高速铁路变形监测技术方法与精度分析研究

高速铁路变形监测技术方法与精度分析研究目录中文摘要ABSTRACT 114901绪论 绪论1.1高速铁路及其路基的介绍首先，高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使最高营运速率达到不小于每小时200公里，或者是专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时不低于250公里的铁路系统。高速铁路的运营特点，要求高速客运专线的轨道具有持久的稳定性和高平顺性，这就对路基的沉降变形提出了更为严格的要求，同时也对测量的精度提出了更高的要求，并且在许多方面也改变和深化了传统的思想和观念。而铺设无碴轨道后，路基方面和轨道方面会存在更大的安全隐患。所以，高速铁路无碴轨道对线下工程的工后沉降要求十分严格，特别是必须严格控制路基的沉降量。[1]因此，要想满足路基沉降变形控制的要求，不但要有正确的土工参数和准确的地质资料，还会涉及到设计中正确的选取沉降估算的方法、路基施工质量的控制、以及沉降变形监测系统的选取与精度分析评估、合理选择沉降变形的控制措施等这几个方面的工作，所以，我们必须像对待系统工程一样去对待客运专线无砟轨道路基沉降变形的控制。与桥梁和隧道相比，路基的沉降控制的难度大，刚度小，且它的差异沉降是由路基与刚性结构物之间形成的。所以无砟轨道铺设前至关重要的环节是路基的沉降观测和它的评估工作。因此，准确预测工后沉降和验证工后沉降计算方法可靠合理的基础是沉降数据，而获取准确可靠的沉降数据的方法要选择科学且有效的监测方法。[2]此外，在精度方面，要想保证测量工作的精度始终比较高，并且把误差降低到最小，传统的作业方式与数据处理分析方法已无法满足客运专线无砟轨道测量精度的要求，所以需要改进传统的测量方法和手段，来满足高速铁路路基施工的高精度要求。因此，本文就高速客运专线路基的沉降监测方案、沉降变形机理及规律，精度分析等方面来进行研究，为高速客运专线路基工后沉降的监测提供可靠有效的方法。1.2选题的背景及意义近年来，客运专线的建设随着社会的进步与国民经济的飞速发展呈现出更加迅猛发展的态势，国家对交通基础设施的需求也变得越来越大，其中传统的交通运输铁路已满足不了经济社会的需求和发展，且运输能力已显得极其低下。所以，为了满足当前日益增长的客运需求，高速铁路则应运而生。[3]建设高速铁路是一个庞大且复杂的系统工程，建设过程中的每一个小环节都极其重要，其中施工过程中的和运营中的安全性是由线下沉降变形观测决定的。高速铁路是由性质迥异的构筑物（桥、隧、涵、路基等）和轨道构成的，它们相互作用、相互依存、相互补充、共同构成刚度均匀的线路结构。[4]对这些构筑物的建设造成重大影响的是地质结构的不稳定性，特别是在高速客运专线路基方面影响显得更为严重。路基是承受轨道结构重量和列车荷载及各种附加力的基础，所以作为承载高速铁路的基础—路基的设计越来越受到重视，把路基作为土工结构物来设计的理念在路基设计中逐步得到体现。因此，对高速铁路线路基沉降变形的监控，并对监控数据进行有效的处理及工程的安全状况的合理分析评价进行研究是十分重要和非常有意义。1.3选题的目的与要求首先是明确沉降观测与评估的职责工作内容；了解基准点、工作基点、不同结构物测点布设原则；掌握不同结构物测量精度及频次要求；掌握统一的数据处理与提交方法。沉降观测的目的是：对填土的快慢、沉降的走向、结构物和路面施工时间等进行调整；为施工期间各个过程提供真实可靠的计算依据。2高速铁路变形监测2.1高速铁路路基沉降技术国内外研究现状由于轨道的平顺性越来越受到重视使得高速铁路其提出了更高的要求，而铁路线下工程的重要组成部分之一是能承受轨道结构重量和列车荷载的路基，路基也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节。目前国内外常用的变形观测的技术方法有：（1）常规大地测量方法（2）地面摄影测量（3）特殊的测量手段（4）GPS空间定位技术（5）3D激光扫描技术等。目前法国利用点式沉降感应器控制法可监测沉降过程、判断沉降趋势和沉降完成情况，具有很多优点值得借鉴。[5]我国常采用通过特殊方法来处理软土地基，进而消除或减小工后沉降的影响，这个方法已经应用到了秦沈客运专线路基施工上，也就是所谓的动态控制技术。日本和德国的板式无砟轨道，在隧道和路基上均适用。我国高速铁路建设初期曾尝试过铺设短木枕式、整体灌筑式、支承块式、框架式沥青道床等几种形式，但是已经被正式推广应用的只有支承块式整体道床。我国第一条高速铁路客运专线—秦沈客运专线，它被认为是我国高速铁路开始采用无砟轨道的“先导段”[6]。秦沈高速铁路线路全长是404公里，其中有188公里铺设的是板式无砟轨道和长枕埋入式轨道。