鄭西客運(yùn)專線路基沉降觀測設(shè)計(jì)及分析

許興旺（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基處，陜西 西安710043）

1 前言

高速鐵路工程目前在我國進(jìn)入了建設(shè)高潮期，對(duì)于無砟軌道高速鐵路客運(yùn)專線路基工程，沉降要求控制在15mm 內(nèi)，這給路基工程沉降控制帶來較大的困難，有效控制路基工程的沉降成為了高速鐵路建設(shè)成敗的關(guān)鍵，關(guān)系著鐵路運(yùn)營的安全與舒適性。路基工程除了需要采取有效的地基處理和填料加固處理措施外，尚需要對(duì)其沉降發(fā)展進(jìn)行有效的監(jiān)控才能準(zhǔn)確確定無砟軌道的鋪設(shè)時(shí)間，并消除路基工程在通車運(yùn)營過程中發(fā)生較大沉降的安全隱患。高速鐵路無砟軌道客運(yùn)專線路基沉降觀測設(shè)計(jì)，目前是一個(gè)對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)者比較陌生的領(lǐng)域，結(jié)合鄭西高鐵客運(yùn)專線路基沉降觀測設(shè)計(jì)與沉降觀測分析的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)黃土地區(qū)高速鐵路客運(yùn)專線沉降控制進(jìn)行研究和探索。

2 黃土地區(qū)高速鐵路路基沉降控制的特點(diǎn)

黃土的特點(diǎn)是土層一般為欠飽和土，遇水浸濕后在外力或自重應(yīng)力作用下容易發(fā)生濕陷，造成突然坍塌，在施加荷載后土層通常能在較短的時(shí)間內(nèi)完成固結(jié)沉降。

無砟軌道客運(yùn)專線路基總沉降一般小于3cm，路基要求控制的工后沉降量目標(biāo)值一般地段不大于15mm，路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不大于5mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1000。對(duì)于這種嚴(yán)密沉降的觀測，需要采用的儀器精確度較高，在沉降觀測的過程中往往由于儀器觀測精度原因使得沉降觀測數(shù)據(jù)失準(zhǔn)。

3 黃土地區(qū)客運(yùn)專線路基沉降觀測的設(shè)計(jì)

路基沉降變形控制是高速鐵路客運(yùn)專線路基工程地基處理設(shè)計(jì)的核心問題，路基沉降包括地基沉降、填料沉降。填料沉降在施工靜置期內(nèi)基本完成，地基沉降在開通運(yùn)營后尚會(huì)繼續(xù)發(fā)展，路基沉降觀測設(shè)計(jì)的重點(diǎn)應(yīng)為監(jiān)控路基的地基沉降，黃土地區(qū)沉降控制一般應(yīng)以豎向控制為主，水平位移較小可不作為沉降觀測的重點(diǎn)。

鄭西高速鐵路客運(yùn)專線沉降觀測在設(shè)計(jì)時(shí)，沉降觀測斷面布設(shè)間距一般地段為50 ～100m，復(fù)雜地段根據(jù)需要加密，過渡段處沉降觀測應(yīng)結(jié)合過渡段的類型進(jìn)行加密（一般在過渡段起點(diǎn)、5m、20m 處分別布設(shè)沉降觀測斷面）。觀測的頻率在前期1 ～3 個(gè)月較大，3 ～6 個(gè)月以后的沉降觀測頻率可適當(dāng)減少，在雨季或下雨時(shí)應(yīng)加大路基沉降觀測的頻率。

3.1 路堤地段沉降觀測斷面的布設(shè)

根據(jù)黃土路堤沉降的特點(diǎn)，采用以下沉降觀測點(diǎn)布設(shè)方式：在線路中心線布設(shè)1 組組合式沉降板（每組包括觀測內(nèi)容中要求深度上的不同部位），路基兩側(cè)路肩布設(shè)變形觀測樁。沉降板一般設(shè)置在路基基底，當(dāng)采用堆載預(yù)壓處理措施時(shí)，宜在堆載預(yù)壓的底部（基床頂部）增加設(shè)置沉降板觀測路基的沉降，詳見圖1。

