中铁十五局集团有限公司 张宏廷

客运专线路基沉降变形观测与评估

中铁十五局集团有限公司 张宏廷

客运专线路基变形包括三个部分：列车动荷载作用下路基面弹性变形、列车动荷载作用下路基基床产生的累计变形、地基及路堤工后压密沉降。路基面弹性变形，是在列车动荷载作用下可恢复的变形，与基床表面支承刚度密切相关，采用强化基床，一般在1mm左右。路基基床累计变形，是基床岩土在列车荷载反复作用下出现的不可恢复的塑性变形，与基床岩土材料、动强度、动模量密切相关。采用强化基床，基床累计变形很小，其累计变形值约在1～2cm以内，累计变形率在1～2mm/年。地基及路堤工后压密沉降，受地基岩土性质及相应地基处理措施、填料性质及压实标准影响较大，不确定因素多，是工程建设管理控制的重点。

复杂多样的环境，同样复杂多样的岩土，以及岩土材料本身固有的不确定性和变异性，使路基工程十分复杂，路基工程的沉降变形计算迄今为止尚无准确的计算方法。因此，为有效控制客运专线路基工程的变形，必须采取以下措施：建立线下构筑物沉降变形观测网，采取高精度测量仪器对线下构筑物变形进行观测；采取科学有效的方法对线下构筑物工后沉降变形进行预测和评估；采取信息化施工方法，工后沉降不能满足设计要求时，应采取必要的加速或控制沉降措施。

一、变形观测的内容和观测点布设

根据不同的路基高度及不同的地基条件进行变形观测，主要内容有：路基面的沉降变形观测、路基基底沉降变形观测、路堤本体的沉降变形观测。观测断面及观测点布设基本原则如下。

1. 路基沉降变形观测应以路基面沉降和地基沉降观测为主。沉降变形观测断面应根据不同的地基条件、不同的结构部位等具体情况设置；沉降变形观测点的布设位置应满足设计要求，同时还应针对施工掌握的地质、地形等情况进行调整或增设。

2. 沉降变形观测点应设在同一横断面上，这样有利于测点保护，便于集中观测、统一观测频率，更重要的是便于各观测项目数据的综合分析。

3. 路基面变形观测断面沿线路方向的间距一般不大于50m；地势平坦、地基条件均匀良好的路堑、高度小于5m的路堤可放宽到100m；地形、地质条件变化较大地段应适当加密观测断面。

4. 一般路基填筑至基床表层顶面，而加载预压的路堤填筑至基床底层表面后，在路基面设观测桩，进行路基面沉降变形观测，时间不少于6个月。根据观测结果分析评价地基的最终沉降量完成时间，及时调整设计措施，使地基处理达到预定的控制要求，同时作为竣工验收时控制沉降量的依据。

5. 观测点及观测元器件的埋设位置要符合设计要求，并且埋设准确、稳定。观测期间要对观测点采取有效的保护措施，防止施工机械的碰撞、人为因素的破坏，务必使观测工作能善始善终，取得满意结果。

6. 观测断面的设置及观测内容、元件的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、堆载预压等具体情况，结合沉降预测方法和工期要求具体确定。

二、变形观测元件的选取和埋设

变形观测元件的选取应满足工后沉降的评估需要以及精度要求。路基面采用沉降观测桩观测，地基面采用沉降板、剖面沉降管和电测元件相结合的办法进行观测。

对于剖面观测管、单点沉降计等电测元件检测仪器的选配，要选用高灵敏度、高精度、高可靠性的仪器；仪器厂家应具有相应的生产许可证、计量器具生产许可证等，并具有良好的工程应用业绩和信誉评价。

变形观测元件的埋设方法如下。

1. 沉降观测桩。采用Φ20mm底端带弯头的钢筋，钢筋原长不小于40cm，底部做成弯钩状，观测点钢筋头为半球状，高出埋设表面5mm，表面做好防锈工作。一般路基填筑至基床表层顶面，加载预压路堤填筑到基床顶面后，挖坑埋置于设计位置，坑深30cm，边长15cm，用砂浆浇筑固定，如图1所示。

2. 沉降板。沉降板由钢底板、金属测杆（Φ40mm厚壁镀锌铁管）及保护套管（直径不小于Φ75mm、壁厚不小于4mm的硬PVC管）组成，钢底板尺寸为50cm×50cm，厚1cm，如图2所示。

