时速350kmh客运专线桥梁工程沉降变形观测技术.doc

时速350km/h客运专线桥梁工程
沉降变形观测技术
中铁十五局集团第七工程有限公司 薛保国
【摘要】客运专线高速行车要求轨道具有高平顺性，而无砟轨道铺设后线下构筑物有可能发生不均匀沉降，这不但导致线路维修成本的增加，而且有可能使轨道板开裂从而导致轨道构件的更换及重大的安全隐患。为了解决上述问题，施工期间必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测，通过对沉降数据系统综合分析评估，验证或调整设计措施，使桥涵工程达到规定的变形控制要求，确保客运专线无砟轨道结构铺设质量及运营安全。
【关键词】不均匀沉降 沉降变形动态观测 系统综合分析评估 无碴轨道铺设条件
客运专线高速行车要求轨道具有高平顺性，而无砟轨道铺设后线下构筑物有可能发生不均匀沉降，这不但导致线路维修成本的增加，而且有可能使轨道板开裂从而导致轨道构件的更换及重大的安全隐患。因此，客运专线无砟轨道对路基、桥涵、隧道等线下工程的工后沉降要求非常严格，必须严格控制线下构筑物的不均匀沉降。所以设计中对桥涵墩台基础等均进行了沉降变形计算，并采取了相应的设计措施，而影响沉降的因素较多，特别是地基在荷载的作用下沉降随时间发展，其沉降变化一般通过专业软件进行分析计算，但沉降计算的精度受多种因素的影响，其结果只能是一个估算值，这就导致设计阶段沉降变形计算的精度不足以控制无砟轨道工后沉降。为了解决上述问题，施工期间必须按设计要求进行系统的沉降变形动态观测，通过对沉降数据系统综合分析评估，验证或调整设计措施，使路基、桥涵、隧道工程达到规定的变形控制要求，确保客运专线无砟轨道结构铺设质量及运营安全。下面就西瓜地特大桥施工中的沉降变形测量技术进行浅谈。
1.测量精度要求
根据《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》相关文件的要求确定沉降变形观测的测量精度等级。
1.1工作基点测量精度
沉降变形观测按变形测量等级“三等”要求设计。因此工作基点网按二等水准测量要求施测（《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》），使用德国Trimble DINI12电子水准仪配合伪机条码铟瓦尺测量。主要技术要求为：
相邻工作基点高差中误差1.0mm
每站高差中误差0.3mm
往返较差、符合或环线闭合差≤0.6 mm（n为测站数）
监测已测高差较差≤0.8 mm（n为测站数）
1.2沉降点测量精度
按《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》中的三等变形测量等级需按二等水准测量要求施测，主要技术要求为：
高程中误差≤±1.0mm
相邻点高差中误差≤±0.5mm
往返较差、符合或环线闭合差≤0.6 mm（n为测站数）
2.沉降变形观测频次
如表中所示。

观测阶段
观测频次
备 注
观测期限
观测周期
墩台基础施工完成
/
/
设置观测点
墩台混凝土施工
全程
荷载变化前后各1次或1次/周
承台回填时,测点应移至墩身或墩顶
预制
梁桥
架梁前
全程
1次/周

预制梁架设
全程
前后各1次

附属设施施工
全程
荷载变化前后各1次或1次/周

桥位施工桥梁
制梁前
全程
1次/周

上部结构施工中
全程
荷载变化前后各1次或1次/周

附属设施施工
全程
荷载变化前后各1次或1次/周

架桥机(运梁车)通过
全程
前后各1次
至少进行2次通过前后的观测
桥梁主体工程完工～无碴轨道铺设前
≥6个月
1次/周
岩石地基的桥梁，一般不宜少于2个月
无碴轨道铺设期间
全程
1次/天

无碴轨道铺设完成后
24个月
0～3个月
1次/月
工后沉降长期观测
4～12个月
1次/3个月
13～24个月
1次/6个月
需要说明的一点是，在沉降变形观测中，沉降量的计算是本次测量的标高和上次的标高之差，在观测点位置移动后，测量的标高发生很大的改变，此时需要在本次沉降量的单元格中填写为0，这样才能保证评估的正确性。另外就是特别注意初始值的观测精度，一般初始值我们观测三次取最近的结果为初始值。因为初始值的精度直接影响到沉降变形观测数据的可靠性。
3、观测仪器的选择
由于沉降变形测量要求精度高，所以必须采用高精度的测量仪器。工作基点和沉降观测点观测所使用的仪器是德国蔡司 DINI12电子水准仪，其望远镜放大率为32倍，圆气泡灵敏度10//2mm。水准标尺为伪机条码尺，电子水准仪自动识别并存储数据，最小读数为0.01mm。采用两个2.5kg的尺垫作为转点尺承，仪器和标尺均送检定单位进行检验，观测前均按规范进行常规的检查。

