客运专线准确反映结构物沉降方法的探讨

客运专线准确反映结构物沉降方法的探讨

张永俊吴晓明

中交一公局第六工程有限公司天津塘沽300450

摘要：客运专线高速行车要求高平顺性和舒适性，因此客运专线对结构物的沉降要求非常严格，不均匀沉降或沉降量超限会导致轨道板开裂，发生严重的质量事故，下面就根据个人在客运专线沉降观测实践中积累数据和经验对准确反映结构物沉降方法做简要讨论，以确保客运专线高平顺性和舒适性的实现。

关键词：客运专线沉降观测方法数据处理探讨

1、沉降观测的重要性

工程测量是土木工程中一项不可缺少的部分，是工程的眼睛。而客运专线对测量等级和精度要求更为严格。其中，外业沉降观测和正确的数据处理是客运专线中必要的一项评估环节，对于客运专线高平顺性和舒适性的实现起着举足轻重的作用，因此，如何准确真实地反映线下构筑物的沉降至关重要。

客运专线要求轨道的高平顺性，而高平顺性的轨道是依托在高平顺性的线路空间曲线的基础上的。相对于有碴轨道，无碴轨道对结构的刚度、基础的沉降更加敏感。无碴轨道的永久变形只能通过扣件进行调整以恢复其正常的轨道几何形状。对于调高量为30mm的扣件，如果容许在施工中调高+6mm和-4mm，则剩余20mm可以调整，考虑轨道结构变形须留5mm的余量，则留给运营期间考虑的沉降值(即工后沉降)仅为15mm。因此，需要严格限制沉降量和沉降差。由于沉降计算理论存在一些不确定的因素，且估算值与实际沉降量存在差异，所以，工后沉降的预测应以施工中的沉降观测为主，根据实测数据进行理论分析、修正计算、预测工后沉降量。为保证有效的控制精度，应进行系统的观测与分析评估。沉降观测的目的是观察沉降瞬间演变、荷载和绝对沉降本身之间的相互关系，以便于进行沉降量和工后沉降的预测。因此，准确反映线下结构物的沉降是下一道工序进行的前提。是工程顺利竣工的纽带和桥梁。沉降观测，首先应该建立变形监测网，当桥梁承台、墩身施工完成后，在结构物上适当位置安装观测标，并利用精密水准仪定期按照国家二等水准的要求进行观测。把每次测量的数据平差整理归档，并将数据采用相关软件处理形成沉降曲线。分析对照每期的沉降值和沉降曲线，直到沉降收敛趋于稳定后，整理相关资料请评估单位进行分析评估，评估结果合格后方可进行下道工序的施工。以上可以看出，准确反映结构物沉降的重要意义，而内业处理与外业的数据采集的准确性显得尤为重要。

2、准确反映结构物沉降的方法

控制点的稳定布设是准确监测结构物沉降的前提，在外业数据采集前建立基准网是必要的并且要按相关规范布置。

2.1、沉降观测基准网建立

2.1.1.科学合理的布置控制网可减小测量误差提高测量精度，准确真实反映结构物的沉降，因此，基准网的建立尤为重要。

2.1.2.基准网的建立、精度要求等应符合《客运专线无碴轨道铁路工程测量技术暂行规定》的要求，建网时一次成型，避免基准点间的误差提高基准点的控制精度。

2.1.3.基准点：可利用设计提供的沿线二等水准基点为基准点，根据需要也可以独立建网，独立网应不少于3个稳固可靠的基准点且其间距不宜大于1km。

2.1.4.工作基点：条件合适时，直接以二等水准网基准点为工作基点；观测条件不满足要求或不方便时，可埋设加密点为工作基点,工作基点间隔一般为300米左右。加密工作基点应与CPⅠ、CPⅡ及深埋水准点连测，观测方法及精度按国家二等水准测量的要求进行。