在高速铁路的建设方面起步比较晚的中国，深入学习国外先进的技术方法，经过多次深入的理论研究和真正的实践实验，最终总结出了与我国国情和路情相符合的高速铁路建设技术及高铁路基测量精度方面的研究结论。近年来，我国客运专线随着国民经济的快速发展正在进入一个全新的高速铁路时代。2.2高速铁路变形观测的必要性性和重要性变形监测的定义是指对建筑物及其地基由于荷重和地质条件发生变化等外界因素引起的各种变形（空间位移）的测定工作。其目的在于了解构筑物的稳定性，监视它的安全情况，研究它的变形规律，检验它的设计理论及其所采用的计算方法和经验数据。[7]作为轨道的基础之一—路基，是高速铁路客运专线线下工程结构的重要组成部分，与普通铁路的路基相比而言，高速铁路路基的设计更注重的是沉降变形对轨道的影响，这里谈到的变形包括工后沉降变形和施工过程中的变形。其中施工过程中的变形是可以观测和可以控制的，一旦发生较大的变形则可以通过改进施工方法来减小或消除比较大的变形，而路基施工完毕后才会发生工后沉降变形，因此施工完毕后路基一旦发生较大变形，则很难以控制，势必会造成维修困难，从而影响行车安全。因此，路基沉降变形的主要关注和控制对象是工后沉降，需要通过路基施工期间的先进的施工方法和变形监测手段来确保工后沉降量在一定的范围内，从而满足设计要求。高速铁路路基的高稳定性和高平顺性是决定了线下工程沉降变形观测的意义和重要性。由于国内外很多高速铁路都出现了震动现象，并且忽视了路基的初始不平顺性和不均匀沉降这两个问题，因此，要想建设高稳定性和高平顺性的高速铁路，路基方面的变形监测的作用和意义特别重要。目前，变形监测应用已非常广泛，而真正应用于高速铁路的变形监测才刚刚起步。我国近几年正加速推进高速铁路的建设，它的建设首先在施工技术方法上要求比较高，再者就是在运营管理方面也提出了更高的要求。又因为我国的地质结构相比而言较复杂，区域性的特殊地段不均匀沉降对建设高速铁路又会产生巨大的影响，因此变形监测已成为高速铁路建设过程中不可忽视的一项工程。施工顺利进行和施工期间及运营后的安全保障是高速铁路在建设过程中可靠有效的监控措施。为了规范高速铁路沉降变形观测的评估标准，确保沉降变形观测的评估工作顺利进行，在2006年铁道部组织相关专家编写了《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》，简称为《评估技术指南》。京—津、武—广等高速铁路客运专线都依据该《评估技术指南》，全面开展了线下工程沉降变形的观测与评估，《评估技术指南》为这些线路无砟轨道的顺利铺设提供了重要的技术支持与保障。[8]3路基沉降3.1高速铁路路基的概念及结构特点路基是铁路和公路的基础，是支承铁路道碴及钢轨的表面土方工程；铁路线路的重要组成部分之一就是铁路路基。从路基所起的作用来看，路基是轨道的基础；从路基作为一种建筑物来看，它是一种土工结构物。路基是用土或石料修筑而成的线形结构物。高速铁路路基一般是由轨道板、基床表层、基床底层、路堤本体和地基这几部分组成的。[9]高速铁路路基主要有以下三个特点：(1)客运专线的路基是多层结构系统；(2)控制沉降变形是设计路基的重中之重；(3)在列车、线路这一整体系统中，路基是最重要的组成部分；上述特点体现了高速铁路路基工程的复杂性，所以我们应该实时的分析研究路基工程所处的环境、工作人员的工作条件、研究土的性质、掌握其变形和强度变化规律。此外，一方面，由于列车荷载属于交通荷载，其特点是多次重复荷载作用，路基在重复荷载作用下产生累积变形，表现出疲劳的特性，另一方面，路基与轨道结构一起共同组成的这种线路结构是一种连结相对松散的结构形式，抵抗荷载的能力相对较弱。因此，路基必须具有一定的稳定性、耐久性和坚固性。铁路路基的作用是在路基面上直接铺设轨道结构，所以对于高速铁路而言，路基应有更加合理的刚度，以保障列车高速行驶时表现出舒适性和平稳性。3.2高速铁路路基的分类高速铁路路基可分为一般路基和特殊路基两大类。其中修筑在良好的地质、水文、气候条件下的路基称为一般路基，通常认为一般路基可以根据具体的情况直接选用典型横断面图或设计规定；但高填方路堤,深挖方路堑须进行个别论证和验算。位于特殊岩土地段、不良地质地段,或受自然因素影响强烈的路基称为特殊路基。[10]特殊路基主要有：(1)湿黏土路基、膨胀土地区路基、软土地区路基、红黏土地区路基、黄土地区路基、沙漠地区路基及风积沙路基；(2)多年地区路基、季节性冻土地区路基、雪害地区路基、涎流冰地区；(3)崩塌与岩堆地段路基、泥石流地区路基、滑坡地段路基；(4)采空区路基、岩溶地区路基；(5)沿溪、沿河地区路基、滨海地区路基、水库地区路基。3.3高速铁路路基设计的意义控制变形是路基设计的关键，采用不同的路基结构形式给高速线路提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础。[11]整个线路结构中最薄弱、最不稳定的部分就是由散体材料组成的路基结构，轨道变形的主要来源就是这一部分。