大风、高温差条件下高铁路基沉降自动观测仪器与评估方案研究

大风、高温差条件下高铁路基沉降自动观测仪器与评估方案研究

屈耀辉1,庄德华1,2

(1.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000；2.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

摘 要：无砟轨道铺设前,应对线下工程沉降做系统评估,以确认工后沉降和变形能否符合设计要求。兰新铁路第二双线严酷的自然条件下,既有的路基沉降监测与评估方案难以达到规范所要求的测试精度、频次以及评估的有效性。针对该问题,研发了多点静力水准沉降观测仪,选择代表性工点对沉降变形评估方案进行研究。研究结论为：(1)室内检定结果表明所研制的多点静力水准沉降观测仪测试绝对误差小于1.0 mm,而现场测试数据还未能达到室内检定的测试精度；(2)对兰新铁路第二双线特殊气候条件下的沉降观测数据,采用指数曲线法和Asaoka法可以得到相关系数更高的沉降预测结果；(3)兰新铁路第二双线路基沉降评估工作中,将现行规范要求的曲线回归相关系数由0.92放宽至0.85更为可行。

关键词：高速铁路；大风；高温差；路基；沉降变形；观测仪器；评估方案

高速铁路设计时速高，对线路的平顺度要求极高，无砟轨道线路的工后沉降要求几乎为“零沉降”，开展沉降变形监测与评估是确保铁路线路稳定和安全运营的重要保障[1-6]。兰新铁路第二双线新疆段所经地区属中温带干旱大陆性气候区，气候干燥，降雨量小，冰冻期长，昼夜温差变化较大，春、秋多风，夏季短促而炎热，冬季漫长且严寒。总体来看，该铁路全线基本都具有严寒、酷热、高温差的气候特征，尤其在吐鲁番地区最为显著[7]。该铁路路基约占线路总长的80%以上，既有的路基沉降监测和评估方案均未将大风、严寒、酷热、高温差等特殊气候条件作为主要影响因素进行考虑。所以，在兰新铁路第二双线新疆段严酷的自然条件下，按照既有的路基沉降观测方法和评估方案难以满足规范要求的观测精度、频次以及评估的有效性，从而给线下工程的沉降变形评估和施工节点确定造成困难[8-10]。针对大风、高温差等恶劣气候对兰新铁路第二双线沉降观测与评估的影响，课题组研制、开发了新型沉降自动化观测仪器——多点静力水准沉降观测仪，并选择代表性路基工点对沉降变形评估方案进行了系统研究。

1 多点静力水准沉降观测仪的研发

据调查，兰新铁路第二双线修建前市场上已存在与课题组所研发的类似的仪器，且具有自动化观测功能，但在兰新铁路第二双线新疆段严酷的自然条件下，这些仪器均未能实现其常规条件下的测试精度。这些仪器在技术上主要存在以下3方面的局限性：①严寒、酷热、高温差条件下液压传感器的稳定性难以保证；②观测路基的绝对沉降量，测点与基准点的高差大，这样的条件下对液压传感器的测试性能和技术要求极其苛刻(有如大称称小件)，现有常规的液压传感器难以实现；③严寒、酷热、高温差条件下液压工质的密度随温度的变化难以修正。为此，课题组针对兰新铁路第二双线新疆段的路基沉降自动化观测，开展了新型多点静力水准沉降观测仪的研发。

1.1 仪器组成

所研发的多点静力水准沉降观测仪主要由沉降测点、基准测点、管线、电缆、仪器保护箱等组成，共研发了高差为1 m和10 m的2种沉降测点，分别布设于路基基底和顶面。数据采集装置和系统也按两种方式进行研发，分别为人工智能测试方式和自动化测试方式，可依据现场观测需要进行选择。本次研发的难点在于测试仪器的本身，其采集装置及系统的研发，因现有电子技术及通信技术较为成熟，只需进行系统集成便可，研发难度较小。所研发的多点静力水准沉降观测仪及其便携式读数装置、自动化采集与远程无线传输系统详见图1～图3。