路基沉降板的埋设方法如下。

（1）埋设位置按设计要求的位置确定，沉降板埋在褥垫层顶部并嵌入其内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筒，完成沉降板的埋设工作。

（2）采用水准仪，按国家一等精密水准测量方法测量埋设就位的沉降板测杆杆顶标高，作为初始读数，随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管，每次接长高度以1m为宜，接长前后测量杆顶标高变化量确定接高量。金属测杆用内接头连接，保护套筒用PVC管外接头连接。

三、变形观测方法及要求

1.路基变形观测的一般要求。

（1）变形监测网按二等变形测量等级技术要求建立，变形观测点的水准测量采用一等变形观测测量技术要求。

（2）建立变形观测网，布设水准基点和工作基点。在沿线施工已设水准基点的基础上，按距离不大于1km增设水准点。水准基点应设在变形区以外的岩石或原状土层上，亦可利用稳固的建筑物、构筑物设立水准点。为满足沉降变形观测精度要求，在两水准基点之间沿线路方向按间距不大于200m、距路基中心距离小于100m布设工作基点。工作基点应布设在不受施工干扰的稳定土层内，以便长期保存和使用。采用Φ20mm长60cm顶端圆滑的钢筋打入土中，桩周上部30cm用混凝土浇筑固定并编号。高程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，将变形监测网与二等水准点联测，统一归化为二等水准基点上。

（3）所使用的仪器和设备定期检查并作详细记录，每次测量采用同一仪器，固定观测人员，采用相同的观测路线和观测方法，在基本相同的环境和观测条件下工作。

（4）各种原始测量记录真实、可靠，并有可追溯性；计算成果和图表清晰、签署齐全，并妥善保存。

2.观测频度要求。

（1）所有观测元件埋设后，必须测试初始读数，在路堤正式填筑前，必须对所有元件进行复测，作为正式初始读数。

（2）路基施工各阶段沉降观测频度应满足表1要求。

表1 路基沉降观测频次

（3）测试过程中发现异常，必须及时查明原因，尽快妥善处理。

3. 观测方法及测量精度要求。

（1）所有高程水准测量应满足二等变形等级测量技术要求，按国家一等精密水准测量方法施测，测量精度±1mm，读数取值0.1mm。

（2）单点沉降计采用智能型频率检测仪器进行测试，单点沉降计量程200mm，精度1%，灵敏度0.05mm。

（3）剖面沉降采用剖面沉降仪进行测试，精度8mm/30m，灵敏度0.01mm。

（4）静力水准仪采用智能型频率检测仪器进行测试，静力水准仪量程100mm，精度1mm，灵敏度0.01mm。

4. 元件保护要求。

（1）各工程项目部应成立专门监测测试小组，进行元器件的埋设、观测和保护工作，小组人员分工明确，责任到人。

（2）元件埋设前应根据现场情况进行编码，有导线的元件应将导线引出至路基坡脚观测箱内，并做好观测箱的保护工作。

（3）所有观测元件埋设或观测过程中如有损坏，要及时补埋或经设计、监理确认采取其他替代措施。

（4）沉降板埋设后，制作相应的标示旗或保护架插在上方，凡沉降板1m范围内的土方要采用人工摊平及小型机具碾压，不得采用大型机械推土及碾压，并配备专人负责指导，以确保沉降板不受损坏。

（5）各施工队应制定稳妥的保护措施并认真执行，确保元器件不因人为、自然等因素而破坏。

5. 资料整理要求。

（1）所有测试数据应真实、可靠，并有可追溯性；记录必须清晰，不得涂改；测试、记录人员必须签名。

（2）人工测试数据要当天及时输入电脑，核对无误后在计算机内保存；自动采集测试数据要及时在计算机内备份，沉降观测资料及时输入沉降观测管理信息系统，以保证各相关单位在观测过程中时随时监控。观测中如有沉降异常情况，应及时通知有关各方及时处理。

（3）按照资料提交要求，及时对测试数据进行整理、分析、汇总，绘制有关分析曲线并完成有关报告。

（4）路基填筑过程中要及时整理中心沉降观测点的沉降量，当路堤中心地基处沉降观测点沉降量大于10mm/天时，要及时通知项目部，并要求停止填筑施工，待沉降稳定后再恢复填土，必要时采取卸载措施。

