高标准铁路路基沉降变形监测解决方案

高标准铁路路基沉降变形监测解决方案

单点沉降计，分层沉降计

一、沉降监测的意义

路基沉降是高标准铁路建设的重要难题之一。通过我国多年路基稳定性处理经验的总结，过去常规使用的方法，如沙桩、粉喷桩、堆载预压、真空预压、强夯等均不能很好的满足高标准铁路路堤路基稳定性处理的要求。目前，大规模采用的处理方法为以CF基桩（或管桩）和土木复合材料组成的桩网复合结构处理方法。该方法能解决不同地质条件下的高标准铁路路基稳定性处理的要求，能使路堤基础在较短时间内沉降变形趋于稳定，达到工后“零”沉降的要求（一般工后总沉降不大于15mm）。

桩网复合路基处理结构是通过地质勘探资料和路基荷载（即路堤标高）情况，确定CF基桩的密度、大小、强度和桩身长度等指标。以上指标的变化将大幅影响工程建造费用。因此合理选择既能确保路基稳定，又能减少工程建造成本。虽然设计者已对路基稳定性作了充分考虑，但是绝对的零沉降是不可能的。路基沉降满足下列曲线形度。

路堤填筑完成后，时间越长路基稳定性越好。也就是说，路堤填筑完成一定时间后，路基沉降变形趋于稳定，并且可以根据历史沉降数据预测工后一定时间内总的沉降量。因此，准确的沉降监测具有非常重要的意义。具体体现在以下几点。

1、对勘探、设计具有验证作用，积累不同地质条件下的路基处理经验，

提高设计水平。

2、对施工质量水平的监测。如CF基桩的密度、大小、长度以及桩身混

凝土强度达不到设计要求时，路基可能长时间不能达到稳定目标，影

响工程质量水平和工程建设工期。

3、控制工期。通过沉降趋势和沉降预测评估，确定上部结构的施工时间。

如何时可以浇注轨道板、何时可以铺设轨道等。因此，沉降观测是工

程分部和竣工验收的重要依据。

4、工后营运期进行沉降监测是线路列车营运舒适度、行驶速度、营运安

全、工程维护与保养、使用寿命等评估的重要基础依据。

二、传统沉降观测的方法及其优缺点。

沉降监测方法分为两大类，传统法和电测法。传统法简单实用，人工测量，精度不高，能满足一般路基沉降监测的要求。电测法是近年发展起来的新技术，由于采用最先进技术，测量精度高、稳定可靠。可全自动化监测，既能路基沉降施工控制又能进行营运安全监测。近年被广泛应用于高铁、高速公路、大坝、特大型建筑和地下工程等领域。

1、沉降板法

沉降板法测量路基沉降是一种传统方法，将沉降板放置在原位路基面，路堤施工填筑时不断引接测杆和保护管。由于路基沉降时沉降板和测杆会随之沉降，通过精密水准仪人工测量测杆顶端标高。

2、沉降磁环法

沉降磁环法也是一种较为传统的方法，将沉降管钻孔埋设在路基一定深度，同样是路堤施工填筑时不断引接沉降管，由于路基沉降时沉降磁环会随之沉降。通过精密水准仪人工测量沉降管顶端标高，通过磁环检测尺测量沉降管顶端与每个沉降磁环的距离从而确定路基分层沉降。

传统路基沉降测量方法的优点：简单实用，费用少，能满足一般路基沉降监测的要求。

传统路基沉降测量方法的缺点：

●测量误差大，不能满足高标准铁路路基沉降变形监测要求。在测

量人员认真负责的情况下其误差也在亳米级以上，高标准铁路路基沉降变形监测误差要求必须在1亳米以下，否则不能反应其沉降趋势和预测评估工后沉降指标。

●人为误差大，由于测量人员的责任心、测量素质，测量水平及其

测量习惯不同将导致更大的人为误差。

●测量劳动强度大，费工费时

●干扰施工，路堤施工填筑时不断引接的沉降测杆或沉降管往往竖

立在路堤中央，严重干扰施工，影响工程施工质量和施工进度。

●路堤填筑施工存留质量缺陷，路堤中央竖立的沉降测杆或沉降管

周围不能通过机械充分碾压，只能人工夯实，这样极易造成路基局部“锅底式”的凹陷。另外，沉降测杆或沉降管留存的孔或导致路堤防雨水渗漏缺陷，影响路堤含水量指标，从而影响路堤稳定性指标。

