18日累计下沉量为7.2mm，7月18日～7月22日下沉量为9.7mm，3月26日～7月22日累计下沉量为16.9mm。其他沉降观测桩有沉降量，但沉降量相对较小。

造成该地段基础下沉的主要原因是短时间内集中降雨冲蚀路基形成了空洞。基于以上数据报警，并结合现场勘察，铁路局立即组织相关单位对病害处所进行了注浆加固处理，及时消除了安全隐患，保证了行车安全。

4 结束语

做好运营铁路沉降变形观测工作：①需要相关单位高度认识和高度重视，建立健全相关的管理制度和组织机构；②配备充足的测量仪器、测量专业人员，并加强测量人员的管理和培训；③加强沉降变形观测工作的现场实施与监管，保证沉降变形观测实施按照相关技术规范和设计要求进行，保证沉降变形观测的精度和测量数据的真实、正确、可靠；④做好沉降变形观测的数据分析和处理，及时发现观测过程中存在的问题并解决问题。新建京包客运专线乌兰察布至呼和浩特东段通过建立长期基础沉降监测网，对病害地段提前采取有效整治措施，为铁路安全平稳畅通打下坚实基础。