高鐵路基沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

路基工后沉降是影響高速鐵路安全運(yùn)行的重要路基工后沉降是影響高速鐵路安全運(yùn)行的重要 一開展高速鐵路路件以及操作時(shí)的注意事項(xiàng)作了分析。以高鐵K1045+800路基為例，通過設(shè)后沉后沉 指標(biāo)沉降：Subgradepost-constructionsettlementisoneofthemostimportantfactorsthethesafeoperationofhigh-speedrailway,researchonsubgradepost-settlementmonitoringandpredictionhasacertainengineeringsignificancetohigh-speedrailwaysafeoperation.This yzesthecharacteristicsofandtheandthecharacteristicsofhigh-speedrailwaysubgrade,summarizesthedomesticforeignresearchstatusofsettlementmonitoringandforecasting,summarizesmethodsofsettlementmonitoringandforecastingcommonlyusedinengineering, yzestheapplicableengineeringconditionsandoperation.WithZhengzhou-high-speedrailwayK1045+800subgradeasanexample,high-speedrailwayK1045+800subgradeasanexample,throughthereasonableofmonitoringscheme,thepost-constructionsettlement,settlementvelocityhumiditymonitoringweremanaged,andthelawofpost-constructionsettlementalsosummarized;Post-constructionsettlementwaspredictedusingtheGM(1,model,theneuralnetworkmodelandthegreyneuralnetworkmodelbasedonmonitoringdata;Subgradepost-constructionsettlementpredictionmodelbasedongrayneuralnetworkmodelwasconstructedonthebasisofpredictionauthentication,andthewarningmethodofsubgradepost-constructionsettlementestablished.Theresearchresultsshowthatthepost-constructionsettlementofⅠ-Ⅰ-2,Ⅰ-3andⅠ-4monitoring everylittleafter33monitoringcycle,thepost-constructionsettlementwillconvergentto5.19mm,4.96mm,4.71mm4.47mm,thesubgradewillcontinuetokeepthestablestate;Post-settlementandsettlementvelocityarechosenasmainwarningindexandwarningindex,high-speedrailwaysubgradepost-constructionsettlementgradesaredividedintoⅠ,Ⅱand：：Zhengzhou-Xi'anhigh-speedrailway;subgradecharacteristics;prediction;grayneuralnetwork 第一章緒 研究背景與意 高速鐵路路基沉降國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn) 沉降監(jiān)測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn) 沉降預(yù)測(cè)方法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn) 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路 第二章路基特性分 路基土特 黃土的工程性 路基土變形特 高速鐵路路基特 路基沉降變形特 本章小 第三章高速鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)方法及監(jiān)測(cè)方 概 路基監(jiān)測(cè)的目 路基監(jiān)測(cè)的意 高鐵路基監(jiān)測(cè)內(nèi) 路基沉降變形監(jiān)測(cè)方 沉降板 分層沉降 水平測(cè)斜 沉降監(jiān)測(cè)要 監(jiān)測(cè)要 監(jiān)測(cè)測(cè)量精度及頻 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置原 監(jiān)測(cè)元件與埋設(shè)技術(shù)要 工后路基沉降評(píng) 路基沉降控制標(biāo) 路基評(píng)估標(biāo) 沉降監(jiān)測(cè)方 監(jiān)測(cè)結(jié)果分 本章小 第四章路基沉降預(yù)測(cè)方法及預(yù)測(cè)方 路基沉降預(yù)測(cè)方 雙曲三點(diǎn) 淺崗法（Asaoca法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 路基沉降預(yù)測(cè)方 模型驗(yàn) 預(yù)測(cè)結(jié) 路基工后沉降本章小 第五章結(jié) 參考文 感 2020年，我國(guó)1~4h0.5~2h 20167后期后期 樣的預(yù)測(cè)結(jié)果往樣的預(yù)測(cè)結(jié)果往 難以或者說不可能找到一個(gè)通用難以或者說不可能找到一個(gè)通用 來對(duì)路基沉降進(jìn)行計(jì)算。非電測(cè)式量測(cè)儀器包括機(jī)械式和式。它的優(yōu)點(diǎn)是性能可靠，使用簡(jiǎn)便，量測(cè)儀器還不能對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和巖土內(nèi)部應(yīng)力、變形的量測(cè)式量測(cè)儀器是利。規(guī)律的本構(gòu)模規(guī)律的本構(gòu)模 確是造成路基沉降計(jì)算不夠精確的主要原因這是由于不的用一的用一 來概括過計(jì)算其固結(jié)度來推算預(yù)測(cè)沉降，從而判斷其發(fā)展規(guī)律，此類即為理論法。鍵環(huán)節(jié)鍵環(huán)節(jié)對(duì)路基工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)并在沉降超過一定閾值時(shí)進(jìn)行分 可為鐵安全運(yùn)行提供信息保障[2]3種方法，即基測(cè)法是通過先進(jìn)監(jiān)測(cè)法是通過先進(jìn)監(jiān) 獲得路基沉降數(shù)據(jù)并基于數(shù)學(xué)模型對(duì)路基沉降進(jìn)行眾多學(xué)者采用基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)法開展了沉陷預(yù)測(cè)研眾多學(xué)者采用基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)法開展了沉陷預(yù)測(cè)研 璜等根據(jù)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)數(shù)據(jù) CCD 。。67m3。。式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變形預(yù)測(cè)模型式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變形預(yù)測(cè)模型 FDA分析的工后沉降計(jì)算模型[9]。Chen水位下水位下 的高鐵路基沉降數(shù)值計(jì)算方法[10]。高紅等根據(jù)某高鐵隧道RLG 基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)上， 高鐵K1045+800路基為例，通過設(shè)計(jì)合理的監(jiān)測(cè)方案開展路路基工后沉降量并提出路基工后沉降量并提出 方法，為高鐵安全運(yùn)行提供信息保障1-1度的黃土在干燥后，水平方向的收縮量比垂直方向收縮量大，一般約大的強(qiáng)度一般較大，45o方向強(qiáng)度居中，垂直方向強(qiáng)度最小。但是，沖擊、洪積黃土因存在有水平層理的關(guān)系，以水平方向強(qiáng)度最低，垂直方向強(qiáng)度最大，45o方土中存在孔隙直徑大于周圍顆粒直徑的結(jié)構(gòu)，則是產(chǎn)生濕陷的條件。運(yùn)營(yíng)階段行車引起的基床累積下沉是由列車通過道床傳遞到基床面的動(dòng)荷要經(jīng)常進(jìn)行軌道工作因此累積下沉量的大小限制較寬它與軌道的維修模式和有關(guān)但是累積下沉屬求時(shí)，要把路基放到整個(gè)輪軌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中去。此時(shí)要考慮三個(gè)方面的問題0.1%~0.3（0.2%~0.5（黏性土）。估計(jì)工后下沉量的經(jīng)驗(yàn)：S(cm)h2/

