武广铁路客运专线无碴轨道线下工程沉降变形观测与评估技术总结.doc
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武广铁路客运专线无碴轨道线下工程沉降变形观测与评估技术总结
1前言
首先，客运专线高速行车要求轨道具有高平顺性，而无碴轨道铺设后线下构筑物有可能发生不均匀沉降，这不但导致线路维修成本的增加，而且有可能使轨道板开裂从而导致轨道构件的更换及重大的安全隐患。
因此，客运专线无碴轨道必须严格控制线下构筑物的不均匀沉降。
其次，客运专线无碴轨道对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降要求严格、标准高，所以设计中对土质路基、桥梁墩台基础等均进行了沉降变形计算，并采取了相应的设计措施。
而影响沉降的因素较多，特别地基在荷载的作用下沉降随时间发展，其沉降变化一般通过土体固结原理进行分析计算，但沉降计算的精度受多种因素的影响，其结果只能是一个估算值，这就导致设计阶段沉降变形计算的精度不足以控制无碴轨道工后沉降。
为了解决上述问题，施工期必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测。
通过对沉降观测数据系统综合分析评估，验证或调整设计措施，使路基、桥涵、隧道工程达到规定的变形控制要求。
分析、推算出最终沉降量和工后沉降，合理确定无碴轨道开始铺设时间，确保客运专线无碴轨道结构铺设质量及运营安全。
为统一武广客运专线沉降变形观测系统的技术要求，保证沉降变形观测系统与评估的质量，依据《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估指南》、《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》（铁建设[2006]189号）等标准特对武广铁路客运专线无碴轨道线下工程沉降变形观测与评估进行较系统的技术总结。
2沉降变形观测范围及内容
2．1路基：
路基面、路基基底及路堤本体的沉降变形观测。
2．2桥涵：
桥各墩、台；预应力混凝土梁的徐变上拱变形；涵洞沉降观测
2．3隧道：
隧道口仰拱、隧道一般地段和不良、复杂地质区段沉降观测。
2．4过渡段：
路桥、路隧、路涵及路堤过渡段沉降观测。
3观测断面及点的设置、元件布设
3．1路基观测断面及点的设置、元件布设
沉降观测断面及点的设置、元件布设应根据地形、地质条件、地基压缩层厚度、路堤高度、地基处理方法及堆载预压等具体情况，结合沉降预测方法和工期要求并遵循《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估指南》（铁建设[2006]158号）的基本要求来具体确定。
3．1．1路基观测断面及点的设置
1．路堤填高<3m且地基压缩层厚<5m地段
表1.路堤观测断面及点的设置、元件布设情况
顺号
观测内容
观测元件
观测点
数量
断面间距
附注
1
路基面沉降观测
观测桩
3个/断面
50m
地势平坦、地基条件良好地段可100m
2
基底沉降观测
沉降板
1个/断面
200m
根据工点工期等具体情况适当增设
图1沉降监测元件剖面布置示意图（A－1）
2．路堤下地基压缩层厚5m地段及路堤填高3m、地基压缩层厚<5m地段
表2.路堤观测断面及点的设置、元件布设情况
顺号
观测内容
观测
元件
观测点数量
断面
间距
附注
1
路基面沉降观测
观测桩
3个/断面
50m
地势平坦、地基条件良好地段或高度小于5m路堤地段可100m
2
路堤基底沉降观测
沉降板
1～2个/断面
50～100m
地基面横坡大于1：
5时，每个断面埋设2个。
3
路堤基底全断面沉降观测
剖面沉降管
1个/断面
一般地段和各类过渡段路基25％的剖面埋设剖面沉降管作校核剖面，校核剖面基底同时布置沉降板与剖面沉降管。
4
改良土填土沉降