（5）观测数据和观测报告，作为铺设无碴轨道前评判路基工后沉降是否满足要求以及作为工程竣工验收的依据。

四、保证变形观测质量的措施

1. 观测基点和观测点必须坚固稳定。

2. 观测基点必须定期与CPⅠ、CPⅡ或水准基点联测。

3. 观测仪器的精度必须满足反映变形的要求。

4. 观测工作应尽可能做到四个固定：人员固定；仪器固定；水准点固定；日期、方法及路线固定。

5. 观测点首次观测数据是以后各次观测用以比较的根据，必须提高首次测量的精度，宜在同期进行两次观测后确定。

6. 参与观测人员必须经过培训才能上岗。

7. 观测设施的保护。确保施工过程中观测设施不受扰动或破坏，发现或怀疑工作基点扰动，立即与水准基点联测，找出原因，采取相应的补救措施。

8. 及时提交观测数据和相关资料，并对观测数据的真实、可靠性负责。

9. 野外测量应备详细的测量记录，记录要清晰、整齐、不得涂改，应做长期保存。

10. 成立变形观测小组，并且人员稳定、分工明确。

11. 爱护测量仪器设备，规范操作，定期维修保养，变形观测仪器要有专人进行安全妥善地保管、要定期进行年检，确保仪器的正常使用。

沉降变形观测异常原因有以下几点：沉降曲线在第二次观测即发生回升现象，因首次观测精度不高；沉降曲线在中间某点突然抬升，因水准点或观测基点被扰动；沉降曲线自某点起逐渐回升，因水准点或观测基点下沉；沉降曲线波浪起伏，因测量误差。

五、变形观测结果的分析、评估

1. 一般规定。

（1）路基上铺设无碴轨道前，应对路基变形系统进行评估，确认路基的工后沉降和变形符合设计要求。

（2）路基填筑完成或预压荷载后应有不少于6个月的观测和调整期，观测数据不足以评估时要继续观测；工后沉降评估不能满足设计要求时，应采取必要的加速或控制沉降措施。

（3）评估时发现异常现象或对原始记录资料存在疑问，可进行必要的检查。

2. 计算和实测沉降的比较。

（1）比较计算的总沉降量与实测总沉降量主要目的有以下几点：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（自重）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。

（2）计算和实测沉降值的比较。具体操作时，应对路基工点每一观测断面的各观测点沉降绘制施工过程（包括观测期）沉降随时间变化的曲线，并在此基础上由评估单位对每一路基工点进行各观测面的最终沉降分析，并对每一路基工点制作沉降分析结果汇总表。

（3）沉降分析和观测结果比较应按要求及时送业主、设计单位。如果发现测定的沉降明显大于计算沉降，超过设计值20%及以上时，应及时通知设计方、咨询方和业主，由咨询方组织进行分析讨论，确定原因，采取相应措施。

3. 推导各观测断面沉降变形拟合曲线。

（1）为了尽可能准确地预测工后沉降，应对基床表层部（沉降观测桩或超载预压时为沉降板）观测的沉降进行曲线拟合，对路堤区段可以路堤填筑完成后沉降观测桩（或在超载预压时为沉降板）观测的结果为基准。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状况。具体地说，在路堤完成填筑、安装沉降观测桩后，按规定的周期测定三个月后，可根据三个月的沉降观测结果推导第一个拟合曲线S0（t）。根据这个沉降拟合曲线可外推（预测）六个月后的沉降S1（t=6个月），然后继续观测三个月，并检查第一次预测结果是否合理。然后根据总共六个月观测的结果，推导第二个更接近时间的沉降拟合曲线S2，以这种方式不断逼近真实的路基变形发展。应当指出，在推导沉降拟合曲线时后期的沉降观测结果特别重要，要重点考虑。