hm計(jì)。例如：h=8mS=2.1cm0.26%當(dāng)路堤以粗粒土、碎石類土填筑時(shí)，路堤填土工后沉降量按路堤高度的SS(t)固結(jié)沉降SC(t)以及瞬時(shí)沉降Sd(t)。下式2-2為總沉降計(jì)算S(t)Sd(t)Sc(t)Ss

沉降沉降P2-13狀態(tài)就要進(jìn)行的監(jiān)測(cè)與健康診斷，以保證線路的正常運(yùn)營(yíng)。路基是一種開放勢(shì)，在此基礎(chǔ)上制定路基計(jì)劃，及時(shí)對(duì)潛在地段進(jìn)行整治；對(duì)路基的監(jiān)-再監(jiān)測(cè)-再評(píng)價(jià)-再預(yù)測(cè)-再治理，通過的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，保證路基始終處于良鐵夾板、套管、監(jiān)測(cè)桿、接頭等，如圖3-1所示。由于監(jiān)測(cè)桿上端伸出地面，在 3-1斷的破壞發(fā)生率為68.7％。測(cè)量深度：50m3-2108~125mm1/100。應(yīng)用中分層沉降法同樣也存在著保護(hù)的問題由于分層沉降管是采用的韌性2倍分層沉降管管徑大小即可。采用跟管式鉆孔，一直跟至鉆鉆至預(yù)定埋設(shè)深度后檢查地質(zhì)情況：如較為干燥時(shí)即可將已組裝好的分層沉降管及沉降標(biāo)迅速下至下至后應(yīng)在分層沉降管頂做垂1小時(shí)左右方可提拉套管；如孔管前須將水抽空抽空水后立即將分層沉降管及沉降標(biāo)下至預(yù)埋深度，此種情況一般應(yīng)在管頂承壓6小時(shí)左右才可以提拉套管。3-5天，故3-5天以后方可進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。下放。處理時(shí)只需將上下斷口鋸平，用的接頭對(duì)接即可。PVC管子，3-35~10cm的細(xì)砂。水平測(cè)斜儀時(shí)，鋪設(shè)的導(dǎo)管應(yīng)在每管兩頭槽口上作好標(biāo)志，不得。±1.0mm0.1mm；位移邊樁的水片位移測(cè)距武差相對(duì)較大，為角在方向監(jiān)測(cè)中誤差為±2.53-11次/31次/32~3次/1次/3堆載預(yù)壓或路11次/2~31次/231次/無砟軌道鋪設(shè)11次/22~31次/31次/32-1說明了路基監(jiān)測(cè)各個(gè)施工階2-1不能低于表中的頻次要求。4mm時(shí)，應(yīng)采取有效措施來適當(dāng)?shù)募用茴l次來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如出現(xiàn)突況，如水位變化，暴雨影響等外界環(huán)境突然50m；以下情況可將監(jiān)測(cè)斷面100m5m的路基；地基條件均勻且地勢(shì)平坦的布置監(jiān)測(cè)斷面以外，路橋過渡段需要特殊布置，應(yīng)分別在距離橋頭5~10m、3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)樁，其中一個(gè)置于雙線鐵路3-4 0.3m0.15mC15型號(hào)混凝土繞筑。PVC管的外接頭設(shè)置連接，沉降板測(cè)桿則通過內(nèi)接頭設(shè)路無碎軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》4.1.4條：路基在無碎軌道鋪設(shè)完成后的工15mm;并且豎曲線半徑在調(diào)整軌道面高程后可以滿足下式Rsh0.4V2