观测
单点
沉降计
1个/断面
200m
根据改良土工点、土质等具体情况，且改良土路堤填高大于5m时适当增设。
图2沉降监测剖面元件布置示意图（B-3型）
图3沉降监测剖面元件布置示意图（D-1型）
3．路基加载预压地段
路堤加堆载预压地段按上述表2.项布设断面及点，其中路基面沉降观测在路堤填筑到基床底层表面后，在基床底层表面两侧设观测桩，在路基面中间设沉降板后，加载预压进行沉降观测。
待预压卸除基床表层填筑后，在路基面两侧及线路中心设置沉降观测桩。
其示意图如下：
图4沉降监测剖面元件布置示意图（F-3型）
4．土质路基地段
土质路堑（含基岩全风化层）一般地段只设路基面沉降观测桩2～3个/断面，断面间距50m，地势平坦、地基条件良好地段间距100m；当地基地层为红黏土、膨胀土时，同时在换填底面埋设单点沉降计观测地基沉降或隆起情况。
图4路堑地段沉降监测剖面元件布置示意图（E-1型）
图5路堑地段沉降监测剖面元件布置示意图（E-3型）
3．1．2元件埋设及要求
1．元件选取、埋设
（1）沉降板：
该元件应埋入褥垫层顶部嵌入10cm，采用中粗砂回填密实，再套上保护套管，保护套管略低于沉降板测杆，上口加盖封住管口，并在其周围填筑相应填料稳定保护套管。
其元件及埋设见图6：
图6沉降板及埋设后示意图
（2）单点沉降计：
采用钻孔引孔埋设，钻孔孔径Ф108或Ф127，钻孔垂直，孔深应达到硬质稳定层（最好为基岩），孔口应平整密实。
观测路堑换填基底沉降或隆起变形埋设在换填基底面，表面应平整密实；观测路基本体变形按设计断面图埋设。
其元件及埋设见图7
图7单点沉降计及埋设后示意图
（3）剖面沉降管：
在褥垫层顶面开槽埋设，槽底中粗砂找平，表面回填5cm中粗砂并与褥垫层相平，两端部应进行有效保护。
其埋设示意图如下：
图8剖面沉降管及埋设示意图
（4）路面观测桩：
在一般路基填筑至基床表层顶面，加载预压路堤填筑到基床底层顶面后，埋设沉降观测桩（点），路基面两侧观测桩一般设在距左右线路中心3.2m处。
埋设规格见图9，观测点钢筋头为半球形，高出埋设表面5mm，表面做好防锈处理。
图9路基面沉降观测桩点设置示意图
2．路基观测一般要求
（1）每个工点观测断面及观测点的数量，埋设观测元件的种类、数量，根据设计要求和上面提及的相关原则由设计、施工、监理方在现场核查确定。
并填写《工点沉降观测断面、点布置表》。
（2）沉降变形的水准测量精度为1mm，读数取位至0.1mm；剖面沉降管的测量精度为8mm/30m；单点沉降计观测精度为测量值的1％，灵敏度为0.01mm。
（3）路基沉降观测的频次不低于表3的规定。
当环境条件发生变化或数据异常时应及时观测。
表3路基沉降观测频次
观测阶段
观测频次
填筑或堆载
一般
1次/天
沉降量突变
2～3次/天
两次填筑间隔时间较长
1次/3天
堆载预压或
路基施工完毕
第1个月
1次/周
第2、3个月
1次/10天
3个月以后
1次/2周
6个月以后
1次/月
无碴轨道铺设后
第1个月
1次/2周
第2、3个月
1次/月
3～12个月
1次/3月
3．2桥涵观测点及元件的布设
3．2．1布设原则
对于岩石地基、嵌岩桩基础的桥涵可选择典型墩（台）、涵进行观测（特殊桥跨、高墩、基岩不均匀及桩位出现岩溶与摩擦桩相临嵌岩桩）。
数量不少于墩台点数的15％。
对于摩擦桩、非岩石地基桥墩台、涵应逐墩台布设测点。
对原材料变化不大、预制工艺稳定、批量生产的预应力混凝土预制梁，徐变变形观测可每30孔选择1孔进行；对于现浇预应力箱梁，同一种施工方法（移动模架。
支架等）施工前3～5孔梁进行重点观测，根据观测结果调整梁的反拱值，其它孔位梁选择典型梁进行观测，且不少于20％。
3．2．2观测点布设
1．墩台沉降观测点可以先在承台上四角处布设4个点，若基础需要回填或地势较低且有水，可以将观测桩点转移布设在墩台身上，并在墩身横向对称布设2个点，一般距地面0.5～1.0m比较合适。
见图10。
