软土路基沉降观测数据处理分析

软土路基沉降观测数据处理分析杨堃内容提要高速铁路是现代化铁路的重要标志，集中体现了当代高新技术的发展成果，代表着当今世界铁路的发展方向。无砟轨道的永久变形只能通过调整扣件来恢复轨道的几何形状，但扣件的调整量非常有限，只能依靠严格限制线下工程的沉降量来解决。因此，高速铁路无砟轨道的铺设与运营，对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降要求严格、标准高。关键词：高速铁路沉降观测区域沉降1.高速铁路发展概述高速铁路是现代化铁路的重要标志，集中体现了当代高新技术的发展成果，代表着当今世界铁路的发展方向。但是，高速铁路，特别是时速在300km以上铁路的出现，对中国传统的铁路设计、施工、检测、养护维修提出了新的挑战，在许多方面深化和改变了传统的观念和思想。由于高速铁路的高速性和较高的平稳性要求，传统的有砟轨道已不能满足高速铁路的要求，无砟轨道以其稳定性好、耐久性强、刚度均匀、维修工作量少等综合优势得到广泛的应用，国内新建高速铁路大多采用无砟轨道形式。相对于有砟轨道，无砟轨道对结构的刚度、基础的沉降更加敏感。无砟轨道的永久变形只能通过调整扣件来恢复轨道的几何形状，但扣件的调整量非常有限，只能依靠严格限制线下工程的沉降量来解决。因此，高速铁路无砟轨道的铺设与运营，对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降要求严格、标准高，一般要求工后沉降不超过15mm（《高速铁路沉降变形观测评估理论与实践》中解释为铺轨完成后所产生的沉降）。但是，就目前的沉降计算精度，还不足以达到控制无砟轨道工后沉降的要求，因此，在工程设计阶段设计单位应对变形监测进行规划、设计，施工时建立线下工程变形监测网，施工单位对线下工程进行及时准确的变形监测，最终由评估单位对变形监测所采集的数据进行系统的分析和评估，推算出最终沉降量和工后沉降，确定无砟轨道合理的铺设时间。作为高速铁路的施工单位，要在施工阶段进行线下工程沉降变形监测工作，做好数据的采集，计算和分析，为后续的评估工作做好准备。由于路基工程沉降变形监测具有复杂性和广泛的代表性，笔者文以津秦客运专线滨海北站路基为例对沉降变形观测进行初步的探讨和分析。2.工程概况津秦客运专线工程线路途经的天津市所辖的河东区、东丽区、塘沽区、汉沽区、宁河县、向北经丰南至唐山市区、沿线地表均不同程度存在区域沉降问题，其中，以军粮城、汉沽两个漏斗区沉降变形尤为显著，本地区又以软土地质为主，加之地下水的无序开采，造成地区性的地表沉降，甚至不同季节地表沉降速率均有差异，由此给高速铁路的安全造成了不可预知的危害。中铁二十二局第一工程有限公司承建路基区段位于天津市汉沽区，属于津秦客运专线Ⅰ标段，里程：DK67+195.7～DK69+615.92,长度2.3km。本路基区段正处在汉沽地下漏斗区，在本工程施工过程中，已发现可能是地表区域沉降导致基准点（工作基点）高程发生变化，沉降观测过程中也时常发现线路闭合差难以满足规范要求的现象，观测中也发现某阶段区域沉降给数据造成了很大影响，出现累计沉降量不可预知性，这对研究线下工程自身变形状态造成一定干扰，并直接影响评估单位对工后沉降预测值的失真。3.沉降观测概况3.1工程区域沉降监测网本区段路基设用I、Ⅱ、Ⅲ、IV四种类型监测断面，Ⅱ型断面仅在桥头布置，一般每间隔3个I型监测断面设置一个Ⅲ型监测断面。I型监测断面包括沉降监测桩和沉降板。沉降监测桩每断面设置5个，施工完基床底层后，预压土填筑前，距左、右线中心4.7m处于基床底层顶面埋设2个沉降监测桩，其余3个于基床表层施工完成后布置于双线路基中心及距两侧路肩1m处的基床表层顶面上；沉降板位于路堤中心，位于桩帽板板顶，随填土增高而逐渐接高测杆及保护套管。Ⅱ型监测断面包括沉降监测桩和定点式剖面沉降测试压力计。沉降监测桩每断面设置5个，埋设方法同I型监测断面；定点式剖面沉降测试压力计位于路堤中心，基底铺设碎石垫层的地段朴实于垫层顶面，基底设混凝土板地段置于板顶面。