軟土路基沉降觀測數(shù)據(jù)處理分析資料

軟土路基沉降觀測數(shù)據(jù)處理分析楊堃內(nèi)容提要高速鐵路是現(xiàn)代化鐵路的重要標志，集中體現(xiàn)了當代高新技術的發(fā)展成果，代表著當今世界鐵路的發(fā)展方向。無砟軌道的永久變形只能通過調(diào)整扣件來恢復軌道的幾何形狀，但扣件的調(diào)整量非常有限，只能依靠嚴格限制線下工程的沉降量來解決。因此，高速鐵路無砟軌道的鋪設與運營，對路基、橋涵、隧道等線下工程的工后沉降要求嚴格、標準高。關鍵詞：高速鐵路沉降觀測區(qū)域沉降高速鐵路發(fā)展概述高速鐵路是現(xiàn)代化鐵路的重要標志，集中體現(xiàn)了當代高新技術的發(fā)展成果，代表著當今世界鐵路的發(fā)展方向。但是，高速鐵路，特別是時速在300km以上鐵路的出現(xiàn)，對中國傳統(tǒng)的鐵路設計、施工、檢測、養(yǎng)護維修提出了新的挑戰(zhàn)，在許多方面深化和改變了傳統(tǒng)的觀念和思想。由于高速鐵路的高速性和較高的平穩(wěn)性要求，傳統(tǒng)的有砟軌道已不能滿足高速鐵路的要求，無砟軌道以其穩(wěn)定性好、耐久性強、剛度均勻、維修工作量少等綜合優(yōu)勢得到廣泛的應用，國內(nèi)新建高速鐵路大多采用無砟軌道形式。相對于有砟軌道，無砟軌道對結(jié)構的剛度、基礎的沉降更加敏感。無砟軌道的永久變形只能通過調(diào)整扣件來恢復軌道的幾何形狀，但扣件的調(diào)整量非常有限，只能依靠嚴格限制線下工程的沉降量來解決。因此，高速鐵路無砟軌道的鋪設與運營，對路基、橋涵、隧道等線下工程的工后沉降要求嚴格、標準高，一般要求工后沉降不超過15mm（《高速鐵路沉降變形觀測評估理論與實踐》中解釋為鋪軌完成后所產(chǎn)生的沉降）。但是，就目前的沉降計算精度，還不足以達到控制無砟軌道工后沉降的要求，因此，在工程設計階段設計單位應對變形監(jiān)測進行規(guī)劃、設計，施工時建立線下工程變形監(jiān)測網(wǎng)，施工單位對線下工程進行及時準確的變形監(jiān)測，最終由評估單位對變形監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的分析和評估，推算出最終沉降量和工后沉降，確定無砟軌道合理的鋪設時間。作為高速鐵路的施工單位，要在施工階段進行線下工程沉降變形監(jiān)測工作，做好數(shù)據(jù)的采集，計算和分析，為后續(xù)的評估工作做好準備。由于路基工程沉降變形監(jiān)測具有復雜性和廣泛的代表性，筆者文以津秦客運專線濱海北站路基為例對沉降變形觀測進行初步的探討和分析。工程概況津秦客運專線工程線路途經(jīng)的天津市所轄的河東區(qū)、東麗區(qū)、塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、寧河縣、向北經(jīng)豐南至唐山市區(qū)、沿線地表均不同程度存在區(qū)域沉降問題，其中，以軍糧城、漢沽兩個漏斗區(qū)沉降變形尤為顯著，本地區(qū)又以軟土地質(zhì)為主，加之地下水的無序開采，造成地區(qū)性的地表沉降，甚至不同季節(jié)地表沉降速率均有差異，由此給高速鐵路的安全造成了不可預知的危害。中鐵二十二局第一工程有限公司承建路基區(qū)段位于天津市漢沽區(qū)，屬于津秦客運專線I標段，里程：DK67+195.7?DK69+615.92，長度2.3km。本路基區(qū)段正處在漢沽地下漏斗區(qū)，在本工程施工過程中，已發(fā)現(xiàn)可能是地表區(qū)域沉降導致基準點（工作基點）高程發(fā)生變化，沉降觀測過程中也時常發(fā)現(xiàn)線路閉合差難以滿足規(guī)范要求的現(xiàn)象，觀測中也發(fā)現(xiàn)某階段區(qū)域沉降給數(shù)據(jù)造成了很大影響，出現(xiàn)累計沉降量不可預知性，這對研究線下工程自身變形狀態(tài)造成一定干擾，并直接影響評估單位對工后沉降預測值的失真。