四院武广客运专线路基变形监测方案.doc

四院武广客运专线路基变形监测方案

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2

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新 建 铁 路

武 汉 至 广 州 客 运 专 线

路基变形监测方案

铁道第四勘察设计院
2006年5月 武汉

17

武广客运专线路基变形监测方案

铁道第四勘察设计院 郭建湖 周先才 詹学启

一、路基沉降监测原则：
1、客运专线无碴轨道路基变形控制原则：
客运专线无碴轨道路基变形控制十分严格,工后沉降一般不应超过无碴轨道铺设后扣件允许的沉降调整高量15mm，路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不应大于1/1000。无碴轨道路基施工中应进行沉降变形动态监测，在路基完成或施加预压荷载后应有6~18个月的观测和调整期,分析评估沉降稳定满足无碴轨道铺设要求后方可铺设无碴轨道。本次设计在路堑基床（主要为土质路堑、全风化层)和路堤基底、填筑层、路基面布置监测点，构筑纵横向立体监测网络.
2、 监测点的设置原则：
客运专线无碴轨道路基工后沉降主要包括以下三个方面：①运营阶段由于行车荷载引起的沉降,在路基各部位填料及压实标准满足规范要求时按5mm预留，不含在15mm的工后沉降控制值内；②路基填料压密沉降;③地基土沉降。当实测沉降推测不能满足工期内的铺轨要求时，则应分析沉降产生的原因,推测沉降完成时间，综合分析研究确定应采取的工程措施以满足无碴轨道铺设工期要求.因此，监测点的布置应依据路基的填筑高度、地基土类型及厚度、地基加固措施来确定.原则如下：
对于基底压缩层较簿且填筑不高的路堤及路堑地段，以路基面沉降监测为主，主要在路基面布设沉降监测桩进行路基沉降监测；路堤填筑较高时应加强路堤填筑层沉降监测,在填筑层增设单点沉降计监测填土层沉降；对于地基压缩层厚的较高路堤地段应进行路基基底、路堤填筑层及路基面沉降监测，在基底布设单点沉降计、沉降板或剖面沉降管，在填土层布设单点沉降计，在路基面布设沉降监测桩进行各部位沉降监测。
当路基基底或下卧压缩层为平坡时，路堤主监测点为线路中心，辅监测点为路肩;当地表横坡或下卧土层横坡大于20％时，主监测点为线路中心，辅监测点为左右线中心以外2m；基底沉降监测与路堤本体沉降监测点布置于路基基底和基床底层顶面；同时在软土及松软土路基填筑时,沿线路纵向每隔30～50m在距坡脚2m处设置位移边桩，以控制填土速率.控制标准应为：路堤中心地面沉降速率小于1。0cm/d，坡脚水平位移速率小于0.5cm/d.
3、监测断面设置的总体原则：
由于变形（沉降和鼓起)大小及分布情况取决于沿线的不同地基条件及工程结构;因此,一般来说，路堑、涵洞、路堤、桥梁以及隧道处的变形大小及分布会有很大的区别。此外，因为不同土工建筑物的接合处以及过渡区存在着刚度变化及变形差异，所以，会潜在影响火车运营的稳定及舒适.另外，土工建筑物中的变形（即：随时间变化的性能）进展情况也不一样。因为无碴轨道对沿线的沉降差异很敏感，这样,在设计阶段及施工阶段反复进行整体综合变形考虑（OIDC）是十分重要的.综合变形计算及监控能更真实地预测无碴轨道安置后的残余变形，以便证实是否满足所需要求。
监测断面的设置根据路基工点的特点、长度、工程地质条件等因素确定监测断面数量，原则上每个工点应不少于2个监测断面，监测断面沿线路方向间距不大于50m；过渡段及地形地质条件变化较大的地段应适当加密，其中路基与桥、涵、隧等刚性构筑物相连处、地形或地层突变处、过渡段折角处必须布设监测剖面。
二、路基沉降各类监测剖面布置说明：
根据路基结构形式、地基压缩层厚度、填土高度及填料类型、有无预压荷载等情况设计了A型～G型7个大类25个小类监测剖面,具体见表1:
表1：监测剖面布置类型表
路基形式
路堤填料或路堑地基土
填高m
地层厚m
地面或压缩层底横坡
缓于1：5
≥1：5
路堤
非改良土区
≤3
〈5
A-1(F-1）
A—2(F-2）
≤3
5～20
B-1（F-3）
B—2(F-4）
≥20
B-3(F—5)
B—4（F—6）
＞3
＜20
C—1（F—7）
C-2(F-8)
≥20
C-3（F-9)
C—4(F-10)
改良土区
（无预压时）
＞5
＜20
D—1
D-2
≥20
D-3
D—4
路堑
一般土层