这部分线路结构在多次重复荷载作用下所产生的累积变形将造成轨道的不平顺性，同时轨道面的弹性变形也受其刚度的重要影响，因而对列车的高速行驶有着不可估量的影响。轨道变形的严格控制决定着列车高速行车的安全性，因此，变形问题便成了高速铁路设计时所要考虑的主要控制因素。就路基而言，传统的设计把强度作为轨道线下系统设计的主要控制条件。而现在的设计，强度已不是主要问题，一般在达到强度破坏前，可能已经出现了过大的有害变形。为了确保列车安全平稳的运行，路基必须具有强度高、刚度大、稳定性好、耐久性强、且不易变形等特性，随着世界上大面积改造高速铁路的建设和已建成高速铁路的提速，如何解决路基沉降这个问题已被屡屡提上日程。3.4高速铁路路基沉降变形的原因影响路基沉降变形的因素很多，然而路基沉降的发生必须具备两个条件：一是地下存在可压缩性土层，即地质条件；二是人类对地下水资源的长期超量开采，地下水位持续下降以及油气和地热资源的开发[12]。主要就是是填土荷载大小和地基岩土性质，可归纳为以下几种：（一）是因为路基填土的压实度不充分，其主要原因是：（1）实际的条件限制了施工的操作。如果在非常干燥的天气进行路基施工，且局部的路堤采用的填料粉碎不充分，就会导致路基的压实度不太均匀。在构造物暗埋的地方，由于构造物的长度有限，就会导致超宽碾压路基的边缘，从而导致路基的边缘的压实度不足。此外，由于有的加减速车道与行车车道没有同步施工，导致拼接处处理的不好使拼接处同样产生压实度不足的情况。（2）因为无法很好的控制填方土体的含水量的问题，导致压实的效果无法满足规范的要求。（3）在填方的路堤施工过程中，当路堤的施工进行到一定的高度时，路堤的边缘土体一般都会有压实度不足的问题。路堤填料不均匀，控制不当：铁路路基的施工过程中，对填料级配很难得到有效的控制，这些填料性质差异大、级配也相差很远。[13]选用了稳定性较差的路堤填料。采用不同土质填筑路堤时，因土的性质不同却没有做填筑方法相应的改变。地下水的影响：由于地下水的交替作用使路基土体含水量反复变化，它影响到土体中的有效分布、土体的结构特征和土体强度从而导致路基的不均匀沉降。路基所出现的不均匀沉降主要有以下几种形式：①路基整体或局部下沉；②路基纵、横向开裂；③路基整体滑动或边坡滑动。路基在荷载的作用下沉降随时间的发展，其可以分为三个阶段：瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降。路基本体依据其变形发展过程，可细分为如下阶段：(1)塑性一弹性变形阶段(2)不均匀变形阶段(3)蠕变阶段。其沉降变化是根据土体的固结原理来计算分析的，但是沉降计算的精度会受到各种因素的影响，其结果只是个估算值，从而致使设计阶段沉降变形的计算结果精度不高，最终导致无碴轨道施工后发生沉降。为了解决以上所说的问题，施工过程中一定要根据设计的要求进行全面的沉降变形的动态监测，根据对沉降的观测数据的客观准确的分析评估，验证或者调整设计措施，使路基工程达到规定的变形控制要求，确保客运专线无碴轨道结构铺设质量及运营安全。3.5控制高速铁路路基沉降的处理技术高速铁路路基处理的特点：①严格控制路基工后沉降是高速铁路路基设计与施工的关键技术之一；[14]②路基工后沉降是指铺设无砟轨道后所出现的不能通过路基本身加以克服的沉降。路基工后沉降包括地基未完成的固结沉降、路堤施工后的压密沉降以及列车产生荷载作用时路基的基床发生的累积变形，其中影响最大的是地基未完成的固结沉降。因此，路基工后的沉降管理工作的重点主要是地基工后的固结与压密的沉降、路堤的压密沉降和路基的基床在列车的动荷载长期的作用条件下产生的累积变形。根据《客运专线无砟轨道铁路设计指南》4.1.4条规定：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。[15]目前高速铁路的建设随着社会的进步已经进入了高速发展的阶段。铁路客运专线技术标准高、运行速度快等这些特点使得其对路基的要求也变得越来越严格，所以高速铁路路基的最大特点就是严格控制路基变形。路基沉降是路基变形危害最大且最明显的问题，而路基沉降控制是一个具有很大不确定性且涉及到的因素较多的巨大的工程问题。路基施工沉降和工后沉降这两大方面就大致组成了总的路基沉降，而后者发生的几率和危害都更大、更严重。换句话说，就是在施工时首先应该建立路基的变形监测网，然后对路基进行观测，最后对观测数据进行系统的分析，通过分析，推算出最终的沉降量和工后沉降，合理确定铺轨时间，保证高速铁路无砟轨道结构铺设的质量，以此确保高速列车安全、舒适、稳定的运行。在铁路客运专线路基沉降变形监测过程中，由于受各种不同的主观或客观因素的影响，沉降监测数据会含有多种误差甚至粗差，最终导致监控数据的可靠性降低，如果不及时的处理这些数据，则必然会直接影响到沉降监控的分析结果和下一步的决策和施工，甚至有可能导致不可估量的损失。