运营高铁沉降监测概述.docx
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运营高铁沉降监测概述
贵广高铁沉降监测
实施方案
湖北国铁高科工程检测有限公司
2017年07月
运营高铁沉降观测
前言
高速铁路上高速运行的列车要求线路具有高平顺性、高稳定性、高精度等特点。
这就要求高铁在运营期间，不断的对铁路上的变形体进行变形观测，数据采集，和变形分析，铁路工务部门根据监测结果，采取适当的措施才能保证列车高速、不间断运行的安全、平稳与舒适。
运营过程中还要实现对轨道不平顺的发生、发展、变化全过程的科学监测，才能确保高速行车平稳和安全。
所以运营高速铁路的变形监测工作主要分为线上轨道平顺性监测和线下桥、隧、路基等的变形监测。
1、工程概况
运营高铁的沉降观测，包括：
路基、桥涵、隧道沉降观测，高铁控制网的复测及轨道几何形位检测等工作内容。
二、路基、桥涵、隧道及其连接过度段沉降观测
高铁线下工程的监测包括桥梁、隧道、路基以及在这些工程的过渡段的沉降监测。
桥涵自身与路基过渡段变形观测点布设示意图
隧道进出口结构与路基过渡段变形观测点布设示意图
桥梁自身结构与隧道结构过渡段变形观测点布设示意图
路基自身变形观测点布设示意图
路基、桥梁、隧道之间的过渡段最容易发生不均匀沉降，是最薄弱的环节，直接影响到高速铁路的营运安全。
沉降监测的方法包括精密水准测量、精密三角高程测量、液体静力水准测量等。
精密水准测量及精密三角高程测量精度高，适应性强，缺点是工作效率较低。
液体静力水准测量，精度好，效率高，不受“天窗点”限制，缺点是成本高，控制范围小。
两种方法测量高铁桥梁、隧道、路基等的沉降，叙述如下。
1、精密水准、精密三角高程测量
精密水准测量是目前高速铁路主要采用沉降监测方法，精密三角高程测量是
精密水准测量的补充。
精密水准测量及精密三角高程测量精度高，灵活多变，适应性强，受限制的因素较少，应用广泛。
1）沉降变形监测工作内容
①、在线下精密工程控制网的基础上，建立长期沉降变形监测工作网；
②、对全线路基、桥涵和隧道段进行沉降普查监测；
③、一般沉降变形监测地段的监测点布设和连续沉降变形监测；
④、重点地段的沉降变形监测点布设和连续沉降变形监测；
2）沉降变形监测工作网测设
根据《高速铁路运营沉降监测管理办法》（运基线路【2010】554号）及《高
速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）的技术要求，布设沉降变形监测基准点和工作基点，建立全段沉降变形监测工作网。
（1）基准点、工作基点的布设
1、基准点的布设
在重点沉降监测段，应在线路水准基点的基础上，按纵向距离不大于1km
的要求进行基准点加密。
每个独立的观测网应设置不少于3个稳固可靠的基准
点。
2、工作基点的布设
为满足沉降变形监测点测量要求，在基准点的基础上沿线路方向按间距不大于500m、距线路中心距离小于100m的范围内布设沉降变形监测工作基点。
工作
基点应布设在稳定土层内，以便长期保存和使用。
工作基点布设时应充分考虑可能的重点区域（如已知的沉降区、地质条件不稳定区域、采矿区、水网密集区、河道等）和重点目标（如桥梁、隧道等）的监测需求，尽可能将桥梁、隧道的监测点纳入工作网中。
当路基或隧道沉降监测段落较长且一个天窗点测量不完时，为了提高工作效率，可在网内布设一些工作基准点，每300米至500米一个，布设在接触网杆基础上，可减少与网外基准点的联测次数，提高工作效率。
由于网内工作基准点受到高速列车运营的影响，每个频次的沉降监测开始前都要和网外的基准点进行联测，保证网内工作基准点高程的准确性。
（2）沉降变形监测工作网测量
沉降变形监测工作网采取分段布设，分段测量的测量方法，应布设成附合水
准路线。
沉降变形监测工作网按三等垂直位移监测网的精度要求进行测设，具体
精度要求如表
二等水准测量精度要求
