高速鐵路基礎(chǔ)變形測量技術(shù)體系探討

劉丙強

(中國鐵路總公司運輸局工務部，北京 100844)

高速鐵路對軌道幾何平順性以及路基、橋梁變形提出了更高的要求。經(jīng)過幾年的運營，華北平原、長江三角洲等地區(qū)出現(xiàn)的大面積基礎(chǔ)沉降給高速鐵路運營帶來了潛在危害。高速鐵路是大型線狀結(jié)構(gòu)，跨度大，沿線地形復雜，基礎(chǔ)變形分布廣且在發(fā)展過程中呈現(xiàn)不均勻性和階段性等特征［1］。因此，高速鐵路基礎(chǔ)沉降監(jiān)測十分重要。早期的常規(guī)人工測量技術(shù)工作量大，精度難以達到要求。伴隨著高速鐵路的發(fā)展，先進的測量技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，可用來及時掌握高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形情況。這樣可在設(shè)計、施工中及時處理沉降偏大的路基，以免留下隱患;而在運營階段，若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測沉降值異常，可以提前作出預警，防止出現(xiàn)安全事故［2］。由于各種方法的觀測范圍、對象、精度及周期有所不同，因此需要系統(tǒng)地研究各種方法的適用范圍及優(yōu)缺點，綜合應用，揚長避短，形成經(jīng)濟可靠的高速鐵路基礎(chǔ)變形測量技術(shù)體系。

1 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測內(nèi)容

施工階段的基礎(chǔ)變形觀測包括路基面、路基基底和路基本體沉降觀測［3］以及橋梁基礎(chǔ)沉降觀測。在運營階段，除對基礎(chǔ)進行長期監(jiān)測外，還要對軌道幾何尺寸如高低、軌向、三角坑等進行檢測。在建設(shè)及運營階段，對水位及孔隙水壓力進行監(jiān)測，可以預測地基沉降趨勢，對沉降監(jiān)測具有重要意義［4］。

2 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測方法及原理

高速鐵路沉降監(jiān)測范圍大，在不同階段監(jiān)測內(nèi)容和目的不同，所采用的監(jiān)測方式也是多樣的。為了能夠選出合適的監(jiān)測，需要對現(xiàn)有的沉降測量技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，掌握各種方法的觀測精度、觀測周期以及適用范圍。

2.1 常規(guī)監(jiān)測技術(shù)

監(jiān)測高速鐵路基礎(chǔ)沉降最常用的方法有路基沉降板法、變形觀測樁法、沉降水杯法以及路基、橋梁通用的電子水準儀等高精度儀器的高程測量法。按施測階段、施測目的及功能測控網(wǎng)可分為勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)。各階段高程控制網(wǎng)以線路水準基點控制網(wǎng)為基準。其優(yōu)點是控制網(wǎng)覆蓋了鐵路沿線，精度高，范圍廣。其缺點是需要定期維護，樁點保護困難、復測成本高，測量效率低，不能實現(xiàn)全天候測量等。以下詳細敘述各種常規(guī)檢測方法的原理及優(yōu)缺點。

2.1.1 沉降板法

沉降板法是一種簡單的沉降觀測方法，沉降板由鋼板、連接管和套護管組成。鋼板尺寸多為0.5 m×0.5 m×0.03 m，連接管一般采用直徑40 mm的鋼管，隨著路基不斷填高，連接管和套護管需要不斷加長。沉降板隨所在土層一起發(fā)生位移并帶動連接管，通過在地表測量連接管管口前后兩次高程差，可計算出沉降板處地基的沉降量［5］。沉降板法具有操作簡單，成本低等優(yōu)點，但其缺點也很明顯，如對施工有干擾，連接管很容易被撞壞。此外，受損后修復困難［6］。

2.1.2 變形觀測樁法

觀測樁采用圓形鋼筋，一般是在基床底層表面或基床表層表面填筑完成后，在表面埋設(shè)這種觀測樁，鋼筋頂部一般高出表面3～5 mm，用涂漆等方法進行防銹處理，靜置3 d即可進行觀測。變形觀測樁法操作比較簡單，但是只能測量路基表面沉降值，無法測定土體內(nèi)部的沉降，且對施工有一定的影響。

2.1.3 水準測量法

水準測量法是利用水準儀提供的水平視線，讀取豎立在兩點的水準尺上的讀數(shù)，計算兩點之間的高差，并由其中已知點的高程推算另一未知點的高程。該方法精度較高，但是需要人工觀測，工作效率低、強度大且受天氣、地形等的影響，因此一般只適用于小范圍測量［7］。

2.2 自動化監(jiān)測技術(shù)