沉降觀測概況工程區(qū)域沉降監(jiān)測網(wǎng)本區(qū)段路基設用I、II、III、IV四種類型監(jiān)測斷面，11型斷面僅在橋頭布置，一般每間隔3個I型監(jiān)測斷面設置一個III型監(jiān)測斷面。I型監(jiān)測斷面包括沉降監(jiān)測樁和沉降板。沉降監(jiān)測樁每斷面設置5個，施工完基床底層后，預壓土填筑前，距左、右線中心4.7m處于基床底層頂面埋設2個沉降監(jiān)測樁，其余3個于基床表層施工完成后布置于雙線路基中心及距兩側(cè)路肩1m處的基床表層頂面上；沉降板位于路堤中心，位于樁帽板板頂，隨填土增高而逐漸接高測桿及保護套管。II型監(jiān)測斷面包括沉降監(jiān)測樁和定點式剖面沉降測試壓力計。沉降監(jiān)測樁每斷面設置5個，埋設方法同I型監(jiān)測斷面；定點式剖面沉降測試壓力計位于路堤中心，基底鋪設碎石墊層的地段樸實于墊層頂面，基底設混凝土板地段置于板頂面。III型監(jiān)測斷面包括沉降監(jiān)測樁、沉降板和剖面管。沉降監(jiān)測樁每斷面設置3個,布置于雙線路基中心及距兩側(cè)路肩1m處的基床表層頂面上；沉降板位于路堤中心，底板埋設于基床底層頂面上，隨填土增高而逐漸接高測桿及保護套管，橫剖面管埋設于路堤基底碎石墊層頂面處。路堤于橫向結(jié)構物過渡段，于橫向結(jié)構物頂部沿橫向結(jié)構物的對角線方向鋪設剖面沉降管。橫向結(jié)構物兩側(cè)外邊緣各2m處設置一個I型觀測斷面。工程區(qū)域沉降監(jiān)測網(wǎng)津秦客運專線區(qū)域沉降監(jiān)測網(wǎng)以天津市JY02、唐山市唐鋼基巖點為約束點，采用國家85高程基準，按國家一、二等水準規(guī)范要求的二等精度進行往返觀測，觀測頻次為每三月一次。本區(qū)段工作基點情況本路基區(qū)段含CPI點一個、CPII點四個，自己加密工作基點五個，在實際情況中基準點、工作基點的沉降并不是我們預想的那樣均勻變化，而是受氣候，地下水等諸多因素的影響，基準點、工作基點可能出現(xiàn)短時間內(nèi)的突變情況。由于其變化的不均勻性和不規(guī)律性就要求我們及時的進行水準網(wǎng)的復測，從而更清晰的掌握基準點、工作基點的變化情況。本區(qū)段2010年3月、2010年7月、2010年10月，設計院對津秦客運專線進行了三期水準網(wǎng)復測。2010年4月、2010年7月、2010年10月施工單位共進行了三次加密水準網(wǎng)復測，均按國家一、二等水準規(guī)范要求的二等精度進行往返觀測，以設計院提供的基準點BM038，BM041為約束點進行整網(wǎng)平差。表3-3-1設計院復測成果對比表點號第三期復測高程（m）第一期復測高程（m）第二期復測高程（m）第三期和第二期高程比較值（mm）第三期和第一期高程比較值（mm）BM0380.23210.24570.22843.7-13.6BM0390.03590.04780.03263.3-11.9CPI022-0.4037-0.3778-0.40820.9-29.5BM040-0.4351-0.4189-0.44105.9-16.2BM041-0.3199-0.3029-0.32959.6-17.0表3-3-2施工單位復測成果對比表點號第三次復測高程（m）第一次復測高程（m）第二次復測高程（m）第三次和第二次高程比較值（mm）第三次和第一次高程比較值（mm）DX220.18690.20650.17828.7-19.6DX23-0.1673-0.1387-0.