摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)也迅猛發(fā)展。但是，由于高速鐵路列車速度在200km/h以上，路基、軌道的不平順對快速行車引起的列車振動也遠比相同條件下普通速度的列車嚴重，旅客感受的舒適度會嚴重降低，甚至?xí)䦟?dǎo)致列車脫軌。因此高速鐵路對軌道的平順性提出了更高的要求。路基是鐵路線路工程的重要組成部分之一，是承受軌道結(jié)構(gòu)重量和列車載荷的基礎(chǔ)，是線路工程的關(guān)鍵所在。高速鐵路沉降防治對控制鐵路工程質(zhì)量，確保工后沉降滿足設(shè)計要求至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞：高速鐵路 路基 沉降 沉降觀測 預(yù)測模型
中圖分類號：U215 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2012）005-037-02
1 前言
鐵路路基暴露在室外，加之我國地域廣闊，地形、地質(zhì)、水文、氣候等情況復(fù)雜：路基邊坡和坡腳受坡面雨水沖刷、日曬雨淋將引起土的干濕循環(huán)、氣溫變化將引起土的凍融變化、河水對邊坡或坡腳處地基不斷的沖刷和淘刷等，使路基常年處于升降動態(tài)循環(huán)之中，路基附加應(yīng)力受其很大影響。路基填料級配不良、排水失效、過渡段碎石級配失效或不養(yǎng)生、路基橫向碾壓、填料含水率超標等將引起路基沉降。鐵路兩旁新修建的建筑物尤其是特大型建筑也會對路基產(chǎn)生影響，所以鐵路路基沉降在一定意義上講不可避免。但過大的變形沉降將直接影響旅客舒適度以及行車安全，所以必須對高速鐵路路基沉降加以防治。本文著重介紹高速鐵路路基沉降觀測及預(yù)測技術(shù)。
2 高速鐵路路基沉降測量控制要求
只有做好高速鐵路路基沉降測量工作，才能保證沉降控制工作的順利完成，為接下來的工作提供數(shù)據(jù)資料。所以工程技術(shù)人員要采用科學(xué)正確的方法，高效的完成測設(shè)工作，要保證測量精度要求，利用配套計算機對所有觀測值進行嚴密平差，保證整個控制精度完全能夠符合國家工程測量技術(shù)規(guī)范和工程設(shè)計要求。
2.1 設(shè)備要求
高速鐵路沉降觀測要求高精度，為了精確測量路基的沉降情況，一般規(guī)定測量的誤差應(yīng)小于變形值的1/10—1/20。采用一般儀器，會受到周圍環(huán)境的影響而導(dǎo)致誤差過大，所以對觀測儀器的精度要求極高。觀測時應(yīng)優(yōu)選受環(huán)境影響小的儀器，比如精密水準儀。
2.2 觀測人員要求
高速鐵路沉降觀測要求高精度，工程技術(shù)人員應(yīng)該有較高的職業(yè)技術(shù)水平和職業(yè)道德。觀測人員應(yīng)該專業(yè)、準時、高效的完成測量任務(wù)，對觀測數(shù)據(jù)認真負責(zé)，堅決杜絕補測或修改數(shù)據(jù)等惡劣行為。
2.3 實際觀測的具體要求
觀測前，要對觀測地點的地形、地貌、地質(zhì)、水文以及氣候等情況加以調(diào)查，聯(lián)系實際情況選擇最適宜的觀測方法，既要保證觀測的高效，又要保持正精度的要求。
2.4 觀測點的選取
高速鐵路沉降觀測精度高，所以對觀測點的選取要求也很高，在保證方便觀測的前提下，選擇合適的觀測點，最好是視野開闊，地勢平坦的穩(wěn)定位置。
2.5 觀測周期及觀測時間
施工階段，應(yīng)隨施工進度及時進行。觀測次數(shù)與時間間隔應(yīng)視地基與加荷情況而定。在觀測過程中，如有路基附近荷載突然增減、長時間連續(xù)降雨等情況，均應(yīng)及時增加觀測次數(shù)。若路基發(fā)生大量沉降、不均勻沉降或嚴重裂紋時，應(yīng)該立即進行逐日甚至一天數(shù)次的連續(xù)觀測。
3 路基沉降預(yù)測模型的應(yīng)用
對高速鐵路路基沉降進行預(yù)測傳統(tǒng)的方法有三種：(1)采用分層總和法計算最終沉降量，利用簡化固結(jié)公式計算固結(jié)度，然后推算沉降的發(fā)展規(guī)律與趨勢。(2)根據(jù)固結(jié)理論，結(jié)合室內(nèi)試驗獲得土的各種本構(gòu)模型，利用有限元方法預(yù)測最終沉降量以及其發(fā)展規(guī)律。(3)基于前期沉降量實測資料來建立沉降量與時間關(guān)系數(shù)學(xué)模型的預(yù)測方法。
3.1 曲線擬合法
曲線擬合，就是通過實驗獲得有限對測試數(shù)據(jù)（xi, yi）,利用這些數(shù)據(jù)來求取近似函數(shù)y=f(x)。式中x為輸出量，y為被測物理量。即通過分析實測資料與時間的關(guān)系，建立適當?shù)某两蹬c時間的函數(shù)關(guān)系，進而推測沉降的發(fā)展規(guī)律。曲線擬合法是將沉降近似看做按照某種規(guī)律變化的過程，對實際測量的沉降數(shù)據(jù)進行擬合，建立某種相適應(yīng)的曲線模型，采取適宜的優(yōu)化方法，反推出計算公式所需的參數(shù)，在運用于后期的沉降預(yù)測。此方法參數(shù)較少并且易于確定，所以應(yīng)用廣泛。工程中常用的曲線擬合法包括：雙曲線法、星野法、指數(shù)曲線法、三點法、沉降速率法、Asaoka法、S形成長曲線模型。
3.2 灰色系統(tǒng)理論
