文章編號: 0494-0911( 2012) 07-0065-03中圖分類號: TU196 文獻標識碼: B

客運專線特大橋沉降變形監測研究

牛海鵬，譚志祥，鄧喀中，郭 倉

( 中國礦業大學 國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室，江蘇 徐州 221116) The Extra-large Bridge Monitor Research of Ballast Less Track for Passenger Traffic

NIU Haipeng，TAN Zhixiang，DENG Kazhong，GUO Cang

摘要:為獲得有效的客運專線無砟軌道特大橋沉降數據，為客運專線建設中的無砟軌道鋪設工作提供依據，在對客運專線特大橋 沉降變形觀測特征研究的基礎上，結合實例詳述該特大橋沉降變形測量的布點及觀測方法，并編制了三點法沉降評估的通用程 序，通過對沉降數據的處理與分析得出一些特大橋墩身沉降及梁體徐變的規律，為今后客運專線的施工管理和科學研究等提供可 靠的資料。

關鍵詞:客運專線; 特大橋; 無砟軌道; 變形監測

一、引 言

近年來，高速鐵路的興建極大地便利了人們的 出行。然而，行車速度達 200 km / h 以上的高速鐵路 與普通鐵路具有本質上的差異。為滿足高速列車 安全、舒適的要求，保證線路的高平順性，無砟軌道 的鋪設與運營對路基、橋涵、隧道等線下結構的工 后沉降要求均非常嚴格［1］。且無砟軌道具有建成 后不可調整的特點，要求線下工程沉降基本穩定或 達到無砟軌道鋪設條件后才能開始進行無砟軌道 的鋪設工作，因此在客運專線建設中必須對線下工 程進行沉降變形觀測工作［2-3］。

不少學者與工程技術人員對特大橋沉降變形 觀測與評估方法進行了研究。楊吉新［4］ 根據對哈 大客運專線中橋梁墩臺的點位布置及觀測方法進 行了研究，并采用灰色系統模型進行沉降預測，分 析了沉降規律。李明領［5］ 結合武廣鐵路客運專線 沉降變形評估工作探討了工后沉降的預測方法及 評估條件與標準。秦國兵［6］ 結合沉陷性黃土地區 客運專線工程，系統地介紹了沉陷性黃土地區無砟 軌道橋梁沉降預測及鋪設條件評估技術，并針對墩 臺沉降曲線擬合回歸的多種方法進行了分析對比。 劉偉［7］等從客運專線鐵路橋臺的設計方面進行了 研究，從設計的角度分析了橋臺類型及構造特點。 以上工作為無砟軌道沉降變形觀測與評估的開展 奠定了基礎，然而無砟軌道沉降變形觀測與評估畢

竟是近幾年才開展的工作，目前國內對于客運專線

特大橋沉降變形監測的研究尚未有比較成熟的經 驗，還有很多技術問題需要在工程實踐中不斷探 索，并加以完善。本文以河北某地客運專線為例， 在對客運專線特大橋沉降監測的特點進行分析后， 對該線路的特大橋沉降情況進行了監測和分析，研 究成果為無砟軌道客運專線的沉降監測具有一定 的借鑒作用。

二、工程概況

該客運專線特大橋位于河北某地，總長 3 409． 07 m， 地層為第四系全新統沖積層( Q4al + pl) 和第四系上 更新統沖積層( Q3al + pl) ，主要為黏土、粉質黏土、 粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂。地下水為第四 系孔隙潛水，地下水埋深 20． 0 ～ 26． 0 m，主要由大 氣降水及側向補給。 水位受季節影響，變化幅度

2 ～ 3 m。該區段有橋臺 2 個，橋墩 102 個，連續梁 1

片，其中承臺、墩身有 312 個觀測點。

橋梁變形觀測應以墩臺基礎的沉降和預應力 混凝土梁的徐變變形為主。根據《客運專線鐵路無 碴軌道鋪設條件評估技術指南》［1］ 的規定，橋梁基 礎沉降觀測標志的設置如下。

