铁路工程沉降变形观测技术若干问题探讨

2023-01-09蔺爱军

铁道建筑 2022年11期

蔺爱军

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

我国不同区域气候环境差异大，地形地质条件复杂。在列车高频动载和多重环境作用下，如何建设高质量铁路工程，确保其毫米级沉降变形控制及长期可靠耐久，是高速铁路工程建设面临的重大挑战［1-3］。

沉降变形观测与评估技术是高速铁路工程建设技术管理和质量控制重要组成部分，其目的是确保线下工程稳定性满足工后沉降控制标准和轨道工程铺设条件。Q/CR 9230—2016（以下简称《规程》）在铁建设〔2006〕158号《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》基础上，总结高速铁路、城际铁路、客货共线铁路的建设、运营实践经验和科研成果，并借鉴国外高速铁路成功经验编制而成。《规程》在指导我国高速铁路工程沉降变形观测与评估工作方面发挥着重要作用，但在理解个别技术条款和条文说明时可根据实际情况合理执行。本文针对《规程》在变形观测标志及其设置、沉降变形观测方法、变形测量等级及精度要求、沉降变形观测路线等沉降变形观测方面，由于工程的具体情况，现场实际执行个别技术条款时需注意的问题展开分析，并提出解决方案。

1 变形观测标志及其设置

1.1 路基面沉降观测桩设置

路基面沉降观测桩设置参考图1，存在问题及相关建议如下。

图1 路基面沉降观测桩设置参考（单位：mm）

1）由图1可知，路基面沉降观测桩埋设于级配碎石中，并高出路基面（有砟）或封闭层（无砟），应理解为达到验收移交条件的观测标。部分技术人员可能误认为观测桩是在基床表层级配碎石填筑后才埋设。而在高速铁路路基沉降观测实践中，完成路基基床底层填筑（主要恒载加载完成）时即埋设临时观测桩，并开始沉降观测工作，在基床表层施工完成后再进行转点埋设，路基沉降变化是相对缓慢的，转点埋设并进行断高处理后不会影响沉降观测的连续性。如果级配碎石填筑完成后再埋桩观测，受施工工期制约，沉降观测期往往是不足的。

2）考虑经济实用因素，施工期基底顶面临时观测标可采用普通钢筋；路基封闭层施工后埋设的沉降观测标在运营期长期使用，建议采用顶部为球形的预制不锈钢棒。

3）钢筋头高出路基（封闭层）面10 mm，对车辆轮胎和行人可能产生影响，不利于观测标保护。建议改为高出3 mm左右，水准尺能自由转动，方便立尺即可。

1.2 沉降板规格及制作

1）给出的沉降板厚度（3～5 mm）明显偏薄，路基填筑过程中可能被压裂。在沉降观测实践中，大多采用10 mm厚钢板。

2）在保证沉降板测杆接长后，由于长细比的加大，稳定性会降低；在施工过程，沉降板周围本应进行人工夯实，但偶尔会受到重车或压路机的碾压，造成损坏。需注意以下要点：

①测杆接头丝扣长度不小于5 cm，确保接管稳固。丝扣短会引起接管不稳，导致沉降观测数据失真。

②保护测杆的塑料套管壁厚度应在5 mm以上。管壁太薄，抗压强度低，周围填料挤压作用下，套管易被挤破而失去保护测杆作用。

1.3 桥涵和隧道变形观测点设置

1）钢筋头高出周围仰拱面10 mm，对车辆轮胎和行人可能产生影响，不利于观测标保护。

2）即使采用顶部为球形的预制不锈钢标志，也不宜高出周围仰拱面10 mm。沉降观测实践中，在不同隧道工点曾发生多起重型出渣车长期碾压磨损仰拱沉降观测标头的情况，导致观测标高程逐渐降低，沉降曲线不收敛，而仰拱实际上并没有沉降。观测标设置方法和位置不合理，间接导致了沉降曲线不能真实反映仰拱稳定性状态。隧道沉降观测标设置建议选不易被车辆碾压的位置，在仰拱面取芯埋设；取芯直径120 mm（以便于立尺为宜），深度不小于30 cm，标头顶部高出锚固砂浆顶面约3 mm、低于仰拱面约3 cm；取芯口设标志保护盖。

