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摘要: 铁路下采煤是一个带有普遍性的问题，铁路要为列车的高速行驶提供一个高平顺性和高稳定性的轨下基础，必须在运营条件下将线路轨道保持在要求的标准范围之内，这无疑就对铁路的稳定提出了很高的要求，为了确保采区铁路的安全运行，就要对采区铁路进行变形监测，并根据相关理论，科学合理的预测工后的沉降和水平移动，以确保铁路的安全运行。矿区铁路线下构筑物具有多样性，其变形特征也各不相同，本文就矿区铁路路基沉降和水平变形分析与预测的方法进行了系统研究，其中包括控制网和观测线的布设，监测数据的采集，以及采集之后的数据处理等工作，并探索了相适宜的预测方法，具有重要的工程价值。
关键词：铁路、变形监测、数据处理
Abstract：The mining under railway is a universal problem , The railway must provide a high smoothness and high stability foundation under the axle for train’s high speed travel, We must keep the design parameter into demanded range under our operation condition, which raises much higher request for the settlement of high-speed railway. In order to ensure the safe operation of the mining area railway, we should deformation the Mine railway. Then predict the post-construction settlement scientifically an reasonably, according to the related theory. In order to ensure the safe operation of the mining area railway. Structures with Mine railway line has diversity, and settlement characteristics are also different. Settlement analysis and prediction methods of Mine roadbedhave been systematically studied in this paper. Including control nets and observation line laid, monitoring data collection, and gathering the data handling after work. We also explore the appropriate and high-precision settlement prediction methods in the paper. It has important engineering value
Key words: Railway, Deformation monitoring, Data processing
中图分类号：F530.32 文献标识码：A 文章編号：
1 引言
铁路下采煤是“三下”采煤重点研究的问题之一，在我国，煤矿区开采影响范围内的铁路线有铁路干线（国家一、二级铁路），铁路支线（国家三级铁路），和矿区专用线[1][2]。铁路线路主要由路基、道床、轨枕和钢轨组成，路线的基础是路基。列车的动荷载通过轨枕和道床传递给路基，因此，路基必须通常保持足够的强度和稳定性。但是，铁路下方的煤层被采出以后，地表首先移动并带动路基移动，于是引起线路的上部建筑—道床、轨枕、钢轨、连接零件和道岔的一系列变化。采空区是上覆岩层的移动波及地表以后，位于采空区上方的路基开始下沉，随着回采工作面的进行，路基下沉量逐渐增大。下沉范围亦不断扩展，在路基最大下沉点和下沉边界之间下沉呈连续渐变的分布[3]。路基的移动和变形使线路上部建筑物的标高和平面位置发生变化，具体表现为竖直方向的下沉、水平方向的横向移动和纵向移动，由于这三种移动在线路的相邻点上对的不均匀性，使线路发生坡度的变化、竖曲线形状的变化、两条钢轨水平的变化、线路方向的变化、轨距的变化[4]。如果这些变化在允许的范围之内，则认为是正常现象，如果超过了一定的限度，就会对线路的工作状态产生不利的影响。
2 铁路沉降观测的内容及要求
