嚴(yán) 斌

(滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇南京 210042)

高速鐵路建成運(yùn)營(yíng)后，一旦路基沉降超過(guò)限值，不僅影響行車平順性，有時(shí)甚至?xí)斐缮?cái)產(chǎn)的極大危害。受地理?xiàng)l件的限制，很多高速鐵路不得不建造在深厚的軟土地基上。軟黏土路基在外荷載作用下，其沉降一般較大，通常在建造時(shí)需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的堆載預(yù)壓或一定的工程措施，以消除或減少大部分固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降［1］。盡管如此，路基的工后沉降仍然不可避免存在，如何觀測(cè)路基沉降和對(duì)工后沉降進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并確保預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較吻合，應(yīng)該是建設(shè)高速鐵路一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。

1 工程背景及試驗(yàn)段選

滬寧城際鐵路是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城際客運(yùn)鐵路規(guī)劃線網(wǎng)的主骨架，起自上海，終到南京，正線全長(zhǎng)300.209 km，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h以上。南京至丹陽(yáng)段線路通過(guò)剝蝕低山丘陵區(qū)及長(zhǎng)江河谷階地，丹陽(yáng)至上海段線路通過(guò)長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，全線軟土、松軟土分布廣泛，軟土及松軟土地基總長(zhǎng)195.9 km，其中軟土地基總長(zhǎng)134.849 km(109處)，松軟土地基總長(zhǎng)61.019 km(92處)。為處理好軟土路基問(wèn)題，滬寧城際鐵路在建設(shè)過(guò)程中確立、制定和細(xì)化了有關(guān)軟土路基、臨近既有線管樁、CFG樁施工技術(shù)方案和工藝方法，并十分關(guān)注路基的工后沉降問(wèn)題。

2 滬寧城際鐵路路基沉降監(jiān)測(cè)方案

滬寧客運(yùn)專線路基總長(zhǎng)約96.8 km，約占線路全長(zhǎng)的32.2%。其中一標(biāo)段至四標(biāo)段路基所占比例較大，分別占40.00%，48.02%，58.40%和44.87%。各個(gè)標(biāo)段在每段路基的施工過(guò)程中同步開展了路基沉降變形觀測(cè)，共埋設(shè)臨時(shí)沉降板2 930個(gè)，長(zhǎng)期觀測(cè)沉降板4 044個(gè)，大密度的沉降板埋設(shè)工作足以保證路基沉降觀測(cè)工作的順利進(jìn)行以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

滬寧城際鐵路路基工程沉降變形觀測(cè)以路基面沉降觀測(cè)和地基沉降觀測(cè)為主，在沉降監(jiān)測(cè)過(guò)程中根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位、填方高度、地基條件、堆載預(yù)壓等具體情況來(lái)設(shè)置沉降變形觀測(cè)斷面。同時(shí)根據(jù)施工過(guò)程中掌握的地形、地質(zhì)變化情況調(diào)整或增設(shè)觀測(cè)斷面。軟土、松軟土路堤地段觀測(cè)斷面包括剖面沉降管、沉降觀測(cè)樁、沉降板和位移觀測(cè)樁。沉降觀測(cè)樁每斷面設(shè)置3個(gè)，布置于雙線路基中心及兩側(cè)各2 m處，沉降板位于雙線路基中心，位移觀測(cè)邊樁分別位于兩側(cè)坡角2 m，10 m處，并與沉降觀測(cè)樁及沉降板位于同一斷面上，剖面沉降管位于基底。觀測(cè)線路示意如圖1。

圖1 沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)及觀測(cè)路線示意

1)沉降觀測(cè)樁。選擇φ20 mm鋼筋，頂部磨圓，底部焊接彎鉤，待基床表層級(jí)配碎石施工完成后，通過(guò)測(cè)量放樣埋置在設(shè)計(jì)的斷面位置，埋置深度不小于0.3 m，樁周0.15 m用C15混凝土澆筑固定，完成埋設(shè)后測(cè)量樁頂高程作為初始讀數(shù)。測(cè)樁埋設(shè)布置圖如圖2所示。

圖2 路基沉降觀測(cè)樁(單位:mm)

