京沪高速铁路线下工程沉降变形观测

京沪高速铁路线下工程沉降变形观测
彭建军

摘 要 ：京沪高速铁路采用无碴轨道结构，要求线下工程工后沉降和差异沉降必须满足铺设无碴轨道的需要，而变形观测及其分析评估作为沉降控制的核心和关键，是判定线下工程工后沉降是否达到设计预期值的唯一依据，也是决定无碴轨道铺设时间的关键。本文介绍了京沪高速铁路线下工程沉降变形观测方法，阐述沉降变形观测常遇问题和处理措施。
关键词：测量实施技术 测量技术要求 外业测量 内业处理 异常情况

1、 工程概况、DK1110+020～DK11129+651.38段内共有4座桥梁，分别为张巷特大桥（43个墩台）、颜巷大桥（11个墩台）、丹阳至昆山特大桥：九曲河桥段（342个墩）、常州西桥段（175个墩），两段路基（计1046.12米）、丹阳北站（计880米）、10个框架涵洞。其中九曲河桥段91～94＃墩为三联跨九曲河悬臂梁施工（40+56+40m），九曲河桥段136～137＃墩为100m提篮拱，采用先梁后拱的现浇施工工艺施工，跨越S122国道，跨迎宾路、跨机场路及跨窦浦路现浇梁施工，共计2720个观测标。
2、 技术要求：本工区线下工程沉降变形观测工作分为桥梁、路基、涵洞的垂直位移观测。
（1）沉降变形测量等级及精度要求
本线沉降变形测量等级及精度要求按下表规定执行：
沉降变形测量等级 垂直位移测量
沉降变形点的高程中误差（mm） 相邻沉降变形点的高程中误差（mm）
三等 ±1.0 ±0.5
（2）沉降变形观测网主要技术要求及建网方式
垂直位移检测网主要技术要求按下表进行
等级 相邻基准点高差中误差（mm） 每站间高差中误差（mm） 往返较差附合（mm） 检测已测高差较差（mm） 使用仪器、观测方法及要求
三等 1.0 0.3 4
0.8
DS05或DS1型仪器，按《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》二等水准测量的技术要求
（3）垂直位移监测网建网方式
线下工程垂直位移监测一般按沉降变形等级三等的要求（国家二等水准测量）施测，根据沉降变形测量精度要求高的特点，以及标志的作用和要求不同，垂直位移监测网布设方法分为三级：
1）基准点。使用全线高程控制测量设置的基岩点、深埋水准点；
2）工作点。工作点在观测期间应稳定不变，作为测量沉降变形点高程的传递点，工作点以设计院提交的二等水准点为准，当密度不足时，按照国家二等水准测量的技术要求进行加密，加密后的工作点间距一般控制在200m左右，以满足工点垂直位移监测的需要。
3）沉降变形点。直接埋设在待测定的沉降变形体上。要求设置牢固，便于观测，沉降变形点按路基、桥涵等各专业要求布设。
监测网由于自然条件的变化，人为破坏等原因，不可避免的有个别点位会发生变化。为了验证监测网点的稳定性，应对其进行定期检测，一般每季度进行一次复测。
3、测量实施技术:
本管段垂直变形监测工作点（设计院提交的）11个，加密二等水准点103个，共有工作点114个，点间距大致200米左右。
1、 观测点的布置原则：
1.1 一般路堤地段设计观测断面包括沉降观测桩和沉降板，沉降观测桩在路基填筑完成后在路基面设置，每断面设置3个，布置于双线路基中心及左右线中心两侧各2m处；沉降板每断面设置1个，置于双线路基中心基底的砂垫层上，随着路基填筑分段接长至路基面顶。