电子水准仪 伪机条码尺
4、工作基点及观测点的建立
4.1工作基点选点与埋点
工作基点设在沉降影响范围以外便于长期保存的稳定位置，沿线路方向200m左右进行设置。并满足了结构物观测的需要。为了保证工作基点的稳固性，严格按照规范要求进行置，设置方法如图所示。
4.2观测点的设置
对于岩石地基、嵌岩桩基础的桥梁可选择典型墩台，例如：特殊桥跨、高墩、基岩不均匀及桩位出现岩溶与摩擦桩相邻嵌岩桩，数量不少于墩台点数的30%。对于摩擦桩、非岩石地基的桥墩台应逐墩台布设测点。梁体徐变观测点的设置，对于工厂化预制的梁，在原材料变化不大、预制工艺稳定、批量生产的预应力混凝土梁可每30孔选择1孔进行观测，对于现浇预应力箱梁，同一种施工方法，施工前1~3孔梁进行重点观测，根据观测结果调整梁的反拱值，其他孔位梁选择典型梁进行观测，且不少于30%。
墩台基础施工完成在承台四角侧设置观测点，若基础需要回填或地势低洼且有水，可以将观测桩点转移布设在墩台身上，并在墩身横向对称布设2个点，一般距地面0.5m~1.0m比较合适。预应力混凝土梁徐变上拱观测点设置在梁端和跨中位置，距防撞墙约0.2m，在桥面防水层、保护层施工后，在铺设无砟轨道前移至铺装层顶面，作为永久性测点，继续观测。如图所示。

武广客运专线西瓜地特大桥根据桥梁特点选择32个墩台和5跨梁体进行沉降变形观测，主要分布在高桥墩及地质复杂的桥墩，其中桥台是必须观测的，因为要进行过渡段评估时使用。
5、观测方法的选择
根据各等级水准观测主要技术要求，观测采用中丝读数法，按要求对每一路线进行往返观测，视线高度及测站的观测限差均按规范进行。工作基点采用二等水准测量，观测点的测量采用国家一等精密水准测量。具体要求见表中的规定。
等级
水准尺
类型
水准仪
等级
视距
（m）
前后视距差（m）
测段的前后视距累积差（m）
视线高度（m）
二等
因瓦
DS1
≤50
≤1.0
≤3.0
下丝读数
≥0.3
DS05
≤60
精密水准
因瓦
DS1
≤60
≤2.0
≤4.0
下丝读数
≥0.3
DS05
≤65
5.1观测方法
(1)二等、精密水准水准测量采用单路线往返观测，同一区段的往返观测，应使用同一类型的仪器和转点尺承沿同一道路进行。电子水准仪自动识别读数并存储标尺读数。
(2) 二等水准测量应进行往返观测，观测顺序如下：
1 往测：奇数站为后—前—前—后; 偶数站为前—后—后—前
2 返测：奇数站为前—后—后—前; 偶数站为后—前—前—后
5.2工作基点测量
西瓜地特大桥工作基点网由BSII687、BSII688 、BSII689三个水准基点构成两个符合水准导线，工作基点间距沿桥向200m左右布设，测量按“后、前、前、后”的观测顺序进行，计算采用日本宾得TIP ADJ2.0平差软件进行严密平差。从表中结果可见西瓜地特大桥水准工作基点网的测量成果完全符合沉降观测的精度要求。
西瓜地特大桥水准工作基点网测量精度统计表
工程名称
每站高差中误差（mm）
相邻水准点高差中误差（mm）
每公里高差偶然中误差（mm）
最大高程中误差（mm）
西瓜地
特大桥
±0.15
±0.35
±0.36
±0.47
5.3观测点的测量
西瓜地特大桥沉降观测根据施工进度及沉降观测的要求目前已经完成了55号墩的架梁前阶段沉降观测任务，对此将此墩的沉降观测进行分析。测量按“后、前、前、后”的观测顺序进行。每次沉降观测作业，采用相同的图形或观测路线和观测方法，使用同一仪器和设备，固定的观测人员，在基本相同的环境和观测条件下工作。我们根据施工情况，观测时间定在早上8：00至10：00左右进行。每个桥墩观测采用往返测，并满足规范要求。
5.4对观测中的误差采分析