1．  承臺及墩身觀測標設置

路基上鋪設無砟軌道的關鍵技術問題是沉降 控制，尤其是對不均勻沉降的控制。承臺設置兩個 觀測標，一個設置于底層承臺左側小里程角上，另

收稿日期: 2011-06-28

基金項目: 國家自然科學基金( 41071273)

作者簡介: 牛海鵬( 1987—) ，男，河北保定人，碩士生，主要研究方向為變形監測。

一個設置于底層承臺右側大里程角上。承臺觀測 標為臨時觀測標，當墩身觀測標正常使用后，承臺

表 2   預應力混凝土豎向變形觀測頻次

觀測頻次

觀測標隨基坑回填將不再使用，沉降變形觀測點轉

觀測階段

備注

觀測期限  觀測周期

移至墩身。

根據京津、武廣客專經驗，認為每個墩臺的觀

梁體施工完成 — — 設置觀測點

測點可減少至 2 個，故墩身觀測點數量每墩不少于

預應力張拉期間  全程 張拉 前 后 各一次

測試 梁 體 彈

性變形

2 處，且位于墩身兩側，橋墩標一般設置在墩底高出 地面 1． 0 m 左右。橋臺觀測標原則上設置在臺頂 ( 臺帽及背墻頂) ，測點數量不少于 4 處，分別設在

橋 梁 附 屬 設 施 安裝

預應力張拉期間

全程 安裝 前 后 各一次

1 次 /1、3、

測試 梁 體 彈 性變形

臺帽兩側及背墻兩側( 橫橋向) ，從而方便了觀測、

保證了精度。

至 無 砟 軌 道 鋪

設前

無 砟 軌 道 鋪 設

≥60 天

5 天 后 期

1 次 / 周

2．  簡支箱梁變形觀測

期間 全程 1 次 / 天

徐變是混凝土結構作為粘滯彈性體特有的性

無 砟 軌 道 鋪 24

0 ～ 3 個月

1 次 / 月

殘余 徐 變 變

質，對于簡支梁橋而言，混凝土的徐變雖然僅引起

結構的變形，但對于采用階段法施工的混凝土連續 梁橋而言，由于各部分混凝土的加載齡期不同且屬

設完成后

個 4 ～ 12 個月 1 次/3 個月

月 13 ～ 24 個月 1 次/6 個月

形長期觀測

于超靜定結構，徐變不僅增加結構的變形，而且引 起結構的內力重分配［8］。這樣就能對橋梁造成過 大的變形甚至倒塌，故必須對橋梁進行徐變觀測。 按照要求對該梁對稱布置了 14 個觀測點。

三、變形觀測精度及頻度

根據《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規 定》［9］，路 基 觀 測 樁、沉 降 板 及 橋 涵、隧 道 觀 測 樁 ( 標) 均按二等變形測量( 即國家一等水準測量) 方 法進行測量。精度應達到 ± 0． 1 mm，故讀數應保留

0． 01 mm。其限差規定及精度要求如表 1 所示。

表 1   沉降觀測的各項限差規定及精度要求

四、沉降監測方法

沉降變形觀測測量按《客運專線鐵路無碴軌道 鋪設條件評估技術指南》［1］、《客運專線無碴軌道鐵 路工程測量暫行規定》［9］ 的要求執行，故該段在全 線二等精度高程控制測量布設的基巖點、深埋水準 點及一般水準點的基礎上，按照國家二等水準測量 的技術要求進一步加密水準基點和設置工作基點 至滿足工點垂直位移監測。根據京津城際沉降觀 測經驗，加密后的水準基點間距未超過 200 m。

沉降觀測點的高程測量可采用從鄰近水準基點 直接測至沉降觀測點的支路線法，也可采用從鄰近水 準基點測至沉降觀測點，再閉合至臨近另一水準基點

視線  每站前 長度  后視距

視距累 積差

視線  基輔分劃 高度  讀數之差

基輔分劃 所測高差

的附合水準路線法。為保證測量的精度與準度在該 測段采取附合水準路線法。附合水準路線法往返測

/ m差 / m/ m

/ m/ mm

之差 / mm

的高差之差及附合路線閉合差均≤ ± 4

槡L mm( L 為

≤50 ≤1． 0≤2． 0≥0． 3≤0． 4≤0． 6

經計算得: 每測站高差中誤差≤ ± 0． 5 mm; 每 測段往返較差或附合路線允許閉合差: ≤ ± 槡n mm 或≤ ± 4 槡Lmm( 注: n 為測站數; L 為水準路線長度，