Ⅲ型监测断面包括沉降监测桩、沉降板和剖面管。沉降监测桩每断面设置3个，布置于双线路基中心及距两侧路肩1m处的基床表层顶面上；沉降板位于路堤中心，底板埋设于基床底层顶面上，随填土增高而逐渐接高测杆及保护套管，横剖面管埋设于路堤基底碎石垫层顶面处。路堤于横向结构物过渡段，于横向结构物顶部沿横向结构物的对角线方向铺设剖面沉降管。横向结构物两侧外边缘各2m处设置一个I型观测断面。3.2工程区域沉降监测网津秦客运专线区域沉降监测网以天津市JY02、唐山市唐钢基岩点为约束点，采用国家85高程基准，按国家一、二等水准规范要求的二等精度进行往返观测，观测频次为每三月一次。3.3本区段工作基点情况本路基区段含CPⅠ点一个、CPⅡ点四个，自己加密工作基点五个，在实际情况中基准点、工作基点的沉降并不是我们预想的那样均匀变化，而是受气候，地下水等诸多因素的影响，基准点、工作基点可能出现短时间内的突变情况。由于其变化的不均匀性和不规律性，就要求我们及时的进行水准网的复测，从而更清晰的掌握基准点、工作基点的变化情况。本区段2010年3月、2010年7月、2010年10月，设计院对津秦客运专线进行了三期水准网复测。2010年4月、2010年7月、2010年10月施工单位共进行了三次加密水准网复测，均按国家一、二等水准规范要求的二等精度进行往返观测，以设计院提供的基准点BM038，BM041为约束点进行整网平差。表3-3-1设计院复测成果对比表第三期复测高程（m）第一期复测高程（m）第二期复测高程（m）第三期和第二期高程比较值（mm）第三期和第一期高程比较值（mm）0.23210.24570.22843.7-13.60.03590.04780.03263.3-11.9-0.4037-0.3778-0.40820.9-29.5-0.4351-0.4189-0.44105.9-16.2-0.3199-0.3029-0.32959.6-17.0BM039CPⅠ022点号BM040BM041BM038表3-3-2施工单位复测成果对比表第三次复测高程（m）第一次复测高程（m）第二次复测高程（m）第三次和第二次高程比较值（mm）第三次和第一次高程比较值（mm）0.18690.20650.17828.7-19.6-0.1673-0.1387-0.17669.3-28.6-0.1734-0.1280-0.18077.3-45.4-0.00310.0152-0.016313.2-18.2-0.2514-0.2287-0.262210.8-22.7DX22DX23点号DX24DX25CPⅡ059从设计院复测成果来看，本区段内基准点高程总体呈现沉降趋势，累计最大沉降出现在CPⅠ022点，为29.5mm，其它基准点沉降也在10mm以上，但第三期较第二期成果略有上升，这说明本区段区域沉降的不均匀性和不规律性；从施工单位复测成果可以看出加密工作基点较基准点变化情况普遍偏大，但总体趋势和基准点变化情况吻合。基准点及工作基点的无序波动给沉降变形观测工作带来了巨大影响。基于以上的背景和原因，如何解决区域沉降问题对线下工程沉降变形的影响，进而确保沉降观测工作的顺利实施，沉降变形观测数据的合理性和沉降评估工作的顺利进行。本文将对如何消除基准点、工作基点主要受区域沉降带来的高程不规律性变化的方法做出初步的研究和讨论。4.处理方法及讨论由于区域沉降的存在，根据实际沉降变形观测数据，我们可以发现，基准点同期区域沉降量可能比工程本身沉降变形量还要大，且区域沉降的不均匀性，给观测本身造成了很大困难，也掩盖了线下工程自身沉降变形规律，造成评估和预测结果的不准确性，往往不能满足规范规定的限制要求，如：工后沉降15mm、完成比率＞75％（观测变形值达到预测变形值75％以上），工程自身沉降变形规律的失真和混乱，使沉降评估现有模型进行回归预测分析时，相关系数难以满足规范规定的R≧92％。经过对沉降观测数据的系统分析和研究，必须消除区域沉降对沉降观测数据的影响，才能正确的反映出路基的真实沉降趋势。