1.2 预压地段，路基顶面沉降观测应在预压土方底部（基床底层顶面）布置沉降观测元件，即在基床底层顶面临时布置沉降板、临时路面观测分段引至预压土顶，约高过预压土顶0.2M，方便外业观测，预压土卸除时临时沉降板及临时路面观测随之拆除，基床表层施工完后，在路基面上设置正式沉降观测桩。
1.3 路堑地段观测断面分别于路基中心，左右中心线以外2m的路基面处各设1根沉降观测桩，观测路基面的沉降。
1.4 深厚层地基分层沉降监测：深厚层第四系土层地段、软土地段的桥路过渡段及不同地层结构附近设置。采用机动钻孔（Φ108mm）引孔埋设PVC管（Φ49mm）和沉降磁环，利用电磁式深层沉降仪进行观测。分层设置，厚度大于3m时，每3m增设一组。
2、 观测元件的埋设：
2.1沉降观测桩
选择Φ20mm钢筋，顶部磨圆并刻画十字线，底部焊接弯钩，待基床表层级配碎石施工完成后，在观测断面通过测量埋置在设计位置，埋置深度不小于0.3m，桩周0.15m用C15混凝土浇筑固定，完成埋设后测量桩顶标高作为初始读数。由于堆载预压速度快，观测桩数量比较多，每一根要按规范埋设，埋设好后在预压土顶上面预留20cm左右，用砖块围好，并做好该观测标表示，便于是观测时录入正确观测点号。
2.2沉降观测板
1）由钢板、金属测杆（φ20镀锌铁管）和保护套管（φ49 PVC管）组成，钢筋混凝土底板尺寸50cm×50cm×0.8cm或钢底板30cm×30cm×0.8cm，测杆采用，垂直焊接固定在底板中心，接头方式采用管箍连接，测杆每节接高长度不超过0.5米。安装保护套管采用，测杆略高于套管顶，便于观测。
2） 沉降板在设计位置埋设，埋设时要注意底板放置水平，可以在埋设位置处可垫10cm砂垫层找平，埋设时确保测杆与地面垂直， 埋设完毕后，及时测量沉降板测杆杆顶标高读数作为初始读数。
3)、测量方法、精度
DK1111+351.28~DK1111+540.87段路基拟采用以下三个工作点进行观测，DK1111+857.43~DK1112+722.96段路基拟采用以下七个工作点进行观测,采用附合水准线路及“五固定”方法进行外业施测，首次观测必须采用往返观测，测量方法与精度均严格按二等水准测量规范要求操作。经过356天76次观测DK1112073沉降板沉降变形观测曲线如下：
 

1.5车站观测标埋设：因股道布设情况较为复杂，以两侧分别有两条到发线为代表，其余情况可类似处理。在两股道线间埋设沉降板，在股道中心埋设观测桩，水准路线如下：

2.3沉降观测
1.1观测点布置
1）承台观测标设2个，承台标－1设置于底层承台左侧小里程角上，观测标－2设置于底层承台右侧大里程角上。
2）桥墩观测标设在墩身上，每墩数量为2个，为了测量时便于观察标尺水准泡是否居中桥墩观测标一般设置在墩底高出地面或水位0.5m左右，观测标端头打磨成球冠型的埋设时与桥墩成90°，预留1cm左右在外面并用锚固剂锚固好观测标，墩身观测标埋设的好坏直接影响观测进度、观测质量及精度，因此必须严格按要求埋设，不合格的予以返工，确保每次立尺是在同一个点。当墩身高不足4米时观测标可设置在对应坑身埋标位置的顶帽上，特殊情况可按照确保观测精度、观测方便、利于测点保护的原则，确定相应的位置。
3）桥台沉降观测点应设置台顶（台帽及背墙顶），数量为4个，分别设在台帽两侧及背墙两侧（横桥处）。
4）涵洞沉降观测点应设置6个点，涵洞进出口处设在帽石上，中心点设在两侧边墙上，涵洞(框构)顶填土沉降的观测应与路基沉降观测同步进行，涵洞(框构)中心处观测标在路基填筑后无法观测时，可布置沉降板引至路基面进行观测,沉降板的结构形式及埋设方式同路基.