3）不宜采用普通钢筋作为桥涵永久观测标材质。长期日晒雨淋条件下，暴露在外的普通钢筋观测标可能成为桥涵结构钢筋的锈蚀通道，降低混凝土保护层作用。

4）标志外露墩身尺寸（50 mm）偏大，不利于观测标保护。

5）如果观测标因埋设不稳固而发生转动时，倒L形标志头高程在桥墩稳定的情况下可能发生变化，沉降观测数据将不能反映桥墩稳定性状态。建议桥墩沉降观测标采用图2所示通用元器件，标头为ϕ20 mm球形不锈钢观测标，标志外露墩身30 mm，在墩身拆模后打孔，用植筋胶或锚固砂浆固定埋设。

图2 桥墩沉降观测标志（单位：mm）

6）关于桥涵和隧道沉降观测标设置，在实践中会遇到《规程》中没有涉及的情况，进行如下处理：

矮墩或异形墩不便在墩身上设置沉降观测标时，可设置承台观测标代替桥墩观测标。若承台埋深较大，可在承台顶面浇筑钢筋混凝土立柱（采用壁厚不小于3 mm的PVC管模筑，立柱直径不小于20 cm），立柱顶面与地面大致同高，标志（不锈钢材质）设置于立柱中央，标头高于立柱混凝土面约5 mm。

2 沉降变形观测方法

1）剖面沉降仪在早期建设的高速铁路路基沉降观测中进行了试用，设置和测试过程复杂，对观测人员技术水平要求较高，实际应用和观测效果较差，测量精度低［4］。近十年新建高速铁路设计文件中，已不再采用剖面沉降仪作为路基沉降观测设备。

2）由于现场条件限制，位于江河湖泊水库和复杂山区沟谷桥墩的沉降观测在架梁前不方便或不能用水准测量方式，实践中一般采用中间设站光电测距三角高程测量方式。为确保观测数据质量，应在阴天或晚上大气比较稳定时观测，观测距离一般应小于150 m。如观测视距超过150 m，可在江河水库中搭建观测平台以缩短观测距离或采用特殊观测和数据处理方法，确保观测精度。

3 变形测量等级及精度要求

1）适当提高线路水准基点高程复测更新标准。高速铁路高程控制测量目前按照国家二等水准精度要求建立线路水准基点网，相邻线路水准基点间既有高差和复测高差较差绝对值不大于（Ri为测段长度），则认为水准点稳定，其高程不更新。对于变形观测基准网，上述水准点高程成果更新的限差要求相对偏低，原因分析如下。

高速铁路沉降变形观测相邻变形点高差中误差和变形点高程中误差限差分别为0.5 mm和1 mm，精度要求高。铁路相邻水准基点相距约2 km，水准路线测段长度一般大于2.5 km ；可能大于9 mm，即基准点间既有高差和复测高差的较差超过9 mm才更新水准点高程值。沉降观测时导致高差中误差和高程中误差超限的原因往往不是现场测量不规范，而是由于水准点复测成果更新的技术要求相对偏低，高程现势性差，导致沉降观测附合路线闭合差和相邻变形点高差改正数较大，致使相邻变形点高差中误差和变形点高程中误差超限。

2）《规程》条文说明3.3.4条规定：水准测量至少使用DS05级水准仪，三角高程测量使用0.5″级全站仪，以保证观测精度。

①高速铁路线路水准基点控制网测量等级为二等，二等水准测量的最低仪器型号为DS1级，沉降变形观测以线路水准基点为基准点，采用的水准仪最低精度型号不会高于线路水准基点控制网的要求。采用DS1级水准仪精度是满足高速铁路沉降观测工作要求的。

②三角高程的精度取决于测角和测距两个测量项目的综合精度，对全站仪只描述测角精度要求是不完整的，且全站仪自动目标识别功能可减小人为照准误差，提高观测效率［5-7］。建议对全站仪的性能要求修改为“三角高程测量采用的全站仪应具有自动目标识别功能，仪器标称精度不低于0.5″、1 mm+1×10-6D（D为测量距离）”。

4 沉降变形观测路线

4.1 路基沉降观测路线

1）TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》、TB 10621—2014《高速铁路设计规范》等均规定路基沉降观测断面间距一般不大于50 m，即使在地质情况良好、路堤填筑高度不大于5 m的情况下也不能大于100 m。因此，被结构物分隔的两路基一次观测时观测断面间距大于等于100 m时，按“铁路工程路基、涵洞沉降变形水准观测路线宜按图3（a）”进行。实际测量中同一路基段按规程中“观测断面间距小于100 m时，可按图3（b）”进行。