1）观测站连测:测点与矿区控制网之间进行的GPS控制测量。 2）全面观测:观测站内部各测点的高程测量、点间距测量和支距测量。 3）水准测量:观测站工作测点的沉降观测,按一定周期单独进行。 4）地表附属物的测定、编录:对铁路沿线地表塌陷裂缝、台阶和铁路沿线输电线路下沉、铁路桥涵破坏和钢轨接头脱节扭曲、道钉崩落等地表附属物破坏状况进行实地勘查、素描和测量,并编录台帐。
3 工程实例
某煤矿矿区范围为：E130°02’32＂～E130°34’37＂,N47°05＇32＂-N47°29＇07＂，，另一煤矿位于鹤岗煤田东北部，在监测范围内。平面坐标系统采用西安80坐标系，高程采用1985年国家高程基准。由于在矿区内做铁路地面变形监测，高程控制网是根据矿区的两个国家三等水准点按国家二等水准测量要求导到测区，布设高程控制网。另外，矿区内有三个已知点，分别为T1、T2、T3，在观测区布设一个由4个控制点（分别为Q1、Q2、Q3、Q4）组成的GPS控制网，其精度按国家三等精度要求的标准布设，网形设计采用边连式。GPS控制网如图1。
图1 测区GPS控制网图 图2 路基观测线
根据铁路线下工作面布局状况,沿路基南侧布设一条东西走向观测线,观测线上布设了平均间隔为25 m的9个监测点(分别为E1～E9)，观测点至钢轨的距离为1.5～2.0m，用于铁路的沉降变形监测。路基观测线如图2。
3.1 变形监测数据获取
1）使用仪器：徕卡DNA03型电子水准仪；全站仪
2）作业方法：
①高程观测a高程连接测量：高程连接测量是根据矿区水准基点将高程导至观测线的控制点上，同时将铁路原有的水准点也联测上。高程连接测量按国家三等水准测量的要求进行。测出路基观测线和轨道观测线的高程。b首次观测：按二等水准要求进行。C巡视测量：在预计开始移动前，应每隔3-4天对全部或部分路基点进行一次水准测量。d定期观测：发现铁路开始移动后，观测便转入定期进行。从首次观测到末次观测，其间要进行多次测量。在观测中，从首次观测开始，按前、后视距离相等的原则，固定转点和水准仪放置位置，并将这些点标志在钢轨相应位置处。这样不但能提高精度，而且能加快观测速度，避免司尺和记录发生粗差。测完之后应立即在野外手簿上计算各点的高程。②平面观测a平面连接测量：观测点设置完毕，应及时将观测线控制点与矿区控制网连接。其测量方法依照Ⅳ等三角测量的精度进行。 b路基观测线的平面测量：一条观测线有几十个甚至上百个观测点。如果每个测点都由导线测量求出其坐标，内、外业工作量都很大，同时由于每条边都很短，测角误差累积迅速。因此可以先选择若干特征点作为导线点。各点间距直线段200-400m，曲线段100-200m为宜。然后在这些导线点上进行角度测量、边长测量和支距测量。
3．2 铁路观测成果的处理
1）按实际观测的水准路线绘出附和或闭合环草图，作为计算高差闭合差的工作底图。
2）每日外业观测结束当天，各组须立即把本组的电子观测记录手簿传输到计算机中，并用平差软件计算观测成果。打印出观测记录和观测成果经检查确认无误后签字归档，并将电子资料在电脑里做好备份。
3）平差计算前对水准网所用高差加入水准尺长度误差改正δ和正常水准面不平行改正ε等项改正，采用《水准网平差软件》，分别进行整体评差[5][6][7]。计算各测点的高程，然后计算出相邻两测点之间的水平距离和各测点偏离观测线方向的距离，最后计算各测点的移动和变形值及下沉速度。
4）根据所得到的观测成果，绘制沉降、水平變形曲线图：
图3 各测点沉降观测曲线
由图3可以得出，本矿区铁路有沉降的发生，在观测时间内，沉降接近8mm，后期对该地区铁路的沉降观测还很有必要，为灾害决策提供第一手的数据资料。
4 结论
矿区铁路属于长大线型地物，沿线地质复杂，面临的问题较多，为了矿区铁路安全的建设，必须科学合理的预测铁路不同构筑物的工后沉降，确保铁路的安全运行。因此，必须对采区铁路进行科学合理的沉降变形监测和预报。本文的主要成果如下：
1）对铁路下开采变形监测的方法进行了介绍，其中包括控制点的选取和控制网的布设以及观测站的设置和变形监测数据的采集。数据的处理和观测结果的分析与评估。
2）以鹤岗益新煤矿为例，根据矿区铁路变形监测的特点，对铁路进行了沉降和水平监测，并根据监测数据进行了预测。
5 参考文献
[1] Antonio Eff-darwich, Olivier Grassin. An Upper Limit to Ground Deformation in the Island of Tenerife, Canary Islands, for the Period 1997–2006[C].Prentice-Hall International,Inc.,2008.
[2] 客运专线无碴轨道铁路工程施工质量验收暂行标准.铁建设[2007]85号，2006.
[3] 刘金山，甘德清，顾乃满. 地下开采引起的地面沉降对铁路安全的影响性分析. 现代矿业，2009.
[4] 廉海，魏秀泉，甘德清. 地下开采引起地表沉陷的数值模拟. 矿业快报，2006
[5] 贺跃光. 工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究. 中南大学，2003.