灰色系統(tǒng)理論是20世紀80年代，由中國華中理工大學(xué)鄧聚龍教授首先提出并創(chuàng)立的一門新興學(xué)科，它是基于數(shù)學(xué)理論的系統(tǒng)工程學(xué)科。灰色系統(tǒng)理論，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的新方法。灰色系統(tǒng)理論以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控。
3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運算模型，由大量的節(jié)點和之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個節(jié)點代表一種特定的輸出函數(shù)，稱為激勵函數(shù)。每兩個節(jié)點間的連接都代表一個對于通過該連接信號的加權(quán)值，稱之為權(quán)重，這相當于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵函數(shù)的不同而不同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立預(yù)測路基沉降的BP模型和Elman模型，兩種模型在預(yù)測路基沉降時，不需要建立任何土工模型，只要采集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的樣本就可以比較精確的預(yù)測路基沉降。
3.4 遺傳算法
遺傳算法是由美國的J.Holland教授1975年首先提出，是一類借鑒生物界的進化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機制）演化而來的隨機化搜索方法。其主要特點是直接對結(jié)構(gòu)對象進行操作，不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定；具有內(nèi)在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力；采用概率化的尋優(yōu)方法，能自動獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，不需要確定的規(guī)則。
路基沉降預(yù)測模型的建立對于高速鐵路沉降預(yù)測與控制至關(guān)重要。適宜的預(yù)測模型可以很好地預(yù)測路基沉降的發(fā)展趨勢，對于工程施工以及線路運營階段的管理都有指導(dǎo)作用。通過路基沉降預(yù)測模型與實測數(shù)據(jù)，推算最終沉降量，若預(yù)測沉降超限，應(yīng)及時采取相應(yīng)的工程措施。
4 一種新的沉降測量方法：計算機視覺測量技術(shù)
計算機視覺測量技術(shù)是近年來測量領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的嶄新技術(shù)，它是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合計算機技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理與分析技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體，組成光電一體化的綜合測量系統(tǒng)。視覺測量技術(shù)的檢測儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、數(shù)字化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化，具有精度高、非接觸、在線檢測、實時分析與控制、連續(xù)工作等特點。計算機視覺也稱為機器視覺，是指利用計算機對采集的圖像或者視頻進行處理，從而代替人眼的視覺功能，實現(xiàn)對客觀世界的三維場景的感知、識別和理解的技術(shù)。計算機視覺使用計算機及相關(guān)設(shè)備對生物視覺進行模擬。其主要任務(wù)是通過對采集的圖像或視頻進行處理，以獲得相應(yīng)場景的三維信息。計算機視覺使用的理論方法主要基于幾何、概率、運動學(xué)計算和三維重構(gòu)等視覺計算機理論，其基礎(chǔ)包括攝影幾何學(xué)、剛體運動學(xué)、概率論與隨機過程、人工智能等理論。運用計算機視覺測量技術(shù)，可以實現(xiàn)高速鐵路沉降的遠程自動化觀測，方便、快捷、實時性強，即可以保證測量的精度，又減輕了工程技術(shù)人員的負擔(dān)，是一項有待發(fā)展的新興測量技術(shù)。
5 結(jié)論
綜上所述，高速鐵路路基沉降對于工程建設(shè)、旅客舒適度、運營安全有著致命影響，所以路基沉降觀測是必須采取的。采用正確的觀測方法，嚴格按照基本要求和規(guī)范觀測，建立正確的陳建預(yù)測模型，保證路基沉降在標準的允許范圍之內(nèi)是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵。隨著新興技術(shù)的發(fā)展，沉降觀測及防治措施必定越來越多，越來越精確，我國的高速鐵路事業(yè)也必將更上一層樓。
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