●易损坏，由于其干扰施工，难免施工过程中损坏沉降测杆或沉降

管，特别是大多数工程均存在日夜赶工现象，损坏严重。据不完全统计，目前在建的和己建成的高铁项目中70%的沉降测杆或沉降管遭遇损坏，且损坏后不能修复，即使修复其数据也无法使用。

●由于其易损坏，而沉降观测数据又是重要的评估和验收依据，因

此虚假沉降观测数据频频出现。

三、单点沉降计

1、简介

单点沉降计是采用磁通调频技术原理设计的一款智能位移传感器，测量的位移值只与电感线圈和导磁体（塞杆）在线圈中的位置有关。因此单点位移计具有高可靠性、高精度、高稳定性等特点。适应于高标准路基沉降稳定性的长期监测。

单点沉降计是长沙金码高科技实业有限公司的发明产品，己获国家专利。产品己在衡大、绍怀、京珠等高速公路，武广、京沪、石武、武汉城际、杭恿等高速铁路广泛应用，生产与使用时间己超过8年，累积销售产品近2万只，使用的工程项目上百个，深受用户好评，完全满足高标准铁路路基沉降变形监测的高精度，高可靠性，高稳定性的要求。

产品己完成5次修改并定型，设计使用寿命30年，产品防水，防潮，防锈蚀，抗雷击，抗碾压。传统路基沉降测量方法存在的缺点在单点沉降计上己得到近乎完美的解决。并且有如下显著特点：

●采用进口高性能部件（美国智能芯片、进口不锈钢导磁体）精密工艺加工制造，具有高灵敏度、高精度、高可靠性、高稳定性等优点，适应恶劣环境和长期监测。

●传感器内置智能芯片和存贮器，将出厂率定的拟合曲线存贮在传感器内，测

量时自动完成非线性修正和温度修正，减小了测量误差。

●智能数码传感器具有智能记忆功能，出厂时将传感器型号、编号存贮在传感器内（具有电子编号），无需人工线头编号，防止因测试线被剪断，线头编号混乱或丢失等情况致使传感器无法使用，保证了工程监测监控的安全进行。

●内置存贮器可将测量数据存贮在传感器内（400次循环覆盖），测量记录丢失时可从传感器内下载测量的所有数据，保障了测量数据的安全，且便于第三方复核。

●传感器的智能化可使测量数据的记录、分析、处理“无纸化”，读数仪存贮被测值（物理量、温度）的同时还自动存贮传感器型号、编号、测量时间等相关参数，通过读数仪与计算机连接上载到您的EXCEL文档。有了上述参数就可以知道工程结构在什么工况（时间决定）、什么位置（编号决定）、何种物理量（型号决定）的参数变化。上述功能使您的监测工作变得简单、直接，数据整理时无人为错误，且方便测量数据的后台处理（存盘、制表、制图等分析）。