單位為 km) ; 沉降觀測點相對于水準基點高差中誤

差≤ ± 1． 0 mm。

梁體徐變變形觀測需在梁體施工完成后開始 布置測點，自梁體預應力張拉開始至無砟軌道鋪設 前為主要變形階段，故在張拉預應力前，進行** 觀測。預應力混凝土豎 向變形觀測頻次如表 2 所示。

兩相鄰水準基點間的水準路線長度，單位為 km) 。

五、觀測結果及預測

通過對該鐵路線多次觀測，獲得了大量有效的 實測數據。預測鐵路線的后續沉降量對鐵路路線 的施工和運營安全至關重要。該客運專線施工已 經完成，經過不同階段的觀測，并將觀測數據進行 整理分析，可以階段性地了解路基的變形情況和總 結各個觀測點的沉降變化情況。由于變形觀測點 比較多，故只選取其中變形**和*小的觀測點進 行分析。根據實測觀測沉降量推算*終沉降量方 法主要有規范雙曲線法、修正雙曲線法、固結度對 數配合法( 三點法) 、指數曲線法、Asaoka 等 8 種方

法［10］，此次使用三點法。

筆者根據觀測數據采用三點法進行沉降分析 與預測，并將預測值與實際觀測值進行對比，得到 時間-沉降實測曲線及沉降變形評估曲線。

1．  橋墩**與*小沉降點分析 架梁后該區段**沉降發生于 45 號墩，沉降量

為 3． 03 mm，預測*終沉降量為 3． 53 mm。*小沉 降發生在 10 號墩，沉降量為 2． 04 mm，預測*終沉 降量為 2． 19 mm。區段平均沉降量為 2． 55 mm，且 沉降量均在 1 ～ 4 mm 范圍，后期沉降趨于穩定狀 態。對該點的沉降數據進行分析，列出該點的實測 沉降與評估沉降對比曲線圖，如圖 1、圖 2 所示。

件評估技術指南》［1］對沉降預測時間的要求。

2．  現澆梁徐變分析

現選取區段中的部分現澆梁徐變匯總信息列 于表 3。由于混凝土徐變的影響，軌道梁的變形隨 時間不斷發展，而高速客運專線對軌道的平順性要 求很高。且由于沒有道砟來調節軌道的高程，故需 對橋梁的徐變進行控制。由表 3 可知連續梁體跨中 實測徐變上拱量為 19． 88 mm、19． 39 mm、19． 78 mm， 且后期變形趨于穩定?？鄢龔椥宰冃?、終張拉 60 天 后的徐變上拱量預測值為 1． 79 mm、1． 02 mm、

1． 86 mm，小于文獻［1］對梁體后期徐變的限值( 跨 度 L≤50 m 時為 7 mm) 。故梁體徐變符合要求。

表 3   現澆梁徐變匯總信息

跨度 終張拉 梁號

/ m日期

當前 當前梁體 觀測 上拱值 日期 / mm

終張拉后

60 天徐變 上拱量

/ mm

圖 1  45 號墩沉降評估曲線

圖 2  10 號墩沉降評估曲線

由以上兩圖可以看出，墩身觀測標反映的墩身 沉降變化趨勢與理論沉降變化趨勢基本一致，表明 墩身的豎向沉降變化很小。且在預應力張拉期間 和橋梁附屬設施安裝期間沉降很不穩定，預計不太 準確，但是用于預計該點的*終沉降量所得結果與 觀測值相差較小。筆者編制了三點法沉降評估的 通用計算程序，經計算該點*終沉降量與預計沉降 量分別相差 0． 5 mm 和 0． 15 mm。橋梁施工完成后， 預測時的沉降觀測值與預測的*終沉降量( 不包含 結構層 引 起 的 沉 降 量)  之 比 大 于 75% ，即 s ( t ) /

s( ∞ ) ≥75% ，滿足《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條

六、結 論

1) 客運專線特大橋承臺及墩身沉降觀測是客 運專線建設的重要內容，本文在對客運專線沉降變 形觀測特點研究的基礎上，結合實例詳述了客運專 線特大橋承臺、墩身、簡支箱梁變形觀測標的布點 及監測方法，這對今后的施工具有指導作用。