圖1 路堤地段沉降觀測標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3.2 路塹地段沉降觀測斷面的布設(shè)

路塹地段沉降量較小，路基沉降觀測的重點(diǎn)應(yīng)為監(jiān)控路基的濕陷沉降和豎向沉降，宜在線路中心設(shè)置組合式沉降板1 組或兩側(cè)路肩各設(shè)觀測樁1 個(gè)，詳見圖2。挖方較淺時(shí)建議在路基的中部布設(shè)沉降板；挖方較大時(shí)沉降量較小，僅在路肩布設(shè)觀測樁。

圖2 路塹地段沉降觀測標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3.3 過渡段沉降觀測斷面的布設(shè)

過渡段工 后沉降的分析評(píng)估應(yīng)沿線路方向考慮各觀測斷面和各種結(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系綜合進(jìn)行。對(duì)線路不同下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物之間以及不同地基條件或不同地基處理方法之間形成的各種過渡段，應(yīng)重點(diǎn)分析評(píng)估其差異沉降。

過渡段沉降觀測以路基面沉降和不均勻沉降觀測為主，在線路兩側(cè)設(shè)置地基和路肩觀測樁，在過渡段范圍內(nèi)布置剖面沉降管，并在管口設(shè)置沉降觀測樁。

沉降觀測裝置的具體埋設(shè)位置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，且埋設(shè)穩(wěn)定。觀測期間應(yīng)對(duì)觀測裝置采取有效的保護(hù)措施。

于路肩兩側(cè)各設(shè)置一處觀測樁，觀測樁露出地表或基床，其埋設(shè)應(yīng)牢固可靠。每個(gè)路涵過渡段路基設(shè)置6 個(gè)觀測斷面，分別設(shè)置于結(jié)構(gòu)物與路基交界處，距離結(jié)構(gòu)物5 ～10m 處，距離結(jié)構(gòu)物10 ～20m 處。在路基基床底層的頂部，沿線路垂向布置剖面沉降管1 處，兩端管口處各布置沉降觀測樁1 處，剖面管布設(shè)示意圖詳見圖3、圖4。

圖3 路橋過渡段剖面管布置示意圖

圖4 路涵過渡段剖面管布置示意圖

4 鄭西客運(yùn)專線沉降觀測曲線的分析

4.1 鄭西客運(yùn)專線路基沉降觀測分析的情況

鄭西運(yùn)專線路基填筑完成后，對(duì)路基工程進(jìn)行了3 ～12 個(gè)月沉降觀測，通過沉降觀測結(jié)果的對(duì)比分析，雙曲線分析法比較適合黃土地區(qū)地基無砟軌道高速鐵路客運(yùn)專線沉降觀測數(shù)據(jù)的分析，3 個(gè)月的沉降觀測值對(duì)雙曲線擬合性明顯好于其它的各種沉降曲線擬合方法的擬合性。

4.1.1 路堤地段

(1)路堤地段中心沉降板的情況

鄭西客運(yùn)專線路堤地段采用了堆載預(yù)壓的處理措施，沉降觀測結(jié)果顯示堆載預(yù)壓可以顯著加速黃土地基沉降。路基填料影響的沉降基本穩(wěn)定后，采取堆載預(yù)壓措施使得路基沉降速度明顯發(fā)生了變化，堆載影響路基沉降的變化一般在3 ～6 個(gè)月即可趨于平緩穩(wěn)定，詳見圖5。圖中平緩曲線為擬合雙曲線。

