工程沉降观测与控制技术应用研究

1、高速铁路路基沉降观测与控制技术的应用研究高速铁路路基沉降观测与控制技术的应用研究摘要：目前，随着工程规模的扩大和工程技术难度的增加，尤其是高铁和客运专线工程的大面积开工，为保证高速行驶列车的安全性以及乘客的舒适度，工程沉降观测与控制技术显的越来越重要。本文在阐述沉降观测实施过程的基础上，提出了沉降观测的具体方法，并从不同角度提出了软土路基的沉降控制技术。本文谨以成绵乐客运专线为例。关键词：高速铁路；工程沉降；观测；控制1、绪论1.1沉降观测的意义近年来，随着我国经济建设的飞速发展，高速铁路的建设更加发展迅猛。然而，速度达到200km/h以上的高速铁路，其路基、轨道的不平顺对快速行车引起的列车振

2、动也远比相同条件下普通速度的列车严重，即旅客感受的舒适度因速度的提高而恶化。因此高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求。路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车载荷的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节。路基沉降观测对控制控制铁路工程质量，确保工后沉降满足设计要求至关重要。本文结合成绵乐客运专线对路基沉降观测的严格要求，对路基沉降观测技术进行研究，通过正确、完整的观测及分析，可以正确地预测路基沉降趋势，验证和指导工程的设计及施工，以保证施工质量和运营安全，也可为今后的路基沉降测量提供参考。1.2沉降观测的目的1）根据观测数据调整控制、调整填土速率；2）预测沉降趋势，确

3、定预压卸载时间和结构物及路面施工时间;3）提供施工期间沉降土方量的计算依据;4）预测工后沉降，使工后沉降控制在设计允许范围之内5）通过实测沉降量，预测沉降量并验证设计的合理性，进行设计的再优化，控制和保证工程的建设量1.3仪器设备、人员素质的要求仪器设备：美国天宝（Trimble Dini）电子水准仪，铟合金水准尺，高速铁路沉降观测数据管理系统一套。人员素质的要求：必须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，能根据不同的工程特点，采用不同的观测方法，并且能熟练的进行平差，能准确、高效完成沉降观测数数据处理。1.4工后沉降的指标成绵乐客运专线区间正线路基工后沉降控制标准按设

4、计时速250km/h控制：有砟轨道路基工后沉降量不应大于5cm，年沉降速率应小于2cm/年。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm。无砟轨道地段路基可压缩性地基均进行沉降分析。按照客运专线无砟轨道铁路设计指南4.1.4条：路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降，应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm；沉降比较均匀、长度大于20m的路基，允许的最大工后沉降量为30mm，并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求：式中：轨面圆顺的竖曲线半径（m）； 设计最高速度（km/h）。2路基沉降观测的方法路基施工中的沉降观测通常步骤分为：断面设置及沉降元器

5、件的埋设、外业沉降观测、数据处理及回归分析得出曲线图等。2.1观测断面及观测点的设置原则2.1.1路基工程沉降变形观测以路基面沉降观测和地基沉降观测为主，应根据不同的结构部位、填方高度、地基条件、堆载预压等具体情况来设置沉降变形观测断面。同时应根据施工过程中掌握的地形、地质变化情况调整或增设观测断面。2.1.2观测断面一般按以下原则设置，同时应满足设计文件要求；l 沿线路方向的间距一般不大于50m；对地势平坦且地基条件均匀良好的路堑、填方高度小于5m且地基条件均匀良好的路堤可放宽到100m。l 对地形、地质条件变化较大地段应加密断面，一般间距不大于25m，在变化点附近应设观测断面，以确保能够反

6、映真实差异沉降。l 一个沉降观测单元（连续路基沉降观测区段为一单元）应不少于2个观测断面。l 对地形横向坡度大于1：5或地层横向厚度变化的地段应布设不少于1个横向观测断面。图2.1.2 松软土地段观测断面布置图 图2.1.2松软土地段观测断面布置图2.1.3 路基水准路线观测按二等水准测量精度要求形成附合水准路线，沉降观测点位布设及水准路线观测示意图如图2.1.3所示：图2.1.3沉降观测点位布设及水准路线观测示意图2.2 外业沉降观测2.2.1本线沉降观测按沉降观测三等精度标准执行，对于技术特别复杂工点，可根据需要按沉降观测二等的规定执行。表2.2.1 测量等级及精度要求沉降变形测量等级垂直

7、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）二等±0.5±0.3三等±1.0±0.52.2.2观测频次要求：路基沉降观测的频次不低于下表的规定。表2.2.2 路基沉降观测频次表观 测 阶 段观 测 频 次填筑或堆载一般1次天每天填筑量超过3层时1次/每填筑3层沉降量突变23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1个月以后1次2周无砟轨道铺设后第1个月1次2周第23个月1次月3个月以后1次3月实际工作进行时，观测时间的间隔还要看地基的沉降值和沉降速率。当两次连续观测的沉降差值大于4mm时应加密观测