图10墩台沉降观测点布置示意图
2．预应力混凝土梁徐变上拱观测点设置在箱梁四个支点和跨中截面两侧腹板梁顶处或距左右线中心3m处。
每孔梁的测点数应不少于6个，对于跨度大于60m的梁应不少于10个。
见图11。
图11徐变上拱变形观测点布设图
3．涵洞沉降观测点设在涵洞边墙两侧帽石顶上，每个涵洞测点数4个。
若在涵顶填土较高，在顶板埋设沉降板。
其布设图见图12。
图12涵洞沉降观测点布设图
3．3隧道观测点布设
3．3．1布设原则
一般情况下，Ⅲ级围岩每400m、Ⅳ级围岩每300m、Ⅴ级围岩每200m布设一个观测断面。
地应力较大，断层破碎带，膨胀土等不良和复杂地质区段适当加密布设。
隧道洞口至分界里程范围内应至少布设一个观测断面。
3．3．2观测点布设
每个观测点断面在相应于两侧边墙处设一对观测点，一般距仰拱顶面0.4m处。
其测点布设见图13。
图14隧道变形观测点设置示意图
3．4过渡段沉降观测断面及点的布设
3．4．1布设原则
1．分别在路桥、路涵、路隧过渡段的结构物起点、距结构物起点1m处、5～10m处、15～25m处、50m处各设一个观测断面，沿涵洞轴线设路基面观测断面，每个观测断面设3个观测桩。
2．分别在距结构物5m处同时埋设剖面沉降管和沉降板，在距结构物15～20m处埋设一个沉降板。
3．4．2观测点布设示意图
图15路桥过渡段观测断面及点布置示意图图16路桥过渡段观测断面及点布置示意图
3．4．3过渡段观测元件
过渡段观测元件主要有沉降板、剖面沉降管、静力水准仪和路面观测桩。
3．5观测元件埋设安装及保护
3．5．1观测元件埋设安装
1．对路基观测元件，各施工队均组织专门的施工技术人员进行元件埋设，确保埋设位置的正确，埋设深度得到保证。
2．对桥梁、涵洞及隧道观测桩，各项目部应下达详细的技术交底资料到工班并现场指导，确保埋设的正确性，不得遗漏。
3．对剖面沉降管、单点沉降计及静力水准仪等电子元件，埋设时更应注意元件的保护。
3．5．2观测元件的保护
1．建立专门沉降变形观测领导小组和观测小组，并明确各自职责，分工负责，并制定了相应的奖罚措施。
2．每个测试断面埋设完成后，监测元件引出导线套钢丝波纹管进行保护，并挖槽集中从一侧引出路基，然后引入坡脚观测箱内或集中观测房中。
3．所有监测元件埋设时或监测过程中损坏应及时补埋或经设计确认采取其它替代措施。
4．凡沉降板附近1m范围内则采用小粒径的均匀填料并采用人工摊铺、冲击式与娃式打夯机具碾压。
5．各施工队应制定稳妥的保护措施并认真执行，确保元件不因人为、自然等因素而破坏。
元件埋设后，制作相应的标示旗或保护架并插在上方，重型机械碾压时并配备专人负责指导，以确保元件不受损。
4沉降观测方法
4．1建立沉降观测网，布设水准基点和工作基点
高程应采用施工高程控制网系统并与施工高程控制网联测。
全线二等水准测量贯通后，将沉降变形观测网与二等水准点联测，统一归化为二等水准基点上。
4．2观测及采集数据方法
（1）沉降观测主要采用两种观测方法：
一种是自动采集数据，一种是人工采集数据
（2）采集数据的方法：
对于单点沉降计、剖面沉降管、静力水准仪等电子元器件，主要采用人工智能读数仪及电脑自动采集两种方法；自动采集系统可对采集的数据进行自动分析和处理，可绘制出各种参数变量随时间变化曲线图，在现场设置自动采集观测数据的板房。
对于路基沉降板和路面观测桩及桥涵隧道观测桩，主要采用高精度电子水准仪进行测量采集数据。
4．3观测精度和频率
4．3．1观测精度
1．路基观测桩、沉降板、剖面沉降管、基准点及桥涵、隧道观测桩均按二等变形测量（即国家一等精密水准测量）方法进行测量，精度应达到mm。
对于水准测量闭合误差、前后视距等均有要求。
2．单点沉降计则采用振频弦频率检测仪或自动采集系统进行测量，精度位测量值的1％，灵敏度不低于0.02mm。
3．剖面沉降管采用剖面沉降仪进行测试，剖面沉降管的测量精度为8mm/30m，灵敏度为0.01mm.