圖5 路堤地段基底沉降板荷載-時(shí)間-沉降曲線

圖5荷載-時(shí)間-沉降曲線表明在填筑完成60 天后沉降基本穩(wěn)定，當(dāng)140 天處施加堆載預(yù)壓荷載后，沉降變化速率加快，3 個(gè)月后沉降再次趨于穩(wěn)定，沉降可以在短期內(nèi)完成，新的荷載增加后會(huì)產(chǎn)生新的沉降變形，且可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成沉降。

(2) 路堤地段路肩觀測樁的情況

路堤地段路肩觀測樁一般在路基基床底層成型后埋設(shè)，主要觀測路基填筑完成后的沉降情況，時(shí)間-沉降曲線詳見圖6。

圖6 路堤的路肩沉降觀測樁荷載-時(shí)間-沉降曲線

圖6 荷載-時(shí)間-沉降曲線表明路基觀測樁沉降曲線滿足雙曲線模型，沉降觀測樁觀測值小于中心沉降板觀測值，驗(yàn)證了再次加載后沉降可在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，宜多采取在中部設(shè)置觀測點(diǎn)的方案。

4.1.2 路塹地段

鄭西客運(yùn)專線黃土路基觀測情況顯示，在消除地基濕陷性的挖方地段，重新填土后可以觀測到較小沉降值，沉降觀測的時(shí)間-沉降曲線符合雙曲線模型。根據(jù)這一結(jié)果，應(yīng)對(duì)濕陷性黃土地區(qū)客運(yùn)專線挖方段落采取沉降觀測措施。

（1）路塹地段中心沉降板

路塹地段中心沉降板的沉降曲線顯示，在填筑路塹基床（厚度1.8m）后，路基地基發(fā)生了沉降，詳見圖6。

圖7 路塹地段沉降板荷載-時(shí)間-沉降曲線

圖7 荷載-時(shí)間-沉降曲線表明路塹地段在施加荷載后有沉降發(fā)生，初期沉降變化較大，沉降在3 個(gè)月后趨于穩(wěn)定，表明卸載后再加載的黃土復(fù)合地基又沉降的發(fā)生，且沉降觀測時(shí)間-沉降曲線符合雙曲線模型。

（2）路塹地段路肩觀測樁

路塹地段路肩觀測樁在填筑完成后埋設(shè)，時(shí)間-沉降曲線詳見圖8。

圖8 路塹地段觀測樁荷載-時(shí)間-沉降曲線

圖8 荷載-時(shí)間-沉降曲線表明埋設(shè)于路肩的觀測樁沉降量小于埋設(shè)于路基中部的沉降板，為便于沉降結(jié)果的分析建議多在路基中部設(shè)置沉降觀測點(diǎn)（沉降較大時(shí)便于曲線擬合）。由于沉降量較小，觀測誤差的原因?qū)崪y曲線出現(xiàn)波動(dòng)，但路塹地段荷載-時(shí)間-沉降曲線觀測滿足雙曲線模型。

4.1.3 過渡段沉降觀測

鄭西高速鐵路客運(yùn)專線過渡段設(shè)計(jì)時(shí)采用了埋設(shè)剖面管進(jìn)行觀測，但在實(shí)際操作的過程中，由于剖面管為帶狀結(jié)構(gòu)，在觀測的過程中無法對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行全面的觀測，由于誤差的影響沉降觀測結(jié)果很難顯示設(shè)計(jì)時(shí)中部沉降大兩側(cè)沉降小的預(yù)期效果，在做沉降分析評(píng)估時(shí)僅對(duì)中部沉降最大的點(diǎn)位進(jìn)行了有效的沉降分析。通過鄭西高速鐵路沉降觀測的情況，剖面管不太適宜應(yīng)用在黃土地區(qū)高速鐵路無砟軌道的路基沉降觀測中，難以發(fā)揮應(yīng)有的效果。

4.2 沉降觀測分析的方法

根據(jù)鄭西高速鐵路客運(yùn)專線沉降分析的情況，預(yù)測最終剩余沉降采用雙曲線方法曲線擬合的效果較好，可以快速準(zhǔn)確地從測量所得的時(shí)間-沉降曲線分析出剩余沉降，沉降分析時(shí)的雙曲線方程為