●采用全数字检测，信号远距离传输不失真、抗干扰能力强。

●测量精度0.1%、绝对误差≤±0.3mm，灵敏度：0.01mm

●单点沉降计采用钻孔埋设方式，钻孔深度达持力层，并将锚头注浆锚固，沉降盘直径为300mm，不锈钢测杆直径为16/20mm，保证测量值与土体沉降变形值相一致。

●引线长度：单点沉降计采用数字频率输出信号，可远距离传送，最多可达600m。

●工作温度：所有电子元器件采用军品级产品，完全满足-5℃～60℃工作环境的温度要求。

●长期稳定性：产品所有元器件、生产工艺采用高可靠设计制造，设计使用寿命30年，长期稳定性不少于15年。

●配套相应的沉降观测分析软件：配备有高标准高速铁路客运专线

路基沉降变形观测专用测试与分析软件，具有数据采集、数据分析、沉降预测、数据报表等软件模块，详见技术方案软件介绍部分。

2、结构组成与工作原理

●结构组成：

单点沉降计主要由沉降盘、智能

磁通调频位移计、导磁体（塞杆）、

蛇纹管、测杆、测杆直螺纹接头、锚

头，测试导线等组成。

●技术指标

量程：100mm、200mm、300mm、

400mm四档任选。

测量误差：0.1%FS。

长期稳定性：0.5%FS。

灵敏度：0.01%FS。

●工作原理

单点沉降计是以持力层作为不动点，将锚头锚固在持力层上，通过加长测杆连接精密磁通调频智能位移传感器，将沉降盘安装在路基原位或路堤顶端并与位移传感器的另一端连接，这样就可精密测量在路堤荷载作用下路基沉降变形。并根据历史数据预测评估工程工后可能发生的沉降总量。

3、适用地层条件：

●路基工后沉降变形总量≤400mm

设计时根据预估沉降总量选用适当的型号与量程。量程过大时，影响测量精

度，过小时，将超出量程范围而不能使用。量程选择为预估沉降总量的120~150%，如下表：

●锚固深度h≤100米

单点沉降计的锚头应钻孔埋设并锚固于持力层或称基岩层。基岩层太深时将增加埋设难度，也不利灌桨锚固锚头，因此也可根据路堤荷载情况确定锚头锚固深度，锚固深度在路堤荷载应力影响线下方即可，锚固深度h≥100米时不宜使用单点沉降计。

单点沉降计配有两种测杆，当h≤30m时选用直径为φ16mm的不锈钢测杆。当h≥30m时选用直径为φ22mm的不锈钢测杆。

●相对沉降变形测量

单点沉降计是测量沉降盘与锚头之间的相对沉降位移变化，因此单点沉降计也可测量路堤、填筑层或不同地质层面的分层沉降变形。

4、监测方法

●路基处理完成之后，路堤填筑前7~15天埋设，提前埋设有利于测点的稳定。

●产品埋设完成后，测试第一次数据，检查元件是否安装正常，测值应在量程范围之内且为量程的90%左右，路基发生隆起时也可观测。

●第一次填筑且碾压后测试第二次数据并进行调零操作，记录零点的绝对位移值，也就是说将第二次测量的数据作为零点。因为地基钻孔扰动路基后或回填不是十分充分时，可能有快速沉降的数据形成。该数据一般不完全是路基沉降的实际数据。

●测量周期：路基填筑期间和填筑完成后15天之内每天测量1~2次。有堆载预压时，堆载预压期间和卸载后15天之内每天测量1~2次，以后每2~3天测量一次，3~6个月后每七天测量1次。根据路基沉降稳定性指标可适当调整测量周期。