4．静力水准仪采用人工智能采集仪，精度为的1％，灵敏度为0.01mm.
4．3．2观测频率
1．路基施工：
路基填筑施工期间，一般每天观测一次（即每层观测一次），各种原因暂时停工期间，一般2～3天观测一次；在沉降量突变情况下，每天观测2～3次。
路基填筑完成后，前一个月，频率为1次/周；第二、三月，频率为1次/10天；三个月以后，频率为1次/2周；半年后，频率为1次/月。
2．桥涵墩台、隧道基础施工期和主体完成后至主铺轨前观测一般为1次/周，荷载变化前后各测一次。
3．轨道铺设期间全程每天观测一次。
4．4观测期要求
无碴轨道铺设条件评估沉降变形观测期是指路基填筑完成（至少填到基床表层第一层）、路基填筑预压后、桥主体结构完成后（即预制梁架设后、现浇梁完成后），一般不少于6个月；对于地质条件较好的岩石地基桥涵，梁体徐变上拱变形观测期可不少于2个月；隧道不少于3个月，满足以上观测期方可进行评估。
5沉降观测注意事项
5．1观测桩和元器件埋设应规范，避免影响观测精度
（1）路基面观测桩、桥涵承台观测桩应采用钢筋，端部应磨成园端型并露出适当的长度；桥墩台身观测桩应制成一个立测尺的端点。
（2）沉降板周围填料碾压方式应适当且应密实，采取适当措施防止沉降板倾斜和钢管与塑料套管密贴，影响沉降精度，在过程中及时纠正，沉降板套管顶部应加封帽，防止粒料和水进入管内，影响自由沉降和精度；沉降板塑料套管应采用壁厚不应小于4mm的硬质套管以防止破损和老化。
（3）剖面沉降管露出坡脚不宜过长，端部应采取适合方式进行固定和保护，并设立端部标高固定测定点；剖面管设置后及时测定其端部标高及整个剖面管的初始读数，作为“零”观测。
5．2应制定切实可行的元器件和观测桩的保护措施和制度。
如路基面观测桩。
沉降管应做明显标识和护栏，明确保护责任人并制定奖罚制度，确保元器件不被破坏。
目前，填到路面顶的沉降板的沉降管顶部普遍存在保护不到位现象，应切实采取措施。
5．3应建立完善的观测网资料，定期对水准基点、工作基点进行复核；观测点满足二等变形测量精度（即按国家一等精密测量精度），并实行闭合测量；测量仪器应定期标定，以保证观测数据的可靠性。
5．4测量过程中实行“人员、仪器、测量方式”三固定，以保证测量数据的准确性；必须认真建立“零”观测理念，即路基一开始填筑即进行观测，路基填筑到路面标高即埋设路面观测桩并及时进行观测，在路基填筑完成和桥涵、隧道主体完成到无碴轨道铺设期间不应间断观测，这样不但保证观测数据的连续性，而且有利于寻求该结构沉降变形发展规律。
5．5观测数据精度：
评估指南要求沉降水准的测量精度为mm，读数至0.1mm；剖面沉降管的测量精度为8mm/30m；结合目前实际沉降较小，且目前仪器测量精度较高，全线统一采取：
电子水准仪测量至5倍（即0.00001m），计算精度至0.1mm；单点沉降计、剖面沉降管读数至0.01mm，沉降观测数据精确至0.1mm；沉降观测汇总表中数据统一保留0.1mm。