我国技术规程规定，路堤开始填筑后，应对路基沉降进行系统观测，沉降观测资料应及时整理，汇总分析。路基填筑完成或施加预压荷载后应有不少于6个月的观测和调整期。观测数据满足不了评估条件和设计要求的，应采取相应的措施来控制沉降或者适当延长观测期。处理地基沉降的方法很多，目前常用的有排水固结法、动力固结法、复合地基、挤密法、注浆法、桩板地基、加筋法、置换法等，其中挤密法是一种具有二次挤密的作用，是一种技术成熟、经济可行的地基处理方法。3.6高速铁路路基变形监测的目的因为勘测、设计、施工、质量检测等这些环节是路基沉降的计算与分析所涉及到的，其计算精度满足不了路基沉降变形的控制要求。[16]且路基沉降变形的控制应以施工过程中的现场监测数据进行分析。因此，应根据不同的地基条件和结构部位来设置不同的路基沉降监测剖面，用以开展施工期期间系统的沉降变形监测与评估分析，以满足路基沉降的评估要求。路基施工期间系统的沉降监测是轨道路基施工质量控制的重要前提。通过路基沉降的现场观测，可推测地基沉降的变形规律，从而推算路基的最终沉降量并判断其是否满足要求并及时采取相应的沉降控制措施，使地基的工后沉降满足要求。如果路基沉降的实测值在观测期内超过设计值的大于或等于20%时，则需要及时查明原因，并根据实测数据调整计算参数，对设计预测沉降进行修正或者采取有效的沉降控制措施。基本上来说，如何获得能真实反映路基沉降变形的数据是做好路基沉降控制的关键。3.7高速铁路路基沉降的监测内容和要求高速铁路尤其是采用无碴轨道技术的客运专线，其轨道施工的工后沉降要求十分严格，如果沉降控制达不到设计要求，首先会造成轨道板大部分或者全面返工，甚至造成列车停运的严重后果；然后就是将不能进行无碴轨道的铺设，工后沉降量是决定无碴轨道施工的关键的控制条件。在沉降观测中，首先要根据构筑物的性质、周围的环境以及观测条件而定，垂直位移一般采用水准测量方法；但是，在平顺性方面要求极高的高速铁路则采用的是精密水准测量的方法。另外，我们可以通过布设控制网，按一定的精度要求，并且根据施工的进度和加载实况，实时的对路基在施工过程中的沉降变形进行监测和控制，并整理和汇总数据，以用来评估路基是否稳定。路基在施工时应按照设计要求进行侧向位移和地基沉降变形的动态观测，并且观测基桩必须不受施工影响且置于稳定的地基内，并定期进行复合校正。此外，观测装置的埋设位置必须符合设计的要求，且埋设要稳定。施工过程中应保护好观测基桩和观测装置。沉降监测剖面是根据不同的地基条件、结构部位和路基高度等具体情况来设置的，且它的监测范围应把所有发生沉降的路基地段所涵盖。沉降动态变形监测的内容包括有路基面、路基本体、基底等的沉降监测，还有软土地基水平位移监测、土工格栅应力应变监测、深厚层地基分层沉降监测共六个方面[17]。变形监测的重点部位是路基面上的监测点，同时这些监测点为以后评价沉降的发生过程和沉降发生后的发展规律提供先决条件，为了预测工后沉降的完成时间和总沉降量，也必须在路基基底以及路基填层中布设监测点。路基面的沉降监控主要通过沉降观测桩来观测；路基基底的沉降监控主要通过单点沉降计和沉降板来监测；路堤本体的沉降监控主要通过剖面沉降管来监测。路堤本体沉降监测和基底沉降监测在一般的路基地段监测点的建议一同布置于路基基底和基床底层顶面；加筋应力应变监测以及分层沉降监测可以按不同的工程地质地貌为一个单元，选择具有一定代表性地基类型的点进行；[18]如果是一般路基地段，监测点可以把路堤本体沉降监测和基底沉降监测同时布置于基床底层顶面和路基基底。沉降观测的基本要求：（1）水准网布设要结实且不宜被破坏，还要符合测量规范，并与施工作业面保持一定距离，以免影响施工；（2）设备精度和测量仪器要满足精度和观测进度的要求，并保持相对稳定，利用一台二等水准仪和一个水准尺再配上一个3m长的铟钢尺，并校正合格；（3）沉降观测杆周围要用TY60打夯机夯实，并重点抽查该处的压实质量，还要在所有观测桩的位置上插上标志旗，以给操作人员予以提示；（4）观测杆不宜太高，这样会影响观测精度，最好是高出路面0.5m左右；（5）路基沉降观测的测点布置，分为50m和100m，并且软土路基段应适当加密，过渡段应作为优先重点观测的对象，测点要等分间距的布设；（6）随着路基填筑增高，应及时接长加高埋设完的沉降板观测桩，为了消除误差，在接长时要牢固，丝扣旋紧；（7）沉降观测的断面布设类型分为路基面的沉降观测断面和路基基地沉降观测断面。（8）沉降板，位移和沉降观测桩应按照设计要求的位置和数量进行布设；路基观测的一般要求：（1）每个工点的观测断面和观测点的数量均按照设计要求设置，且由设计、施工、监理方在现场核奄并根据要求和上面提到的相关原则来确定埋设观测元件的种类和数镀；（2）沉降变形的水准测量精度为lmm，读数精确到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最值的1％，灵敏度为0.01mm。