图1 多点静力水准沉降观测仪

图2 人工便携式读数装置

图3 自动化采集与远程无线传输系统

1.2 埋设方法及步骤

多点静力水准沉降观测仪的埋设步骤及技术要求阐述如下，该仪器现场埋设详见图4。

(1)钻孔埋设基准桩

基准桩应布置在路基坡脚以外的变形稳定区，距坡脚的距离不小于8 m，采用冲击钻或螺旋钻钻孔埋设，孔径110 mm，孔深要求大于当地的冻结深度，采用细石混凝土回填，强度等级C15。

(2)开挖沉降测点和管线铺设的沟槽

铺设管线的沟槽横断面为矩形，路基部位沟槽宽20 cm、深20 cm，坡脚以外沟槽宽30 cm、深度不小于50 cm，要求沟底平整。沉降测点埋设坑要求开挖成25 cm×25 cm、深度为20 cm的方坑。

(3)安装沉降测点

该仪器埋设沉降测点时，必须先将坑底的虚土清理干净并整平，因找平需要安装沉降测点时坑底可垫入少量细砂，厚度不能超过5 mm。

(4)安装基准箱和基准测点

基准桩埋设完成并趋于稳定后开始安装基准箱和基准测点，安装过程中连接的丝扣及螺母必须拧紧，以确保基准箱和基准测点的稳定性。

(5)铺设管线

因铺设的管线较多，埋设前必须进行整体规划，避免管线的浪费。通液管和电缆连接完成后需专人进行检查，确认无误后再套入刚性保护管内。

(6)注液

采用由下而上的加压循环注液法进行注液，注液速度尽量缓慢，注液过程中要及时检查注液箱内的液面位置，避免将空气打入通液管内，注液的循环次数要求在3次以上。

(7)安装保护箱

为减小箱内的温度波动，仪器保护箱内设5 cm厚度的保温层。仪器保护箱采用铆钉加固，安装完成后设警示标志，以防止人员和机械的破坏，并要求直径2 m范围内严禁机械进入。

上述步骤完成后可依据现场采集方式选择在保护箱内安装自动化采集与远程无线传输系统。

图4 仪器现场埋设

1.3 观测精度和效果

2010年7月，课题组对第一版的新型多点静力水准沉降观测仪送中国测试技术研究院进行了室内检定，检定结果表明，设计高差1 m和10 m的两种测点，测试绝对误差均小于1.0 mm。为检验其现场测试效果，课题组选取试验工点，开展了现场试验，并将该仪器测试数据与人工观测数据进行对比分析。试验工点里程为兰新铁路第二双线新疆段DK1346+600～DK1346+800，共设2个观测断面，里程为DK1346+720、DK1346+746，该工点大风工程分区属于I区，可进行频次﹑精度满足规范要求的人工水准测量。该工点地基采用水泥搅拌桩进行处理，桩径0.5 m，桩间距1.2 m，桩长5.0 m，处理宽度为路堤两侧坡脚外2.0 m之间。水泥搅拌桩施工完成后于桩顶以上填筑0.5 m厚的碎石褥垫层，褥垫层内铺设两侧拉伸强度不小于200 kN/m的单向土工栅格。地基处理于2010年10月中旬完成，路基基底中心处测点于10月15日埋设完成，11月19日路基填筑完成，路堤高度约5.2 m，褥垫层填料为碎石土，基床以下路堤及基床底层均采用B类填料。沉降观测断面如图5所示，于基床底层顶面中心、左、右路肩以及基底中心等4个部位布设人工水准观测点和多点静力水准沉降观测仪测点。

图5 路基观测断面布置

基底中心沉降曲线、基床底层顶面3个测点的平均沉降量曲线分别如图6、图7所示。

图6 基底中心沉降曲线(由设计高差1 m的测点所测)

