基于无定向导线铁路路基水平位移监测方法的探讨

2016-04-28魏福军孙志强

四川建筑 2016年1期

关键词：路基铁路

魏福军, 孙　煜, 孙志强, 刘　学, 张　军, 乔　彪

(中铁七局集团第一工程有限公司，河南洛阳 471000)

基于无定向导线铁路路基水平位移监测方法的探讨

魏福军, 孙煜, 孙志强, 刘学, 张军, 乔彪

(中铁七局集团第一工程有限公司，河南洛阳 471000)

【摘要】铁路路基变形监测是路基修建过程中必不可少的工序，但由于铁路工程带状的特点以及施工干扰大，传统的路基水平位移监测方法效率低，劳动强度大。针对以上问题，文章首先介绍水平位移的监测目的、点位埋设，然后通过理论分析，提出了可采用基于无定向导线的方法监测铁路路基水平位移。该方法具有测站摆放灵活、无需对中、效率较高的特点，特别实用于铁路路基带状结构且施工干扰较大的区域。

【关键词】铁路；路基；水平位移；无定向导线

随着我国国民经济的发展,交通运输业特别是高速铁路的建设得到了迅猛的发展，高速铁路线路较长,沿线可能经过多座大、中、小桥和涵洞以及厚度不等的软土地区,路堤填筑高度也较高。在水网地区和软土地区进行这样高标准铁路的建设,在保证施工安全和施工质量的前提下提高施工进度,是施工单位和各级政府共同希望和追求的目标。当前,在不良地质条件下进行道路和建筑物的施工,一般都通过变形观测及其分析来调节施工速率,以保证路堤施工安全。通过变形观测还可以验证设计沉降值、水平位移值,并为今后进行类似工程的施工积累经验,沉降量、水平位移量可以作为工后计量支付的重要依据[1-2]。

鉴于高速铁路带状的特点、所处的地形地质条件、施工环境以及传统的路基水平位移监测方法精度低、劳动强度大的特点[3]，本文首先介绍水平位移的监测目的、点位埋设，最后通过理论分析，提出可采用基于无定向导线的方法监测铁路路基水平位移。其方法具有测站摆放灵活、无需对中、效率较高的特点，特别实用于铁路路基带状结构且施工干扰较大的区域。

1水平位移监测概述

1.1水平位移监测目的

如图1所示，路基底部在受到外界荷载作用下，其本身会产生竖直方向的变形，称为挠度变形。在这种变形的带动下，会引起距离坡脚1～2 m左右的B、C点到距离坡脚10～12 m左右的A、D点横向范围内产生水平方向的不均匀变形，通过对每个断面这4个点的水平位移进行监测，可以监视其在施工和运营期间上述变形的大小和规律，并根据变形量预测和预报其变形趋势，从而确保施工和运行的质量和安全。

图1　水平位移监测点受力情况示意

1.2水平位移基准点和监测点的位置设计与埋设

1.2.1基准点的位置设计与埋设

在涵洞顶上合适位置布设路基水平位移监测的工作基点，由于涵洞本身也属于变形体，很难保证其上工作基点的稳定性，为获取监测点准确的水平位移变形量，拟在远离线路相对稳定的地方设置4个水平位移监测的基准点，以便对工作基点进行稳定性监测。基准点是变形观测的基础，必须保证其坚固和稳定，因此点位应选在变形区以外、地质条件好、能够永久保存的地方，为此水平位移监测基准点应布设在远离线路且地形稳定的位置。

1.2.2监测点的位置设计与埋设

监测点的布设应能反映路基填土荷载下引起的路基底部水平位移；点位应布设在便于观测、点位稳定和施工干扰小的地方；点的数量应能反映基底变形情况，并满足变形分析的需要。因此，结合实际，在每个观测断面两侧路堤坡脚外1～2 m处、10～12 m处各设置一个位移观测桩。要求在路基填土前埋设，位移观测桩采用C15钢筋混凝土预制，断面采用15 cm×15 cm正方形，长度不小于1.5 m，并在桩顶预埋半圆形不锈钢耐磨测头。边桩埋置深度在地表以下不小于1.4 m，桩顶露出底面不大于10 cm。埋置方法采用洛阳铲打入设计深度，将预制边桩放入孔内，桩周以C15混凝土浇筑固定，确保边桩埋置稳定。埋设要求如图2所示。

图2　水平位移监测点埋设要求示意(单位:cm)

2水平位移监测方法

工作基点和基准点是变形观测的基准，其精度和稳定性将直接影响变形观测的成果质量，因此精确测定工作基点和基准点的精度和稳定性尤其重要。根据该标段变形监测控制网的范围、精度要求以及周围地形条件，平面控制网(由工作基点和基准点组成)将采用全站仪无定向导线的方法进行测量，按《建筑变形测量规范》二级精度要求施测[4]。

