王基全

(哈大鐵路客運專線有限公司,沈陽 110002)

1 工程概況

新建鐵路哈爾濱至大連客運專線起自既有大連站,途經3個省會城市(哈爾濱、長春、沈陽)、1個計劃單列市(大連)和6個地級市(營口、鞍山、遼陽、鐵嶺、四平、松原),止于既有哈爾濱站,線路全長904 km,其中橋梁長663 km,占全線73%；路基長231 km,占全線25%；開通速度200 km/h,主要基礎設施350 km/h；全線采用GRTSⅠ型板式無砟軌道結構,無砟軌道長 847 km。工程于2007年8月開工建設,計劃2012年7月中旬開通。

2 研究目的與內容

2.1 研究目的

高速鐵路線下工程是由橋梁、隧道、涵洞、路基等構筑物連接而成,它們相互作用、相互影響和依存,共同構成均勻的線路結構。線下工程沉降變形穩(wěn)定是無砟軌道鋪設的必要條件, 進行線下工程變形的控制與研究具有重大的工程意義。

哈大鐵路客運專線是我國第一條嚴寒地區(qū)客運專線,氣候條件惡劣,施工時間短,在建設工程中,哈大鐵路客運專線在沉降變形觀測方面,嚴格執(zhí)行了設計規(guī)范和部有關規(guī)定,觀測時間均為6個月以上,并請第三方進行了評估,后期對部分典型工點又進行了驗證,整個過程較為規(guī)范,同時又積累了大量的觀測原始資料,本文擬通過對全線橋梁和路基沉降觀測數(shù)據進行科學的分析,以了解東北地區(qū)鐵路橋梁和路基沉降變形曲線收斂規(guī)律,為該地區(qū)客運專線的設計和建設提供參考,對今后合理安排甚至節(jié)省工期、節(jié)約投資有一定的現(xiàn)實意義。

2.2 研究內容

通過建立沉降變形觀測系統(tǒng),對橋梁、路基施工期及完成后一段時間內的沉降變形進行觀測,對約5萬個測點、200萬實測數(shù)據所表現(xiàn)出的變形規(guī)律,通過建立數(shù)學模型,進行回歸分析,對橋梁和路基3～6個月沉降變形曲線收斂規(guī)律、沉降量變化情況,以及路基堆載、超載沉降變化情況等進行研究。

3 橋梁、路基沉降變形曲線收斂規(guī)律研究

3.1 全線橋梁、路基沉降變形分析

3.1.1 橋梁沉降變形分析

哈大鐵路客運專線全線大小橋梁共162座,約663 km,各類橋墩超過18 500座。橋梁樁基形式以摩擦樁為主,部分為柱樁和明挖基礎。全線橋梁6個月實際沉降、預測沉降及工后沉降值分類統(tǒng)計數(shù)據及比較見表1。

從表1分類統(tǒng)計結果及實際沉降數(shù)據看,哈大鐵路客運專線橋梁沉降變形有以下幾個方面特點：

(1)各類基礎橋墩臺累積沉降變形均很小,全線小于5 mm的橋墩占總數(shù)的74.8%,大于10 mm的橋墩僅占總數(shù)的0.47%,最大沉降為12.3 mm；

(2)同一工點,除柱樁沉降量略偏小外,其他類型橋墩沉降大小沒有明顯差異,其大小主要取決于觀測條件和當?shù)氐刭|條件；

(3)從統(tǒng)計數(shù)據看,摩擦樁沉降量相對較大,柱樁沉降最??；

表1 橋梁墩臺沉降變形情況統(tǒng)計分析匯總

(4)100年預測最大值與6個月實測最大值相差約為4 mm,后期沉降不大。

圖1為TJ-3標1個斷面基礎施工至架梁后6個月實際沉降情況及擬合曲線圖,從圖中可看出,架梁前(70 d)已沉降2.5 mm,架梁后3個月(160 d)沉降量最大約3.1 mm,其后略有反彈,維持在2.7 mm。QDYTH05634回歸模型y=x/(x/a+b)+c。

圖1 TJ-3標DK711+675.31斷面擬合曲線

3.1.2 路基沉降變形分析

哈大鐵路客運專線全線路基長約231 km,路基形式主要為路堤和路塹兩類,根據地質條件部分路堤地段考慮堆載預壓。路基沉降觀測以路基面沉降和地基沉降觀測為主,路基本體沉降一般較小,主要為地基沉降。 全線路基6個月實際沉降、預測沉降及工后沉降值分類統(tǒng)計數(shù)據及比較見表2。

