客運專線路基試驗監(jiān)測技術(shù)分析

閔 睿

按照我國所制定的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,到 2020年我國的鐵路營業(yè)總里程達(dá)到10萬 km并實現(xiàn)主要干線上的客貨分離,其中建設(shè)客運專線為1.2萬 km以上,形成我國的鐵路快速客運網(wǎng)[1]。

以客運專線為代表的鐵路建設(shè)是適應(yīng)我國經(jīng)濟和社會發(fā)展需要的重要手段。我國的客流具有量大、集中、行程長等特點,因此我國適宜發(fā)展客運專線;客運專線的建設(shè)為實現(xiàn)客貨分流提供了基本條件,為我國鐵路運輸能力的提升開辟了新途徑;客運專線相對于公路、航空等交通方式具有容量大、低能耗、占地少、適應(yīng)性強等特點,因此也是實現(xiàn)和落實科學(xué)發(fā)展觀、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的體現(xiàn)[2]。

路基作為一種土工結(jié)構(gòu)物是軌道鋪設(shè)的基礎(chǔ)。為了保證列車安全、平穩(wěn)運行,路基必須滿足強度高、剛度大、穩(wěn)定性好、耐久性好等基本要求?？瓦\專線的建設(shè)對傳統(tǒng)鐵路路基的設(shè)計施工帶來了挑戰(zhàn),客運專線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高,應(yīng)按照土工結(jié)構(gòu)物的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和施工,與普通鐵路路基相比客運專線路基具有如下特點:

1)客運專線路基的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。對于高速鐵路線路結(jié)構(gòu)而言已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的軌道、道床和土質(zhì)路基這種結(jié)構(gòu)形式而做成多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2)控制變形是路基設(shè)計的關(guān)鍵。對于普通鐵路路基而言是以強度作為路基設(shè)計的主要控制條件的,而對于客運專線路基而言,由散體材料組成的路徑是整個線路結(jié)構(gòu)中軌道變形的主要來源,客運專線所需要的高速運營即對軌道變形提出了嚴(yán)格的要求,成為了客運專線路基設(shè)計的關(guān)鍵。

在客運專線的路基設(shè)計施工中,同時應(yīng)注意如下兩點:

1)路基設(shè)計的不確定性。在工程實踐中,路基設(shè)計和施工依賴于土的重度、強度、模量等參數(shù),而在土工試驗測試中,由于土體材料的不均勻性、取樣與實際條件之間的差異而使得試驗數(shù)據(jù)存在較大的變異性,從而直接影響了計算結(jié)果的可靠性,進(jìn)而影響了路基的實際工程性能。

2)路基長期性能?？瓦\專線體現(xiàn)了我國鐵路建設(shè)的最新技術(shù)水平,采用了大量的新材料、新技術(shù)、新工藝。但同時也應(yīng)看到我國高速鐵路建設(shè)與運營管理的經(jīng)驗較少,能否保證路基的長期工程性能滿足要求必須要考慮如土質(zhì)路基在列車重復(fù)荷載的作用下所可能產(chǎn)生的累積沉降變形問題等,因此應(yīng)重視客運專線路基的長期工程性能。

由上述分析可見,在目前工程實踐中對客運專線路基問題尚未在理論、實際中得到足夠的研究分析,為保證其安全性、適用性,應(yīng)通過采用試驗和監(jiān)測技術(shù)的方法來予以解決。

1 試驗段和監(jiān)測技術(shù)要求

1.1 設(shè)置目的

對客運專線路基工程通過相應(yīng)的技術(shù)措施、儀器設(shè)置進(jìn)行試驗監(jiān)測的目的在于[3,4]:

1)檢驗設(shè)計方案、施工措施是否可行,能否確保工程質(zhì)量。

2)通過試驗確定具體工程措施、施工工藝、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

3)通過監(jiān)測方案所收集的數(shù)據(jù),有利于施工階段的動態(tài)調(diào)整,即實現(xiàn)信息化施工。

4)監(jiān)測數(shù)據(jù)可反映工程的變化發(fā)展,評價不同工程方案的效果,對工程病害予以預(yù)警。

5)為設(shè)計、施工、管理和科學(xué)研究提供資料。

1.2 設(shè)置原則

在設(shè)置過程中應(yīng)綜合考慮下述因素:

1)技術(shù)指標(biāo)要求:質(zhì)量直接關(guān)系到工程正常使用乃至生命安全,因此試驗設(shè)置應(yīng)考慮以達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)為主。

2)經(jīng)濟指標(biāo):設(shè)置試驗段的另一個重要目的是考核具體工程措施的經(jīng)濟指標(biāo),是否能夠在滿足質(zhì)量、工期要求的前提下節(jié)約投資。

3)可行性分析:工程實施需結(jié)合實際施工管理、機械、人員素質(zhì)、工程經(jīng)驗來考慮,在試驗段工程中新工藝、材料的實施應(yīng)綜合考慮上述因素而不能過于超越現(xiàn)有的施工技術(shù)水平。

2 試驗和監(jiān)測內(nèi)容

試驗和監(jiān)測主要圍繞路基變形、土中應(yīng)力變化等內(nèi)容而展開。

2.1 變形監(jiān)測技術(shù)

路基變形表現(xiàn)為發(fā)生在路基內(nèi)外部的水平側(cè)移及豎向沉降[5]。

由于土體的固結(jié)及外部荷載的作用均需經(jīng)歷一段時間后才能達(dá)到穩(wěn)定,因此對邊坡的變形觀測具有長期性的特點。

2.1.1 地表沉降觀測

地表沉降包括超設(shè)計沉降、不均勻沉降,具體表現(xiàn)為橫向、縱向開裂等現(xiàn)象。

1)觀測點布置:在滿足觀測要求的前提下,充分考慮觀測長期性所可能對施工、運營產(chǎn)生的不利影響及可能的損壞。

2)應(yīng)設(shè)置固定沉降觀測點,采用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備予以觀測。