2.1.5.基准点、工作基点埋设要求稳固可靠，便于长期保存，不受施工干扰、深度在冻土层0.5米以下，比较稳定的位置。

2.1.6.沉降观测基准网应定期复测；实践经验告诉我们基准网按规范定期复测，但周期测量中如发现基点变化要及时约束其真值。

2.2、外业中准确反映结构物沉降的方法

2.2.1.使用高精度精密水准仪，水准标尺应采用与之配套的带有两排分划的线条式铟瓦合金标尺，水准仪和水准标尺各项技术指标符合《国家一、二等水准测量规范》(GB12897-91)有关规定，在沉降观测前和沉降观测过程中的规定时间段对仪器和标尺进行标定使用。

2.2.2.工欲善其事必先利其器，在观测前，对所使用的仪器和设备，进行检验校正，并保留检验记录。杜绝仪器的误差影响沉降的真实值。

2.2.3.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/T12897-2006）二等水准有关要求执行。观测时，视线长度≤50m，前后视距差≤1.5m，前后视距累积差≤6.0m，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≤0.6mm，检测间歇点高差之差≤1.0mm，观测读数和记录的数字取位：使用数字水准仪读记至0.01mm。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：

往测：奇数站为后—前—前—后返测：奇数站为前—后—后—前

偶数站为前—后—后—前偶数站为后—前—前—后

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，并进行仪器预热。测量中避免望远镜直接对着太阳；尽量避免视线被遮挡，要求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，仪器需装遮光罩，在实践中一般不用遮蔽，在反光的情况下无法读数时可以用衣服等进行遮挡。

2.2.4.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。水准尺均借助竹竿整平扶直，使标尺上的气泡居中，确保水准尺垂直。

2.2.5.沉降观测对时间有严格的限制条件,特别是首次观测必须在结构物具备观测条件下第一时间观测初始值。其他各阶段的复测，根据工程进展情况定时进行，不得漏测或补测。

图2-7-1

2.2.6.仪器、设备要稳定。在同一整体监测过程中,固定所用的设备，使观测结果所受的影响是一定的；观测人员要稳定。观测者在进行仪器的安置、瞄准、读数等工作时，都会产生一定的误差，对观测结果会有一定的影响。观测人员稳定时,可减少误差；观测时的环境条件基本一致。选择每天的固定时间段，温度、大气折射基本条件相似，可以减少误差；观测路线、镜位、程序和方法要固定。依靠前后视距离相等的办法来减少由于仪器视准轴不平行于水准轴给观测结果带来的影响。以上措施可在客观上尽量减少观测误差的不定性结果与首次观测的结果可，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测比性更一致，使所观测的沉降量更真实；仪器设备、人员素质的要求根据沉降观测精度要求高的特点，观测工作使用电子水准仪(trimbledini03)（徕卡dna03），并使用受环境及温差变化影响小的高精度铟合金水准尺。作业人员经过专业学习及技能培训，熟练掌握仪器的操作规程,熟悉测量理论，能针对工程特点、具体情况采用不同的观测方法及观测程序，对实施过程中出现的问题能分析原因并正确运用误差理论进行平差计算及时准确地完成每次观测任务。

2.2.7.为了能够反映出准确的沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。承台上设置两个观测标，观测标-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。承台观测标为临时观测标，当墩身观测标正常使用后，承台观测标随基坑回填将不再使用。墩身观测标位于墩身两侧，墩身观测标一般设置在墩底部高出地面或水位0.5m左右的位置。当墩身较矮不便于立尺观测时，墩身观测标可设置在对应墩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。桥墩台观测标设置图如下2-2-1：

2.2.8.墩台观测精度为±1mm，读数取位至0.1mm。

2.2.9.监测结构物沉降是一项长久的任务，制定合理的观测频次，以便准确反映结构物随荷载的变化。桥梁墩台基础沉降观测频列表如下2-2-2：

图2-3-1

一级文件夹以标段号命名，如：“一标段、二标段…”。二级文件夹以观测时间命名，如包含09年2月到09年3月的数据，则命名为“0902-0903”。三级文件夹以工区号命名，分别命名为：“一工区、二工区…”。四级文件夹以测量队命名，分别命名为：“一测队、二测队…”。五级文件夹按测量日期命名，如2009年3月4日观测则命名为090304；如当天有4台仪器观测数据需要处理，则按090304（1）、090304（2）、090304（3）090304（4）命名。五级文件夹内应包含电子水准仪的原始观测数据文件和控制点高程文件，以及观测数据处理过程中生成的观测手簿文件、高差文件、平差文件、高差闭合差统计文件、平差计算表文件、平差成果文件，测点编号与简化点号对应文件，说明文件。