为准确提供变形观测基准，平面控制网应定期复测，复测周期应根据点位稳定情况确定，一般一个月复测一次为宜。由于工作基点位于变形体附近，为获取水平位移监测点准确的变形量，在位移监测点测定前应对工作基点的稳定性进行检核和修正。当工作基点的稳定性出现异常时，应及时进行分析并对监测点的监测成果进行修正。工作基点的稳定性监测应为每周期复测一次。

由于每个断面均有4个水平位移监测点，并且考虑线路的带状结构，根据路基周围地形、地质条件以及水平位移的监测精度要求，水平位移的监测拟采用无定向导线方法进行，即在涵洞顶上加密控制点，架设全站仪，观测监测点相对测站的水平角和水平距离，从而计算各监测点各周期的平面坐标，则不同周期同一个监测点坐标的变化量，即为该监测点在这一周期监测得到的水平位移。

2.1加密控制点的监测方法

采用无定向导线测量的方法[5]进行监测，测量原理如下：

图3　无定向导线法加密控制点

如图3所示，在1点架设仪器，后视A点，测定转角β1角，并测定A1、12间平距D1、D2。平距测量由于受各种条件限制,不能直接测定,可通过测定倾斜距离,加入倾斜等各项改正,换算为平距。然后在2点架设仪器,后视1点,测定β2角,并测出23点间平距D3。同理测定β3、β4角和34、4B间平距D4、D5[6]。

则其它导线边的真方位角为：

根据已测得边和解算出的真方位角即可解算出B点的真坐标,但与已知坐标存在一定差值即δX、δY,δX、δY可通过平差进行改正[7]。

根据已知点A的坐标和求得的各边的坐标增量,可依次求得未知点1、2、3、4点的坐标。

因为A1的方位角α′为假定的，所以计算出的各点坐标并不在A、B点的坐标系中。计算出坐标初值后，再进行坐标平差，各点坐标即旋转到A、B点所在的坐标系中。

2.2水平位移观测桩的监测

位移观测桩用极坐标法计算，用全圆观测法观测两测回。

第一个周期测量的坐标分别为：

(1)

第二周期测量时，可得到该目标点的第二周期观测坐标，则同一目标点的两周期X、Y坐标的差值，即为该目标点在这两周期观测期间的X、Y方向的水平位移值，即：

(2)

精度分析与精度设计

对式(2)取全微分得：

(3)

对式(3)按误差传播定律转化为中误差关系式并合成后，可得目标点的点位中误差关系式为：

(4)

当S=150 m按全站仪的标称精度代入式(4)，可估算出目标点的点位中误差为±1.76 mm。考虑到水平位移为同一监测点的两周期坐标的差值，且X、Y方向按同精度算，则X、Y方向位移量的中误差将均是±1.76 mm。显然，这样高的精度能满足路基水平位移监测的精度要求，因此路基水平位移监测的精度设计为测角精度不低于±2″和测距精度不低于±(2 mm+2 ppm),由此说明采用无定向导线的测量方法监测铁路路基水平位移是可行的。

3结论

铁路线路基础是否稳定，需要进行定期的变形监测才能有明确的答案，因此在建的高速铁路在线下工程施工期间必须进行变形监测。本文从铁路路基带状工程以及施工干扰大的特点入手，结合无定向导线的理论，介绍了采用无定向导线监测铁路路基水平位移的方法。

(1)可采用无定向导线的方法监测路基水平位移，其方法在理论上是可行的，可达到为路基施工快速、准确反馈变形信息的目的；

(2)无定向导线具有线路行走灵活、测站无须对中的特点，特别实用于铁路路基带状结构且施工干扰较大的区域，能一定程度提高监测效率。

参考文献

[1]郭光权.客运专线路基沉降和变形监控[J]．铁道工程学报,2007(增刊).

[2]赵欢,李东升.哈大客运专线路基稳定性的监测与分析[J].路基工程,2014(1).

[3]席丽萍,芦小辉,杨雪峰. 基于自由测站的铁路路基水平位移监测方法探讨[J]. 四川建筑,2012(6).

[4]JGJ 8-2007建筑变形测量规范[S].

[5]王永志.无定向边导线测量及其应用[J].内蒙古科技与经济,2007(15).

[6]宋志诚.无定向导线在线路工程测量中应用的可靠性分析[J].科技情报开发与经济,2008,18(16).

[7]武汉大学测绘学院测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M]. 武汉：武汉大学出版社, 2003.