劉向云

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

京滬高速鐵路施工過程中結(jié)構(gòu)物不均勻沉降原因分析及調(diào)整措施

劉向云

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

結(jié)合京滬高速鐵路京濟(jì)段施工過程中路基、橋梁等沉降不均勻的情況,對地質(zhì)條件、人為抽吸地下氣和液體、施工組織計(jì)劃、外界客觀因素、結(jié)構(gòu)物類型不同等因素進(jìn)行原因分析,并根據(jù)施工過程中實(shí)際的精密測量數(shù)據(jù)具體分析。按照高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)精度的要求,研究應(yīng)對調(diào)整措施,經(jīng)過分析研究借鑒既有線放大縱斷面依據(jù)軌面高程值進(jìn)行坡度模擬,及時調(diào)整設(shè)計(jì)坡度,調(diào)整無砟軌道底座板厚度,滿足高速鐵路運(yùn)營安全、舒適度的要求。

高速鐵路;工程施工;不均勻沉降;實(shí)施措施

1 京滬高速鐵路北京至濟(jì)南段工程概況

京滬高速鐵路北京至濟(jì)南段,線路自北京南站(DK0+000)西端引出,并行西黃線至黃村后沿京山線經(jīng)北京市、廊坊市、天津市、滄州市、德州市至黃河北岸(DK406+918.87),線路長393.51 km。本段含北京南、廊坊、天津南、滄州西、德州東5個車站,路基長22.92 km(含車站),橋梁占線路長度比例為94.2%。

2 施工過程中結(jié)構(gòu)物沉降量不均勻產(chǎn)生的原因分析

京滬高速鐵路于2008年4月18日開工建設(shè), 2010年6月開始鋪設(shè)無砟軌道。結(jié)構(gòu)物沉降量不均勻產(chǎn)生的原因很多,如:沿線地質(zhì)條件較差,軟土地段較多;人為抽吸地下氣、液體引起的地面沉降;施工組織計(jì)劃,需要不同時間修建路基及橋梁等工程;受外界客觀因素影響不能按時施工的結(jié)構(gòu)物工點(diǎn)的部分路基及橋墩;結(jié)構(gòu)物類型不同;施工測量影響等原因。結(jié)構(gòu)物沉降量不均勻產(chǎn)生的原因分析如下。

2.1 地質(zhì)條件因素

京滬高速鐵路北京至濟(jì)南段地質(zhì)條件較差,廣泛分布新生界第四系松散堆積層,厚度可達(dá)70～600 m,地層主要為第四系沖積層、沖洪積層、海積層,一般以黏性土、粉土、砂類土為主,特別是第四系全新統(tǒng)沖海積層(軟土層)厚度8～40 m。由于軟土的厚度不同,當(dāng)建筑路基或橋梁、涵洞時,不同的工點(diǎn)會產(chǎn)生差異性的沉降量,產(chǎn)生不均勻沉降值。

2.2 人為抽吸地下氣、液體因素

影響地面沉降的因素主要為人為抽吸地下氣、液體引起的地面沉降。其中開采地下水、地下熱水、油氣而引起的地面沉降,是地面沉降現(xiàn)象中發(fā)育最普遍、危害性最嚴(yán)重的一類,其次是大面積地面堆載引起的地面沉降。

設(shè)計(jì)單位對京濟(jì)段進(jìn)行過沉降問題的專題研究,沿線地面沉降主要發(fā)生在北京市東部及南部,廊坊市,天津市的武清、西青、靜海及濱海地帶,滄州市,德州市等地區(qū)及附近地區(qū)。各個地面沉降區(qū)內(nèi)的沉降、沉降幅度及沉降速率均有所不同。根據(jù)收集各地區(qū)地面沉降測量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),自有觀測記錄以來,北京大興地面沉降區(qū)最大累計(jì)沉降量達(dá)到0.791 m,天津地區(qū)主要沉降中心為市區(qū)、武清、西清和靜海,市區(qū)和武清中心最大累計(jì)沉降量分別為2.913、2.898 m;河北地區(qū)主要沉降中心為滄州、廊坊,最大累計(jì)沉降量分別為2.457、0.48 m;山東德州沉降區(qū),最大累計(jì)沉降量達(dá)0.936 m。不同區(qū)域的沉降中心仍在不斷發(fā)展,并且有連成一片的趨勢。