（3）通常采用的沉降拟合曲线有以下几种。

双曲线法。假定沉降量St随时间t 的发展符合双曲线方程，用下式表示：

式（1）中，S0为初期沉降量（t = 0）；St为t 时刻沉降量；t0为起点时间，一般取填方施工结束日；α、β为实测数据经过曲线回归求得的系数。

三点法。假定沉降量St随时间t 的发展过程可用下式进行描述：

式（2）中，Sd为瞬时沉降；S∞为最终沉降量；α、β为实测数据经过曲线回归求得的系数。

Asaoka（浅岗法）法。假定沉降量St随时间t的发展过程可用下式进行描述：

该关系式是由一维条件下以体积应变表示的固结方程推导得到。

指数曲线法。实测沉降曲线自拐点B（t0，S0） 点开始，近似采用指数曲线延伸。指数曲线方程可由下式表示：

式（4）中，η为待定常数。

拓展双曲线法。假设沉降时程曲线近似于双曲线，可以用以下方程式进行描述：

式中 t为自土方工程开工以来时间（天）； St为t 时刻的沉降（mm）；σ为t 时刻的荷载（kPa）；σmax为设计最大荷载（kPa）。

4. 各观测断面工后沉降的预测。

（1）路基沉降预测应采用曲线回归法，并满足以下要求：根据路基填筑完成或堆载预压不少于三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；沉降预测的可靠性应经过验证，间隔不少于三个月的两次预测最终沉降的差值不应大于8mm；路基填筑完成或堆载预压后，最终的沉降预压时间应满足St/S∞≥ 75%，式中St为预测时的沉降观测值，S∞为时间t时预测的最终沉降值（时间起点t=0以沉降观测桩安装后观测算起）。

（2）在观测沉降三个月后（以完成路堤填筑埋设沉降观测桩为始点），即完成第一个拟合曲线推导后，可进行第一次工后沉降预测。

为了进行工后沉降预测，除了对路基工点各观测断面以迭代方式确定相应的沉降拟合曲线St外，还应根据具体施工组织计划确定以下时间点：预计铺设无碴轨道时间点t0。预定运营完成的时间点t3（100年）。对每个路基工点的各个观测断面要分别预测其相应的工后沉降，工后沉降计算值由评估单位提供。

（3）工后沉降计算方法。沉降拟合曲线满足《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》的要求后，进行工后沉降计算。根据《武广客运专线沉降变形观测系统实施细则》的规定，工后沉降SR（不包括交通荷载引起的附加沉降）由两部分组成，工后沉降的计算方法为SR=S（t3-t0）+Sst，其中 t0为预计铺设无碴轨道时间点；t3为预定运营完成的时间点（t3＝ t0＋100 年）；S（t3-t0）为路基在铺轨后至运营完成所发生的沉降；Sst为铺设无碴轨道结构自重发生的沉降。

预铺轨时间点沉降量和运营完成时沉降量均可以根据原始观测数据，采用软件预测得到，即可以很方便地计算S（t3-t0）。由于无碴轨道结构自重不大，且在铺轨前路基已经过了一个趋于稳定的沉降变形期（要求最后观测沉降量达到最终沉降量的75%以上），因此，相对于路基填筑期的沉降量而言，变形趋于稳定后所施加的结构荷载所引起的沉降量是有限的。据《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》，对于多级加载的情况，在不考虑地基土的非线性特性条件下，荷载增量引起的最终沉降量与荷载大小成正比，即Sk= CΔPk，式中 Sk为第k 级荷载增量引起的最终沉降量；ΔPk为第k级荷载增量。应用上述原则，将轨道结构层看作路基本体填筑完成后的一个荷载增量，其引起的沉降量与结构层荷载成正比，而沉降量Pk与ΔPk的比例系数C可根据铺轨前沉降观测资料确定，即C= S∞/γh，Ssk= C ΔPk，式中 S∞为利用铺轨前观测资料预测的最终沉降量；γ为路基平均填土容重；h为路基填土总高度。则结构层引起的沉降量为Ssk= C ΔPk=ΔPkS∞/γh，式中ΔPk为轨道结构层荷载。另外，由于拓展双曲线法引入了荷载系数的概念，其荷载系数的计算过程中实际已考虑了结构荷载的影响。因此，在采用拓展双曲线法进行沉降预测分析时，其工后沉降量不能按照上述公式进行计算。按照德国相关轨道工程实际采用的方法，工后沉降SR为预测出的最终沉降值与观测的当前沉降值之差SR=Smax- St。

（4）过渡段折角计算方法。可采用下列公式计算过渡路基段相临结构物之间的折角：

式（6）中，ΔL为结构物与过渡路基段间的距离，ΔSR为结构物与过渡路基段间的工后沉降差。

5. 铺设无碴轨道技术条件的评定。对每个路基工点应以三个月为周期，根据最新推导的沉降拟合曲线进行工后沉降预测至少两次以上，并检查所有观测断面的预测工后沉降是否满足以下要求：

同时审核其预测工后沉降差异是否≤5mm，折角≤1/1 000。

此外，还应检查同一个观测断面前后两次工后沉降预测值的差异，如果其差值≤8mm，预测的工后沉降则具有足够的可信度。

设计预计总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量的差值不宜大于10mm。

如果一个路基工点所有的观测断面满足以上要求，该路基工点可以铺设无碴轨道。