2.3.2.数据的处理分析

对每天测量的数据及时进行处理，发现有输入错误的地方要修改，然后进行平差处理。观测数据处理文件包含以下内容：①电子水准仪原始观测数据；②控制点文件；③观测手薄文件；④高差文件；⑤平差文件；⑥高差闭合差统计文件；⑦平差计算文件；⑧平差成果文件；⑨测点编号与简化点号对应文件；⑩观测过程中异常情况说明文档。处理后的数据及时录入成SOD文件，形成电子文档。并对生成的沉降-时间曲线图进行分析，发现曲线有突然升高或降低的现象分析原因并采取解决办法。

如果沉降曲线在首次观测即发生回升现象，分析原因：首次观测精度不高，处理措施：删除首次观测值，重新观测，并做好异常情况记录。

如果俩工作基点间的所有监测点沉降曲线图在中间某点突然抬升或下降，之后几期的数据延续直线波动范围，如果该段沉降曲线自某点起都逐渐回升或下降，且升降值在1mm。分析原因：工作基点被扰动，处理措施：找至少俩个稳定的工作基点前后联测，约束出该点的新高程，在曲线沉降曲线图的备注中赋予该高差的相反数，使用修正值继续观测，并在异常情况台帐中说明，如下图2-3-2和2-3-3：。

如果第一次测量曲线下降或抬升，第二次测量曲线回归到原有的曲线状态，分析原因：测量精度不够，处理措施：删除前一次测量结果，并做好异常情况记录。

如果某个观测点高程下降或上升，下期图形延续直线波动，分析原因，如果现场核实该观测标没有被破坏迹象即为结构物真值，如果发现观测标被外界因素扰动，处理措施：赋予该点前后沉降差值的相反数，并在异动台帐中说明。

图2-3-3

结构物在施加荷载的前后要进行观测，该值为结构物的真实沉降，在沉降曲线图的备注中标明荷载情况。

数据处理后要及时整理成果形成反映时间与沉降关系的时间-沉降曲线图，时间-沉降速率图和段落总沉降图（部分），分别为图2-3-4，图2-3-5和图2-3-6，便于直观判断分析。

图3-1

在内业中当天采集数据当天分析、平差、统计、绘图使大量的数据层次清晰，分类明确，方便统计和数据分析，大大提高了工作效率。下图3-2为设计院评估组对该段桥梁沉降观测的数据评估分析统计结果，符合客运专线下道工序进行的条件

准确反映结构物沉降是一项严谨的工作，不仅要求有精湛的外业采集数据技能更要求有丰富的内业处理数据经验，因为准确反映结构物沉降对于下一步工作的进行尤为重要。虽然在实践中取得了一定成绩但准确真实的反映线下结构沉降还有许多更好的经验和方法有待进一步探索。总之，沉降观测成果在体现施工质量的同时，也印证了沉降观测方法是科学的、态度是严谨的、工作是扎实的。通过实践，在工作过程中，在发现和解决问题的历练中，使参与沉降观测的人员得到了锻炼，也使沉降观测工作不断的完善。使监测的成果更加真实可靠，为满足客运专线高速行车的高平顺性和舒适性打好坚实基础。

图3-2

参考文献

[1]《石武铁路客运专线河南段沉降变形观测与评估实施细则》；

[2]《国家一、二等水准测量规范》（GB12897—2006）；

[3]《建筑沉降变形测量规程》（JGJ/T8-2007）；

[4]《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009J962-2009）；

[5]《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号）；