E—1
E-2
红黏土、膨胀土
E-3
E—4
有预压地段采用括号中监测剖面,桥路、涵路、隧路处增设G型监测剖面。
1、A型沉降监测剖面说明：
路堤填高小于等于3m且基底土层厚小于5m时，仅对路基面进行沉降监测。当基底地面或压缩层底横坡缓于1：5时，采用A－1型路基沉降监测断面，基底地面或压缩层底横坡≥1：5时，采用A－2型路基沉降监测断面。

2、B型沉降监测剖面说明：
B型沉降监测剖面适用于路堤中心填高小于等于3m且基底土层厚≥5m的情况.当基底地面或压缩层底横坡缓于1：5且基底土层厚5m≤H＜20m时,采用B－1型监测剖面，陡于1：5时，采用B－2型监测剖面.

基底地面或压缩层底横坡缓于1：5且基底土层厚≥20m时,采用B－3型监测断面，基底地面或压缩层底横坡≥1：5时,采用B－4型监测断面。

3、C型沉降监测剖面说明：
C型沉降监测剖面适用于路堤中心填高大于3m且基底土层厚≥5m的情况。当基底地面或压缩层底横坡缓于1：5且基底土层厚小于20m时,采用C－1型监测断面；基底地面或压缩层底横坡≥1：5时，采用C－2型监测断面。

基底地面或压缩层底横坡缓于1：5且基底土层厚≥20m时,采用C－3型监测断面,基底地面或压缩层底横坡≥1：5时，采用C－4型监测断面。

4、D型沉降监测剖面说明：
路基本体采用改良土填筑的路堤，填高大于5m时，上述第3条条件下C型的监测剖面应增加改良土填筑部分的沉降监测，其它元件及监测剖面布置与第3条基本一致，C－1～C－4型元件布置改为D－1～D－4型。

5、E型沉降监测剖面说明：
E型沉降监测剖面适用于路堑地段基底为土质地基（含全风化岩）时的路基沉降监测,主要进行路基面沉降监测,当基底地层为红黏土、膨胀土时，还应监测地基膨胀鼓起变形。一般土层当基底压缩层底横坡缓于1：5时采用E－1型监测断面，基底压缩层底横坡≥1：5时采用E－2型监测断面。

基底地层为红黏土、膨胀土时，当基底压缩层底横坡缓于1：5时采用E－3型监测断面，基底压缩层底横坡≥1：5时采用E－4型监测断面。

6、F型沉降监测剖面说明：
F型沉降监测剖面适用于预压地段，由于预压期因基床表层尚未施工，路堤顶面沉降监测改在预压土方底部(即基床底层顶面）布置沉降元件进行。在基床底层顶面线路中心或左右中心线以外2m处临时布置沉降板的代替路基面处相应位置预压期间沉降监测;在基床底层两侧外缘布置沉降监测桩代替预压期间路肩处沉降监测.路基填筑部分以及基底沉降监测布置与无预压段基本一致，预压土方卸除且基床表层施工后路基面沉降监测照常进行,具体布置型式有F－1～F－10型10种,适用条件与前述A~C一致。A－1~A－2型有预压时监测形式改为F－1~F－2型,如下图所示。B－1～B－4型有预压时监测形式参照上述原则改为F－3～F－6型，C－1～C－4型有预压时参照上述原则改为F－7～F－10型.

7、G型沉降监测剖面说明：
G型沉降监测剖面适用于桥路、隧路、涵路等过渡段路基应进行沉降差监测。过渡段路基沉降监测可根据具体的地基条件，选择A~F类监测类型之一,每处过渡段同时布设G型监测，采用静力水准仪，沿纵向对沉降差进行监测。静力水准仪布置在线路中心线的路基面上，每处2个,桥路过渡段布置在桥台顶端中部及路基侧1m处,涵路过渡段布置在涵洞中部及与路基交界两侧各1m处,隧路过渡段布置在隧线分界两侧各1m处.

三、监测断面设置的具体原则:
1、各类过渡段路基范围监测剖面不用A型(涵洞顶监测剖面可用A型）。
2、非过渡段路基范围监测剖面按不大于50m布设,一般采用A型与B、C、D间隔布置,地形或地层突变处、填高最大处等应布置非A类监测剖面。
3、G型为过渡段纵向监测,仅在桥路过渡、隧路过渡（硬质岩可不考虑）、涵径≥3。0m涵路过渡段设置,即易产生沉降差时设置。
4、预压地段同时为路基本体采用改良土填筑时，应以F型监测剖面为主，在满足基本型（F型)情况下,适当布设D型进行改良土填筑层沉降监测。
5、路堑地段布设E型监测,基底为一般土质地基（含全风化岩）时,布设 E－1型或E－2型监测剖面，按每50m布置1个监测剖面；当为红黏土、膨胀土等特殊岩土地基时，按每50m间隔布置 E－1型与E－3型或E－2型与E－4型监测剖面。