（3）当数据发生异常或者环境条件发生变化时应及时观测，路基沉降观测的频次不低于表3-1的规定。表3-1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/月无砟轨道铺设后第1个月1次/2周第2、3个月1次/月3~12个月1次/3月3.8沉降变形观测方法及精度分析外业测量的核心是观测方法的选取，同时观测方法也是决定最终数据成果是否能够合格的关键环节之一。所谓的精度就是观测的观测值和真实值的接近程度，它包括精密度和准确度两方面。在对变形进行观测完毕后，精度方面也需要作分析和研究，以取得更好的效果。在对精度进行分析时，首先是看选择的什么观测仪器、观测时用的什么方法、布设的什么观测网，最后计算结果时用的什么方法或者模型等，这些都是我们需要考虑到的。为了最大限度的对观测方法不当所带来的影响进行减少，在实地测量前，需要进行更加充分的实验论来把最佳的观测方法证选择出来。我们参考了国外的高铁工程测量的一些经验和资料，并且制定出了一系列严格施测的观测方法，而且对外业施测的每一个环节都有严格的要求。监测方案设计的总体思路是：依照“先整体后局部，先控制后变形”的原则，监测方案包括监测精度设计、基准网及工作基点的布测、观测点的布设、监测周期及频次的确定、观测方法的选择、监测数据的采集、处理、分析及整理等内容。目前高铁的建设常用的观测方法是全站仪“三网合一”法，所谓的“三网”就是勘测网、施工控制网、运营维护控制网。[19]3.8.1变形观测的精度分析要使高速铁路的轨道建设和运营管理正常且安全的运行，测量系统是的基础，高等级控制网、高精度测量技术以及高精度测量仪组成了这个系统。更重要的是，这个系统中的数据处理和坐标体系的技术水平、测量数据的准确度、测量管理模式和经验。在高速铁路路基的建设中，采集数据对后期的评估工作十分重要。评估的时候，首先我们要对路基沉降变形进行评估，然后绘制全路段或者部分路段的沉降变形曲线图，最后确保这项评估满足铺设轨道的要求。过去的不够先进的方法是将地表沉降变形布设成一维网，然后再把水平变形也布设成一维网。这种方法的不足之处就是：监测时间比较长、工作量大、手通视条件的限制使得点位与监测时间不能保持相符合。科学技术随着社会的不断发展，更加精确的测量技术不断出现。如剖面沉降仪法、分层沉降仪法、水平测斜沉降仪、单点沉降计法、静力水准仪等[15]。它们是一种可连续观测且读路基的沉降量的高精度测量仪器，且不影响它的正常施工。3.8.2变形观测成果的精度评定

沉降观测的精度取决于观测方法、高铁路基结构和基础类型。FIG(国际测量工作者协会)在1981年第16届大会上提出,观测值的中误差在实际工程的应用中不应超过变形允许值的1/20~1/10；如果监测是为了研究某个变形的过程,则它的中误差比以上数值会更小,通常应用“在当时可以达到的最高的精度”用来确定变形观测精度。

水准测量成果进行精度评定的目的是：①对变形观测进行分析并提供可靠的数据；②计算水准路线的环线闭合差和中误差；③能及时发现所出现的粗差并予以纠正；④核对观测精度是否能达到设计所规定的要求。3.8.3沉降观测过程要遵循“五定”原则

“五定”即①沉降观测所依据的基准点、被观测物的沉降观测点等这些点位要稳定；②所用的仪器和设备要稳定；③观测人员要稳定；④观测时的环境条件要基本稳定和一致；⑤观测路线、镜位、程序和方法要固定。要确保以后每次复测的结果和首次观测的结果具有可比性，使所观测的沉降量更准确真实，则通过以上五个措施可以尽量的减少观测误差，使所测得的结果具有一致的趋向性来实现。3.8.4施测要求观测程序与设备和仪器的操作方法要正确。在第一次观测前要对所有用到的仪器的每一项指标都进行检测校正。此外，对路基沉降的预测应采用曲线回归法，当数据采集到大于6个月的时候应做多途径的曲线回归分析，来预测沉降变形的趋势和规律，曲线回归的相关系数必须大于或等于0.92。沉降预测的数据在间隔3-6个月的两次偏差必须小于或等于8mm。一般是按照沉降变形等级三等的施测要求对高速铁路路基垂直位移进行监测（相当于国家二等水准测量），测量精度和等级要求如表3-2所示：表3-2测量等级及精度要求沉降变形测量等级垂直位移测量水平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差中误差（mm）沉降变性点点位中误差（mm）一等±0.3±0.1±1.5二等±0.5±0.3±3.0三等±1.0±0.5±6.04对郑西高速铁路黄土湿陷性路基的研究4.1郑西高铁及其湿陷性黄土路段的介绍设计时速为每小时350公里、线路全长为484.5公里的郑西客运专线是我国甚至世界上在湿陷性黄土地区修建的第一条高速铁路。全线铺设无碴轨道的郑西客运专线，沉降控制标准为：工后沉降不得大于15mm，长度大于20m的路基，工后沉降不得大于30mm[20]。