17669.3-28.6DX24-0.1734-0.1280-0.18077.3-45.4DX25-0.00310.0152-0.016313.2-18.2CPII059-0.2514-0.2287-0.262210.8-22.7從設計院復測成果來看，本區(qū)段內(nèi)基準點高程總體呈現(xiàn)沉降趨勢，累計最大沉降出現(xiàn)在CPI022點，為29.5mm,其它基準點沉降也在10mm以上，但第三期較第二期成果略有上升,這說明本區(qū)段區(qū)域沉降的不均勻性和不規(guī)律性；從施工單位復測成果可以看出加密工作基點較基準點變化情況普遍偏大，但總體趨勢和基準點變化情況吻合?；鶞庶c及工作基點的無序波動給沉降變形觀測工作帶來了巨大影響?；谝陨系谋尘昂驮?，如何解決區(qū)域沉降問題對線下工程沉降變形的影響，進而確保沉降觀測工作的順利實施，沉降變形觀測數(shù)據(jù)的合理性和沉降評估工作的順利進行。本文將對如何消除基準點、工作基點主要受區(qū)域沉降帶來的高程不規(guī)律性變化的方法做出初步的研究和討論。處理方法及討論由于區(qū)域沉降的存在，根據(jù)實際沉降變形觀測數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)，基準點同期區(qū)域沉降量可能比工程本身沉降變形量還要大，且區(qū)域沉降的不均勻性，給觀測本身造成了很大困難，也掩蓋了線下工程自身沉降變形規(guī)律，造成評估和預測結(jié)果的不準確性，往往不能滿足規(guī)范規(guī)定的限制要求，如：工后沉降〈15mm、完成比率〉75%（觀測變形值達到預測變形值75％以上），工程自身沉降變形規(guī)律的失真和混亂，使沉降評估現(xiàn)有模型進行回歸預測分析時，相關系數(shù)難以滿足規(guī)范規(guī)定的RM92%。經(jīng)過對沉降觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析和研究，必須消除區(qū)域沉降對沉降觀測數(shù)據(jù)的影響，才能正確的反映出路基的真實沉降趨勢。如何消除區(qū)域沉降的影響將是本文討論的重點。4.1處理方法基于設計院提供區(qū)域沉降復測成果及時對本區(qū)段內(nèi)工作基點進行復測，平差計算選用區(qū)域沉降監(jiān)測點進行平差，原則上按最新區(qū)域沉降復測成果平差計算，對于兩次區(qū)域沉降成果之間的復測數(shù)據(jù)，可根據(jù)兩次區(qū)域沉降成果的改算值進行平差計算。具體改算方法為：假定基準點為均勻變化，兩次區(qū)域沉降成果之差按時間間隔均勻分配，計算出工作基點復測之日的基準點理論高程，按此高程整網(wǎng)平差。對于沉降變形監(jiān)測點的平差，按工作基點平差相同方法進行平差。需要注意的是，對于沉降變形觀測工作，要每天關注所采集的數(shù)據(jù)，尤其是線路閉合差的變化要引起重視，以便掌握工作基點（基準點）的變化情況，幫助我們準確的進行高程成果改算。剔除區(qū)域沉降量，計算線下工程自身變形，按以下步驟進行：1、 首先判斷監(jiān)測點附近基準點變形的可靠性，根據(jù)相鄰點的沉降趨勢情況，確定計算基準點；2、 兩個工作基點之間的線下工程監(jiān)測點理論區(qū)域沉降值的計算：將兩個基準點之間的區(qū)域沉降差按距離基點的距離進行線性內(nèi)插，計算出每個監(jiān)測點該周期內(nèi)總的理論區(qū)域沉降值；3、 按照時間間隔對當期總的理論區(qū)域沉降值進行時間內(nèi)插，計算出監(jiān)測點當期理論區(qū)域沉降量；4、 從監(jiān)測點總沉降量中分別減去每周期的理論沉降量，在還沒有新的區(qū)域沉降成果前，所有監(jiān)測點起算高程仍沿用上期高程值。