2)沉降板。一般情況下的沉降板由底板、金屬測(cè)桿(φ20鍍鋅鐵管)及保護(hù)套管(φ49 PVC管)組成。鋼筋混凝土底板尺寸為50 cm×50 cm，厚3 cm或鋼底板尺寸為30 cm×30 cm，厚0.8 cm。測(cè)量埋設(shè)就位的沉降板測(cè)桿桿頂高程讀數(shù)作為初始讀數(shù)，隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測(cè)桿和保護(hù)套管，每次接長(zhǎng)高度以0.5 m為宜，接長(zhǎng)前后應(yīng)測(cè)量桿頂高程變化量以確定接高量。金屬測(cè)桿用內(nèi)接頭連接，保護(hù)套管用PVC管外接頭連接。見圖3。

路基沉降觀測(cè)頻次見表1。

圖3 路基沉降板

表1 路基沉降觀測(cè)頻次

3 滬寧城際路基沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及變形特點(diǎn)分析

3.1 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

隨著滬寧城際鐵路工程進(jìn)度的開展，經(jīng)過(guò)對(duì)滬寧城際鐵路一至四標(biāo)長(zhǎng)期的沉降觀測(cè)，得到了路基沉降的數(shù)據(jù)(表2及圖4)。由于沉降板埋設(shè)于基底，觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，86.07%的沉降板觀測(cè)時(shí)間超過(guò)3個(gè)月，43.96%的沉降板觀測(cè)時(shí)間超過(guò)6個(gè)月，保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和實(shí)用性。

表2 滬寧城際一至四標(biāo)段路基沉降板累計(jì)沉降點(diǎn)統(tǒng)計(jì) 個(gè)

圖4 三標(biāo)段路基沉降板最大沉降曲線

3.2 數(shù)據(jù)分析

1)路基沉降板沉降量在0～10 mm的情況占絕大多數(shù)，共占83.68%。

2)出現(xiàn)隆起的沉降板數(shù)量較多，共占13.93%。分析原因主要有以下幾點(diǎn):①測(cè)量誤差引起，因二等水準(zhǔn)測(cè)量誤差為±1 mm，對(duì)于沉降變形絕對(duì)值很小，但波動(dòng)很大的沉降板，累計(jì)沉降在－2 mm以內(nèi)的基本為沉降觀測(cè)誤差引起;②首期觀測(cè)高程有問(wèn)題引起，首期觀測(cè)值是確定沉降量的標(biāo)準(zhǔn)，初始高程的誤差會(huì)直接影響所觀測(cè)沉降板的沉降量;③由于沉降板埋設(shè)于路基中線，而埋設(shè)沉降板的斷面不能用大型機(jī)械進(jìn)行碾壓，當(dāng)周圍路基反復(fù)碾壓以后會(huì)造成沉降板附近路基的少量隆起，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)上出現(xiàn)的隆起現(xiàn)象;④工作基點(diǎn)高程變動(dòng)，從線路區(qū)段縱斷面看，連續(xù)區(qū)域沉降地段很少，多為個(gè)別工作基點(diǎn)變化，只有個(gè)別地段因工作基點(diǎn)下沉，造成部分沉降板觀測(cè)數(shù)據(jù)為負(fù)。

4 三點(diǎn)法和雙曲線法預(yù)測(cè)及精度對(duì)比

4.1 三點(diǎn)法(固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法)［2］

對(duì)于線彈性土體，應(yīng)力定義固結(jié)度U，等于應(yīng)變定義固結(jié)度Ut，所以，土體的壓縮過(guò)程在理論上也被認(rèn)為符合指數(shù)曲線關(guān)系。常見的形式有

式中，α，β為與地基排水條件、地基土性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，時(shí)間t時(shí)地基固結(jié)度定義為

式中，St為t時(shí)刻沉降;Sd為初始沉降;S為最終沉降量。

聯(lián)立兩式可得

即

為求t時(shí)刻的沉降，上式右邊有四個(gè)未知數(shù)Sd，S，α，β，由實(shí)測(cè)的初期沉降時(shí)間曲線(S—T曲線)任意選取三點(diǎn)(t1，S1)，(t2，S2)，(t3，S3)，并使t2－ t1=t3－ t2，分別代入式(4)中，可得一聯(lián)立方程。再依聯(lián)立方程求出 β，α，Sd及 S。