京滬高速鐵路北京至徐州段2007年5月建成二等水準(zhǔn)網(wǎng),自2008年開工建設(shè)以來,多次對京濟(jì)段的水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。分別于2009年3月進(jìn)行京徐段水準(zhǔn)復(fù)測、2009年8月進(jìn)行京濟(jì)段水準(zhǔn)復(fù)測、2009年11月進(jìn)行京濟(jì)段水準(zhǔn)復(fù)測、2010年4月進(jìn)行京濟(jì)段水準(zhǔn)復(fù)測。根據(jù)每次復(fù)測的結(jié)果與2007年5月水準(zhǔn)成果分析,北京至濟(jì)南段累計(jì)共有32.1%的測段復(fù)測高差超過允許的限制標(biāo)準(zhǔn),個別水準(zhǔn)點(diǎn)或個別段落內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)存在不同程度的沉降,而且不均勻沉降趨勢比較明顯。由于人為抽吸地下氣、液體分布沿線不同的地段,并且不是均勻分布,對工程工點(diǎn)會產(chǎn)生不同的影響;因此不同的工點(diǎn)會產(chǎn)生不同的沉降值。

2.3 施工組織計(jì)劃因素

京滬高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高,特別是京濟(jì)段處于平原地區(qū),高程控制點(diǎn)較少,全線平均坡段長度為1 875 m,最長坡段為9 200 m,該坡段在天津靜海附近設(shè)計(jì)里程為DK152+100～DK161+300。

在2年多的土建施工過程中,按照施工組織要求,路基、橋梁、涵洞、隧道、無砟軌道等按照施工計(jì)劃進(jìn)行有序先后的施工。由于京滬高速鐵路坡段設(shè)計(jì)較長,通常一個坡段長縱貫不同的重點(diǎn)工點(diǎn)、多個橋墩臺及路基等工點(diǎn),各個工點(diǎn)工程內(nèi)容、種類、施工工序等要求不同。根據(jù)施工組織計(jì)劃安排,會出現(xiàn)先期施工地段與后期施工地段。因此,各個結(jié)構(gòu)物建成及增加荷載時間不同,結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的沉降量也不相同。根據(jù)現(xiàn)場測量情況,在同一個坡段長上如:DK152+100～DK161+300坡段長為9 200 m,本坡段約285個橋墩,施工組織計(jì)劃先后需要半年完成;由于同一坡段上285個橋墩不能同時施工,各個橋墩建成后對地面產(chǎn)生荷載的時間長短不同,產(chǎn)生了不同的沉降值。

2.4 受外界因素影響不能按時施工因素

京濟(jì)段經(jīng)過北京、廊坊、天津、滄州、德州等大城市,需要跨越的重點(diǎn)工點(diǎn)較多,先后跨越4條鐵路、4條高速公路、60多條等級公路和規(guī)劃路、多條河流、下鉆多處高壓電力走廊。橋梁工程長度占線路長度比例為94.2%。每處橋梁跨越工點(diǎn)的設(shè)計(jì)施工方案,必須向產(chǎn)權(quán)所屬單位及相關(guān)部門進(jìn)行匯報,經(jīng)產(chǎn)權(quán)所屬單位同意,才能發(fā)放各種施工許可證,才能夠進(jìn)行工程實(shí)施。