根据对外业测量数据的误差分析，观测值中的误差主要有下列三方面的原因：
1、观测者
由于观测者的感觉器官的鉴别能力的局限性，在仪器安置、照准、读数等工作中都会产生误差，同时观测者的技术水平及工作态度也会对观测结果产生影响。
2、测量仪器
测量仪器都具有一定的精密度，所以使观测结果的精度受到限制，另外仪器本身的缺陷，也会使观测结果产生误差。
3、外界的观测条件
在野外观测过程中，外界条件的因素，如天气的而变化，地形的起伏、周围建筑物的状况，以及光线的强弱、照射的角度大小等，会使视线弯曲，产生折光现象，都会使观测结果产生误差。
对观测中的误差采取相应有效的措施
根据以上分析，我们在外业测量过程中采取了一系列措施，尽量满足等精度观测。保证观测成果的精度，满足规范要求。
1.建立专门的控制测量领导小组和观测小组，并明确各自职责，分工负责，各施其责。加强客运专线控制测量技术标准和操作技能培训。
2.使用的测量仪器满足测量等级的需要。仪器经过鉴定合格后方可使用，在运输过程中，电子水准仪不准直接放置在车上，必须专人抱着或背着，条码因瓦标尺必须放在盒内。保证仪器和因瓦标尺的正常使用。
3.实行的等精度观测即在相同的条件下观测，但是在实际工作中很难保证等精度观测。在测量过程中实行“人员、仪器、测量方式”三固定。在水准测量中采用同一线路进行，往测时在地面上做标记，以便返测时使用。
4.严格按照二等水准测量的要求进行。测量记录采用答应制，避免读数读错或记录记错。
5.观测过程中，受到外界条件的因素很多，在作业过程中，应注意尽量予以避免，例如，给仪器打伞遮阳，置镜是三角架固定牢固，观测过程中人员不要随意走动等等。
6、观测数据的处理
沉降变形测量作业结束后，对外业观测水准路线闭合差、往返测较差进行检查，并按测段往返测高差不符值计算偶然中误差MΔ；当水准网的环数超过20个时，还应按环线闭合差计算Mw。各项指标满足要求后，采用严密平差计算。

△ —测段往返高差不符值（mm） L —测段长（km）； ；

n —测段数； W —经过各项修正后的水准环线闭合差（mm）；
N —水准环数。
观测数据计算采用清华三维测量控制网平差系统Nasew 3.0。进行严密平差。我们对西瓜地特大桥水准基点网及55#墩（07年5月24日至07年10月6日）的观测数据进行了严密平差。外业数据采集后，计算合格后进行严密平差计算，在满足精度的情况下，可以认为数据可靠。处理结果如表中所示，可以看出我们的测量方法是能够满足要求的。
西瓜地特大桥特大桥55号墩沉降观测精度统计表
桥名及墩位
西瓜地特大桥55号墩
项 目
观测日期
最大高程
中误差（mm）
最大相邻点高差中误差（mm）
备 注
07年5月24日
-0.12
-0.22