式中

St—時(shí)間t 時(shí)的沉降量；

Sf—最終沉降量（t =∞）；

S0—初期沉降量（t =0）；

a、b—將荷載不變以后的實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過回歸求得的系數(shù)。

沉降分析可根據(jù)路基填筑完成或堆載預(yù)壓后不少于3 個(gè)月的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)作回歸分析，確定沉降變形的趨勢，同時(shí)尚需滿足以下要求：

(1)曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0.92 ；

(2) 基填筑完成或堆載預(yù)壓后，最終的沉降預(yù)測時(shí)間應(yīng)滿足s(t)/s(t=∞)≥75%后方可進(jìn)行沉降預(yù)測評(píng)估，其中s(t)為預(yù)測時(shí)的沉降觀測值，s(t=∞)為預(yù)測的最終沉降值；

(3) 降觀測的可靠性應(yīng)經(jīng)過驗(yàn)證，間隔不少于3 個(gè)月的兩次預(yù)測沉降最終沉降的差值不應(yīng)大于8mm。

滿足以上條件的可視為沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定，滿足沉降評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)鄭西客運(yùn)專線陜西境內(nèi)的路基沉降觀測情況，在短時(shí)間內(nèi)曲線相關(guān)系數(shù)和沉降觀測時(shí)間比值（st/st=∞）不小于75%是控制沉降觀測周期的主要因數(shù)，3 個(gè)月的沉降差不大于8mm 一般不控制沉降觀測的周期。黃土路基沉降一般在3～6 個(gè)月的靜置期后沉降趨于穩(wěn)定，剩余沉降較小，基本上可滿足路基剩余沉降的要求。

5 結(jié)論

（4）路塹地段也有少量沉降發(fā)生，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況布設(shè)沉降觀測設(shè)施。

總之，在進(jìn)行沉降觀測設(shè)計(jì)及分析時(shí)，應(yīng)合理布置沉降觀測斷面及觀測點(diǎn)對(duì)路基沉降進(jìn)行控制，以確保高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)按期鋪設(shè)及高速列車后期運(yùn)營安全。

通過對(duì)鄭西高速鐵路路基沉降觀測的設(shè)計(jì)和沉降分析，對(duì)黃土地區(qū)高速鐵路客運(yùn)專線的沉降觀測控制有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

（1）黃土地區(qū)沉降完成時(shí)間較快，對(duì)荷載的敏感度較高，一般靜置3 ～6 個(gè)月沉降即可趨于穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中如采取堆載預(yù)壓的處理措施，可以顯著加速沉降的發(fā)展，縮短路基沉降完成的周期。

（2）客運(yùn)專線沉降控制總沉降量較小，時(shí)間-沉降曲線比較符合雙曲線模型，采取雙曲線（或修正雙曲線法）分析法進(jìn)行沉降分析比較符合實(shí)際。

（3）在路基中心布設(shè)沉降板對(duì)沉降進(jìn)行觀測，沉降觀測效果好于埋設(shè)于兩側(cè)路肩觀測樁的觀測效果，建議采用沉降控制宜采取中心控制為主、路肩控制為輔的原則，在高速鐵路沉降觀測設(shè)計(jì)中盡量少用剖面管進(jìn)行沉降觀測。

[1]鐵道科學(xué)研究院主編.客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南（鐵建設(shè)[2006]158 號(hào)）.北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院主編.高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）(TB10621-2009).

[3]龔曉南.復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工指南.北京：人民交通出版社，2003.

[4]劉偉，王連均.路橋過渡段路基填料及沉降控制研究.路基工程，2007，總130 期，67-68.

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[6]宋緒國，劉遠(yuǎn)峰，楊明雨等.利用沉降觀測資料推算未來沉降在秦沈客運(yùn)專線中的應(yīng)用.路基工程，總104 期，37-40.