5)观测方法
普通桥梁墩台的沉降观测工作一般采用附合水准线路按二等水准测量的精度要求进行观测，严禁采用单点闭合线路，在施测过程中为了将观测中的系统误差减到最小，达到提高精度，必须执行沉降观测工作“五固定”，即固定水准基点、工作基点，固定人员，固定测量仪器，固定监测环境条件，固定测量路线和方法。特殊结构物如九曲河桥段水中墩的沉降观测工作则采用在承台顶围着墩柱搭设钢管支架，再从河岸铺设木板到钢管支架立尺，仪器架设在河岸上按二等水准测量要求进行观测，水准基点每隔1个月与相邻水准基点进行连测。
6）观测线路
桥梁墩台水准路线观测按二等水准测量精度要求形成闭合水准路线，沉降观测点位布设于墩台两测，水准路线观测示意图如下：
 

2.4过渡段
桥涵两端的过渡段及堑堤过渡段均需进行沉降观测。
1、埋设要求
（1）过渡段考虑线路纵向平顺性和不同结构物差异沉降的观测，不同结构物起点处、距起点5～10m、20～30m处分别按设计要求设置观测断面。每个横向结构物每侧各设置一个沉降板及沉降观测桩，并增加观测频次。
（2）过渡段观测点设置参照路堤。
2、观测方法、精度观测方法、精度及频次同路基。
5、测量技术要求
（一）、基本要求
1．水准基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以资校核。
2．每次观测前，对所使用的仪器和设备应进行检验校正，并保留检验记录。
3．每次沉降变形观测时应符合，禁止使用单点闭合：
1）严格按二等水准测量规范的要求施测。首次观测每个观测标往返测并进行两次读数。
2）为了将观测中的系统误差减到最小，达到提高精度的目的，各次观测应使用同一台仪器和设备，必须按照固定的观测路线和观测方法进行，观测路线必须形成附合，使用固定的工作基点对应沉降变形观测点进行观测，实行“五固定”即固定水准基点、工作基点，固定人员，固定测量仪器，固定监测环境条件，固定测量路线和方法。
4）观测时要避免阳光直射，且在基本相同的环境和观测条件下工作。
5）成像清晰、稳定时再读数。
6） 随时观测，随时检核计算，观测时要一次完成，中途不中断。
7） 对工作基点的稳定性要定期检核，在雨季前后要联测，检查水准点的标高是否有变动。
8） 数据计算方法和计算用工作基点一致。
9）测段观测完成后数据后及时处理、整理并形成正式资料。
10）当发生沉降监测数据出现异常及时自查，重测并分析工作基点和稳定性，必要时联测基准点进行检测。
（二）具体要求
1．水准网的观测按照国家二等水准施测，采用单路线往返观测。每次观测均形成闭合检验条件。
2．水准仪使用精度高于DS1型的仪器，仪器及配套水准尺均应在有效合格检定期内。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，不满足要求的在现场进行提示并重测。
3．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/T 12897-2006）有关要求执行。观测时，视线长度≤50m，前后视距差≤1.5 m；前后视距累积差≤6.0 m；视线高度≥0.5m；测站限差：两次读数差≤0.4mm，两次所测高差之差≤0.6 mm，检测间歇点高差之差≤1.0 mm；观测读数和记录的数字取位，使用数字水准仪读记至0.01mm。
4．观测时，按后-前-前-后、前-后-后前的顺序进行。
5．每一测段均为偶数测站。扶尺时借助尺撑，使标尺上的气泡居中，标尺垂直。
6．观测前30min，将仪器置于露天阴影处，使仪器与外界气温趋于一致；对于数字式水准仪，进行不少于20次单次测量，达到仪器预热的目的。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%。观测时用测伞遮蔽阳光，对于电子水准仪，施测时均装遮光罩。
7．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三个位置，一般为接近一条直线。