圖4-1-1剔除區(qū)域沉降示意圖SabIaji—I基準點SabIaji—I基準點A監(jiān)測點JI監(jiān)測點J2@oo監(jiān)測點Jn基準點BHH:基準點A第一次高程A1H:基準點A第二次高程A2H:基準點A第n次高程AnH:基準點B第一次高程B1HB2:基準點B第二次高程B2H:基準點B第n次高程BnT:兩次監(jiān)測時間間隔nn-14.2剔除區(qū)域沉降實例Tj區(qū)域沉降第一、二次復測時間間隔(天)T :區(qū)域沉降第n-1、n次復測時間間隔(天)n(n-1)基準點A沉降速率 V=(H-H)/TAA1A212基準點B沉降速率 V=(H-H)/TBB1B212監(jiān)測點J1沉降速率V=V+(V-V)/S*SJ1ABAABAJ1監(jiān)測點J1每期沉降量△=V*THJ1nn-1本路基里程范圍DK68+750?DK69+530段路基自2010年5月15日完成堆載預壓，至2010年10月15日預壓時間達到評估要求的6個月，本文以預壓時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析、計算。本段路基采用BM040和BM041為起算點，兩基準點距離1.32km。取斷面里程DK68+140基底沉降板為例進行計算，其距BM040的距離0.45km。在實際的數(shù)據(jù)處理工作中，按照設計院提供的區(qū)域沉降成果進行內(nèi)插計算時并不能滿足沉降觀測工作的限差要求，往返測高差不符值限差、附和路線閉合差均大于4Ml,每千米水準測量的偶然中誤差也大于規(guī)范要求的土1.0mm，這就需要我們對前期的數(shù)據(jù)進行分析驗證，找出造成這種結(jié)果的事實依據(jù)，從而更精確的消除區(qū)域沉降帶來的的影響，使沉降觀測數(shù)據(jù)更加真實可靠。本段路基在觀測過程中曾于2010年8月12日?2010年8月16日遇到連續(xù)強降水，由于降水對地下水位造成短時內(nèi)的突然上升，有可能導致基準點的變化，這就印證了后期處理數(shù)據(jù)過程中超過限差規(guī)定的原因，可以斷定降水造成了基準點和工作基點的上升。降水帶來的影響導致我們不能按照常規(guī)的方法來進行基準點的內(nèi)插計算，而是要結(jié)合實際情況及在數(shù)據(jù)處理中的分析進行內(nèi)插計算，如下圖：圖4-2-2圖4-2-2基準點變化（考慮降水影響）基準點沉降曲線圖時間（d）92BM040BM041時間（d）92BM040BM041不考慮降水對基準點變化的影響，對基準點進行內(nèi)插后進行的數(shù)據(jù)平差并不能滿足《國家一、二等水準測量規(guī)范》中各項限差的要求，由此可知基準點并不是按照我們預想的如圖4-2-1曲線模型變化的；考慮到降水的影響，及對降水后沉降觀測數(shù)據(jù)的分析可知，基準的點沉降已經(jīng)在8月30日沉降到設計院在2010年10月8日提供的基準點的高程，按照圖4-2-2的曲線模型對基準點高程進行內(nèi)插，沉降數(shù)據(jù)平差后的各項限差均滿足《國家一、二等水準測量規(guī)范》中各項限差的要求，可以確定降水帶來的影響導致基準點及工作基點產(chǎn)生在設計院復測周期內(nèi)的無規(guī)律變化。事件對沉降觀測的影響可以通過事前對這種影響大小的預估，事中的沉降觀測數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，事后對基準點及工作基點的復測和對設計院所提供之成果進行計算分析，來評估事件影響大小反映在基準點及工作基點高程變化的具體值。