Rsh——豎曲線半徑Vsj——設(shè)計(jì)最高速度90天，監(jiān)測(cè)的沉降增量保持在±2mm90天，通過多種沉降預(yù)測(cè)方法進(jìn)行擬8mm以內(nèi)。15mm5mm1/1000。。 高鐵（1）340.5m、1.3m、3.1m5.9m （2）0.2m （3）33個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)從1.2m、1.7m2.2m3-5所示。3-5201591201611161日、16 3時(shí)（此時(shí)無列車通過），30660監(jiān)測(cè)期（201671日）0.43mm210.36mm229、10監(jiān)測(cè)期（201611日、16日）出現(xiàn)減小0.08mm0.03mm。650mm，其中，7月～9月降雨量約占全年降雨量的60%7、8月達(dá)到最大，可見路基工后沉降與降雨量呈顯著的重重 雙曲是一種純經(jīng)驗(yàn)的曲線配合方法根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線的實(shí)際形態(tài)近似降量或最終沉降量。其基本為St

t(tt0

S0Stt時(shí)的沉降量；——待定系數(shù)。t

(tt

0St0由式（4-2）可得，α和β分別為(tt0

S0tt0αβ，αβ的具體方法有圖t0S0（通常選擇路基填筑完成后第一次監(jiān)測(cè)的時(shí)間和沉降量根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到(tt0StS0與(tt0②通過擬合直線，確定α和βαβt0S0一同代入式（4-2），St。 雙曲t0取值示 雙曲的擬合直yi(tt0)/(StS0令xitt0xxiy令

（4-由最小二乘法，化簡(jiǎn)得到α和β的計(jì)算n (xix)(yinn n (xi2 2

yαβt0S0一同代入式（4-2），要計(jì)算最終沉降量，可令t,帶入式（4-1）1SS01

從而得到工后沉降計(jì)算

S

S1(t)Ut

。其中，Ut為t時(shí)刻地基的平均固結(jié) 。Ut1A

A、B將式（4-8）代入式（4-7）

(1AeBt

在式（4-9）A、B、S1c三個(gè)未知數(shù)，從實(shí)測(cè)的早期st3個(gè)時(shí)間t1t2t3，其中t3差(t3t2和(t2t14-施工期施工期時(shí)間4-3沉降與時(shí)間關(guān)系曲線（三點(diǎn)法

ttt

t

)(1)3(1)1(A

lnS

St

t

[S

St22AA

淺崗法（Asaoca法Mikasa（1963年）導(dǎo)出的以垂直（體積） vCV

式中(tzZ——CV由沉降量 (t,z)dz,再結(jié)合排水邊界條件，Asaoca解出了沉降量S0Sa1

d2Sd

dnSd

常數(shù)。tstjjt,j1,2,3，且tSj為時(shí)間tj的沉降量。式（4-13）nnnSj0iS

在大多數(shù)情況下，第一階近似（n=1）為Sj0根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料，作圖確定待定參數(shù)0、1和最終沉降量。

ttSm-ββ4-4將時(shí)間劃分成相等的時(shí)間段Δtt1、t2所S1、S2，并制成表格。Si-1SiS1、S2以點(diǎn)（Si-1，Si）

過系列點(diǎn)（Si-1，Si）45o直線相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降為最終沉降值。在淺崗法推算的過程中Δt的取值對(duì)最終沉降量的推算結(jié)果有直接的影響，Δt過小會(huì)造成擬合點(diǎn)的波動(dòng)性較大，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)較小。Δt過大，Si點(diǎn)過少，易產(chǎn)生較大的偏差，而且對(duì)是否已經(jīng)進(jìn)行次固結(jié)階段等不易作出判斷。一般取Δt30~100d之間。在實(shí)際的推算過程中，同時(shí)宜多計(jì)算幾個(gè)不同的Δt得出相應(yīng)的最終沉降值，而后在其中選取相關(guān)系數(shù)較好的沉降值作設(shè)原始數(shù)據(jù)列為

x(0k)(k1,2,,p),作一次累加生成得新數(shù)據(jù)列kkx(1kx(0iGM（1，1）

dxax(1)

a

Na(BTB)-1BTN

（4-1x(1)1x(1) 12 2 1x(1)2x(1) B

1x(1)k1x(1)k1 yx(0)2,x(0)3,,x(0)