图7 基床底层顶面3个测点的平均沉降量曲线
(由设计高差10 m的测点所测)

分析图6可得，堆载预压期间，基底中心处多点静力水准沉降观测仪(由设计高差1 m的测点所测)观测的沉降曲线与人工观测沉降曲线趋势十分一致；比较两者的量值来看，人工观测值为3.26～3.75 mm，仪器测试值为4.31～5.15 mm，两者仅相差1.05～1.4 mm，说明该仪器测试结果与人工观测值较为接近。从图6可看出，大约自110 d起(2011年4月)天气转暖后，该差值呈增大的趋势，分析原因，应该跟气温升高有关，因为仪器埋设在冬季，而春、夏季气温升高后，导致仪器产生的系统误差增大。如前所述，室内检定结果表明该仪器的测试绝对误差小于1.0 mm。从现场测试结果来看，设计高差为1 m的多点静力水准沉降观测仪，其现场测试数据还未能达到室内检定的测试精度，所研发仪器的测试精度基本在±1.5 mm。

分析图7可得，基床底层顶面处多点静力水准沉降观测仪(由设计高差10 m的测点所测)所测的沉降曲线与人工观测沉降曲线趋势前期是相一致的，至90 d左右，两者曲线逐渐分离，尤其在110 d之后，随着气温升高，沉降趋势的差异更大。比较两者的数值来看，基床底层顶面处的平均沉降量人工观测值为2.2～4.5 mm，仪器测试值为5.08～8.26 mm，两者相差2.88～3.76 mm，仪器测试结果与人工观测值相对较大。现场测试结果表明，设计高差10 m的多点静力水准沉降观测仪的现场测试效果与室内检定精度还存在较大的差距。

综合来看，所研制的多点静力水准沉降观测仪室内测试绝对误差小于1.0 mm，而现场测试结果均未能达到室内检定的测试精度，分析原因，应该跟传感器性能、液压工质密度修正等难以满足现场恶劣气候条件相关。所研制的新型多点静力水准沉降观测仪仍然未能克服传感器温度稳定性、高性能以及液压工质密度修正等3方面的技术瓶颈，因此，该仪器研发还需要课题组进一步开展工作。

2 大风、高温差条件下路基沉降变形评估方案研究

按照规范要求，无砟轨道铺设前应对线下工程沉降变形做预测和系统评估，以确认工后沉降和变形能否符合设计要求。现行规范要求采用曲线拟合法对路基沉降进行预测，常用方法包括双曲线、修正双曲线、固结度对数配合法(三点法)、指数曲线法、遗传算法双曲线法、Verhulst法、Asaoka法[11-15]等。课题组在兰新铁路第二双线新疆段全线选取DK1335、DK1338、DK1346、DK1680、DK1722等5个路基工点，DK1723、DK1758等2个桥梁基础工点，共46个观测断面，采用指数曲线法、双曲线法、Asaoka法、GM法、三点法、泊松法等6种方法对全部测点的观测数据进行了沉降预测，通过进一步的计算分析、综合比较，从而得到或提出了更适合于该铁路特殊地质和气候条件的路基沉降评估方案。因基础数据繁多，预测过程在文中不再进行赘述，下面仅从预测结果的相关系数和相对误差两个方面进行分析。

2.1 相关系数分析

《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》(铁建设[2006]158号)中规定路基沉降预测应采用曲线回归法，曲线回归的相关系数R不应低于0.92。表1为6种方法预测结果相关系数的占比统计。

表1 相关系数统计

分析表1可知。

(1)6种方法的预测结果能满足规范要求的相关系数不小于0.92的比例较少，均不足70%，这样的预测结果因有效数据偏少而导致部分路段无法进行路基沉降评估，从而给无砟轨道施工的时间节点确定带来困难。

(2)针对相关系数采用0.92进行控制给沉降评估带来困难的实际情况，课题组探究将相关系数放宽至0.85。从表1可以看出，将相关系数放宽至0.85，有80%～90%的沉降预测结果能满足要求，预测有效结果的占比将较大幅增加。