在實(shí)施過程中,如:跨越北京局所屬京滬、京九、津霸鐵路和朔黃公司所屬朔黃鐵路的橋跨方案及施工方案,經(jīng)過了多次和長時間的匯報及專家審查,才最后批準(zhǔn)工程實(shí)施方案;控制工點(diǎn)的墩臺與相鄰的一般的墩臺建成時間相差近6個月之多。跨越北京市、廊坊市、天津市、滄州市、德州市的現(xiàn)有等級公路和規(guī)劃道路的橋跨方案及施工方案,更是經(jīng)過多次向多部門的匯報、專家審查才獲得通過;控制工點(diǎn)的墩臺與相鄰的一般的墩臺建成時間相差近8個月之多。另外,高速鐵路下鉆多處電力高壓走廊,由于原有高壓線距地面的高度較低,高壓電力線的抬高遷改更是橋梁建設(shè)的控制點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)物的建成時間相差較長,對地面產(chǎn)生荷載的時間長短不同,部分地段結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的沉降量不同,形成了局部不均勻沉降。線路經(jīng)過廊坊市區(qū)地段,路基長度12 km其中含廊坊車站路基2.2 km;在施工過程中,廊坊站兩端區(qū)間9.8 km路基按照施工計(jì)劃完成工程施工,并進(jìn)行路基預(yù)壓工程;但廊坊車站段受拆遷工程遲遲不能完成的影響,廊坊車站段路基無法施工,待拆遷完成后,原有的路基施工方案已無法按原施工計(jì)劃完成。變更施工方案后,由于采用打樁方案進(jìn)行地基處理,施工產(chǎn)生噪聲較大,又招致附近居民的阻工行為,以至于本段路基未按設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)壓施工,導(dǎo)致廊坊車站段路基與其他段路基產(chǎn)生不同的沉降值。

2.5 結(jié)構(gòu)物類型不同

按照工程設(shè)計(jì)原則,考慮車站設(shè)置的需要、工程投資節(jié)省要求、跨越河流、跨越交通設(shè)施和穿越山區(qū)的需求,設(shè)計(jì)上會考慮車站、路基、橋梁、涵洞、隧道等工程相結(jié)合,如:車站與路基結(jié)合段、路橋過渡段、路涵過渡段、路隧過渡段等;由于各類結(jié)構(gòu)物工程的設(shè)計(jì)要求及剛度不同,各類工程之間需要采用過渡段進(jìn)行連接,以消除各類結(jié)構(gòu)物剛度不同對線路平順性的影響。但由于各類結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的要求不同,基礎(chǔ)處理措施不同,建成的時間不同;因此,在建設(shè)過程中,橋梁、涵洞、隧道等產(chǎn)生的沉降量小,而路基的沉降量大,并且建成后對地面產(chǎn)生荷載時間不同、地基處理要求也不同,不同的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不同沉降值。

2.6 施工測量因素

由于測量儀器、測量精度以及操作人員的影響,對結(jié)構(gòu)物的實(shí)際高程值測量會有一定的影響,測量結(jié)果會與實(shí)際高程值有一點(diǎn)的偏差,使分析結(jié)果體現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的沉降量產(chǎn)生不均勻沉降值。

3 調(diào)整措施研究

3.1 調(diào)整不均勻沉降量的措施

由于北京至濟(jì)南段地面區(qū)域結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生沉降量不同的影響,使原施工圖線路縱斷面設(shè)計(jì)軌面高程與現(xiàn)場實(shí)測值不符,產(chǎn)生起伏頻繁、坡段長非常小的線路縱斷面。為保證高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)軌道板標(biāo)準(zhǔn)要求,在施工過程橋梁鋪架完成后,根據(jù)沿線水準(zhǔn)點(diǎn)高程值變化,對梁面高程進(jìn)行實(shí)際精密測量。經(jīng)過實(shí)測數(shù)值的分析研究,借鑒既有線放大縱斷面依據(jù)軌面高程值進(jìn)行坡度模擬的原理,及時根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度模擬,推算軌面高程值,并對原設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行調(diào)整,推算軌面高程,重新調(diào)整線路縱斷面坡度和軌面設(shè)計(jì)高程,滿足無砟軌道鋪設(shè)軌道板標(biāo)準(zhǔn)要求。