（4-

u x

eak

x

k1

k1

（4-即kGM（1，1）C1 ，它將待估系統(tǒng)視為部分信息 非線性轉(zhuǎn)換，具有很好的習(xí)能力。BackPropagation（BP）網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)關(guān)系式轉(zhuǎn)化為的非線性映射，可以將影響地基沉降的眾多因素用數(shù)學(xué)顯式BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15]由輸入層神經(jīng)元、輸出層神經(jīng)元及隱層神經(jīng)元組成,其中隱層可以是一層或多層,4-5所示的全互連結(jié)構(gòu)。 輸入 隱 輸出4-5中間層逐層修正各連接權(quán)值,最后回到輸入層,隨著這種誤差逆的修正不斷進(jìn)從訓(xùn)練樣例中取一樣例,能落在傳遞函數(shù)梯度大的地方,將數(shù)據(jù)處理為區(qū)間[0,1]之間的數(shù)據(jù),采用如下xyi

（4-式 yi某一特性的數(shù)值ysGM(1,1)模型預(yù)測(cè)得到的值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本,真實(shí)值作為神經(jīng)網(wǎng)訓(xùn)練目標(biāo)要求,就可以得到調(diào)整后的連接權(quán)值,GM（1，1）模型預(yù)測(cè)得到的建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)具體實(shí)例,4-64-64層組成,B的特Sfx1/1ex的對(duì)數(shù),CD對(duì)網(wǎng)絡(luò)的初始連接權(quán)值和閾值進(jìn)行設(shè)定,GM(1，1)模型預(yù)測(cè)得到的一絡(luò)的輸入,將實(shí)際測(cè)量值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多次訓(xùn)練,得到一系列調(diào)整后的連接權(quán)值和閾值。GM（1，1）GM（1，1）25期監(jiān)測(cè)4-2所示。4-2驗(yàn)證序列預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值26期2728第29監(jiān)測(cè)期30預(yù)測(cè)實(shí)測(cè)Ⅰ-1監(jiān)型Ⅰ-2監(jiān)型Ⅰ-3監(jiān)型Ⅰ-4監(jiān)型1可知，GM（1，1）模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)應(yīng)的值的均方誤差（MeanSquaredError，MSE），4-3所示。4-3預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的均方誤差Ⅰ-1Ⅰ-2Ⅰ-3Ⅰ-4 。因此，本文選取灰色神經(jīng)網(wǎng)模型預(yù) 高鐵K1045+800路基工后沉降采用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)采用灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù) 高鐵K1045+800路基第31～35監(jiān)測(cè)期的4-44-74-4預(yù)測(cè)結(jié)果3132333435Ⅰ-1Ⅰ-2Ⅰ-3Ⅰ-44-745.19mm后沉降不會(huì)對(duì)行車安全造成重45.19mm后沉降不會(huì)對(duì)行車安全造成重 而4 ⅠⅡ較Ⅲ以工后沉降量為首 以工后沉降量為首 分別表示 ，需要發(fā) 信息方法有雙曲、三點(diǎn)法、Asaoka法、GM（1，1）模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及灰GM（1，1）模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 1. 1. 高鐵K1045+800路基為例通過設(shè)計(jì)合理的監(jiān)測(cè)方案開展了路基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了路基工后沉降預(yù)測(cè)模型，提出了路基工后沉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了路基工后沉降預(yù)測(cè)模型，提出了路基工后沉 方法 2.Ⅰ-1-2-3和Ⅰ-433監(jiān)測(cè)期以后增量路基沉路基沉 等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí) 3.本文開展 高鐵K1045+800路基工后沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究但在以預(yù)測(cè)精度雖能滿足要求，但其他算法，如小波分析、PSO-ANN模型以及PSO-SVM模型等的預(yù)測(cè)精度未得到驗(yàn)證。KangGaoliang.InfluenceandControlStrategyforLocalSettlementforHigh-SpeedRailwayInfrastructure[J].Engineering,2016(2):374-379.HeureuxJS,LongM,VannesteM,etal.Onthepredictionofsettlementfromhigh-resolutionshear-wavereflectionseismicdata:TheTrondheimharborcasestudy,midNorway[J].Engineer