07年6月02日
-0.13
+0.24

07年6月08日
+0.11
-0.23

07年6月22日
+0.12
+0.11

07年6月30日
-0.13
-0.23

07年7月07日
+0.12
-0.22

07年7月15日
-0.12
+0.19

07年7月23日
+0.11
-0.12

07年7月31日
-0.09
-0.11

07年8月07日
+0.12
+0.23

07年8月15日
-0.12
-0.24

07年8月22日
+0.13
-0.27

07年9月02日
-0.13
+0.23

07年9月10日
-0.13
-0.25

07年9月16日
+0.12
-0.32

07年9月24日
-0.14
+0.23

07年9月30日
+0.13
-0.23

07年10月6日
-0.11
-0.23

7、沉降变形评估参考文件

50 m 时为7mm；跨度L＞50 m 时为14 mm或L/7000)。总之，该桥梁体徐变变形满足《评估技术指南》的各项要求。分析表明：评定本桥墩台沉降变形和梁体徐变变形满足《评估技术指南》的各项要求。
（2）沉降变形过程曲线与工后沉降计算分析成果表
列举西瓜地特大桥桥梁墩台工后沉降分析和桥梁梁部后期徐变分析图表如下：
桥梁墩台工后沉降分析图表
观测断面里程
DK1939+810.50
基础型式
嵌岩桩
墩(台)编号
2＃墩左1
备注信息
西瓜地特大桥
主体工程施工完成日期
2008-8-26
当前观测日期
2009-1-12
预铺轨日期
2009-2-14
对比预测日期

预测
方法
当前观测沉降量（mm）
预铺轨时沉降
(mm)
结构层
引起沉降
(mm)
最终沉降预测值
(mm)
工后
沉降
(mm)
运营100
年沉降量
mm)
最终沉降对
比预测值
(mm)
最终沉降对比预测值之差
(mm)
相关
系数
(R)
三点法
1.42

拓展双曲线法

Asaoka法

双曲线法

P-T-S 曲线

当前沉降量小于 5mm，后期沉降趋于稳定

沉降预测分析曲线

桥梁梁部后期徐变分析图表
观测断面里程
DK1939+810.50
结构型式
预应力简支梁
墩(台)编号
3#
备注信息
西瓜地特大桥
终张拉日期
2008-10-6
当前观测日期
2009-1-5
梁体跨中弹性变形设计值(mm)
12.48

预测
方法
最终观测上拱量
（mm）
梁体跨中
弹性变形测量值
（mm）
最大徐变
上拱量预测值
（mm）
终张拉 60 天后徐变上拱量
（mm）
相关
系数
(R)
三点法
13.65
10.14
13.65
0.04
0.98
拓展双曲线法

Asaoka法

双曲线法
13.94
0.36
0.99

徐变上拱量过程曲线

预测分析曲线
从以上表中可以看出：后期的沉降变形都趋于稳定，变化量极小，满足《评估技术指南》的各项要求。
10、沉降变形观测中容易发生的问题及采取的对应措施
实施过程中容易发生的问题 ：
（1）、观测点随意埋设；
（2）、工作基点和观测点保护措施不到位；
（3）、由于受地形限制，缺乏测量闭合环节；
（4）、原始数据不能及时整理和录入，监理不能及时核对签字，存在的问题不能及时发现和改正；
（5）、“零”观测理念不强，如已施工到位的工程未能及时埋设观测点，造成观测不连续，不利于沉降变形规律的分析，也影响预测沉降结果的可靠性；
（6）、观测实施过程中，对观测数据出现异常现象及异常点不能及时分析和记录在案，在沉降分析预测中不便于分析。
采取的对应措施：
（1）、从制度上保证
建立专门的沉降变形观测领导小组和观测小组，明确各自职责，分工负责，各尽其责，加强沉降变形技术标准和实施操作的培训。
（2）、观测点埋设保证
对所有桥梁沉降变形观测点，进行详细的书面技术交底，并现场指导，确保埋设的正确和标准。
（3）、制定观测点保护措施；
制定切实可行的保护措施和制度，现场进行标识和防护。
（4）、观测精度上保证；
按要求定期对仪器进行鉴定，保证观测数据的可靠性。按要求定期对水准点和工作基点进行复核，严格按照测量技术等级要求进行，并且要求测量闭合。
（5）、数据整理及录入保证。
保证数据整理的规范性和数据识别的统一性，沉降观测中，包括上升和下沉，向下为“正”，向上为“负”。梁体徐变上拱，向上为“正”，向下为“负”。有沉降变形观测过程中注意记录荷载的变化，以便帮助分析结构变形变化和数据异常点情况。在沉降变形观测过程中，及时绘制沉降曲线，及时分析验证，并作记录，及时报送监理核对签字。
11、结语
在沉降变形观测工作中，从评估报告和目前的观测数据上看，我们的措施是合理的，观测数据是可靠的。在无砟轨道联调联试阶段的轨道精调中，从数据上得到了验证，后期桥梁变形在可控范围以内，保证了客运专线轨道的高平顺性和旅客的高舒适性。在整个沉降变形观测过程中能够反映出结构沉降变形的发展规律，为我国今后客运专线建设积累了宝贵经验。