3)工后沉降值大小和發(fā)展過程直接影響工程的正常使用,反映工程質(zhì)量,因此應(yīng)予以重點關(guān)注。

2.1.2 路基內(nèi)部及地基沉降觀測

地基在荷載作用下產(chǎn)生沉降;路基邊坡自身在自重及外界荷載作用下也產(chǎn)生相應(yīng)的壓縮沉降,在設(shè)計規(guī)范中缺乏相應(yīng)的內(nèi)容,而對于高填方工程該沉降不能忽略。

1)沉降板法。在沉降觀測的部位埋設(shè)沉降板并連接觀測管,通過測定觀測管頂部的高程變化即可求出相應(yīng)沉降值。

2)沉降水杯法。在路基內(nèi)相應(yīng)測試位置埋設(shè)儀器水杯并連接到路基外觀測水杯上,則內(nèi)外水杯的液面在大氣壓作用下應(yīng)處于同一水平高度,因此外部水杯的液面高度即反映了內(nèi)部沉降變化。

3)電磁式分層沉降儀。由探測和預(yù)埋兩部分組成,在探測器內(nèi)設(shè)置有電磁振蕩線圈,當(dāng)探測器沿埋設(shè)的沉降管接近路基體內(nèi)預(yù)埋的沉降鐵環(huán)時,鐵環(huán)可吸收大量的電磁振蕩能量而產(chǎn)生信號,由此信號即可標(biāo)定此時鐵環(huán)所處位置,反映相應(yīng)沉降變化情況。

4)剖面沉降儀?？梢杂^測某一斷面上的連續(xù)沉降變化,需在觀測斷面上埋設(shè)沉降觀測管(為內(nèi)部有導(dǎo)槽的專用導(dǎo)管),觀測時將沉降儀放入導(dǎo)管內(nèi),拉動導(dǎo)線移動至相應(yīng)位置,通過沉降儀外接的讀數(shù)記可顯示出相對管口位置的沉降值,再利用全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備測定管口的位置變化即可得到測試斷面的沉降變化。

2.1.3 路基邊坡水平側(cè)移觀測

路基邊坡由于易受外界降雨蒸發(fā)、荷載以及自身碾壓不密實、開挖后應(yīng)力釋放等因素的影響而產(chǎn)生水平側(cè)移。因此應(yīng)采取措施對邊坡的水平側(cè)移予以觀測。

1)表層位移觀測法?？赏ㄟ^在邊坡及附近埋設(shè)邊樁、觀測點,采用經(jīng)緯儀、全站儀等設(shè)備即可對其水平側(cè)移情況予以跟蹤觀測。

該方法簡單實用、便于操作掌握、測點布置靈活,但無法反映內(nèi)部位移變化。

2)水平測斜儀法。預(yù)埋豎直的水平側(cè)移觀測導(dǎo)管,當(dāng)測斜儀探頭及其導(dǎo)輪沿導(dǎo)管的導(dǎo)槽緩緩移動,探頭內(nèi)的傳感器可以測出在某一處的傾角,輸出一個電壓信號,由讀數(shù)計面板上顯示的數(shù)據(jù)即可換算為相應(yīng)的水平側(cè)移值。

該方法可反映路基體內(nèi)的側(cè)移大小。

2.2 路基體內(nèi)土中應(yīng)力測定

地基中的應(yīng)力分布仍為基于布辛納斯克解的應(yīng)用推廣,孔隙水壓力的產(chǎn)生消散基于太沙基有效應(yīng)力原理。上述土體中應(yīng)力計算方法基于彈性假定等理想化模式進(jìn)行,與實際情況之間存在較大的差異,因此應(yīng)通過采用監(jiān)測措施予以保證。

2.2.1 土壓力測定

土壓力測定包括:某深度處沿垂向的豎直土壓力和作用在擋土結(jié)構(gòu)上的水平土壓力。

土壓力測試一般采用振弦式土壓力盒予以測定,具有體積小、便于埋設(shè)、可自動測試記錄數(shù)據(jù)的特點,其工作原理為:當(dāng)土壓力作用在壓力盒承壓膜上時,承壓膜發(fā)生微小的變動而使土壓力盒的體積發(fā)生變化,帶動內(nèi)部傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變化信號,通過接收儀的轉(zhuǎn)換即可反映實際的土中應(yīng)力的變化。

2.2.2 孔隙水壓力測定

孔隙水壓力變化與土體強度、沉降發(fā)展直接相關(guān),同時也是判定地基處理效果的重要依據(jù),對控制路基填筑速率、確定預(yù)壓時間和采取地基處理措施具有明顯的意義。

孔隙水壓的測定采用在測試部位埋設(shè)孔隙水壓力傳感器的方法來實現(xiàn),埋設(shè)時注意在傳感器周圍用膨脹土泥丸予以封閉。

3 結(jié)語

在客運專線路基工程中合理設(shè)置試驗和監(jiān)測措施是確保工程質(zhì)量、正常使用的必要措施。本文對此進(jìn)行了歸納總結(jié),可供工程設(shè)計、施工人員參考使用。

[1] 李向國.高速鐵路技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 楊廣慶.路基工程[M].第 2版.北京:中國鐵道出版社, 2010.

[3] 中華人民共和國鐵道部.新建 200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[4] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

[5] 羅 競.路基工程現(xiàn)場施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004.