8．观测过程中为保证水准尺的稳定性，选用2.5kg以上的尺垫，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。
5、外业测量
1、全线约20km分为2个测量小组，各组负责约10km ，各组人员、仪器及观测区段固定。
2、观测点号录入，京沪全线所有测点编号都是唯一的，即连续里程+英文字母（C、D、L、H）+数字（1、2），C代表承台，D代表墩柱，L代表沉降板，H代表涵洞和框架小桥，1代表线路左侧观测标，2代表线路右侧观测标。现场观测点号输入时为提高工作效率，观测标点号录入简化A表示承台1号点观测标（小里程左下角），B表示承台2号点观标（大里程右上角），E表示桥墩台左边观测标，F标示桥墩台右边观测标，然后录入相对应简化桥名和桥墩好即可，例如：九曲河特大桥136号墩设计测点编号为1117178C1、1117178C2、1117178D1、1117178D2，分别简化为测量编号AJ136、BJ136、EJ136、FJ136，1112073L沉降板简化为L9（即沉降板代号+第几个沉降板），这样现场录入测量编号简单、方便、形象，也不容易出错，只是在内业处理时要建一个设计测点编号与现场测量编号相对应的“文件名.dyb”文件。
3、测量标尺平稳性决定测量质量好与差，在工作基点和转点使用撑杆扶尺，保证仪器读数时条码尺的垂直与稳定性。
4、闭合差过大测量数据不合格，按规范是4√L ,但在实际测量若附合闭合差大于3.2√L ，平差后的偶然中误差大于1 ，数据作废重测，据经验闭合差±1.5mm以内能保证数据平差后偶然中误差小于1 。
5、外业测量若有观测标被埋必须用人工小心挖出来，避免观测标被碰触，影响观测标的稳定性，丢失的及时补上并按首次观测要求测量。
6、架梁前后荷载变化大，沉降量变化也大，应相应增加观测频次，架设前一次，架设后前三天每天一次，后三次每三天一次，发现有突变异常应及时上报监理、评估单位及设计单位，没有再按正常频次一周一次。
5、内业数据处理及文件管理
1、数据处理采用专门平差及评估分析软件
2、所有当天外业数据应及时处理，发现问题及时反馈、分析、解决，找不出原因时该重测就重测，确认数据正确无误后进行录入并按要求分门别类进行电子归档。
3、用记事本建立所有工作基点名与相对应高程文件，命名为“文件名.BM1”。用记事本建立测量编号与相对应测点编号文件，命名为“文件名.dyb”。处理数据自动读入所有工作基点点号和高程，避免单个点录入出错。
4、用EXCEL编制观测断面与观测点工程属性信息表，按要求录入到软件中。
5、平差后若偶然中误差较大检查测量点号是否有重复，工作基点测量录入是否正确，工作基点有误会在平差后的OUR文件中出现。
6、录入平差结果，检查波动是否有大于±1mm ，即时将信息返回测量小组重测。
7、处理后数据要检查两个观测标沉降量与沉降曲线是否大致相同，两观测标的沉降量不大于±1mm 。
8、整个线路沉降观测数据文件数量多，按要求命名、保存、备份文件。
7、异常情况分析
1、闭合差超限
1）检查各项外业操作是否规范。
2）对仪器、条码尺进行检查和校正。
3）可能是由于水准基点被破坏或其自身的沉降引起，应对水准基点进行联测，并至少联测三个以上稳定的水准基点加以校核，此类情况应及时重埋水准基点待稳固后复测，再采用新成果进行数据处理。
2、断高是观测标被破坏重埋的原因，无法得知本次沉降量，把本次沉降量作为零处理。异常情况要建立独立的沉降异常表，以便评估单位查询评估。
3、上拱过大、下沉过大
1） 由于水准点复测后工作基点高程变化引起的，此类按转标即本次沉降量为零处理，或者根据评估单位提供修正值计算方法进行改正。
2） 一个符合线路内个别观测点在没有外加荷载时出现上拱或下沉过大，则是由于观测标被破坏或者被碰撞过，应对相应观测标进行重埋后及时观测，数据按断高处理。
结束语：本文根据京沪高速铁路DK1110+020~DK1129+651现场实标情况，详细阐述了沉降观的测量技术、内业处理、观测中常遇到的问题及处理情况。对于管段内没涉及到的其它沉降观测具体问题，其方法还得值得探索。