5．6保证数据整理的规范性和分析评估数据的识别统一以利于分析预测，按照指南规定：
基础设施在竖向方向产生的变形，包括下降和隆起，向下为“正”，向上为“负”；梁体徐变上拱向上为正，向下为负。
5．7对于大跨度现浇连续梁有可能出现较大的变形，是徐变观测的重点，特别是跨度80米以上的桥梁应加强观测。
5．8有沉降板的断面应在统一观测断面、位置布设路面观测桩，以便分析路基部分的压缩变形。
5．9有沉降观测过程中应注意记录荷载的变化（如架梁、现浇梁前后、运梁车通过、附属设施施工完毕等）核特殊天气、气温变化即特殊地段地下水的变化，以便帮助分析结构变形变化和数据异常点情况。
5．10对于？
？
较宽，埋设剖面沉降管不便检测且会影响精度，可以采取横向加密沉降板的方法代替剖面沉降管，但应加强沉降板的保护和观测。
5．11在沉降变形观测过程中，应绘制S-T-h（P）曲线；对观测数据出现异常现象及异常点应及时分析验证，并作记录；对于变形较大，且一定时间不能趋于稳定的工点应及时上报有关单位，以便采取相应处理措施。
6沉降观测分析评估
6．1路基沉降观测分析评估
6．1．1路基沉降观测分析评估要求
1．观测和调整期：
在路基填筑完成或施加预压荷载后，应有6～9个月观测和调整期，且至少需经过一个雨季。
2．动态分析：
绘制沉降与路堤填高及时间的关系曲线，并与设计进行对比分析。
3．根据沉降变形观测数据，采用双曲线函数或指数函数等方法预测分析工后残余沉降，进而推算地基最终沉降量。
4．路基基础沉降变形预测评估完成后，绘制区段或全线的沉降预测变形曲线，进行综合评估，分析评估工后沉降满足设计标准要求后方可铺设无碴轨道。
6．1．2比较计算总沉降量与实测总沉降量
审核设计阶段的沉降计算模型和参数是否符合实际；估计真实的路基压缩模量ES，以便确定铺设无碴轨道结构产生的附加沉降。
如果施工期观察到的沉降明显大于计算沉降量，超过设计值20％及以上时，而且经过检查排除测量仪器和人为错误，可尽早检查修改设计，保证路基的工后沉降满足要求。
6．1．3推导各观测断面沉降变形拟合曲线
1．为了尽可能准确的预测工后沉降，应对基床表层顶部观测的沉降进行曲线拟合。
一般以中心观测桩结果为主，路肩观测桩为参考。
2．拟合曲线的推导一般以三个月为周期反复进行以不断逼近路基的真实变形情况。
3．在推导拟合曲线时后期的沉降测定结果特别重要，应重点考虑，详见示意图17。
图17沉降拟合曲线推导图
4．路基沉降预测不论采用何种方法均应采用曲线回归法，并满足以下要求：
（1）根据路基填筑完成或堆载预压后不少于3个月的实际观测数据作多种曲线的回归分析，确定沉降变形的趋势，曲线回归的相关系数不应低于0.92。
（2）沉降预测的可靠性应经过验证，间隔不少于3个月的两次预测最终沉降的差值不应大于8mm。
（3）路基填筑完成或堆载预压后，最终的沉降预测时间应满足下列条件：
为预测时的
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