8、频次；当出现沉降突变、地下水变化及降雨等外部环境变化时应增加观测频次。路基施工各节点时间（包括路基堆载预压土前后、卸载预压土前后、运梁车架桥机通过前后、基床表层施工、轨道板底座施工、铺板、轨道板精调以及铺轨时间）应具有沉降观测数据。观测应持续到工程验收交由运营管理部门继续观测。2.3 数据处理及回归分析对于成绵乐客运专线，咨询单位西南交通大学铁发公司专门研制开发了一套高速铁路沉降观测数据管理系统，究其软件的核心，是采用了武汉测绘科技大学所产的科傻（COSA）地面控制测量数据处理系统软件，进行数据平差，然后在导入EXCEL进行曲线图的拟合，最后导入SQL数据库，可以随时调出进某一个点的沉降曲线图

9、，并且根据曲线走向趋势进行预测。本文就如何平差以及在EXCEL拟合曲线图进行分析做一简单的介绍。中交二公局承建的CMLZQ-6标段内来说，我标段内用的是Trimble Dini03电子水准仪，现以这种水准仪的数据格式为例：2.3.1数据处理1、数据传输，用天宝自带的Data Transfer软件将外业测得数据线直接从仪器导入电脑，数据格式为*.DAT。得出*.DAT格式的数据:2、用EXCEL数据分列功能进行数据分列，整理出每测段的高差，平距（以公里计）3、把整理出来的数据保存成科傻软件默认的.IN1高程观测文件。数据格式为：已知点1，高程已知点2，高程已知点1，未知点1，高差，平距未知点1，

10、未知点2，高差，平距。未知点n,已知点2，高差，平距4、平差计算，分析成果是否满足二等水准精度要求：附合水准线路往返测高差较差4L(mm)、高差闭合差6L(mm)（L为水准线路长度，以公里计），点位高程中误差1，超限时分析原因，数据错误时重测外业。2.3.2 数据导入EXCEL拟合曲线图进行分析对于多次测量测得的数据，经过数据处理无误后，可以在EXCEL里边做数据的曲线图的拟合，具体操作步骤如下： 1、用EXCEL的分列功能对数据按照下列格式进行分列及数据录入：谨以成绵乐客运专线中交二公局管段内的DK230+370处路基沉降板为例：路基沉降观测记录表（沉降板）工程DK230+370路基测量单位

11、:中交二公局成绵乐铁路工程指挥部测点编号:0230370L1序号观测期次观测日期两次观测间隔累计天数(天)本次高程(m)本次沉降(mm)累计沉降(mm)沉降速率(mm/d)施工阶段备注112010-4-301422.5533000路基填筑期间正常222010-4-412422.55240.90.90.9路基填筑期间正常332010-4-513422.55230.110.1路基填筑期间正常442010-4-614422.55220.11.10.1路基填筑期间正常552010-4-715422.552101.20路基填筑期间正常662010-4-816422.55190.21.40.2路基填筑期间

12、正常772010-4-917422.551901.40路基填筑期间正常882010-4-1018422.55170.21.60.2路基填筑期间正常992010-4-1119422.55160.11.70.1路基填筑期间正常10102010-4-12110422.551601.70路基填筑期间正常11112010-4-13111422.551601.70路基填筑期间正常12122010-4-14112422.55130.320.3路基填筑期间正常13132010-4-15113422.55120.12.10.1路基填筑期间正常14142010-4-16114422.551202.10路基填筑期间

13、正常测量负责人： 复核： 监理： 2010年 4 月 16 日2、在EXCEL里将沉降数据绘制实测曲线图表，并用双曲线法绘制趋势线：3、从图中可以看出该处填筑初期由于上部荷载的增加，沉降量速率快，量也大，从分析上把它看作地基沉降。当上部荷载继续增加时，沉降速率明显降低，量也变小，随着时间的延续，双曲线走向趋势将会越来越平缓。此时，利用双曲线分析法可以描绘未来沉降变化的趋势。对此，对于整个沉降过程可以描述为三段变化特征：第一阶段是施工期间的沉降，以地基沉降为主，随着应力的不断增大，地基完成塑性变化后进入稳定状态；第二阶段是路堤沉降，同填料的含水率，透水速率和压密程度有关，但总的沉降很小；第三阶段

14、是进入稳定期，路堤内部保持相对稳定的含水状态，沉降趋于稳定或者有规律的沉降，可以预测后续工程的开展或运营的时间。 4、结论a 、沉降分析要从地基处理开始，根据施工速率进行连续观测；b、 B组填料的沉降预测需要连续性的观测，连续性的数据更能直观的反应沉降量的趋势走向。c、 沉降过程分为三个阶段，沉降最大为地基沉降，因此，地基承载能力是控制沉降的关键。3软土路基的沉降控制技术3.1 沉降控制的具体措施目前沉降控制的主要应对措施有：加强基底处理；加强填筑过程控制；预留沉降量。同时还应该强调施工单位加强工后沉降控制的主动性。3.1.1 施工前的控制措施（1）制订控制标准 制订控制标准是进行工后沉降控制