5、埋设方法

单点沉降计的埋设至关重要，不正确的埋设

方法将影响测量精度或损坏单点沉降计。因此，

必须严格操作，正确使用。

●选点：根据设计选择测点埋设位置，作好记录。

●挖一个φ500mm深300~500mm的圆坑。将沉

降盘埋设在地表-300~500mm 处，防止施工整平时

损坏单点沉降计

●釆用地质勘探钻机造孔。

单点沉降计采用钻孔埋设方法安装，普通地

质勘探钻机即可完成。造孔垂直度误差≤2°，造

孔直径φ90mm~φ110mm，钻孔深度可根据设计要

求而定。

a、普通沉降测量，深度达强风化岩层。

b、根据设计计算给出的深度值（路堤

堆载应力影响线下方2m）。

c、测量路堤或地质层面相对沉降变形

时，钻孔深度由设计或现场取样确定。

注意事项：

a、准确记录造孔深度

b、根据深度配接测杆。配接测杆时应考虑

传感器部分本身的长度和量程。

c、遇泥浆时应清孔。

d、遇软基、流沙层有塌孔现象时应加护管

造孔。单点沉降计安装到位且完成锚固、回

填细沙80%后拨出护管。

●安装单点沉降计

a、配接测杆：根据造孔深度配备测杆长度。配

接测杆长度时应考虑传感器本身的长度（接伸后

的总长度）。

b、将自锚式锚头灌注水泥浆后连接测杆，逐步放

入孔内，将连接直螺纹拧紧。注意不能让测杆掉

入孔内。

c、每个单点沉降计除配备多根2m长的测杆外，

还配有1m、0.5m、0.2m长的测杆各一根。可根

据实际孔深调节测杆长度。采用综合测试仪读取

位移值，初始安装时其显示的绝对位移值应在满量

程值的90%左右。

d、锚头一定要达到孔底。

e、将自动锚固锚头的护管通过绳子拨出1.5米

左右，使水泥浆注入孔底。

f、通过沉降盘的扇形孔将细沙灌入孔中回填，回

填过程中使用钢管夯实细沙。根据回填高度夯实细

沙并逐步抽出钢管。

g、将测试引线保护管（钢丝波纹管）套好，保护

管要放置于沉降盘的下方，防止沉降盘沉降时剪断导线。

h、使用水泥沙浆将沉降盘浇注后，用原土覆盖使路基恢复原状。

i、挖开200mm深的槽口，将套有保护管的导线引出路基，回填引线槽，使路基恢复原状。导线在保护管内应尽量使其松驰防止路基沉降时拉断导线。

6、元件的长期保护措施

●元件埋设前要求施工单位平整好路基，禁止埋设后平整，防止平整路基

时损坏元件和导线。

●导线引出路堤时做好标记。

●对施工单位做好宣传和培训，签定保护责任状。

●导线不宜过长或过短，方便测量即可。防止人为破坏和接线。

●接线时一定要焊接牢固、绝缘。采用专用接头和专用热缩管并做防水保护。

●导线引出点砌一个300mm见方的水泥箱格，保护和放置线头，测量后用

沙将导线覆盖，水泥箱格还有标示引线位置的作用。

●采用高强水工电缆线作为测试导线。

7、200mm量程的单点沉降计设计标注要点（供参考）：

●钻孔深度要达到设计要求：路堤部分埋设基岩深度在40米以内要入岩0.5

米，40米以下见不到基岩时按设计图指定的深度埋设，路展部分（山体开挖回填路基，测量路基隆起）的埋设深度为15米。

●锚头要站立在孔底，并用水泥浆锚固。水泥浆用量要保证锚固孔底高度在

0.2米以上。

●钻孔入岩时要采用地质取芯钻头取出0.5米岩层样芯，并做好清孔工作（每

次钻孔完成后均应用清水将孔底泥浆清除）。

●安装单点沉降计时，首先计算好加长测杆的总长度，连接加长测杆的每一

节都要将螺纹拧紧，将锚头送入孔底。

●孔的上部应挖一个0.3~0.5米的圆坑将沉降盘埋设在路基面-0.3~0.5米处，

防止施工单位整平路基面时损坏单点沉降计。

●将测试仪与单点沉降计连接好，读取数据（仪器显示的位移值）应在

160~180mm之间，沉降盘的设置高度应调整好，仪器显示的位移值小于160mm时将沉降盘升高并用砖块垫高，仪器显示的位移值大于180mm时将沉降盘降低。

●引线必须全部采用钢丝波纹管保护导线并引出路基外。并挖0.3米的沟槽

将导线埋好，采用纯土或细砂回填沟槽，避免使用碎石、垃圾、砖块等坚硬的物质。

●建议单点沉降计埋设完成、施工填筑（30公分）且碾压后将单点沉降计