郑西高速铁路在大规模施工前选择具有代表性的工点建立试验段，对水泥土挤密桩、黄土路堤等湿陷性黄土地区的典型地基进行实体工程研究，通过开展大型浸水试验、路基沉降预测、沉降变形观测等，对客运专线在技术条件下改良黄土路堤和水泥土挤密桩等地基的湿陷性消除效果、路基地基沉降控制效果、沉降变形特性等内容。郑西高速铁路穿越由湿陷性黄土覆盖的豫西和关中地区，它所经过的地区有黄河及支流的阶地、低山丘陵区等不同的地质单元。主要是陡坡路基、不良地质路基、边坡防护路基、基床处理路基和浸水路基等，施工条件极其恶劣[21]。面对以上重重困难，工程施工在三维精度控制网的配合下，采用灰水泥搅拌桩、土挤密桩、以桥代路、CFG桩或刚性混凝土桩进行处理等多种技术手段，按期完成施工任务，并达到设计的要求。而影响线路正常运营的最大技术难题依然是路基工后沉降。接下来我们主要论述如何选择监测路段以及如何制定监测方案，并详细的分析监测结果，监测方案主要包括监测参数的选择、检测仪器及监测系统的选择、监测断面及监测仪器的埋设、数据采集频率的确定等。我们所选的监测路段是路基形式为高填路基的且位于湿陷性黄土地区的郑西客运专线（陕西段）作为监测路段。首先，黄土的湿陷现象是一个极其复杂的地质、物理、化学变化过程。黄土湿陷原因归纳起来可分为外因和内因两个方面：黄土受水浸湿和荷载作用是湿陷发生的外因；黄土的结构特征及物质成分是产生湿陷性的内在原因。沿线地表广布第四系全新统冲积黏质黄土及砂质黄土，具有一定湿陷性。根据现场钻探取土试验，经计算后判定，对地基土湿陷性评价如下：K1042+370~K1043+990段湿陷类型为非自重湿陷性，湿陷等级为1级（轻微），湿陷黄土厚度约1.5~4.5m；K1043+990~K1044+350段湿陷类型为非自重湿陷性，湿陷等级为2级（中等），湿陷性黄土厚度约3.5m；K1044+350~K1044+620段湿陷类型为非自重湿陷性，湿陷等级一般为1级（轻微），湿陷厚度约2.5~3.5m；K1044+620~K1044+970段无湿陷性。黏质黄土、砂质黄土一般具有中等压缩性，少量具有高压缩性。4.2路基沉降观测的内容和方法观测内容：（1）路基中心基底地面的沉降观测；（2）路堤外地面的沉降观测；（3）路堤顶面的沉降观测；（4）路堤坡脚的水平位移观测。观测方法：(1)以数据自动采集及无线传输为核心技术的湿陷性黄土地区路基沉降监测技术[23]；（2）路基坡脚的水平位移采用全站仪观测；（3）地表沉降量监测；（4）路基内部沉降监测；（5）利用光纤光栅传感器沉降监测系统；（6）路堤中心基底地面、路堤外地面和路堤顶面的沉降观测采用精密水准仪，配用铟瓦水准尺观测。地表沉降量监测一般包括监测桩法沉降杯法沉降板法等方法；路基内部沉降监测一般包括水压式剖面沉降仪钢弦式剖面沉降仪、水平测斜仪等方法；利用光纤光栅传感器沉降监测系统对路基进行实时的沉降变形监测，也就是说路基工后沉降的监测可通过监测桥梁墩台垂直沉降的静力水准传感器构成的监测系统来实现。静力水准传感器可监测相距较远的测点之间的相对垂直位移量。由滑动杆、位移传感器和外筒三部分构成的位移计的传感器滑动杆与测杆连接，而测杆再与锚头连接，这样可以实现路基内部土体的沉降监测，而且不同的深度可以连接多个锚头。而对于单点位移计来说，要想实现针对内部土体沉降位移的监测，则需要把测杆与一个沉降盘连接起来，且把位移传感器安装在传感器的基座上，再把基座固定在地面上，最后沉降盘把沉降位移通过滑动杆和测杆来传递给位移传感器。采用上述变形监测系统的优点是：利用光纤光栅传感器沉降变形监测系统，可以实现长距离(50km)准分布，测量精度高，复用能力强，可精确的测出大于或等于0．1mm的垂直位移的变化，适用于长期实时监测，稳定性好，且不受电磁干扰[24]。最重要的是，这个监测系统能达到湿陷性黄土地区的路基进行长期工后沉降监测的要求。因此，将光纤光栅传感器沉降监测技术应用于所有的客运专线路基沉降变形的监测，具有广泛推广应用的前景。其中上述内容中挤密桩法地基处理措施及设计参数如表4-1。表4-1挤密桩法地基处理措施及设计参数区段地基处理措施填料处理深度桩径桩间距布置方式（m）挤密桩区水泥土挤密桩8%水泥土150.51.0正三角形4.3观测断面及点位选择的设置原则路基观测断面不仅要设置在需要进行堆载预压的浅路堑路段，还要设置在路堤全部路段范围内。根据路基工点的特点、工程地质条件等因素来确定观测断面的数量，原则上设置观测断面的间距为50m；当地形起伏大、地质条件变化大时以及过渡段范围内应适当加密布设，一般是20m布置一个断面；具体来说就是：（1）观测断面应根据不同的结构部位和地基条件等具体情况选择；（2）观测点应布置在同一个路基横断面上，以便于集中观测和统一观测频率，更重要的是，便于对各种监测数据进行综合分析；（3）传感器和监测点的埋设要确保标设准确且埋置稳定，并在沉降监测期间对埋设监测点的区域采取有效的保护措施，防止人为因素对仪器造成破坏，保证监测的连续性和安全性。