测量等级
二等
每公里水准测量的偶然中误差MD
1.0mm
每公里水准测量的全中误差MW
2.0mm
工作基点应定期与基准点进行校核，当对沉降观测成果发生怀疑时，也应随
时进行相应复测校核。
3）沉降变形监测网点的布设
（1）路基段沉降变形监测点的布设
路基一般地段沉降变形监测点采用建设期间已有的沉降观测点。
也可以按需要加密。
一般每200m布设一个监测断面。
路基重点沉降监测地段沿线路方向每50m布设一个监测断面。
每个监测断面布设3个监测点，如下图。
地基条件复杂、地形起伏大应不大于25m布设一个断面。
每个监测断面布设6个监测点，增加钢轨顶高程的观测，如图3-3-1所示。
另外，一个沉降观测单元（连续路基沉降观测区段为一单元）应不少于2个观测断面。
路基地段监测断面监测点布设位置示意图
（2）过度段沉降监测点的布设
过渡段的沉降变形监测以路基面沉降和不均匀沉降观测为主，应在结构物上
布设不少于1个观测点、路基过渡段布置不少于2个监测点。
（2）桥涵沉降变形监测点的布设
、承台测点布设
设置2个观测标,观测标1设置于底层承台左侧小里程角上,观测标2设置于底层承台右侧大里程角上。
、墩身沉降点布设
观测标点数量1～2处,当墩台高度小于14m时,设置1个观测标,位于墩身中线左侧1m小里程距地面0.5m处。
当墩台高度大于14m时,设置2个观测标,位于墩身两侧中心距地面0.5m处。
见图。
涵洞的沉降监测点布设
每座涵洞均要进行沉降观测,监测点布设在在涵洞进出口及涵洞中心线上，每座涵洞布设3个监测点。
（3）隧道沉降变形观测点的布设
隧道一般地段沉降变形监测点的建议采用建设期间已有的沉降观测点，布设
原则如下：
①隧道的进出口进行地基处理的地段，从洞口起每50m布设一个断面。
隧道洞口至分界里程范围内应至少布设一个观测断面。
②每个观测断面在相应于两侧边墙处设一对沉降观测点，原则上设于高于盖
板0.3m处，如下图所示。
隧道观测标布设示意图
隧道结构沉降观测标现场埋设照片
隧道重点沉降监测地段从洞口起每25m布设一个监测断面，明暗交界处、
围岩变化段及变形缝位置两侧各布置一个断面。
每个断面布设6个监测点，布设方式与路基段一致。
4）沉降变形监测网的测量
（1）主要技术要求
沉降变形监测网测量采用三等垂直位移变形测量精度要求实施，具体精度要
求和观测方法如下表所示。
（2）路基段、过度段、桥涵沉降变形监测点测量
路基段沉降变形监测点测量利用布设在靠近监测路段（区间）的工作基点或
基准点构建二等附合水准路线进行观测，沉降观测点位布设及水准路线观测示意图如下图所示。
路基段沉降监测点测量水准线路示意图
变形测量一般利用晚上天窗点进行，做到一个天窗点完成一段监测。
路基观
测段落较长时增加网内观测基准点。
（3）桥梁段沉降变形监测点测量
桥梁墩台水准利用布设在靠近监测路段（区间）的工作基点或基准点构建二
等附合水准路线进行观测，沉降观测点位布设及水准路线观测示意图如下图所示。
桥梁墩（承）台沉降监测点测量水准线路示意图
重点地段桥上沉降变形监测断面点测量作业方法与路基段相同。
为便于与线
下工作基点和基准点联测，在高架桥梁上应按1公里左右距离设置高程辅助点
（传递点），将地面对应的工作网中水准点高程传递到桥梁上设置的高程辅助点
上来，采用“中间法三角高程测量”方法施测，如图所示。
三角高程联测示意图
（4）隧道段沉降变形监测点测量
隧道段沉降变形监测点测量方法同路基段，即利用布设在靠近监测路段（区
间）的工作基点或基准点构建二等附合水准路线进行观测，具体观测方法同路基
段。
2、液体静力水准测量
液体静力水准仪可以全天候24小时，自动采集、处理、存储数据，不影响列车正常运行，在有些有特殊要求的地段，应用广泛。
1）静力水准仪测量沉降的原理
静力水准自动化监测系统以液体连通器原理为基础，通过不同测点的静力水准仪对液面高度差的测量，实现对基准点与被测点相对沉降的监测!