四、监测数据采集系统的构建
由于线路长，监测剖面多,监测频度高,数据量巨大,必须分区段、分工点构建数据采集、以及数据分析评估单元，重要工点或交通困难的工点，可考虑数据的无线传输方式，应编制监测数据的管理软件，利用计算机实现数据的自动管理与存储,处理前生成相应的图表,并基本实现初步的变形分析与评估功能。

五、监测元器件的选取及元器件的精度要求
监测元器件的选取，应满足工后沉降的评估需求以及精度要求，且具备对施工影响小、抗干拢能力强,数据采集误差小、精度高、测试数据具有自我校核能力等要求。因此武广客运专线变形监测元器件，应将对填土施工干扰小、无测杆、具有数据存储记忆功能的智能数码型监测元器件作为首选元器件，重要观测点采用传统的数字直观的沉降板作辅助较核元件,对路基面观测桩的测量，测量精度一般应达到二级水准测量标准。
主要监测元件技术参数指标见下表：
主要监测元件参数指标 表18
仪器名称
量程
灵敏度
适用范围
主要特点
备注
位移监测元件
沉降板

测量土体垂直向变形
读数直观，但对填土施工干扰大，精度一般。
辅助监测元件
剖面沉降管

0.01mm
测量地基沉降
对填土施工不干扰，但监测工作量大。
主要监测元件
测斜管

0.01mm
测量堑坡或地基水平位移
智能数码单点沉降计
100mm
0。01mm
测量土体垂直向变形
对填土施工不干扰，精度高，数据量大,能实现自动采集和无线传输。
智能数码分层沉降计
100mm
0。01mm
土体的分层沉降量测
智能数码柔性位移计
100mm
0。01mm
适用于土工材料的变形测量
智能数码静力水准仪
100mm
0.01mm
沉降差监测
应力应变监测元件
智能弦式数码压力盒
600KPa
0.01KPa
支挡结构侧壁的土体应力测量
视需要
设置
智能弦式数码渗压计
600KPa
0。01KPa
适用于结构渗水压力或地基孔隙水压力测量
智能弦式数码锚索计
1000KN
1KN
测量锚索锚固力

六、测试元器件埋设
1、沉降监测桩：采用φ28mm长1。2m的钢钎。待路基施工完成后,在监测断面通过测量打入埋置在设计位置，埋置深度1.0m，桩周上部0.2m用混凝土浇注固定,完成埋设后采用水平仪按二级测量标准测量桩顶标高作为初始读数。
2、单点沉降计：单点沉降计是一种埋入式电感调频类智能型位移传感器，由电测位移传感器、测杆、锚头、锚板及金属软管和塑料波纹管等组成。采用钻孔引孔埋设，钻孔孔径Ф108或Ф127，钻孔垂直，孔深应与沉降仪总长一致，孔口应平整。
3、静力水准仪:静力水准仪是一种电感调频类智能型位移传感器，由多个精密液位计组成。安装时将多个液位计设置在被测点，一个精密液位计设置在不动点，并用连通管连接。
4、剖面沉降管：可采用专用塑料硬管，其抗弯刚度应适应被测土体的竖向位移要求，导管内十字导槽应顺直，管端接口密合.剖面沉降测量是将剖面沉降仪探头导轮卡至于预埋剖面沉降管的十字导槽内,从一端按一定间隔依次读数，起始端管口标高采用水平仪按二级测量标准进行测量，再通过数据处理计算求出不同位置处地基的沉降量。剖面沉降管埋设在基底碎石垫层中间的土工格栅上,复合地基平面应布置在观测断面附近加固孔之间中心处，埋设剖面沉降管的上下各垫10cm左右的砂垫层,中部填砂尽可能抬高，使剖面沉降管埋设呈向上拱的圆顺弧线状,但上拱高度不超过计算沉降量的一半。
5、沉降板：由钢底板、金属测杆（φ40mm镀锌铁管)及保护套管（φ75mm PVC管）组成。钢底板尺寸为50cm×50cm，厚1 cm.采用水平仪按二级测量标准测量沉降板标高变化.
按设计位置放好沉降板后,回填一定厚度的垫层，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管，完成沉降板的埋设工作.采用水平仪按二级测量标准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钢和保护套管,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。
6、位移边桩：边桩埋设位置应按试验设计测量确定，边桩可采用打入或开挖埋设，埋设深度0。9m，桩周上部0。3m用混凝土浇注固定，完成埋设后采用经纬仪（或全站仪）测量边桩标高及距基桩的距离作为初始读数.