選取四標(biāo)段的幾個(gè)關(guān)鍵斷面用三點(diǎn)法進(jìn)行了沉降預(yù)測(cè)，結(jié)果見表3。

4.2 修正雙曲線法［2-3］

對(duì)于高壓縮性軟土來(lái)說(shuō)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，因此軟土的實(shí)際壓縮過(guò)程也可以按雙曲線表示。雙曲線方程為

式中，S1，St，S 分別為初始、t時(shí)、最終沉降量。

解方程，并令

求參數(shù)a

計(jì)算最終沉降量S

利用雙曲線法對(duì)同樣的斷面進(jìn)行工后沉降預(yù)測(cè)，分析結(jié)果以及預(yù)測(cè)精度、相關(guān)系數(shù)等如表4所示。

4.3 兩種模型對(duì)比分析

從兩種預(yù)測(cè)模型的結(jié)果中可以看出，在觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，三點(diǎn)法和雙曲線法都能較好地預(yù)測(cè)高速鐵路軟土路基的工后沉降。由于實(shí)測(cè)曲線基本處于收斂階段，且對(duì)所選三點(diǎn)要求盡可能相距較遠(yuǎn)，才能保證較好的預(yù)測(cè)精度;還有在軟土路堤施工過(guò)程中，影響地基穩(wěn)定性的因素很多，路基施工條件復(fù)雜，施工過(guò)程中不能保證等速加荷，使得三點(diǎn)法的預(yù)測(cè)精度稍差。而雙曲線法利用最小二乘法計(jì)算，把荷載系數(shù)引入到了預(yù)測(cè)模型中，根據(jù)預(yù)測(cè)模型可計(jì)算出在不同荷載下測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)值，這點(diǎn)與軟土地基的施工情況相符合;且由于高壓縮性軟土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，壓縮過(guò)程也不一定符合指數(shù)關(guān)系，對(duì)雙曲線法進(jìn)行修正以后可以有效地提高預(yù)測(cè)精度。軟土地基沉降預(yù)測(cè)必須在軟土地基處理完畢，填方已經(jīng)完成并有一定的預(yù)壓時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這就造成了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)存在階梯狀態(tài)，采用修正雙曲線法預(yù)測(cè)精度會(huì)優(yōu)于三點(diǎn)法。

表4 雙曲線法預(yù)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文選取了具有大量軟土地區(qū)的滬寧城際鐵路四個(gè)標(biāo)段的路基進(jìn)行沉降觀測(cè)和最終工后沉降預(yù)測(cè)，分別運(yùn)用三點(diǎn)法和修正雙曲線法進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析二者的預(yù)測(cè)精度并進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

1)影響軟土地區(qū)高速鐵路路基沉降的因素很多，只有布置穩(wěn)定的沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)并進(jìn)行嚴(yán)格的沉降監(jiān)測(cè)，才能使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)很好地反應(yīng)實(shí)際的路基沉降量。

2)在進(jìn)行了長(zhǎng)期的沉降觀測(cè)的基礎(chǔ)上(一般需要半年左右)，三點(diǎn)法和修正雙曲線法都具有較高的預(yù)測(cè)精度，二者都可用作預(yù)測(cè)軟土地區(qū)路基的工后沉降。

3)由于高速鐵路軟土地區(qū)會(huì)采取較多的地基處理措施，且在施工過(guò)程中也會(huì)伴隨著地基處理，導(dǎo)致路基施工不能保證等時(shí)間間隔以及等速加載，故相比之下修正雙曲線法更適合于工后沉降的預(yù)測(cè)。

［1］ 答治華．京滬高速鐵路路基工程設(shè)計(jì)與施工［J］．鐵道建筑，2009(7):1-4．

［2］ 鐵道部工程管理中心．客運(yùn)專線鐵路變形觀測(cè)評(píng)估技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［3］ 閆宏業(yè)，劉莉，廖志剛，等．采用改進(jìn)的修正雙曲線法預(yù)測(cè)高速鐵路路基沉降［J］．鐵道建筑，2011(12):92-94．