實際沉降預測沉降情況分類統(tǒng)計比較詳見表2。

從分類統(tǒng)計及實際觀測數(shù)據看,路基沉降變形有以下幾個方面特點。

(1)總體來看,路基沉降變形比橋梁要大；大小分布主要與工程結構和路基地基地質情況相關,一般松軟土、軟土路基處沉降變形相對較大。

表2 路基沉降變形情況統(tǒng)計分析匯總

(2)堆載預壓路基較非堆載路基沉降大。堆載預壓路基最大沉降為48.84 mm,累積沉降超過30 mm的斷面共46處,占3.45%；非堆載路基沉降較小,最大為14.3 mm,小于5 mm的占76.93%。

(3)采取堆載或超載(3.5～4 m)預壓等工程措施,從變形過程看,變形主要隨路基填筑施工進展,荷載增加沉降變形不斷增大,堆載預壓對沉降變形有一個明顯加速過程,荷載恒定后,加速沉降過程大致持續(xù)1個月左右,此后,變形迅速趨于穩(wěn)定。

圖2為TJ-2標3個斷面堆載預壓路基變形過程,從圖中可看出2009年12月4日堆載完成,恒載前已沉降25 mm左右,荷載恒定后,加速沉降,持續(xù)1個月左右,變形趨于穩(wěn)定。

圖2 TJ-2標堆載預壓路基沉降變形過程

(4)同一區(qū)段非堆載路基沉降變形較堆載路基相對要小,從統(tǒng)計結果看,小于5 mm的斷面,堆載路基占28.12%,小于15 mm,共占78.21%；非堆載路基小于5 mm的點占76.93%,小于15 mm,共占100%,沒有大于15 mm的斷面。

3.2 沉降變形曲線收斂規(guī)律研究

3.2.1 橋梁變形曲線收斂規(guī)律研究

為研究橋梁沉降變形曲線收斂規(guī)律,根據哈大鐵路客運專線線下工程沉降變形特點,按摩擦樁、明挖、柱樁、挖井等基礎形式,對累積沉降變形大于5 mm且具有一定代表性區(qū)段的橋墩(占總數(shù)的25.2%)變形過程進行了統(tǒng)計分析,其中主要為摩擦樁。

具體統(tǒng)計時段為恒載期(6個月)及恒載后3個月、4個月、5個月、6個月時累積沉降變形完成的比率,并對2個參數(shù)進行比較,一個是6個月實測累積沉降變形,另一個是預測的總變形,統(tǒng)計結果見表3。

表3 哈大鐵路客運專線橋墩臺沉降變形(大于5 mm)完成率統(tǒng)計

從上面統(tǒng)計結果分析,有以下幾方面的特點。

(1)對于明挖基礎,根據表1,全線6個月最大沉降為8.8 mm,按最不利考慮,3個月已沉降6.9 mm,剩余1.9 mm,后期變化不大；100年預測最大值11.54 mm,3個月沉降6.76 mm,剩余4.77 mm,完成比率雖未達到規(guī)范75%的要求,但與6個月相比變化不大,考慮其基礎已嵌入基巖,主要是其理論趨勢與實際的差異。

(2)對于摩擦樁基礎,根據表1,全線6個月最大沉降為12.3 mm,按最不利考慮,3個月已沉降10.66 mm,剩余1.67 mm,后期變化不大；100年預測最大值17.78 mm,3個月沉降12.81 mm,剩余4.97 mm,完成比率已達72%,與規(guī)范要求的75%相差不大。

(3)橋墩穩(wěn)定過程相對較短,對于摩擦樁基礎在架梁3 個月后,除個別墩外,沉降平均變形完成率大多已滿足了規(guī)范要求；從數(shù)據上看,除摩擦樁外的其他類基礎類型似乎變形緩慢,趨于穩(wěn)定的時間相對較長,在恒載6個月后,仍不完全滿足要求；但從具體分析看,此類墩總體變形比摩擦樁小且迅速趨于穩(wěn)定,大于5 mm的墩不多,造成此現(xiàn)象可能是因施工不便觀測不及時所致,代表性不強。