4.4观测设施的布置原则陕西省华阴市卫峪乡坪塬村是郑西高速铁路湿陷性黄土地区路基监测的试验路段，它位于郑西客运专线DK355+200左侧约150m处，其中场地东西长约180m，南北宽约80m，且被征用前为普通农田，地形相对比较平坦，地面标高约为366.16米。一般地段要设置一处混凝土沉降观测桩，则应该设置在路堤量测坡脚外0.5m处及电缆槽内；要设置一处沉降板，则应该设置路堤中心处来进行沉降变形观测；把C15混凝土沉降观测桩分别设置在采用了堆载预压措施的路基路肩电缆槽内外两侧，而把沉降板设置于线路中心处和路堤底部的水泥土垫层顶部来进行沉降观测。埋设观测桩时应确保牢固可靠，且它露出地表或基床约10cm。特殊地段：要设置磁环沉降仪在地层有较厚粉质黏土层的地方来进行深层的沉降观测，且至少设置两处在每个工点上，磁环分别设置在地面以下1m、3m、5m、10m、15m、20m、25m等的深度处，另外还需要埋设一个磁环在地层变化处。4.5基底、水平位移及路堤坡脚、路堤顶面沉降观测在路堤正式填筑前，对已安好的沉降板和位移边桩进行复测，作为初始数据。水平位移应利用全站仪根据视准线法与单三角前方交会法相结合来进行观测；采用高精度电子水准仪对沉降板测杆标高进行二级精度要求的几何水准测量；每次观测完成后要及时整理并汇总测量结果，填筑开始初期，应每天进行测量，当路堤中心处地面沉降速率小于或等于10mm/d，且水平位移速率小于或等于5mm/d时，应该马上停止填筑，要想继续进行填筑施工需等恢复稳定后；路堤顶面沉降观测在路堤填筑施工完毕后，应及时埋设观测桩，并采用高精度电子水准仪进行二级精度要求的几何水准测量。4.6路基断面监测根据现场的地质条件、地形地貌和地基处理方式等具体情况，并结合不同的路基结构形式、地基条件等特点，选择了两个监测段来做研究，其桩号分别为K1045+800~870和K1047+300~440，并且每个监测段选择了两个监测断面。下面对每个断面的监测方案进行分析。1、K1045+800~870监测段（1）路基断面该监测段选择了两个间距为70米的监测断面，桩号分别是K1045+800和K1045+870。路基的地基形式都是复合地基，且其填筑形式为高填路基，所以采用水泥挤密桩的方法来处理这种地基，如图4-1所示为路基断面形式：图4-1K1045+800、870监测段路基断面（2）监测数据由于路基两侧的地基处理范围较广，所以只对路基进行湿度和沉降监测。假设原地面线2m以下的土层不发生沉降，对不同填土层处的相对沉降量和路堤的总沉降量进行监测，并对它的沉降规律进行分析和研究预测。监测断面及监测点位监测断面的方式采用半断面监测，每个沉降监测段选择两个监测断面，选择4个监测点在每个监测断面上，监测位置分别位于轨道附近（或路基中心线）、道砟边缘处、路肩处和坡脚处。监测深度范围及传感器埋设位置沉降监测深度为水泥土挤密桩顶面至路基顶面以下2m的范围。路基不同类型填土层交界面处是各监测点沉降监测传感器的埋设位置。按照路基填土断面图可知坡脚处需埋设1个传感器，而路肩、道砟边缘处和轨道附近三处的每个监测点需要埋设4个传感器。根据路基不同类型填土层厚度，其埋设传感器的深度也不同。湿度的监测位于路基填土层内，每个监测点需埋置垂直间距是0.5米的湿度传感器3个。具体情况如下图4-2。图4-2传感器埋设位置示意图2、K1047~440监测段（1）路基断面该监测段路基断面为高填路基，地基也是复合地基，且地基处理方式采用的是水泥挤密桩法，与K1045两监测断面的不同之处是，路基各结构层的厚度不同，路基断面形式如图4-3图4-3K1047+300、440监测段路基断面(2)监测数据对路基的湿度、沉降和水平位移进行监测。（3）监测断面及监测点位监测也采用半断面监测，每个沉降监测段选择两个监测断面，与上述的监测断面设置一样，选择4个监测点在每个监测断面上，监测位置也与上述监测点的布设位置一样。（4）监测深度范围及传感器埋设位置沉降监测深度为路基顶面至地基处理层顶面以下2m范围。与K1045+800监测断面不同的是，在该断面坡脚处放置了固定式电子测斜仪，便于对水平位移进行监测。见图4-4。图4-4传感器埋设示意图4.7监测参数的选择根据郑西客运专线黄土路基的特殊地质条件，我们确定了三个监测参数：路基湿度、路基及地基不同深度的垂直沉降量和路基水平位移量。其中主要监测参数是垂直沉降量。影响路基沉降的重要因素之一就是水，特别是在湿陷性黄土地区，它的实质是通过利用水来破坏路基填土的稳定性来实现的。最重要的是，水对黄土的结构的破坏，导致它的承载能力急速下降，最终导致路基的沉降。因此路基湿度也是路基监测的一个重要的监测参数。对于高填方路基而言，由于行车荷载的作用，加上填筑体自重较大，容易使其产生压缩变形，从而导致路基产生侧向偏移，因此也需要对路基水平位移进行实时监测。