在实际应用中，相关测点的静力水准仪通过通液管道彼此相连，其中一个或部分静力水准仪作为基准点，其他的静力水准仪作为观测点，协同完成相关测点的沉降测量。
设基准点与参考液面（储液箱液面）之间的高度差为H0，观测点与参考液面之间高度为Hi，分别测出H0与Hi的值，Hi-H0的值为观测点相对于基准点的高度Δ。
当观测点的高度发生变化时，本次测量的!
值也相应的变化，两次Δ值的差即是沉降值!
测量原理如图
2）系统组成
自动化监测系统由沉降感应部分"数据采集传输部分"客户端以及配套附属等部分组成，如图所示。
沉降感应部分由静力水准仪和管线组成，管线包括液管，通气管和电缆等。
数据采集传输部分包括采集器，数据传输设备。
采集器定时对传感器进行数据采集，数据通过有线或无线设备传输到接收服务器并实时保存，配套附属部分包括设备箱，参考液面箱和系统供电。
设备箱内部安放有采集器和蓄电池等，均布设在电缆槽沟内。
参考液面箱是由储液腔、液管和气管端口等组成。
系统供电由蓄电池和太阳能电池板、充电控制器等组成。
用户通过客户端软件，连接到服务器，可实时接收监测数据，并根据数据可模拟出沉降曲线图等相应成果。
系统为模块化设计，可进行独立更换，对整个系统不产生影响。
3）静力水准仪测点布设
观测点沿线布设，每个观测点设置一个静力水准仪，静力水准仪固定在金属防护盒内，防护盒使用膨胀螺栓固定在路基段或隧道稳固位置。
安装主要技术要求如下:
（1）测点布设要牢固可靠，日常要进行测点巡视，避免测点松动给列车运营造成危害。
（2）该系统布设在露天环境，要考虑到夏季蒸发，冬季冰冻影响，在进行液体灌注时要加入适当的防冻液并进行油封。
建议夏季对静力水准仪采取一定的遮盖措施!
如确实因为其他因素使液体明显减少，影响系统工作，则应在保留之前隆沉值后，在最短的时间内对整个管路重新注入液体，并调整系统重新工作。
（3）由于系统布设在铁路路基上，既受露天环境影响，又受列车运营震动影响，故在工程施工影响前，应持续观测1~7天，以便掌握外界环境带来的数据变化规律;然后以数据变化相对稳定的时间段采集的数据作为修正参考，重新输入每个仪器计算参数作为初始值，下次测量选取在相同的时间段内进行。
（4）建议在每个静力水准墩台上设置一个人工沉降测点，以便在天窗时间内进行人工复核。
.应经常性地比较与另一套自动化系统智能型电子全站仪监测的数据，以便相互佐证，尤其是在不允许人工上道复核的时间内。
4）自动化监测软件及数据分析处理软件
经过DTU数据无线传输终端发送到服务器的数据，必须经过软件进行数据处理，方可上报真实有效的监测数据。
自动化监测软件是自动采集模块相配套的使用软件，提供3中通讯模式：
短信、有线和GPRS网络。
软件可对采集模块进行设置及数据采集，同时可对多个模块或不同地方的多个项目进行无人值守全自动实时采集，自动将数据保存进入数据库及TXT文档，并具有实时预警的功能。
软件对采集的数据可进行查询、删除、作图、导出的处理。
三、CPⅠ、CPⅡ的复测
进场后首先对CPⅠ、CPⅡ控制点就行调查，对丢失或破坏的CPⅡ点进行补设，一般埋设在离线路中线不大于200m，且不易破坏的范围内，间距控制在1公里内。
CPⅡ埋石如下图
1、控制网平面复测
首级施工控制网CPI、CPll平面复测采取GPS静态测量方法。
全网采用5台双频GPS接收机观测。
