沉降观测技术在沪宁高铁中的应用

李聪，罗满建，潘元进，何美琳

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004； 2.广西壮族自治区测绘局，广西南宁 530004)

沉降观测技术在沪宁高铁中的应用

李聪1∗，罗满建2，潘元进1，何美琳1

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004； 2.广西壮族自治区测绘局，广西南宁 530004)

近年来，随着中国经济的持续快速增长，发展高速铁路已经成为一种趋势。在我国，已经新建了几条高速铁路，而测量工作在施工过程中起到了决定性的作用。本文基于沪宁城际高速铁路的施工技术，结合沉降观测技术在工程中的应用，分析了沉降观测中内外业应该注意的问题。

沪宁城际高铁；沉降观测；水准测量；成果分析

1 引 言

沉降观测是指对被观测物体的高程变化所进行的测量。现行规范规定[1]:高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。而随着我国高速铁路技术的飞快发展，沉降观测也被更多地应用到高铁建设中去。本文结合沪宁城际高铁的实际情况，对沉降观测技术在实际施工操作过程中的应用进行了分析讨论，并对相应的数据成果进行处理分析。

2 技术设计

2.1 工程概况

沪宁城际铁路是全线采用无砟轨道的铁路客运专线，具有高标准设计、高起点建设、高速度运行、高信息化管理及高乘坐舒适度的特点，是我国铁路客运专线建设的发展方向。无砟轨道系统对线下工程的沉降要求非常严格，对沉降变形提出了很高的要求。在国外，无砟轨道施工周期一般较长，需要等到自然沉降后再铺设无砟轨道，而沪宁城际铁路建设因工期紧，并没有自然沉降的过程，因此总结沪宁城际铁路沉降观测及成果分析非常重要。

2.2 作业要求

无砟轨道客运专线运行的高平顺、高舒适性对工后沉降要求非常严格；要求工后沉降不应大于15 mm，路桥、路隧结构物过渡段的不均匀沉降差不大于5 mm，纵向变形折角不大于0.1%，并且必须经过分析评估满足要求可铺设无渣轨道，铺设后继续观测1年～3年[2]。

变形观测与分析评估是一项系统工程，涉及设计措施与计算，施工过程中的实施监测，无砟轨道铺设条件的评估，运营期间的观测验证等方面。因而，沉降变形观测及评估系统在客运专线设计中具有十分重要的意义。

3 沉降观测技术的应用

3.1 沉降变形观测主要技术指标

根据《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》、《沪宁城际铁路线下工程沉降变形观测及评估实施方案》及《国家一、二等水准测量规范》有关技术要求来确定沉降观测的主要技术指标如表1～表3所示[3，4，5]。

沉降观测网主要技术要求 表1

二等水准测量精度要求 表2

垂直位移观测点的技术要求和观测方法 表3

3.2 沉降监测控制网和观测点网的布设

(1)水准基点

基准点采用设计水准基点，每3 km布设一个，工作基点按间距200 m左右进行加密布设，满足线下工程沉降观测的需求[6]。工作基点与基准点的联测则采用天宝DINI03电子水准仪和铟瓦条码尺进行施测，作业方法按二等水准测量规定进行，所有基准点和工作基点的水准测量路线均构成闭合环，按闭合水准路线的形式进行沉降观测，以保证沉降观测的精度和可靠性。

(2)测点布设

在设计里程按要求埋设沉降板，如图1所示，每断面基地各埋设三个沉降板，分别在路基基底左(线路中心左侧 4.5 m)、中(线路中心)、右(线路中心右侧4.5 m)，在堆载预压区基层表面中心各埋设一个沉降板。在埋设沉降板前首先保证埋设里程面平整，先用细土垫平，再平整放置沉降板，再用细土和碎石压实，随时保证沉降板的垂直度。外部用PVC管保护，另外加三角木架子保护[2]。

图1 路基沉降板埋设断面示意图

3.3 沉降观测线路的选择

一般的水准测量路线分为附和水准路线、支水准路线、闭合水准路线。路基水准路线观测按国家二等水准测量精度要求形成附合水准路线，如图2所示。

图2 沉降观测点位布设及水准路线观测示意图

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[7]:

(1)往测:奇数站为后－前－前－后；偶数站为前－后－后－前。

(2)返测:奇数站为前－后－后－前；偶数站为后－前－前－后。

3.4 仪器的选择及外业测量

(1)仪器设备

仪器标准 表4

(2)外业测量

外业测量作为所有工作中关键的环节，也是最艰苦的环节，首先测量工作团队合作非常重要，测量人员都必须经过测量知识及外业操作必须注意的事项进行培训，且每次测量人员的任务必须固定以尽量地减少操作带来的系统误差。

根据前面选择的测量路线对观测标进行往返测量，站与站之间是奇偶站交替，这是为了避免系统误差，而全线选择往返测量是为了对观测值取平均值求中误差，我们每个点的观测值都必须满足上面提到的精度要求。

外业测量的频次是有一定要求的，必要满足在一定的时间内观测的有效数据频次要达到12次，这是为了能够有效地生成沉降曲线以达到对沉降结果的评估。

3.5 内业数据处理

内业数据处理是应用西南交大开发的评估软件，该软件按照《沪宁高速铁路线下工程沉降变形观测及评估实施细则》的有关规定进行外业测量质量控制检查。施工及监理单位可按照工区及作业区设置相应测量质量控制管理单元，施工单位自行检验处理时，可参考使用。

