武咸城際鐵路線下工程沉降評(píng)估技術(shù)

花向紅，閔 軒，楊榮華，葉珉?yún)?/p>

（1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢大學(xué) 災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治研究中心，湖北 武漢 430079）

高速鐵路是現(xiàn)代化鐵路的重要標(biāo)志，集中體現(xiàn)了當(dāng)代高新技術(shù)的發(fā)展成果，代表著鐵路的發(fā)展方向。我國(guó)城際鐵路（客運(yùn)專(zhuān)線）大量采用無(wú)碴軌道，其突出特點(diǎn)就是高平順性和高精度。然而，無(wú)砟軌道對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和基礎(chǔ)的沉降十分敏感，其永久變形只能通過(guò)調(diào)整扣件才能恢復(fù)軌道的幾何形狀，但扣件的調(diào)整量非常有限，只能靠嚴(yán)格限制線下工程的沉降量來(lái)解決。因此，城際鐵路對(duì)路基、橋涵、隧道等線下工程的工后沉降提出了十分嚴(yán)格的要求，必須嚴(yán)格控制線下構(gòu)筑物的沉降和不均勻沉降。不均勻沉降或沉降量超限會(huì)導(dǎo)致軌道板開(kāi)裂，發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量事故。因此，線下構(gòu)筑物的沉降觀測(cè)工作至關(guān)重要，并且要求沉降觀測(cè)的數(shù)據(jù)真實(shí)反映實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)綜合分析評(píng)估，分析、推算出最終沉降量和工后沉降，以此判斷是否滿(mǎn)足無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件，合理確定無(wú)砟軌道開(kāi)始鋪設(shè)時(shí)間，確保城際鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)質(zhì)量。

1 線下工程工后沉降評(píng)估程序

沉降變形觀測(cè)分析評(píng)估是確保城際鐵路軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。沉降評(píng)估前，首先由施工單位建立沉降變形觀測(cè)網(wǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行沉降觀測(cè)，通過(guò)大量觀測(cè)資料，進(jìn)行曲線回歸，預(yù)測(cè)其沉降發(fā)展規(guī)律，并提交線下工程沉降觀測(cè)工作報(bào)告。監(jiān)理單位在整個(gè)施工過(guò)程中需要對(duì)沉降基準(zhǔn)控制網(wǎng)中的水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際檢查和抽查測(cè)量記錄、閉合差是否符合規(guī)定，此外還應(yīng)進(jìn)行平行觀測(cè)。對(duì)沉降基準(zhǔn)控制網(wǎng)進(jìn)行10%的核查，對(duì)施工單位沉降變形觀測(cè)點(diǎn)，按照一定比例獨(dú)立進(jìn)行檢測(cè)，并提交線下工程沉降觀測(cè)監(jiān)理評(píng)估報(bào)告。

評(píng)估單位根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及各單位提供的報(bào)告進(jìn)行沉降分析，并提交線下工程無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估報(bào)告。最后由建設(shè)、評(píng)估、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工組成的沉降評(píng)估組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及各單位提供的報(bào)告進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)線下工程沉降滿(mǎn)足無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件后可以進(jìn)行無(wú)砟軌道的施工。