自動化監(jiān)測是在變形變位的結(jié)構(gòu)物上布置傳感器，實現(xiàn)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、預警、發(fā)布等功能。目前使用較多的有單(多)點沉降計、磁環(huán)沉降儀、基于液位傳感器原理的光纖光柵式靜力水準儀、基于受激布里淵效應的全分布式布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)、基于重力加速度微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的光纖式電水平梁和陣列式位移傳感器(SAA)等。自動化監(jiān)測的優(yōu)點是測量精度高，可實時監(jiān)測，缺點是監(jiān)測范圍相對較小，初期成本相對較高。

2.2.1 單(多)點沉降計

單(多)點沉降計是地基深層沉降監(jiān)測常用儀器，由位移計、錨頭、法蘭盤、連接桿等組成，用來測量錨頭和沉降盤之間的壓縮變形。當?shù)鼗蛳伦冃螘r，法蘭盤與地基同步變形，使位移計中導磁體在磁感線圈內(nèi)產(chǎn)生相對滑移，通過人工采集或自動采集測出位移變形量，達到沉降檢測的目的。單(多)點沉降計測試精度高，可自動獲取數(shù)據(jù)并能進行遠程無線傳輸，適用于長期沉降監(jiān)測。但其安裝復雜，埋設(shè)時由于需要鉆孔，一次性投入的總體費用較高，受經(jīng)費限制往往不能大量設(shè)置。

2014年3月1日，云南昆明發(fā)生嚴重恐怖暴力案件，社會治安面臨嚴峻考驗。謝清森坐不住了，他接連幾天思考斟酌，總覺得應該也有能力為社會做點什么。

2.2.2 磁環(huán)沉降儀

磁環(huán)沉降儀由分層沉降管、波紋管、磁環(huán)和分層沉降儀組成。在路基中相應深度處安裝磁環(huán)，使得磁環(huán)與所在土層同步沉降，用分層沉降儀測量各磁環(huán)的位置，可分別計算各土層的沉降量。其優(yōu)點是操作簡單，缺點主要是影響施工，沉降管容易被機械撞壞。

2.2.3 光纖光柵式靜力水準儀

光纖光柵式靜力水準儀是基于連通器原理，將靜力水準儀的液位變化用光纖光柵的波長變化來反映，然后通過配套的解調(diào)儀來測量波長變化，從而得到高程變化的專用儀器［8］。試驗中用光纖光柵傳感器測量各個測點容器內(nèi)液面的相對變化，來得到各個測點相對于基準點的相對沉降量，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測站，經(jīng)解調(diào)后存儲于現(xiàn)場服務站［9］。為了進行溫度補償［10］，可以在同一根光纖等強度量的正反面刻上兩個光柵，將兩個波長的變化相減，從而起到消除溫度影響的效果。光纖光柵靜力水準傳感器可以實時監(jiān)測路基沉降，具有測量精度高，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點，但是安裝復雜，需要采用精密水準儀使監(jiān)測點、基準點標高一致。此外，光譜分析儀價格昂貴也是其主要缺點［11］。

2.2.4 全分布式布里淵光時域分析傳感系統(tǒng)

光在光纖中傳輸時，光纖內(nèi)部會產(chǎn)生微弱的聲波，光子與光纖中的聲子相互作用，形成與入射光存在一定頻率差的散射光，成為布里淵散射光。布里淵散射光與入射光的頻率差稱為布里淵頻移。若入射光子受激后釋放一個聲子并同時產(chǎn)生一個頻率較低的光子，稱為斯托克斯光;若入射光子吸收一個聲子后產(chǎn)生一個頻率較高的光子，則稱為反斯托克斯光。在頻譜上，斯托克斯光和反斯托克斯光分別位于入射光兩邊約11 GHz。光纖外界環(huán)境(變形)會使該布里淵頻移發(fā)生變化，而光纖中布里淵頻移和變形有對應的關(guān)系，于是可以根據(jù)這種對應關(guān)系得到變形的信息，這就是布里淵分布式光纖傳感器的原理。利用此原理，制造出布里淵光時域分析儀(BOTDA系統(tǒng))可以對大壩、路基等的變形進行監(jiān)測［12］。布里淵光時域分析儀檢測精度高，適合長距離傳感，但是存在功率不穩(wěn)定的問題，容易受到激擾。

2.3 InSAR測量技術(shù)

InSAR即合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)，是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉相位，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。InSAR技術(shù)所獲取的不是離散點的信息，而是大面積連續(xù)的地形信息。其具有全天候、全天時作業(yè)、測量結(jié)果覆蓋連續(xù)空間的優(yōu)勢。差分干涉測量技術(shù)(DInSAR)可對地表微量形變進行測量，所以D-InSAR形變監(jiān)測技術(shù)可用于幅員遼闊、自然條件復雜的高鐵變形監(jiān)測。

2.4 綜合檢測列車動態(tài)檢測技術(shù)