通过这个软件可以对测量的数据进行自动化处理、生成沉降曲线、对线下工程进行沉降评估，软件的最大优势就是可以通过数据库对沉降数据进行系统化的管理。

4 对沉降结果的分析

4.1 沉降观测数据

沉降观测数据处理和计算主要包括:沉降观测手簿的计算；沉降观测成果的质量评定(计算每千米或每测站水准测量偶然中误差)；沉降观测点每期沉降量、累计沉降量的计算和绘制p－T－S和U－T－S曲线；沉降趋势分析和预测；桥梁铺设时机的评估。

表5是沪宁高铁某工点沉降观测数据及其数据的分析结果。

沉降观测数据处理表 表5

从表5可知，测点在观测日期内符合沪宁高速铁路线下工程沉降变形观测及评估实施细则的要求，每个点的平均累计沉降量都小于10 mm且平均沉降速率都小于0.05 mm/d都满足工后沉降的要求，观测数据处于稳定的状态，在规定的观测时间内沉降值收敛和趋于稳定，观测数据波动量没有出现较大波动。

4.2 沉降观测评估[8]

沉降数据的分析方法包括线性回归分析法、曲线拟合，基本原理是运用最小二乘法，现利用的双曲线法是结合了回归分析法和曲线拟合法的优点，来对工程中某桥墩沉降观测进行评估。

双曲线方程为St＝S0＋t/a＋bt，Sf＝S0＋1/b式中，St为时刻t的沉降量；Sf为最终沉降量(t＝∞)；S0为初期沉降量(t＝0)；a，b为将荷载不再改变以后的实测数据经过回归求得的系数。沉降计算的具体顺序如下:

(1)确定起点时间(t＝0)，可取填方施工结束日为t＝0；

(2)就各实测值计算t/(St－S0)，如图3所示；

(3)绘制t与t/(St－S0)的关系图，并确定系数a和b，其中a，b是通过回归分析法求得，如图4所示；

(4)计算St；

(5)由双曲线关系推算出沉降－时间(S－t)曲线。

图3t/(St－S0)计算图

图4a，b参数计算图

4.3 沉降观测成果分析

在沉降观测过程中，沉降量与时间关系曲线不是单边下行光滑曲线，而是起伏状现象。对此进行分析和修正[1，8]:

(1)第二次观测出现回升，而以后各次观测又逐渐下降

原因:首次观测精度过低，若回升超过5 mm时，第一次观测作废，若回升5 mm内，第二次与第一次调整标高一致。

(2)曲线在某点突然回升或下降

原因:水准点或观测点被碰动，且水准点碰动后标高低于或高于碰前标高，观测点碰后高于或低于碰前。

处理措施:需要选取相邻另一观测点的相同期间沉降量作为被碰观测点的沉降量进行及时补测，若观测周期间隔太长才发现，补测后把本次沉降量当零处理。

(3)曲线在后期基本处于平稳状态偶尔呈现微小起伏(纵坐标最小刻度为0)现象

原因:观测后期，建筑物下沉极微或已接近稳定，在曲线上测量误差就比较突出处理措施:将呈现微小起伏的曲线改为水平线，后期提高测量精度等级，并适当延长观测间隔时间。

5 结 论

沉降观测工作在高铁建设中具有非常重要的意义，沪宁高铁设计速度为350 km/h，列车运营高平顺性、高舒适性、高稳定性、高安全性等需要一个坚实稳定的轨道基础，沉降观测工作正是对轨道基础稳定与否最直接的检测手段，所以做好沉降观测工作至关重要。

[1] 孙雅荣，吕品.浅谈高层建筑的沉降观测[J].测绘与空间地理信息，2006，29(6):104～106

[2] 汤志明.沪宁城际铁路新孟河特大桥线下工程沉降观测及注意事项[J].建筑与工程，2009(15):276

[3] GB 50026－2007.工程测量规范[S].

[4] GB12897－2006.国家一、二等水准测量规范[S].

[5] 中华人民共和国铁道部.客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规范[S].北京:中国铁道工业出版社，[2006]189号.

[6] 胡珂，熊春宝.建筑工程沉降监测若干问题探讨[J].测绘与空间地理信息，2007，30(2):119～121

[7] 李青岳.工程测量学[M].北京:测绘出版社，1993

[8] 丁愿文.京津城际铁路桥梁沉降观测与评估技术[J].中国工程科学，2009，11(1):44～47

Application of Subsidence Observation and Leveling Measurement in Hu－ning High－speed Railway

Li Cong1，Luo Manjian2，Pan Yuanjin1，He Meilin1
(1.College of Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.The bureau of surveying and mapping of Guangxi zhuang autonomous region，Nanning，530004，China)

In recent years，as China's fast and sustained economic growth it has become a trend to develop highspeed railway.In China，a few high－speed railways have been newly constructed，in which the measurement plays a decisive role.Based on the construction technology of Hu－ning inter－city railway，this paper analyses the heritage matters of internal and external settlement observation，combining with the application of subsidence observation in engineering.

Hu－ning inter－city High－speed railway；subsidence observation；leveling measurement；productional analysis

广州市城市规划勘测设计研究院获批设立“院士专家企业工作站”

(来源:http://www.gzpi.com.cn)

2011—03—08

李聪(1986－)，女，硕士研究生，主要研究方向:GPS与大地测量。

1672－8262(2011)05－129－04

TU433

B

近日，广东省科学技术协会公布了《关于在广州市城市规划勘测设计研究院等14家单位(企业)建立“院士专家企业工作站”的决定》(粤科协普[2011]36号)，广州市城市规划勘测设计研究院正式获批设立院士专家企业工作站，这是广州市城市规划勘测设计研究院坚持实施“科技兴院”发展战略取得的又一科技工作显著成果，将对该院搭建引进高层次人才新平台，解决高层次人才紧缺，推动跨越式发展产生积极的促进作用。