1.1 沉降變形觀測(cè)方案

根據(jù)城際鐵路線下工程情況，首先布設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)、工作基點(diǎn)和沉降觀測(cè)點(diǎn)。在沿線施工已設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)基礎(chǔ)上，按距離不大于1km增設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，水準(zhǔn)基點(diǎn)應(yīng)設(shè)在變形區(qū)以外的巖石或原狀土層上，亦可利用穩(wěn)固的建筑物、構(gòu)筑物設(shè)立水準(zhǔn)點(diǎn)。每個(gè)獨(dú)立的觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)設(shè)置不少于3個(gè)穩(wěn)固可靠的水準(zhǔn)基點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）。為滿(mǎn)足沉降變形觀測(cè)精度要求，在兩水準(zhǔn)基點(diǎn)之間沿線路方向按間距不大于200m、距路基中心距離小于100m布設(shè)工作基點(diǎn)。工作基點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在不受施工干擾的穩(wěn)定土層內(nèi)，以便長(zhǎng)期保存和使用的地點(diǎn)。沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)以反映沉降變形特征和明顯變形的部位為原則，其點(diǎn)的個(gè)數(shù)及位置根據(jù)設(shè)計(jì)有關(guān)要求，布設(shè)各類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。然后，建立沉降變形觀測(cè)網(wǎng)和變形觀測(cè)點(diǎn)，變形觀測(cè)網(wǎng)按三等變形測(cè)量等級(jí)技術(shù)要求建立（即國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量），形成沉降基準(zhǔn)水準(zhǔn)網(wǎng)。沉降變形觀測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量采用二等變形觀測(cè)測(cè)量技術(shù)要求（即國(guó)家一等精密測(cè)量），形成附合和閉合水準(zhǔn)路線。觀測(cè)網(wǎng)中，工作基點(diǎn)應(yīng)定期與水準(zhǔn)基點(diǎn)進(jìn)行校核。當(dāng)對(duì)沉降觀測(cè)成果發(fā)生懷疑時(shí)，應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)校核。

為了保證監(jiān)測(cè)精度，采取“三固定”措施：即觀測(cè)人員、儀器設(shè)備和觀測(cè)路線三固定。觀測(cè)工作使用電子水準(zhǔn)儀（如DNA03、DINI03等），并使用受環(huán)境及溫差變化影響小的高精度銦鋼水準(zhǔn)尺。使用的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備經(jīng)過(guò)計(jì)量檢定合格，并處于有效期內(nèi)。觀測(cè)人員經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)及技能培訓(xùn)，熟練掌握儀器的操作規(guī)程，能針對(duì)工程特點(diǎn)、具體情況采用不同的觀測(cè)方法及觀測(cè)程序，對(duì)觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題能分析原因并正確運(yùn)用誤差理論進(jìn)行平差計(jì)算及時(shí)準(zhǔn)確地完成每次觀測(cè)任務(wù)。觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，特別是首次觀測(cè)必須在結(jié)構(gòu)物具備觀測(cè)條件下第一時(shí)間觀測(cè)初始值。其他各階段的測(cè)量，根據(jù)工程進(jìn)展情況定時(shí)進(jìn)行，不得漏測(cè)或補(bǔ)測(cè)。觀測(cè)路線應(yīng)保證各次觀測(cè)均沿統(tǒng)一路線進(jìn)行，觀測(cè)過(guò)程中，注意記錄荷載的變化，以便幫助分析結(jié)構(gòu)變形變化和數(shù)據(jù)異常點(diǎn)情況。

當(dāng)沉降變形觀測(cè)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)分析原因。當(dāng)沉降曲線在中間某點(diǎn)突然抬升，分析水準(zhǔn)點(diǎn)或觀測(cè)基點(diǎn)可能發(fā)生變化，前后聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，使用修正值繼續(xù)觀測(cè)，中間某次由于測(cè)量誤差引起曲線突然抬升或下降，第二次測(cè)量曲線下降或抬升回歸到原有的曲線狀態(tài)，處理方法為刪除前一次測(cè)量結(jié)果，并做好異常情況記錄。

1.2 線下工程沉降評(píng)估方法

目前，線下工程工后沉降還沒(méi)有一種可靠的理論方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，一般只能通過(guò)對(duì)軌道鋪設(shè)前線下工程沉降過(guò)程的觀測(cè)，然后利用沉降觀測(cè)資料推算后期沉降量（包括最終沉降量），從而根據(jù)沉降變形預(yù)測(cè)結(jié)果推斷預(yù)計(jì)鋪設(shè)無(wú)碴軌道的時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果不能滿(mǎn)足需要時(shí)，確定應(yīng)采取的技術(shù)對(duì)策。同時(shí)，對(duì)于特殊工點(diǎn)可繼續(xù)預(yù)測(cè)無(wú)碴軌道運(yùn)營(yíng)后可能的沉降變形趨勢(shì)，確定相應(yīng)的維修預(yù)案。