(3)6种预测方法相比较而言，指数曲线法和Asaoka有67.4%能满足相关系数不小于0.92，有89.1%能满足相关系数不小于0.85，效果最好，其次为GM法和泊松法，双曲线法仅有52.0%和65.0%分别不小于0.92和不小于0.85，效果最差。

2.2 相对误差分析

课题组还开展了沉降量预测值与实测值的相对误差分析，相关系数在0.92及0.85以上时的相对误差占比统计分别见表2、表3，分析与比较可知。

(1)比较表2、表3中的数据可看出，将相关系数从0.92放宽至0.85，相对误差>10%的预测结果占比，三点法(3.7%→10.3%)有较大幅度的增加，指数曲线法(3.2%→2.4%)、双曲线法(16.7%→16.7%)、Asaoka法(3.2%→2.4%)、GM法(3.3%→2.5%)、泊松法(28.6%→29.4%)等5种方法均基本未变。说明将相关系数从0.92放宽至0.85，对沉降量预测值的误差影响不大。

(2)综合来看，兰新铁路第二双线新疆段路基沉降评估工作中，将曲线回归的相关系数由0.92适度放宽至0.85，有效预测结果的占比将较大幅度的增加，而对沉降量预测值的误差影响不大。采取这种做法可以使更多的预测结果满足评估要求，扭转因有效预测数据不够导致部分路段无法评估的局面，以便于路基沉降评估工程的推进，确定合理的轨道铺设时间。

(3)由表2、表3可看出，无论相关系数要求大于0.92，还是要求大于0.85，相对误差>10%的预测结果占比，均为指数曲线法和Asaoka法最小，GM法次之，同样说明指数曲线法和Asaoka法的预测效果最佳，与前述相对系数分析相一致。

表2 相对误差统计(相关系数≥0.92)

评估方法相对误差<5%占比相对误差5%～10%占比相对误差>10%占比指数曲线7420%2260%320%双曲线4580%3750%1670%Asaoka法7420%2260%320%GM法5670%40%330%三点法8520%1110%370%泊松法50%2140%2860%

表3 相对误差统计(相关系数≥0.85)

评估方法相对误差<5%占比相对误差5%～10%占比相对误差>10%占比指数曲线6830%2930%240%双曲线4330%40%1670%Asaoka法6830%2930%240%GM法7250%2500%250%三点法7430%1540%1030%泊松法50%2060%2940%

2.3 现行路基沉降变形评估方案优化

通过开展以上研究工作，结合兰新铁路第二双线新疆段特殊的地质和气候条件，建议对现行规范中的路基评估方案做如下优化。

(1)兰新铁路第二双线新疆段，推荐使用指数曲线法和Asaoka法进行曲线回归，预测路基沉降。

(2)兰新铁路第二双线新疆段路基沉降评估工作中，将曲线回归的相关系数由0.92适度放宽至0.85，使更多的预测结果满足评估要求，以扭转因有效预测数据偏少导致部分路段无法评估的局面。

(3)如表4所示，因兰新铁路第二双线路基总体沉降量不大，因此建议取掉现行规范要求的“沉降预测的可靠性应经过验证，间隔不少于3个月的两次预测最终沉降的差值不应大于8 mm”的条款，而为了提高预测结果的有效性，进一步增加“不少于3个月的沉降预测值与观测值的相对误差不能超过10%”的要求。

表4 代表性路基工点沉降量统计

试验工点实测沉降/mmDK1335139DK13381097DK13461055DK1680977DK1772506

3 结论

(1)所研制的多点静力水准沉降观测仪室内测试绝对误差小于1.0 mm，而现场测试结果未能达到室内检定的测试精度，其原因应该跟传感器性能、液压工质密度修正等难以满足现场恶劣气候条件相关。所研制的新型多点静力水准沉降观测仪仍未能克服传感器温度稳定性、高性能以及液压工质密度修正等3方面的技术瓶颈。