15、的基础，在施工前应根据设计规范要求的沉降值以及具体可能采用的施工工艺制订好沉降控制标准。（2）加强地质普查 在施工前根据设计文件，除对软土地段地质情况进行核查外，还应对其它地段进行地质调查，并要求所有路基基底均应进行贯入试验，当试验值不能满足基底要求时，应及时与设计单位联系，采取相应的基底加固措施，以确保路基基底承载力满足设计要求。3.1.2 施工过程中的控制措施（1）制订施工工艺标准 根据工后沉降的设计及规范要求，结合施工单位的机械、填料、施工方法等，首先进行试验段的填筑，尤其是地基处理、过渡段施工等应进行试验。然后根据试验参数，制订合理的施工工艺标准，以确保填筑质量，施工中必须严格按照制订

16、的工艺标准实施。（2）加强路基基底处理 根据设计，对软土路基地段按照要求进行加固处理，注意在加固过程中必须严格按照设计施工，加固范围必须满足设计要求，路基基底加固完成后，必须找有资质的部门进行检验，检验基底承载力满足设计要求后方准进行路堤填筑施工。（3）做好路基的沉降观测 按照设计要求，在软土路基地段进行路堤填筑施工过程中，须对路基沉降进行观测，当沉降速率满足设计沉降速率后可进一步填筑，否则应暂停施工。在桥涵、堤堑过渡段也要对路堤沉降进行观测。在以上地段必须设置沉降观测桩，设定专人进行沉降观测，记录沉降数值，并绘时间与沉降量关系曲线，对曲线进行分析，以确定沉降是否满足设计及规范要求，以便采取相

17、应的应对措施。（4）加强路基填筑的试验检测 路基填筑施工过程中必须严格按照制订好的质量控制标准进行施工，在施工过程中加强路基每一填层的试验检验，一般均根据填料情况采用双指标控制（压实系数K或孔隙率n、地基系数K30或EVD（地基系数），只有双指标均符合验标要求后方准进行下一步的施工。同时应严格控制填料质量，除填料必须符合要求外，同一段路基最好使用同一种填料，填料性质相同，整段路基沉降均匀，为控制工后沉降打下良好的基础。（5）完善路基综合排水系统 路基施工期间及完成后应立即做好综合排水系统，有效地防止水对路基的浸润，避免路基产生水失稳或变形，宜采取截、疏、导的措施，使地下、地表水迅速排离路基附近

18、。在路基的填挖结合部设置暗沟，防止水从坡面上下渗，在填挖交界处形成滑动面；使原挖方路段的浆砌边沟从填挖结合部起，以急流槽的形式接至填方段的浆砌截水沟处，并直通（桥）涵，隔断水对路基的浸润影响；尽量避免废方弃于填方路基两侧，造成松散土体的饱水而抬高地下水位。3.2 工沉降控制的注意事项（1）软土路基宜提前安排施工，以利地基加固、 预压固结。预压期的确定：一方面要考虑工后沉降标准；另一方面又要考虑合理的工期。因此，确定施工期沉降稳定的标准非常必要。当地基加固处理方式选定之后，其沉降规律就基本确定。比如，对于特定的地基土类型，当砂井的间距、长度、直径选定后，地基的固结规律就已确定，固结度仅与时间有关

19、。（2）软土地基处理前，除采用水下抛石挤淤方法外，均应于开工前疏干地表水，有条件时可采用降低地下水位措施，如挖槽、井点抽水等。施工现场应按有关规定要求，做好取土、弃土、堆料及便道的平面布置，安排好作业顺序及机械运行线路，施工中不得随意更改。（3）软土路基应有足够的护道宽度。当路基的路肩高程至取土坑或排水沟底的高程之差值小于临界高度时，护道宽度可按一般规定设置。若高差大于临界高度，则取土坑必须远离路基。取土坑的位置应保证路基稳定，可采用圆弧检算法确定。（4）软土路基填筑材料以渗水土或矿渣为宜，严禁用泥炭及有机质含量较多的土作为填料，亦不宜采用软土作填料。（5）填筑软土路基时，应按其地基和路基的后

20、期沉落量所需的土方。地基后期沉落量可取为预计总沉落量与施工阶段观测的沉落量之差。3.3 工后沉降超标控制预案（1）做好路基基底加固的处理与检测 路基基底承载力是否满足设计要求，是控制路基工后沉降的关键因素之一。因此在施工过程中必须做好路基基底的处理，尤其是软土地基，必须按照设计要求进行加固，并经检验合格后方准进行路堤的填筑。对路基基底不满足承载力要求的，可考虑采用水泥灰土挤密桩、CFG桩、旋喷桩、搅拌桩来加固地基。（2）按施工工艺进行过程控制 施工工艺标准确定后必须严格实施，在施工过程中控制不严，如填层过厚、压实系数或地基系数EVD达不到验标要求易造成路基沉降超标或不均匀沉降。（3）及时处理沉降超标地段 对于基底处理后路基填筑过程中沉降速率超标的，应及时分析原因，可采用路基堆载加固固结沉降的方法解决此问题。4.沉降观测的发展趋势和前景 在现代交通运输业中，铁路担负着重要的运输工作。我国快速发展的国民经济对铁路运输的速度和质量提出了更高的要求，在这种情况下高速铁路应运而生并迅速发展成为我国交通工程的重要组