目前，運(yùn)用于城際鐵路線下工程沉降預(yù)測(cè)評(píng)估的方法較多，常用的沉降評(píng)估預(yù)測(cè)方法有雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法、皮爾曲線等，而每種預(yù)測(cè)方法均有一定的適用范圍，需結(jié)合線下工程不同結(jié)構(gòu)物、不同工況和不同地質(zhì)條件下的沉降觀測(cè)情況，選擇合適的預(yù)測(cè)方法。本文主要介紹雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法、皮爾曲線法等4種預(yù)測(cè)方法。

1.2.1 雙曲線法

雙曲線法認(rèn)為沉降量與時(shí)間成雙曲線規(guī)律變化，其基本方程為

式中：S0為t0時(shí)刻的沉降量，St為t時(shí)刻的沉降量，α，β為待定參數(shù)。將式（1）進(jìn)一步改寫(xiě)為

由式（2）可以看出，α，β分別為（t－t0）/（St－S0）對(duì)應(yīng)（t－t0）直線方程中的截距和斜率，用圖解法可以得到α，β，然后代入式（1），可以預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的沉降量。

1.2.2 指數(shù)曲線法

指數(shù)曲線的基本表達(dá)式為

式中：a，b均為待定參數(shù)，t為時(shí)間，St為t時(shí)刻的沉降量，S∞為最終沉降量，求解方法：分別取t1，t2，t3對(duì)應(yīng)的沉降量為S1，S2，S3；其中t2－t1＝t3－t2＝t0，則有

由式（4）可得

將確定的參數(shù)代入式（3）就可推出任意時(shí)刻的沉降量。

1.2.3 星野法

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值證明了總沉降量與時(shí)間的平方根成正比

式中：a，b為待定參數(shù)，t為時(shí)間，St為t時(shí)刻的沉降量，S0為t0時(shí)刻的沉降量，式（6）可以變形為

由式（7）可以看出，1/a2b2和1/a2分別是（tt0）/（St－S0）2對(duì)應(yīng)（t－t0）直線，同樣可以用類(lèi)似雙曲線求解方法得到a，b的值，代入式（6）可以預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的沉降量。

1.2.4 皮爾曲線法

皮爾曲線預(yù)測(cè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：C，a，b為待定參數(shù)，本文采用等時(shí)距皮爾曲線模型的求解方法，過(guò)程如下：

將沉降時(shí)間序列中的數(shù)據(jù)項(xiàng)分為3段，每段項(xiàng)數(shù)為r，那么第1段為t＝1，2，…，r，依次類(lèi)推，設(shè)Y1，Y2，Y3分別為這3段內(nèi)各項(xiàng)數(shù)值的倒數(shù)和，即有

將式（8）改寫(xiě)成倒數(shù)形式為

則有

于是各參數(shù)的計(jì)算公式為

將參數(shù)代入式（8）就可以預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的沉降量。

2 實(shí)際評(píng)估與分析

武咸城際鐵路位于湖北省南部，北連“九省通衢”武漢，南接鄂南著名的生態(tài)城市咸寧，自武漢樞紐武昌站引出，途經(jīng)東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、廟山經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、江夏區(qū)紙坊鎮(zhèn)、于賀站進(jìn)入咸寧市境內(nèi)。全線運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度90.12km，新建正線長(zhǎng)度77km，其中武漢市境內(nèi)長(zhǎng)51.6km，咸寧市境內(nèi)長(zhǎng)25.4km，正線部分均為無(wú)砟軌道。

武咸城際鐵路沉降變形評(píng)估，根據(jù)各標(biāo)段實(shí)際情況，分段進(jìn)行評(píng)估。首先由施工單位提交沉降變形評(píng)估申請(qǐng)表及評(píng)估資料，監(jiān)理單位提交平行觀測(cè)評(píng)估資料。評(píng)估單位根據(jù)提交的資料進(jìn)行評(píng)估分析，通過(guò)專(zhuān)業(yè)沉降評(píng)估軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，并批復(fù)評(píng)估報(bào)告。