[6] 李国和，张建民，许再良，孙树礼. 华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响研究. 岩土工程学报，2009.
[7] 李国和，张建民，张嘎，孙振岳，许再良. 浅层地下水开采对高速铁路工程的影响及对策. 铁道工程学报，2007.
关键词：铁路、变形监测、数据处理
Abstract：The mining under railway is a universal problem , The railway must provide a high smoothness and high stability foundation under the axle for train’s high speed travel, We must keep the design parameter into demanded range under our operation condition, which raises much higher request for the settlement of high-speed railway. In order to ensure the safe operation of the mining area railway, we should deformation the Mine railway. Then predict the post-construction settlement scientifically an reasonably, according to the related theory. In order to ensure the safe operation of the mining area railway. Structures with Mine railway line has diversity, and settlement characteristics are also different. Settlement analysis and prediction methods of Mine roadbedhave been systematically studied in this paper. Including control nets and observation line laid, monitoring data collection, and gathering the data handling after work. We also explore the appropriate and high-precision settlement prediction methods in the paper. It has important engineering value
Key words: Railway, Deformation monitoring, Data processing
中图分类号：F530.32 文献标识码：A 文章編号：
1 引言
铁路下采煤是“三下”采煤重点研究的问题之一，在我国，煤矿区开采影响范围内的铁路线有铁路干线（国家一、二级铁路），铁路支线（国家三级铁路），和矿区专用线[1][2]。铁路线路主要由路基、道床、轨枕和钢轨组成，路线的基础是路基。列车的动荷载通过轨枕和道床传递给路基，因此，路基必须通常保持足够的强度和稳定性。但是，铁路下方的煤层被采出以后，地表首先移动并带动路基移动，于是引起线路的上部建筑—道床、轨枕、钢轨、连接零件和道岔的一系列变化。采空区是上覆岩层的移动波及地表以后，位于采空区上方的路基开始下沉，随着回采工作面的进行，路基下沉量逐渐增大。下沉范围亦不断扩展，在路基最大下沉点和下沉边界之间下沉呈连续渐变的分布[3]。路基的移动和变形使线路上部建筑物的标高和平面位置发生变化，具体表现为竖直方向的下沉、水平方向的横向移动和纵向移动，由于这三种移动在线路的相邻点上对的不均匀性，使线路发生坡度的变化、竖曲线形状的变化、两条钢轨水平的变化、线路方向的变化、轨距的变化[4]。如果这些变化在允许的范围之内，则认为是正常现象，如果超过了一定的限度，就会对线路的工作状态产生不利的影响。
2 铁路沉降观测的内容及要求
1）观测站连测:测点与矿区控制网之间进行的GPS控制测量。 2）全面观测:观测站内部各测点的高程测量、点间距测量和支距测量。 3）水准测量:观测站工作测点的沉降观测,按一定周期单独进行。 4）地表附属物的测定、编录:对铁路沿线地表塌陷裂缝、台阶和铁路沿线输电线路下沉、铁路桥涵破坏和钢轨接头脱节扭曲、道钉崩落等地表附属物破坏状况进行实地勘查、素描和测量,并编录台帐。
3 工程实例