如何消除区域沉降的影响将是本文讨论的重点。4.1处理方法基于设计院提供区域沉降复测成果及时对本区段内工作基点进行复测，平差计算选用区域沉降监测点进行平差，原则上按最新区域沉降复测成果平差计算，对于两次区域沉降成果之间的复测数据，可根据两次区域沉降成果的改算值进行平差计算。具体改算方法为：假定基准点为均匀变化，两次区域沉降成果之差按时间间隔均匀分配，计算出工作基点复测之日的基准点理论高程，按此高程整网平差。对于沉降变形监测点的平差，按工作基点平差相同方法进行平差。需要注意的是，对于沉降变形观测工作，要每天关注所采集的数据，尤其是线路闭合差的变化要引起重视，以便掌握工作基点（基准点）的变化情况，帮助我们准确的进行高程成果改算。剔除区域沉降量，计算线下工程自身变形，按以下步骤进行：1、首先判断监测点附近基准点变形的可靠性，根据相邻点的沉降趋势情况，确定计算基准点；2、两个工作基点之间的线下工程监测点理论区域沉降值的计算：将两个基准点之间的区域沉降差按距离基点的距离进行线性内插，计算出每个监测点该周期内总的理论区域沉降值；3、按照时间间隔对当期总的理论区域沉降值进行时间内插，计算出监测点当期理论区域沉降量；4、从监测点总沉降量中分别减去每周期的理论沉降量，在还没有新的区域沉降成果前，所有监测点起算高程仍沿用上期高程值。图4-1-1剔除区域沉降示意图HA1:基准点A第一次高程T12:区域沉降第一、二次复测时间间隔(天)HA2:基准点A第二次高程Tn(n-1):区域沉降第n-1、n次复测时间间隔(天)HAn:基准点A第n次高程基准点A沉降速率VA=(HA1-HA2)/T12HB1:基准点B第一次高程基准点B沉降速率VB=(HB1-HB2)/T12HB2:基准点B第二次高程监测点J1沉降速率VJ1=VA+(VB-VA)/SAB*SAJ1HBn:基准点B第n次高程监测点J1每期沉降量△H=VJ1*Tnn-1Tnn-1:两次监测时间间隔4.2剔除区域沉降实例本路基里程范围DK68+750～DK69+530段路基自2010年5月15日完成堆载预压，至2010年10月15日预压时间达到评估要求的6个月，本文以预压时间内的数据进行分析、计算。本段路基采用BM040和BM041为起算点，两基准点距离1.32km。取断面里程DK68+140基底沉降板为例进行计算，其距BM040的距离0.45km。在实际的数据处理工作中，按照设计院提供的区域沉降成果进行内插计算时并不能满足沉降观测工作的限差要求，往返测高差不符值限差、附和路线闭合差均大于4√l，每千米水准测量的偶然中误差也大于规范要求的±1.0mm，这就需要我们对前期的数据进行分析验证，找出造成这种结果的事实依据，从而更精确的消除区域沉降带来的的影响，使沉降观测数据更加真实可靠。本段路基在观测过程中曾于2010年8月12日～2010年8月16日遇到连续强降水，由于降水对地下水位造成短时内的突然上升，有可能导致基准点的变化，这就印证了后期处理数据过程中超过限差规定的原因，可以断定降水造成了基准点和工作基点的上升。降水带来的影响导致我们不能按照常规的方法来进行基准点的内插计算，而是要结合实际情况及在数据处理中的分析进行内插计算，如下图：基准点A基准点B监测点J1SABSAJ1监测点J2监测点Jn图4-2-1基准点变化（不考虑降水影响）基准点沉降曲线图-10-8-6-4-202010-7-212010-7-312010-8-102010-8-202010-8-302010-9-92010-9-192010-9-292010-10-9时间(d)沉降量(mm)BM040BM041图4-2-2基准点变化（考虑降水影响）基准点沉降曲线图-10-8-6-4-202010-7-212010-7-312010-8-102010-8-202010-8-302010-9-92010-9-192010-9-292010-10-9时间(d)沉降量(mm)BM040BM041不考虑降水对基准点变化的影响，对基准点