七、观测方法及要求
1、观测阶段：
武广客运专线路基变形监测应分四阶段进行，第一阶段：路基填筑施工期间的监测,主要监测路基填土施工期间地基土的沉降以及路堤坡脚边桩位移；第二阶段：路基填土施工完成后，自然沉落期及摆放期的变形监测，该阶段应对路基面沉降、路基填筑部分沉降以及路基基底沉降进行系统的监测，直到工后沉降评估可满足要求铺设无碴轨道为止；第三阶段:铺设无碴轨道施工期的监测；第四阶段:铺设轨道后及试运营期的监测。
2、观测频度要求：
①所有元件埋设后,必须测试初始读数，在路堤正式填筑前，必须对所有埋设元件进行复测,作为正式初始读数。
②在路基填筑期间，应每天监测一次，各种原因暂时停工期间，前2天每天监测一次，以后每3天测试一次。填筑施工完成后至铺设无碴轨道期间,第1个月内每5天监测一次，第2～3个月内每10天监测一次,第4～6个月内每15天监测一次,以后每个月监测一次,雨后应加密监测。无碴轨道铺设后至试运营期间每月监测一次。具体应根据监测数据的变化情况,调整监测频度。
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:
①所有标高测量应达到二级水准测量标准，测量精度应达到±1mm。
②边桩位移采用全站仪或经纬仪进行测量。
③单点沉降计采用振弦频率检测仪进行测试。
④剖面沉降采用剖面沉降仪进行测试.
4、元件保护要求:
①各工程项目部应成立专门试验小组，进行元器件的标定、埋设、测量和保护工作，小组人员应分工明确，责任到人。
②元件埋设时应根据现场情况进行编号，有导线的元件应将导线引出至路基坡脚观测箱内。
③凡沉降板附近一米范围内土方应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，以确保元器件不受损坏。
④ 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。元器件埋设后，制作相应的标示旗或保护架插在上方。路堤填筑过程中，派专人负责测试断面的填筑.
5、资料整理要求：
①所有测试数据必须真实准确,不得造假；记录必须清晰，不得涂改；测试、记录人员必须签名。
②测试数据必须当天及时输入电脑，核对无误后在计算机内保存。
③对于自动采集的数据采集后应进行核实，核对无误后在计算机内保存。
④按照提交资料要求及时对测试数据进行整理、分析、汇总，及时绘制路基面、填料及地基各项监测的荷载—时间—沉降过程曲线.
⑤路基填筑过程中应及时整理路堤边桩位移及中心沉降监测点的沉降量，当边桩水平位移大于5mm/天，垂直位移大于10mm/天，路堤中心地基处沉降观测点沉降量大于10mm/天时，应及时通知项目部,并要求停止填筑施工,待沉降稳定后再恢复填土,必要时采用卸载措施。
⑥观测数据作为铺设无碴轨道前评判路基工后沉降是否满足要求及作为工程竣工验收的依据。

八、 沉降的评估方法与措施
路基施工至设计标高（有预压土方时至预压土方的顶面)后，先持续监测不少于6个月，根据这6个月的监测数据，绘制“时间-填土高—沉降量”曲线，按实测沉降推算法或沉降的反演分析法，分析并推算总沉降量、工后沉降值以及后期沉降速率，并初步分析推测最终沉降完成时间，确定铺轨时间。根据分析结果，结合工期要求,验证、调整设计措施使地基处理达到预定的变形控制要求。当评估结果表明沉降还不能满足无碴轨道的要求时，则应研究确定是延长路基摆放时间继续监测,还是采取(或调整）地基加固措施（如调整预压土高度、确定预压土卸荷时间、调整或增加地基加固措施等)，即进行“监测-评估—调整”循环，直至工期要求的时间为止，并满足无碴轨铺设要求。
实测沉降推算：利用实测数据推算最终沉降量方法很多,常用的有双曲线法、三点法（对数曲线法）、沉降速率法、星野法及修正双曲线法等。根据现有的研究成果，推算方法得到的结果与实际沉降对比，误差较小的推算方法有:复合地基为沉降速率法、双曲线法；等载（或超载）排水固结为三点法、双曲线法，具体应结合工点实际情况采用适宜的推算方法.
沉降的反演分析推算：利用先前实测沉降曲线进行反演分析,修正地基土设计参数,并重新进行沉降计算,再由实测沉降验证,经过多次循环分析计算，预测工后沉降量。要说明的是该法进行计算时所用到的土层参数是利用先前实测曲线进行反演推算出来的,且经过实测沉降验证,因此也更符合实际情况。