某煤矿矿区范围为：E130°02’32＂～E130°34’37＂,N47°05＇32＂-N47°29＇07＂，，另一煤矿位于鹤岗煤田东北部，在监测范围内。平面坐标系统采用西安80坐标系，高程采用1985年国家高程基准。由于在矿区内做铁路地面变形监测，高程控制网是根据矿区的两个国家三等水准点按国家二等水准测量要求导到测区，布设高程控制网。另外，矿区内有三个已知点，分别为T1、T2、T3，在观测区布设一个由4个控制点（分别为Q1、Q2、Q3、Q4）组成的GPS控制网，其精度按国家三等精度要求的标准布设，网形设计采用边连式。GPS控制网如图1。
图1 测区GPS控制网图 图2 路基观测线
根据铁路线下工作面布局状况,沿路基南侧布设一条东西走向观测线,观测线上布设了平均间隔为25 m的9个监测点(分别为E1～E9)，观测点至钢轨的距离为1.5～2.0m，用于铁路的沉降变形监测。路基观测线如图2。
3.1 变形监测数据获取
1）使用仪器：徕卡DNA03型电子水准仪；全站仪
2）作业方法：
①高程观测a高程连接测量：高程连接测量是根据矿区水准基点将高程导至观测线的控制点上，同时将铁路原有的水准点也联测上。高程连接测量按国家三等水准测量的要求进行。测出路基观测线和轨道观测线的高程。b首次观测：按二等水准要求进行。C巡视测量：在预计开始移动前，应每隔3-4天对全部或部分路基点进行一次水准测量。d定期观测：发现铁路开始移动后，观测便转入定期进行。从首次观测到末次观测，其间要进行多次测量。在观测中，从首次观测开始，按前、后视距离相等的原则，固定转点和水准仪放置位置，并将这些点标志在钢轨相应位置处。这样不但能提高精度，而且能加快观测速度，避免司尺和记录发生粗差。测完之后应立即在野外手簿上计算各点的高程。②平面观测a平面连接测量：观测点设置完毕，应及时将观测线控制点与矿区控制网连接。其测量方法依照Ⅳ等三角测量的精度进行。 b路基观测线的平面测量：一条观测线有几十个甚至上百个观测点。如果每个测点都由导线测量求出其坐标，内、外业工作量都很大，同时由于每条边都很短，测角误差累积迅速。因此可以先选择若干特征点作为导线点。各点间距直线段200-400m，曲线段100-200m为宜。然后在这些导线点上进行角度测量、边长测量和支距测量。
3．2 铁路观测成果的处理
1）按实际观测的水准路线绘出附和或闭合环草图，作为计算高差闭合差的工作底图。
2）每日外业观测结束当天，各组须立即把本组的电子观测记录手簿传输到计算机中，并用平差软件计算观测成果。打印出观测记录和观测成果经检查确认无误后签字归档，并将电子资料在电脑里做好备份。
3）平差计算前对水准网所用高差加入水准尺长度误差改正δ和正常水准面不平行改正ε等项改正，采用《水准网平差软件》，分别进行整体评差[5][6][7]。计算各测点的高程，然后计算出相邻两测点之间的水平距离和各测点偏离观测线方向的距离，最后计算各测点的移动和变形值及下沉速度。
4）根据所得到的观测成果，绘制沉降、水平變形曲线图：
图3 各测点沉降观测曲线
由图3可以得出，本矿区铁路有沉降的发生，在观测时间内，沉降接近8mm，后期对该地区铁路的沉降观测还很有必要，为灾害决策提供第一手的数据资料。
4 结论
矿区铁路属于长大线型地物，沿线地质复杂，面临的问题较多，为了矿区铁路安全的建设，必须科学合理的预测铁路不同构筑物的工后沉降，确保铁路的安全运行。因此，必须对采区铁路进行科学合理的沉降变形监测和预报。本文的主要成果如下：
1）对铁路下开采变形监测的方法进行了介绍，其中包括控制点的选取和控制网的布设以及观测站的设置和变形监测数据的采集。数据的处理和观测结果的分析与评估。
2）以鹤岗益新煤矿为例，根据矿区铁路变形监测的特点，对铁路进行了沉降和水平监测，并根据监测数据进行了预测。
5 参考文献
[1] Antonio Eff-darwich, Olivier Grassin. An Upper Limit to Ground Deformation in the Island of Tenerife, Canary Islands, for the Period 1997–2006[C].Prentice-Hall International,Inc.,2008.
[2] 客运专线无碴轨道铁路工程施工质量验收暂行标准.铁建设[2007]85号，2006.
[3] 刘金山，甘德清，顾乃满. 地下开采引起的地面沉降对铁路安全的影响性分析. 现代矿业，2009.
[4] 廉海，魏秀泉，甘德清. 地下开采引起地表沉陷的数值模拟. 矿业快报，2006
[5] 贺跃光. 工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究. 中南大学，2003.
[6] 李国和，张建民，许再良，孙树礼. 华北平原地面沉降对高速铁路桥梁工程的影响研究. 岩土工程学报，2009.
[7] 李国和，张建民，张嘎，孙振岳，许再良. 浅层地下水开采对高速铁路工程的影响及对策. 铁道工程学报，2007.