根据《全球定位系统（GPS）铁路测量规程》（TBl0054—97）平面控制测量等级规定和本项目实际情况，平面控制网按分级布网原则，分为基础平面控制网（CPI）和线路控制网（CPII），复测精度分别为B级和C级。
为与相邻标段衔接，需联测相邻标段两个CPI平面控制点，两个CPII平面控制点。
1）平面复测精度控制
B级点（CPI）最弱边相对中误差小于1／170000，基线边方向中误差不大于1．3”；C级点（CPII）最弱边相对中误差小于1／100000，基线边方向中误差不大于1．7”。
2）平面复测主要技术要求
3）复测实施
复测必须做好严格的作业计划，分配好作业时间，精心组织。
同时由于线路较长而曲折，工期紧，任务重，一般首级施工控制网CPI、CPll复测难度较大。
（1）基线组网
、依据相关网型和连接数的规范要求，对平面控制网进行基线组网，优化技术设计方案，在外业观测和内业基线数据处理过程中，严格按照设计优化方案执行。
、平面控制网复测构网原则与勘测设计院相同。
采用边联式构网，以大地四边形和三角形为基本图形。
组成带状网。
、复测CPI首级施工控制网，并将联测的CP0控制点作为CPI点处理，进行CPI组网观测（当联测CPO站点时，根据联测基线长度，适当延长同步观测时间）。
、复测CPII首级施工控制网，需联测所有与CPII相邻的CPI控制点，并将这些CPI控制点视作CPII点进行CPII组网观测。
4）复测注意事项
、遵循基线组网设计所确定的作业模式，并在接收机或控制器上配置相同的外业观测参数。
、检查GPS电池容量是否满足作业要求。
接收机的电源电缆、天线电缆等连接是否正确。
数据存储设备是否满足存储空间。
、检查确认天线安置基座对中器是否合格。
如天线有指北定向标志，则应借助指北针或罗盘保持接收机天线指北标志指向正北方向。
、雷雨季节架设天线时，注意防雷击。
雷雨过境时，立即停止观测，并卸下天线。
、观测组严格遵守调度命令，按规定时间同步观测，不得擅自更改观测计划。
、每时段观测前后分别量取天线高，丈量误差≤2mm，取两次丈量平均值作为最终结果。
接收机开始记录数据后。
将测站名、测站号、时段号、天线高等信息完整地记录于观测手簿。
、1个时段观测过程中严禁进行以下操作：
关闭接收机重新启动、进行自测试、改变接收设备预置参数、改变天线位置、按关闭和删除文件功能键等。
、严禁在天线附近使用无线电通讯设备。
使用对讲
机、电话等应距天线10m以上，车载电台应距天线50m
以上。
、每天完成外业数据采集，内业数据处理人员采用商用软件进行基线检查。
如果发现有不能通过基线检查的数据，先进行分析处理，两次分析处理还不能通过的基线数据，第二天应组小网重新补测。
5）CPI数据平差处理及分析
CPI复测基线解算采用广播星历，用商用软件按静态相对定位模式进行，采用双差固定解，求解基线向量。
以大地四边形作为基本构网图形，对观测基线进行处理和质量分析，检查基线质量是否符合规范要求，删除工作状态不佳的卫星数据，观察卫星残差图某个卫星在某时段残差是否过大，是否有明显的系统误差，否则删除该时间段。
不让其参与CPI平差。
基线向量异步环闭合差是检验基线向量网质量的一项重要技术指标。
在解算出每一时段CPI基线向量后。
以三角形作为构环图形，不同时段组成异步基线环。
并计算异步环坐标分量闭合差。
CPI基线向量异步环闭合差应符合下式规定：
6）CPI平差及精度分析