調(diào)整采用的數(shù)據(jù)為2009年11月實(shí)測梁面高程數(shù)據(jù)和部分2010年4月補(bǔ)充實(shí)測梁面高程數(shù)據(jù),進(jìn)行線路縱斷面坡度擬合設(shè)計(jì)。

3.1.1 橋梁地段線路斷面坡度擬合調(diào)整方法

橋面高程測量水準(zhǔn)點(diǎn)采用引測的高程點(diǎn)或CPⅢ高程作為基準(zhǔn)點(diǎn),采用精密電子水準(zhǔn)儀測量。

在需要測量的位置標(biāo)識油漆點(diǎn),測點(diǎn)作為中視點(diǎn)測量,儀器架設(shè)在相鄰CPⅢ點(diǎn)中間,水準(zhǔn)路線采用CPⅢ高程控制點(diǎn)閉合檢核。

每片梁橋面高程測量測點(diǎn)布置14個,均在左右線路中心線上,其中兩端1.5 m凹槽處各布設(shè)4個測點(diǎn),梁面凸臺上布設(shè)6個點(diǎn),跨度較大連續(xù)梁可在1/4跨增加2個測點(diǎn)。如圖1所示。

橋梁地段,盡量考慮大范圍的平行調(diào)整,不改變原設(shè)計(jì)坡度或少量改動原設(shè)計(jì)坡度;調(diào)坡前后,原設(shè)計(jì)的變坡點(diǎn)里程及豎曲線半徑不能變化。

圖1 高程測量測點(diǎn)布置(單位:cm)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行縱斷面坡度模擬時,為減少軌道結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整,減少橋梁梁面的打磨工作量,并滿足橋梁鋼筋保護(hù)層的要求,縱斷面調(diào)整值按-15～40 mm進(jìn)行控制,通過調(diào)整CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板的厚度來實(shí)現(xiàn)。具體根據(jù)橋梁梁面高程測點(diǎn)精密測量數(shù)據(jù),并參照原有線路縱斷面設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行坡度模擬。通過模擬坡度設(shè)計(jì)高程值與實(shí)測高程高差進(jìn)行分析比較,確定合理的模擬線路縱斷面,最后確定每個測點(diǎn)軌道底座板的抬降值。

調(diào)坡后需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,若對打磨后的軌道板產(chǎn)生較大影響時,需要重新進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì),滿足無砟軌道規(guī)范要求。局部橋梁地段調(diào)整線路縱斷面,如圖2所示。

3.1.2 路基地段線路斷面坡度擬合調(diào)整方法

路基高程測量標(biāo)準(zhǔn)和擬合調(diào)整措施同橋梁地段。在路基地段每隔50 m和各個路涵、路橋過渡段的起終點(diǎn),在左右線路中心線路基面上各標(biāo)注1個測點(diǎn),同橋梁地段相同方法對各個測點(diǎn)進(jìn)行精密測量。

圖2 局部橋梁地段調(diào)整線路縱斷面

路基地段根據(jù)路基面的高程,路橋過渡段、路涵過渡段的測量數(shù)值進(jìn)行模擬分析;路基與橋梁相接地段應(yīng)以橋梁地段為主進(jìn)行調(diào)整,路基地段與橋梁地段協(xié)調(diào)一致進(jìn)行調(diào)整。橋梁相接地段及相接的路基局部地段模擬調(diào)整原則與橋梁地段相同;全部路基地段,在滿足與橋梁相接地段要求的前提下,可進(jìn)行局部調(diào)整,調(diào)整措施為補(bǔ)填路基面填料,滿足調(diào)整縱斷面后的高程要求。

調(diào)坡后需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,路基地段按照調(diào)整的設(shè)計(jì)坡度重新調(diào)整軌道板的設(shè)計(jì),對軌道板需要重新進(jìn)行布置,滿足無砟軌道規(guī)范要求。局部路基地段調(diào)整線路縱斷面,如圖3所示。