4.8监测系统及监测仪器的选择传统的路基沉降监测方法，如观测桩、水准仪监测、沉降板等已不能满足运营要求。同时，需要大量的沉降数据作为支撑的路基沉降变形是一个长期而复杂的过程。在监测时间、监测数据的时效性、监测数据分析处理和监测数据的数量等方面都有相对较高的要求[25]。所以这就需要一个具有长期、实时并且方便这些特点的路基沉降监测系统。因此，我们选择了一个具有监测数据自动采集和无线传输功能的监测系统。这个系统利用CDMA或GPRS等无线公用网络来进行数据传输，从而实现远程无线数据的采集和监控。2、监测仪器的选择由于郑西客运专线已建成几年，工后沉降量的级别也相对较小，因此，这就需要所用到的监测仪器具有相对较高的精度，才能确保监测的精度和准确度更高，下面就是所用到的的四中传感器：单点沉降计、分层沉降计、测斜仪和土壤水分计，它们分别对沉降量和水平位移进行监测控制。其中分层沉降计安装于轨道中心线、道砟边缘处、路肩处，安装孔深为6m，孔直径为140mm，每孔内沉降计自上而下安装4个沉降计位置分别为1m、2m、3m、4m；单点沉降计只安装于坡脚处，每个断面安装一个单点沉降计，安装孔深为3.5m，探针垂直向下；电子测斜仪只安装于K1047断面坡脚处，安装孔深为5m，孔直径为100mm，每个孔内自上而下安装3个测斜仪，X方向与行车方向垂直，Y方向与行车方向水平；土壤水分计安装位置与分层沉降计的安装位置一样，安装孔深也为6m，孔直径为100mm，每孔内沉降计自上而下安装3个水分计，位置分别为2.5m、3m、和3.5m，探针垂直向下。4.9数据分析路堤建成以后发生的沉降变形主要有：在自重作用下使路堤本体发生压密沉降；在列车荷载作用下使路堤发生的变形；地基在支撑路基时发生压密沉降。沉降过程和沉降量两个方面包括以下沉降问题：黄土地基的压缩变形、填方路堤本身的沉降和黄土地基的湿陷变形等。我们主要是通过压实密度来控制路堤填土的压密沉降。一般在路堤竣工后1年左右才能使路堤填土压实沉降量完成。因此，地基的工后沉降主要是受路堤沉降控制的。路基从施工至设计标高后，先后持续观测大于或等于6个月的时间，根据观测数据，按照沉降的反演分析法或实测沉降推算法，分析并推算工后沉降量、总沉降量以及后期沉降的速率，并初步分析和推测最终沉降的完成时间，从而最终确定铺轨的时间。目前用到的分析实测数据的方法有：指数曲线法、双曲线法、星野法、泊松曲线法等四种预测方法。4.9.1指数曲线法推算最终沉降量的公式为：（4-1）推算任意时刻沉降量的公式为：（4-2）上式中（4-3）（4-4）（4-5）4.9.2双曲线法推算最终沉降量的公式为：（4-6）推算任意时刻沉降量的公式为：（4-7）上式中：（4-8）式中—t时的沉降量；—最终沉降量。5高速铁路路基工程发展前景高速、重载铁路的发展，对铁路线路的质量提出了新的要求，因此路基的特性必须与它相符合。此外，过去的落后的路基变形观测技术和精度已不足以满足特殊地区变形观测的要求，就高速铁路路基变形观测技术及其精度分析的现状而言，传统的方法是沉降变形观测应独立建网，精度按二等精度控制，但是在观测频率和观测断面的设置上都有严重的缺陷。随着各相关技术应用学科水平、机械设备水平及材料的提高，为路基工程技术的发展奠定了良好的基础和创造了良好的条件。我们需要在已有路基变形监测技术的基础上勇于创新，翻阅资料，根据理论探究来提出自己的新思想、新方法，然后再加上实践验证，来的到更好的铁路客运专线路基方面的沉降变形监测技术。首先，全自动跟踪全站仪、数字近景摄影和GPS的应用将走向实时连续、自动化、高效率和动态监测系统的发展方向；并且也会在很大程度上提高变形监测的采样率，变形监测的自动化为变形沉降分析提供十分丰富有效的数据信息；其次，数据分析与处理将会走向智能化，自动化、网络化和系统化，它更注重的是时频分析和时空模型的研究，数字信号的处理技术将会向更高的层次发展；所以在铁路客运专线今后的发展中，我们的目标是追求不均匀沉降为零，利用高精度电子水准仪对路基进行沉降变形监测，其精度可以达到毫米级，能够监测到铁路路基的微小沉降变化，并且我们利用高精度电子水准仪来对高铁路基沉降变形进行观测，可以节约成本，精度也相对较高，操作也比较简单，可以实现实时、连续、动态监测，从而改善变形监测的作业方式及其数据处理过程。还有就是，建立以数据库、多媒体库和方法库为主体的全面监测系统是未来的发展方向，使得物理解释的综合研究和几何变形分析得到深入的发展，而需要长期研究的课题是变形的非线性监测系统。结束语黄土地区的路基沉降周期可以通过采取堆载预压的处理措施来实现，总体而言，在进行路基沉降观测设计与分析时，最重要的是合理布设沉降观测点和观测断面，以便对路基沉降变形进行有效的控制，从而确保高速铁路客运专线按期铺设轨道，并且保证高速列车后期高速行车的安全。基于上述我们对高速铁路路基沉降变形观测技术及其精度分析方面的阐述，就其发展现状