约束1个CPO基站点WGS一84空间直角坐标，进行CPI基线向量网空间三维自由网平差，从而得到自由网平差后各CPI点WGS-84三维空间直角坐标，并检查GPS基线向量网本身的内符合精度，判定基线改正数是否符合规范要求。
2、高程复测实施
①高程复测宜优先采用满足精度的电子水准仪。
②应进行测段往返测，测站观测宜采用下列观测顺序：
往测：
奇数站采用“后-前-前-后”，偶数站采用“前-后-后-前”。
返测：
奇数站采用“前-后-后-前”，偶数站采用“后-前-前-后”
③由往测转返测时，两根标尺应互换位置。
四、CPⅢ控制网复测
运营中的铁路，对轨道的检测主要是对轨道平顺性的测量分析。
轨道几何形位的调整前提是客观上其几何形位发生了改变，这种改变应当是建立在严格的测量基础之上的，而测量的依据是根据轨道CPⅢ控制点和该区段线路的设计坐标。
所以检测的前提是，CPⅢ控制网必须符合精度要求
对于需要进行轨道精测、精调的路段首先应检查原有的CPⅢ埋设的测量标志是否完好，并重埋已破坏的CPⅢ的测量标志；然后采用边长测量、高差测量或自由设站方法检测施工期CPⅢ控制网点的坐标、高程是否有变动。
如相邻的CPⅢ点间的距离和高差与原有观测值之差部分大于3mm，或者部分自由设站的点位中误差都大于1mm，说明CPⅢ控制网点位已有较大变化，需对CPⅢ控制网进行重新测量。
1、CPⅢ平面控制网测量
1）仪器设备
尽量采用CPⅢ控制网初测时相同的全站仪、棱镜和测量标志。
全站仪的基本精度要求为?
.
测角精度?
.±0.5″或±1″?
.
测距精度?
.±1mm+1ppm或±2mm+2ppm?
.
全站仪应具有自动目标搜索、自动照准、自动观测、自动记录功能。
如LeicaTCRA1201、LeicaTCA2003?
.TrimbleS6、S8
配套棱镜及测量标志
每组需要配备12个棱镜?
.并编号?
.棱镜要经过专业机构进行测
定常数?
.各棱镜常数互差不得大于0.2mm。
全站仪应定期在具有测绘仪器检定资质的部门进行检定?
.每年检
定一次?
.检定合格的仪器方可使用。
在每次项目开工前?
.要进行
以下项目的常规检验和校正?
.使仪器处在良好状态。
2）CPⅢ控制点测量方法采用自由设站法测量
CPⅢ控制网平面观测采用自由测站边角交会的测量方法每次置镜自由测站以前后各3对共12个CPⅢ点为测量目标每个自由站与上站重叠观测4对CPⅢ点、递进2对CPⅢ点以保证每个CPⅢ点被测量3次其测量网形式见下图
3）因遇施工干扰或观测条件稍差时情况
CPⅢ平面控制网可采用下图所示的构网形式平面观测测站间距应为60m左右每个CPIII控制点应有四个方向交会。
4）CPⅢ控制点测量方法及与上一级控制网的关系
在自由站上测量CPⅢ的同时，将靠近线路的全部CPII点进行联测，纳入网中。
CPⅢ点与CPII联测联测长度控制在150-200米之内。
联测方式有以下三种：
联测CPI、CPII采用的网形优先顺序为?
.
①当采用在自由设站置镜观测CPⅠ、CPⅡ控制点时，应在2个或以上连续的自由测站上观测CPⅠ、CPⅡ控制点?
.如下图。
②当采用在CPⅠ、CPⅡ控制点置镜观测CPIII点应在CPⅠ、CPⅡ控制点置镜观测三个以上CPIII控制点如下图。
③也可自由设站采用下图形式联测CPIII点。
5）外业观测
①?
仪器及配套棱镜状态良好方可进行外业测量仪器的测量模式、单位、取位、限差温度、气压改正加乘常数改正等均要正确设置。
②?