(2)兰新铁路第二双线新疆段特殊的地质和气候条件下，推荐使用指数曲线法和Asaoka法进行路基沉降预测。

(3)兰新铁路第二双线新疆段路基沉降评估工作中可将曲线回归的相关系数由0.92适度放宽至0.85。

(4)建议去掉现行规范要求的“沉降预测的可靠性应经过验证，间隔不少于3个月的两次预测最终沉降的差值不应大于8 mm”的条款，为提高预测结果的有效性，进一步增加“不少于3个月观测周期的沉降预测值与观测值的相对误差不能超过10%”的要求。

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]158号客运专线无砟轨道铺设条件评估技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁建设函[2005]754号客运专线无砟轨道铁路设计指南[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[3] 国家铁路局.TB10621—2014高速铁路设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2015.

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]47号新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社，2007.

[5] 赵勇，陈占，徐红星.高速铁路无砟轨道路基沉降监测和研究[J].铁道工程学报，2012(6):45-49.

[6] 蔡英.高速铁路路基研究[M].成都:西南交通大学出版社，1995.

[7] 王武斌.大风、高温差戈壁地区线下工程沉降长期自动监测关键技术研究[D].成都:西南交通大学，2012.

[8] 陈善雄，宋剑，周全能，等.高速铁路沉降变形观测评估理论与实践[M].北京:中国铁道出版社，2010.

[9] 庞应刚，李安洪，徐骏，刘一.铁路路基沉降病害监测技术研究[J].铁道工程学报，2015(12):30-33，85.

[10]王光勇.武广客运专线路基沉降监测系统与沉降预测[J].铁道工程学报，2009(5):5-7，15.

[11]郭光权.客运专线路基沉降和变形监控[J].铁道工程学报，2007(12):153-157.

[12]张思远.(京沪)高速铁路路基沉降预测方法适用性研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[13]王星运.铁路客运专线路基沉降预测方法研究[D].武汉：中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)，2009.

[14]袁辉明.高速公路运营期软土路基沉降监测与预测[D].广州：华南理工大学，2010.

[15]虞先溢.高速铁路路基沉降变形分析方法与评估实践[D].成都:西南交通大学，2011.

Research on Auto-observation Instrument for Subgrade Settlement Deformation Subject to Strong Wind and High Temperature Difference and Evaluation Method

QU Yao-hui1, ZHUANG De-hua1, 2

(1.China Northwest Research Institute Co., Ltd. of CREC, Lanzhou 730000, China; 2.School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract：Analysis of substructure settlement and deformation should be carried out to confirm the compliance of the settlement and deformation after construction with design requirements before ballastless track is laid. The current method of settlement evaluation cannot meet the required frequency, accuracy and effectiveness due to the harsh natural conditions of the second double-track of Lanzhou-Xinjiang railway. To solve this problem, a multi-point static leveling settlement observation instrument is developed and representative construction site is selected to study the method for subgrade settlement deformation assessment. Research results show that (1) the laboratory test results demonstrate less than 1.0 mm of absolute error of the instrument and the failure of field test to reach the accuracy of laboratory; (2) the index curve method and Asaoka method are successful to obtain better forecast result for the settlement observation of the second double-track of Lanzhou-Xinjiang railway under special climate condition; (3) Reducing the required curvilinear regression correlation coefficient from 0.92 to 0.85 is more applicable for the subgrade settlement evaluation of the second double-track of Lanzhou-Xinjiang railway.

Key words：High speed railway; Strong wind; High temperature difference; Subgrade; Settlement and deformation; Observation instrument; Evaluation method

收稿日期：2016-09-13；

修回日期：2016-09-21

基金项目：国家科研院所技术开发研究专项资金项目(2010EG123210)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G019-S)

作者简介：屈耀辉(1981—)，男，高级工程师，硕士研究生导师，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2017)05-0006-05

中图分类号：U213.1

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.002