3.2.2 路基沉降變形曲線收斂趨勢研究

路基設計中,結合地質情況,部分路堤地段進行了堆載預壓,以加快路基沉降。另外,路基在施工完成前,即恒載前沉降量較大,因此,統(tǒng)計時段除考慮恒載后3個月、4個月、5個月、6個月時累積沉降變形完成的比率,也對恒載前的變化量進行了統(tǒng)計,統(tǒng)計結果見表4。

從統(tǒng)計結果看,無論是堆載還是非堆載路基,恒載前,即施工期產生的變形平均分別為57.8%、46.1%；恒載后3個月內,產生了較明顯的變形,沉降完成率分別達到85.7%、87.4%,僅從完成率看,后期沉降主要發(fā)生在前3個月,3個月已基本滿足了規(guī)范要求,此后已基本趨于穩(wěn)定,變形量變化不大。

表4 哈大鐵路客運專線路基沉降變形(大于10 mm點)完成率統(tǒng)計 %

4 評估后沉降變化情況分析

為驗證評估預測結果和掌握后期沉降變化情況,對部分典型工點6個月以后沉降觀測數(shù)據進行了分析和評估,并按以下原則進行：

(1)在各標段隨機挑選一部分單元,評估完成后繼續(xù)觀測時間超過2個月以上；

(2)在原數(shù)據序列的基礎上,追加評估通過的后續(xù)觀測資料,用同樣的模型重新進行回歸分析；

(3)結合新舊評估結果進行分析,比較兩次回歸預測總沉降之差,和后續(xù)實測沉降量與評估時的預測沉降量之差以及2次預測值之差加以驗證。

按以上原則,選取了約150個典型斷面,進行驗證分析計算,得出的結論基本是一致的,即總體上,兩次回歸分析預測值之差小于8 mm；工后沉降未發(fā)生明顯變化最后實測沉降與正式評估預測值之差大多在1 mm以內,表5為幾個典型工點的驗證數(shù)據。

表5 TJ-1標典型工點部分沉降預測值后驗證統(tǒng)計 mm

5 結語

通過對全線橋梁和路基沉降觀測數(shù)據、預測值及加恒載前后3～6個月沉降完成比率進行統(tǒng)計、計算、評估和分析,以及后期對沉降結果的進一步驗證,對哈大鐵路客運專線橋梁和路基沉降變形曲線收斂趨勢和規(guī)律,可初步得出以下結論。

(1)哈大鐵路客運專線橋梁、路基恒載后6個月,沉降已基本穩(wěn)定,相關指標也滿足規(guī)范要求,后期對個別代表性斷面又進行了驗證,無明顯變化。

(2)橋梁摩擦樁基礎,總的沉降量不大,3個月實際沉降量完成比率已達86.1%,與6個月相差不大；100年預測值,3個月完成比率已達72%,與規(guī)范要求的75%也相差不大。也就是說3個月沉降已基本穩(wěn)定,曲線已開始收斂。

(3)路基無論是堆載還是非堆載路基,恒載前變形較大,恒載后3個月內,產生路基沉降完成率分別達到85.7%、87.4%,基本滿足了規(guī)范75%的要求。也就是說恒載后3個月沉降已基本穩(wěn)定,曲線已開始收斂。

(4)哈大鐵路客運專線建設過程中,個別工點由于工期原因,架梁后3個月、路基堆載后5個月后,開始下道工序施工,即鋪板工作,通過后期繼續(xù)觀測和驗證,沉降變化不大,均在規(guī)范允許的范圍。

根據以上分析及哈大鐵路客運專線建設實際經驗,建議今后東北地區(qū)客運專線建設,相同工程措施、類似地質條件下,個別工點,確因工期緊張,通過增加觀測頻次,并經沉降分析,如沉降曲線趨于收斂,橋梁地段架梁3個月后可進行下道工序施工；路基堆載預壓地段,雖然恒載3個月后沉降已基本穩(wěn)定,但考慮路基基礎及本體施工影響因素較多,因此恒載5個月后,進行下道工序施工為好。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2006]158號 客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2006]189號 客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

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[4] 周全能，姜領發(fā).客運專線路基沉降特征及影響因素分析[J].鐵道標準設計，2010(2).

[5] 余飛，樂紅，韓卓，等.鐵路客運專線超載預壓路基變形特征與卸載時間確定方法[J].鐵道標準設計，2010(2).