CPⅢ平面网水平方向应采用全圆方向观测法进行观测如采用分组观测应采用同一归零方向并重复观测一个方向。
水平方向观测应满足下表的规定
CPIII平面网距离测量应满足下表的规定
测量时应同时进行三角高程测量，以便平差计算时对投影高程的归化改正，竖直角观测应符合下表的规定
2、CPIII控制网高程测量
CPIII控制网高程测量现在用的比较成熟的方法是矩形法，也可以采用自由设站三角高程法。
1）矩形法
CPⅢ高程网测量方法形成的四边形闭合环（图中空心箭头组成的图形）为规则的矩形，因此简称此方法为矩形法。
矩形法CPⅢ高程网测量可只进行单程观测。
2）自由设站三角高程测量法
单个测站CPⅢ控制网自由设站三角高程网示意图
多个测站CPⅢ控制网自由设站三角高程网示意图
精密水准测量采用满足精度要求的电子水准仪，配套因瓦尺。
并按规范要求精度要求施测。
五、轨道几何形位测量。
当CPⅢ控制点的精度满足要求后，就可以进行轨道几何形位测量了。
通过轨道检查车会给出的线路检测报告和轨道检测波形图资料，分析确定需要进行检测的区段，然后利用CPⅢ控制网和轨道几何状态监测仪采集需检测区段的几何数据，通过与设计值的比对，来确定轨道几何形位的改变。
在轨道几何状态测量仪采集数据之前，将CPⅢ网测量成果及轨道线型数据导入轨道几何状态测量仪配套的系统软件。
轨道几何状态测量仪与全站仪按“全站仪自由设站后方交会法”测量。
全站仪架设在线路中线上，通过线路两侧8个CPⅢ控制点进行自由设站。
更换测站后，相邻测站重叠测量的CPⅢ控制点不应少于2对。
设站完成后观测状态测量仪上的棱镜，之后全站仪将测量数据传递给测量仪。
测量仪通过自身携带的传感器对轨道的超高、规矩、轨向、高低进行测量。
软件将所有测量数据进行处理，实时形成每个测量点的绝对坐标（竖向、横向）等几何参数，与设计值对照，最后输出轨道几何形位报告。
轨道几何状态测量仪测量时，一次设站最大测量距离不应大于80m。
测量步长宜为1个扣件间距。
更换测站以后，应重复测量上一测站测量的最后6~10根轨枕（承轨台）。
总结：
为了满足我国高速铁路发展需求，适时加强营运高速铁路沉降观测技术的应用与管理是极为重要的，也是保证高速铁路正常运营，以及延长铁路使用寿命的先决条件，也是今后技术管理工作的重点项目之一。
我公司在运营铁路沉降监测领域有丰富的经验和成功的案例。
通过对高速铁路沉降变形监测的长期研究和经验积累，最终成功了我公司对运营铁路沉降监测的方法和系统，能够对高速铁路沉降变形较大（严重）区段提前进行危险报警。
为高速铁路的运营维护指参考和依据。
主要业绩
工程业绩表
项目名称
数量（KM）
工作内容
施工日期
沪宁城际站前VII标CPIII复测
7.60
CPIII水准网及高程网复测
2009年10月
京津城际铁路永乐~武清段运营铁路沉降监测
28.8
路基、桥墩运营监测
2011年2月
合蚌铁路客运专线CPIII控制网复测
26.48
CPIII水准网及高程网复测
2011年11月
北京地铁14号线00标穿越京津城际高铁实时沉降观测
1
沉降数据实时自动化采集系统
2012年12月
大西铁路客运专线7标CPIII复测
54.62
CPIII水准网及高程网复测
2013年2月
津秦客专滦河西~卢龙南线下工程沉降监测
35
路基、桥墩运营监测
2014年8月
深圳地铁11号线机场北~塘尾段双块式无砟轨道精调
6.00
双块式无砟轨道精调
2015年1月
贵开铁路运营后基础变形监测
62
路基及过渡段沉降观测
2017年4月
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