图3 路基和涵洞沉降变形观测水准路线

2）水准路线优化。

①沉降观测实践中，交通涵一般在涵洞边墙设置标志，在路基下方进行桥涵沉降观测，不与路基观测标一起观测。下方观测的优势在于观测标易保护，沉降观测工作不受路基面交叉施工干扰，观测数据质量有保证。

②条文说明3.3.7条规定：当断面间隔较近（小于100 m）时，仪器架设在两个相邻断面中间，一次设站观测各点视距都不超限且前后视距大致相等时，按照图5（b）另设一站观测环水准路线，和主水准路线构成附合结点网，或采用CPⅢ高程矩形环网观测。在实际观测中：一般每个路基沉降观测断面至少3个观测标，如果在两个相邻断面中间一次设站完成环线上所有观测标的观测，即使观测视距不超限，前后视距差或视距累积差往往也会超限，不满足二等水准测量要求，条文说明推荐的方法在实际工作中不便实施；一条环水准路线中所有高差测量应不少于2次设站，只设1站观测完环线上所有高差，高差值之间相关不独立，这是不允许的；如观测完主水准路线，再返回来观测环水准路线，实际增加了现场工作量，在沉降观测实践中可不采用该水准路线进行沉降观测工作。

③堆载预压期间路基中线附近布设沉降板，当两侧标志为观测桩时，中线和两侧观测标高差超过2.5 m，无法将同一断面高差如此大的观测标在同一测站中完成观测，可分上下两条水准路线进行观测”

4.2 桥墩沉降观测路线

《规程》3.3.7条第3款规定：铁路工程桥梁沉降变形水准观测路线宜按图4进行。在沉降观测实践中，采用图4的两条单程附合水准路线开展桥墩左右侧沉降观测一般是可行的；因现场积水或地形原因在线路一侧不能架站时，在相邻桥墩的中央空地上设站，采用Z字形水准路线是现场经常采用的观测路线，且当地势比较平缓时，一次架站相邻桥墩4个观测标3段高差均可以观测，可减少设站数，提高测量效率。

图4 桥梁墩台沉降观测水准路线示意

4.3 隧道仰拱沉降观测路线

《规程》3.3.7条第4款规定：铁路工程隧道沉降变形水准观测路线宜按图5进行附合水准观测。图5路线适用于贯通后的短隧道沉降观测；在隧道贯通前，无法在不同掘进口之间形成附合水准路线进行仰拱沉降观测，通常是在同一掘进洞口外不同的控制点之间形成附合路线。

图5 隧道沉降观测水准路线示意

为确保工作基点稳定状态不受施工影响，不少项目的沉降观测管理人员不允许在洞内设工作基点，每期沉降观测均要从洞外控制点引测。当斜井坡度大且较长时，不仅引测工作量大，而且变形点高程中误差易超限，测量数据精度不高。

TB 10601—2009给出了解决上述矛盾的策略，其8.1.6条第2款“工作基点应选在比较稳定的位置”，8.1.8条“基准点应建立或选设在变形影响范围以外便于长期保存的稳定位置”，并没有要求工作基点一定要选在变形影响范围外。根据上述规定，稳定性良好的Ⅱ级或Ⅲ级围岩区域二次衬砌边墙或综合洞室内是可以埋设工作基点的；在稳定的洞内工作基点间构成附合水准路线，不仅能够减轻观测工作量，而且变形点相对于工作基点的测量精度较高。

4.4 沉降观测路线修订建议

1）兼顾观测效率和数据质量，允许测量人员根据现场情况自行设计沉降观测水准路线。铁路工程不同工点观测条件差异较大，无法统一规定路桥隧各类工点的沉降观测路线。

2）路桥、路隧过渡段附近不同构筑物的观测断面纳入同一沉降观测路线中。高速铁路无砟轨道过渡段是不均匀沉降的高发地段。如果将桥台（或隧道口）和相邻路基过渡段纳入同一水准路线观测，既方便现场测量，又便于相邻构筑物稳定性分析。相邻期次高差观测值较差的累计值直接反映了路基过渡段附近不同构筑物相邻断面的沉降差，不含水准路线闭合差改正，数据精度较高。