限于篇幅，這里給出武漢至江夏區(qū)紙坊鎮(zhèn)測(cè)量與評(píng)估部分結(jié)果，該段正線線路長(zhǎng)14.782km，聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)1.88km。由于該段離主城區(qū)很近，設(shè)計(jì)大多數(shù)采用橋梁架設(shè)。有砟雙線橋梁累計(jì)長(zhǎng)2.38km，單線1.38km；無(wú)砟雙線橋梁12.1km；無(wú)砟路基0.58km，隧道0.207km。評(píng)估方法采用雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法、皮爾曲線對(duì)沉降實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)。分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)的具體依據(jù)是《客運(yùn)專(zhuān)線鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》（鐵建設(shè)［2006］158號(hào)）和《武漢城市圈城際鐵路沉降變形觀測(cè)實(shí)施細(xì)則》。代表性沉降曲線如圖1所示。評(píng)估區(qū)段橋墩觀測(cè)標(biāo)觀測(cè)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)估區(qū)段橋墩觀測(cè)標(biāo)觀測(cè)情況統(tǒng)計(jì)

圖1 沉降曲線

評(píng)估數(shù)據(jù)顯示，評(píng)估區(qū)段完成后波動(dòng)值均在0～3mm之間，架梁后沉降增量在－1～2mm之間，該區(qū)段所有測(cè)點(diǎn)最后四期沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)未見(jiàn)持續(xù)下沉。直接判斷處于穩(wěn)定階段。

利用DK014＋455.090橋墩左前16期數(shù)據(jù)對(duì)后6期沉降量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，4種預(yù)測(cè)模型曲線回歸的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到95%以上，4種模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較見(jiàn)表2，沉降預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖2。

表2 4種模型預(yù)測(cè)比較 mm

圖2 沉降預(yù)測(cè)曲線

從表2和圖2可以看出，4種模型擬合的效果都不差，從結(jié)果的比較來(lái)看，指數(shù)曲線法和皮爾曲線法較雙曲線法和星野法更貼近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且皮爾曲線的相關(guān)系數(shù)較其他3種方法更接近1，所以，采用皮爾曲線法預(yù)測(cè)更為合適。

由采樣數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)分析，可以得出以下結(jié)果：

1）變形觀測(cè)不少于6個(gè)月，且在主體完工后超過(guò)3個(gè)月的時(shí)間里，橋墩并無(wú)異常波動(dòng)，其沉降幅度在3mm以?xún)?nèi)，沉降增量在－1～2mm之內(nèi)。

2）根據(jù)荷載情況和觀測(cè)數(shù)據(jù)，回歸計(jì)算相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.95。

3）主體完成到目前為止，觀測(cè)變形達(dá)到預(yù)測(cè)變形的75%以上。

4）最后4期觀測(cè)數(shù)據(jù)（且觀測(cè)時(shí)間不少于1個(gè)月）未出現(xiàn)連續(xù)下沉情況，可判斷為已進(jìn)入穩(wěn)定期。

因此，橋墩的沉降滿(mǎn)足底座板的鋪設(shè)要求，可以進(jìn)行底座板的鋪設(shè)施工，后期還需要繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，為后期軌道板施工做準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

沉降變形觀測(cè)與評(píng)估是確保城際鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)，是保證高速列車(chē)長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。制定科學(xué)的沉降觀測(cè)實(shí)施方案和建立科學(xué)的分析評(píng)估系統(tǒng)，綜合考慮沿線路方向各種結(jié)構(gòu)物間的沉降變形關(guān)系，對(duì)于不同的線下結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采取多種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)工后沉降的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。合理確定城際鐵路無(wú)砟軌道開(kāi)始鋪設(shè)時(shí)間，是城際鐵路無(wú)砟軌道成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。并且需要建立一套科學(xué)合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和管理模式，從制度上保證沉降評(píng)估工作的規(guī)范性、高效性和科學(xué)性。

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