該技術(shù)是基于慣性基準的相對測量技術(shù)，可以檢測軌道的幾何尺寸，其中高低、軌向可實現(xiàn)最長波長120 m的檢測。其優(yōu)點是測量周期短(約10～15 d)，成本低，檢測速度快，覆蓋面廣，能快速發(fā)現(xiàn)軌道幾何尺寸變化的處所。其缺點是無法獲取絕對空間的軌道幾何尺寸，可測波長相對于基礎(chǔ)變形來說不夠長，不能實現(xiàn)全天候測量。

3 高鐵基礎(chǔ)變形監(jiān)測體系

為了發(fā)揮各種測量技術(shù)的優(yōu)點，彌補各自的不足，需要建立經(jīng)濟可靠的基礎(chǔ)變形監(jiān)測體系，以實現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形歷史數(shù)據(jù)的可追溯性。

在設(shè)計階段，InSAR測量技術(shù)可用于高鐵沿線的較低精度的沉降變形普查，以確定區(qū)域沉降范圍、差異沉降較大地段、沉降漏斗中心及新的沉降地段，還可對工后沉降進行長期跟蹤評估。由于SAR數(shù)據(jù)具有可追溯性，可保持高鐵建設(shè)前、建設(shè)中、運營后沉降數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對探索某一地域的沉降規(guī)律及發(fā)展趨勢，指導高鐵維護具有重要意義。D-InSAR測量技術(shù)還可擴展應用到高鐵沿線路塹邊坡及隧道邊仰坡變形監(jiān)測、新建道路識別等，有助于復雜地形條件下的高鐵周邊環(huán)境檢查。但是在InSAR測量技術(shù)的平面測量精度取得進展前，仍須應用常規(guī)測量技術(shù)對高鐵平面變形進行觀測。

在施工階段，主要采用精密水準測量方法。在需要實時監(jiān)測的地段可設(shè)置自動化監(jiān)測儀器，如光纖光柵式靜力水準儀、單點沉降計等。

在鐵路運營階段，使用綜合檢測列車的長波長檢測功能，可識別擬合半徑劣于允許豎曲線半徑的差異沉降和線路方向變化。其短周期、高精度檢查的優(yōu)點有效彌補了InSAR測量技術(shù)和常規(guī)測量技術(shù)的不足。綜合檢測列車數(shù)據(jù)可實現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試至運營后的追溯，結(jié)合作業(yè)記錄，可研究高鐵全線或某一區(qū)段軌道幾何尺寸(包括長波高低、長波方向)的變化規(guī)律。綜合檢測列車增加更高精度的慣性基準后，可大大提高其檢測波長和測量精度。在鐵路運營階段，有了InSAR測量技術(shù)的全面普查，常規(guī)測量技術(shù)可有針對性地對普查出來的區(qū)域沉降、新生沉降等地段進行高精度測量。在此基礎(chǔ)上，針對存在較大區(qū)域沉降、較大差異沉降等的重點區(qū)段采用GPS或靜力水準的測量方式，實現(xiàn)自動化監(jiān)測，及時反映運營鐵路的健康狀況，為行車安全提供信息保障［13］。這樣將大大提高觀測效率，降低觀測成本。

以上測量技術(shù)在經(jīng)濟技術(shù)上有很強的互補性。實際應用中，建議采用InSAR測量技術(shù)對高鐵沉降進行普查，用常規(guī)測量技術(shù)對區(qū)域沉降、新生沉降地段進行精密測量，采用綜合檢測列車檢測技術(shù)對差異沉降進行周期性檢查，用自動化監(jiān)測技術(shù)對差異沉降速率快的地段進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)全面普查與重點觀測相結(jié)合、靜態(tài)檢測與動態(tài)檢測相結(jié)合、定期檢測與實時監(jiān)測相結(jié)合、高精度與低精度測量技術(shù)合理搭配，從而建立高鐵經(jīng)濟技術(shù)合理的、可追溯的沉降測量技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 高速鐵路基礎(chǔ)變形測量技術(shù)體系

4 結(jié)語

高速鐵路基礎(chǔ)沉降變形主要是地基受到荷載作用后排出孔隙中的水和氣體而引起的，采用有效的水位監(jiān)測技術(shù)探索水位變化與地基沉降的關(guān)系，可以預測地基沉降趨勢，在開采地下水、礦引起的地基沉降監(jiān)測方面意義重大。

另外近景攝影測量、地面雷達跟蹤測量、GPS實時測量等是近期研究十分活躍的變形測量技術(shù)。這些在地面變形觀測和建筑物變形觀測等方面得到了成功應用，相關(guān)科研院校也進行了探索。這些新的測量技術(shù)將在高鐵基礎(chǔ)變形觀測方面得到廣泛應用。

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