圖3 局部路基地段調(diào)整線路縱斷面

3.2 軌道工程調(diào)整方式

(1)根據(jù)調(diào)整后的軌面高程,對底座板厚度進(jìn)行調(diào)整,具體調(diào)整通過布板軟件控制底座板上表面高程來實(shí)現(xiàn),底座板厚度根據(jù)梁面高程情況進(jìn)行變化,軌道結(jié)構(gòu)高度按-15～40 mm進(jìn)行調(diào)整,通過調(diào)整CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板的厚度來實(shí)現(xiàn)。對于底座板厚度變化在-15～20 mm的,需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整混凝土墊塊的高度,以滿足鋼筋保護(hù)層的要求。對于底座板厚度變化在-20～40 mm,需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算,必要時需要增加配筋,同時調(diào)整橫向箍筋尺寸,滿足鋼筋保護(hù)層的要求。對于底座板厚度變化大于40 mm范圍的,調(diào)整底座板設(shè)計(jì),增加配筋,調(diào)整橫向箍筋尺寸。

(2)采用調(diào)整后的線路數(shù)據(jù)對軌道布板軟件的系統(tǒng)文件進(jìn)行更新,用于底座板的放樣。

4 結(jié)語

結(jié)合京滬高速鐵路北京至濟(jì)南段施工過程中路基、橋梁等沉降不均勻的情況,對地質(zhì)條件、人為抽吸地下氣和液體、施工組織計(jì)劃、外界客觀因素、結(jié)構(gòu)物類型不同等因素進(jìn)行原因分析。按照施工過程中的實(shí)際情況,對橋梁、路基等地段進(jìn)行測點(diǎn)布置并進(jìn)行精密測量,依據(jù)測量數(shù)據(jù)的成果進(jìn)行線路縱斷面坡度模擬,并計(jì)算完成每個測點(diǎn)模擬設(shè)計(jì)高程與實(shí)測高程的差值,研究應(yīng)對調(diào)整措施,對無砟軌道底座板厚度調(diào)整,滿足高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)的精度和安全運(yùn)營、旅客舒適度的要求。不均勻沉降量產(chǎn)生的原因分析得當(dāng),調(diào)整措施可行,可供其他客運(yùn)專線鋪設(shè)無砟軌道時借鑒。

參考文獻(xiàn):

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.京滬高速鐵路區(qū)域沉降縱斷面調(diào)整Ⅰ類變更文件[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2010.

[3] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.京滬高速鐵路精密控制及變形監(jiān)測技術(shù)方案設(shè)計(jì)[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2007.

[4] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.中國華北地區(qū)地面沉降對高速鐵路工程的影響及對策研究(2009JB-3-074)[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2009.

[5] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函(2009)674號高速鐵路無砟軌道工程施工精調(diào)作業(yè)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

[6] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.高速鐵路北京至徐州段線路篇文件[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2007.

[7] 胡志鵬,等.高墩大跨梁橋墩沉降對橋上無縫線路的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(10):23-26.

[8] 趙立寧,等.地面沉降對路基上單元板式無砟軌道平順性影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(10):15-18.

[9] 周建東.高速鐵路底座混凝土模板精密測量裝置[J].鐵道勘察, 2013(3):5-6.

[10]趙歡,等.嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路基凍融沉降數(shù)值模擬研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(12):5-8.

[11]冷長明.高速鐵路不均勻沉降的因素及機(jī)理分析[J].高速鐵路技術(shù),2011,2(3):5-8.

[12]周萌,等.路基不均勻沉降值對板式軌道動力響應(yīng)的影響[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(10):1-4.

Reason Analysis and Adjustment Measures of Uneven Structure Settlement during Construction of Beijing-Shanghai High-speed Railway

LIU Xiang-yun
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

U238

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.017

1004-2954(2014)08-0073-04

2014-03-20

劉向云(1962—),男,高級工程師,1988年畢業(yè)于北京交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)大學(xué)本科(函授)。