表4-2-1剔除區(qū)域沉降計算表區(qū)域沉降復測時間3-1?7-227-22?10-8基準點ABM040H-H=22.1A1 A2H-H=-5.9A2 A3DK68+650評估起始樁號基準點BBM041H-H=26.6B1 B2H-H=-9.6B2 B3DK69+530評估終止樁號觀測時間累計沉降量(mm)LJ0350J4剔除區(qū)域沉降后當期區(qū)域沉降量累計區(qū)域沉降量2010-5-180.00.00.00.02010-5-253.82.61.21.22010-6-17.34.91.22.42010-6-810.77.11.23.62010-6-1513.28.41.24.82010-6-2215.39.31.26.02010-7-117.810.31.57.52010-7-818.910.21.28.72010-7-1520.810.91.29.92010-7-2222.911.81.211.12010-7-2922.912.1-0.310.82010-8-523.312.8-0.310.52010-8-1221.113-2.48.12010-8-1918.913.2-2.45.72010-8-2616.112.8-2.43.32010-9-215.213.1-1.22.12010-9-915.313.20.02.12010-9-1614.612.50.02.12010-9-2315.1130.02.12010-9-3015.313.20.02.1圖4-2-3剔除前后沉降趨勢對比圖剔除前后沉降趨勢對比圖10-6-7 10-6-27時間（d）10-7-17 10-8-610-6-7 10-6-27時間（d）10-7-17 10-8-610-8-26 10-9-15 10-10-5通過前面的分析、平差計算，區(qū)域沉降量的計算及剔除得出上表的內(nèi)容，從表4-2-1可以看出，剔除區(qū)域沉降后對監(jiān)測點的累積沉降量有明顯的改善，沉降趨勢也由于區(qū)域沉降的剔除而趨于平穩(wěn)，而圖4-2-2給我們提供了更直觀的圖像，圖中沉降趨勢曲線在剔除前后有了明顯的變化，剔除前因為受到區(qū)域沉降的影響而出現(xiàn)無序變化，而剔除后才真實體現(xiàn)出監(jiān)測點沉降量由大到小最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。本區(qū)段路基所有監(jiān)測點沉降量剔除區(qū)域沉降前后評估結(jié)果對比也都比較明顯，如下表所示。表4-2-2剔除區(qū)域沉降前后回歸分析比較表測點編號剔除后剔除前相關系數(shù)R100年預測值工后沉降完成比率相關系數(shù)R100年預測值工后沉降完成比率LJ0340J40.9811.641.010.910.8822.2912.300.71LJ0341J40.9811.491.100.900.9022.2214.200.72LJ0342D30.9811.641.770.850.8736.6116.300.68LJ0343J40.9816.862.950.830.8740.4517.200.61LJ0344D30.9917.192.500.850.8733.2616.800.56LJ0345J40.9916.452.210.870.8623.5318.960.53LJ0346J40.9915.692.240.860.8625.5320.160.59LJ0347J40.9915.212.540.830.8533.8921.360.45LJ0348J40.9814.842.180.850.8530.0322.560.41LJ0349D30.9812.241.840.850.8430.4123.760.47LJ0350J40.9812.551.800.860.8430.8020.960.53LJ0351J40.9912.581.560.880.8331.19