2) 作出了三點法沉降評估曲線，并與實測曲線 進行對比，得出了三點法沉降評估曲線與實測曲線 的差異。

3) 采用三點法進行沉降評估，計算出了該點* 終沉降量與預計沉降量的差值，得出了該點預測時 的沉降觀測值與預測的*終沉降量之比大于 75% 的結論，這對今后的施工進程具有指導作用。

4) 由于對特大橋沉降及徐變規律的認識及研 究的不足，觀測成果的運用存在一些不足之處，本 文對特大橋沉降及現澆梁徐變特性進行了研究，對 今后研究特大橋沉降及梁體徐變規律具有一定的 參考價值。

參考文獻:

［1］  *******鐵道部． 鐵建設［2006］158 號 客運專 線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南［M］． 北京: 中國鐵道出版社，2006．

( 下轉第 104 頁)

［3］  陳穎彪，潘安定，夏麗華． 高校地理信息系統專業課程 設置與 現 狀 分 析［J］． 中山大學學報論 叢，2004，

24( 3) : 145-149．

［4］  錢樂祥，秦奮，許叔明，等． 地理信息系統專業教育的 實踐與思考［J］． 測繪科學，2002，27( 1) : 54-58．

［5］  許捍衛，張友靜． 論 GIS 專業的實踐教學體系構建［J］．

測繪通報，2005( 3) : 62-65．

［6］  夏麗華，陳穎彪，馮艷芬，等． 地理信息系統專業實習

模式 探 索 性 研 究———以 廣 州 大 學 GIS 專 業 實 習 為 例［J］． 地理信息世界，2007，4( 2) : 81-85．

［7］  劉富剛，張芳． 自然地理野外實習教學改革的思考［J］．

教學研究，2005，28( 1) : 52-54．

［8］  陳金華，李洪波，葉新才，等． 綜合自然地理野外實習 績效實證研究［J］． 亞熱帶水土保持，2009，21 ( 1 ) :

19-22．

( 上接第 67 頁)

［2］  吳民有． 客運專線無碴軌道鐵路工程測量和鋪設條件 評估關鍵技術［J］． 中國鐵路，2006( 10) : 28-32．

［3］  尤昌龍． 無砟軌道工后沉降變形觀測、評估的集成理 念［J］． 鐵道工程學報，2007，102( 3) : 25-28．

［4］  楊吉新，朱偉偉，丁蘭． 哈大客運專線橋梁墩臺沉降觀 測與預測［J］． 鐵道工程學報，2010，142( 7) : 42-47．

［5］  李明領． 客運專線無砟軌道鐵路線下結構沉降變形觀 測與評估技術［J］． 中國工程科學，2009，11( 1) : 48-59．

［6］  秦國兵． 濕陷性黃土地區客運專線無砟軌道橋梁沉降 預測及鋪設條件評估技術［J］． 鐵道建筑技術，2011

( 2) : 1-4．

［7］   劉偉，李正祥，何庭國，等． 客運專線鐵路橋臺設計

［J］． 鐵道工程學報，2007( 2) : 61-64．

［8］  石現峰，王瀾，萬家． 無砟軌道混凝土橋梁的徐變變性 研究［J］． 石家莊鐵道學院學報，2007，20( 1) : 61-63．

［9］  *******鐵道部． 鐵建設［2006］189 號 客運專 線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定［S］． 北京: 中國鐵 道出版社，2006．

［10］   張 鵬 翔． 京滬高速鐵路路基沉降 變 形 觀 測 與 分 析［J］． 山西建筑，2010，36( 26) : 279-280．