哈大鐵路客運(yùn)專線橋梁、路基沉降變形曲線收斂規(guī)律研究

王基全

(哈大鐵路客運(yùn)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(yùn)專線起自既有大連站,途經(jīng)3個(gè)省會(huì)城市(哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽)、1個(gè)計(jì)劃單列市(大連)和6個(gè)地級(jí)市(營(yíng)口、鞍山、遼陽、鐵嶺、四平、松原),止于既有哈爾濱站,線路全長(zhǎng)904 km,其中橋梁長(zhǎng)663 km,占全線73%；路基長(zhǎng)231 km,占全線25%；開通速度200 km/h,主要基礎(chǔ)設(shè)施350 km/h；全線采用GRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu),無砟軌道長(zhǎng) 847 km。工程于2007年8月開工建設(shè),計(jì)劃2012年7月中旬開通。

2 研究目的與內(nèi)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(gòu)筑物連接而成,它們相互作用、相互影響和依存,共同構(gòu)成均勻的線路結(jié)構(gòu)。線下工程沉降變形穩(wěn)定是無砟軌道鋪設(shè)的必要條件, 進(jìn)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(yùn)專線是我國第一條嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線,氣候條件惡劣,施工時(shí)間短,在建設(shè)工程中,哈大鐵路客運(yùn)專線在沉降變形觀測(cè)方面,嚴(yán)格執(zhí)行了設(shè)計(jì)規(guī)范和部有關(guān)規(guī)定,觀測(cè)時(shí)間均為6個(gè)月以上,并請(qǐng)第三方進(jìn)行了評(píng)估,后期對(duì)部分典型工點(diǎn)又進(jìn)行了驗(yàn)證,整個(gè)過程較為規(guī)范,同時(shí)又積累了大量的觀測(cè)原始資料,本文擬通過對(duì)全線橋梁和路基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)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(yùn)專線的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考,對(duì)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(shí)意義。

2.2 研究?jī)?nèi)容

通過建立沉降變形觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)橋梁、路基施工期及完成后一段時(shí)間內(nèi)的沉降變形進(jìn)行觀測(cè),對(duì)約5萬個(gè)測(cè)點(diǎn)、200萬實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的變形規(guī)律,通過建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行回歸分析,對(duì)橋梁和路基3～6個(gè)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(jìn)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(yùn)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(chǔ)。全線橋梁6個(gè)月實(shí)際沉降、預(yù)測(cè)沉降及工后沉降值分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及比較見表1。

從表1分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果及實(shí)際沉降數(shù)據(jù)看,哈大鐵路客運(yùn)專線橋梁沉降變形有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)：

(1)各類基礎(chǔ)橋墩臺(tái)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(diǎn),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(cè)條件和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件；

(3)從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,摩擦樁沉降量相對(duì)較大,柱樁沉降最??；

表1 橋梁墩臺(tái)沉降變形情況統(tǒng)計(jì)分析匯總

(4)100年預(yù)測(cè)最大值與6個(gè)月實(shí)測(cè)最大值相差約為4 mm,后期沉降不大。

圖1為TJ-3標(biāo)1個(gè)斷面基礎(chǔ)施工至架梁后6個(gè)月實(shí)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(gè)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(biāo)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(yùn)專線全線路基長(zhǎng)約231 km,路基形式主要為路堤和路塹兩類,根據(jù)地質(zhì)條件部分路堤地段考慮堆載預(yù)壓。路基沉降觀測(cè)以路基面沉降和地基沉降觀測(cè)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(gè)月實(shí)際沉降、預(yù)測(cè)沉降及工后沉降值分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及比較見表2。

實(shí)際沉降預(yù)測(cè)沉降情況分類統(tǒng)計(jì)比較詳見表2。

從分類統(tǒng)計(jì)及實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)看,路基沉降變形有以下幾個(gè)方面特點(diǎn)。

(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(jié)構(gòu)和路基地基地質(zhì)情況相關(guān),一般松軟土、軟土路基處沉降變形相對(duì)較大。

表2 路基沉降變形情況統(tǒng)計(jì)分析匯總

(2)堆載預(yù)壓路基較非堆載路基沉降大。堆載預(yù)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(yù)壓等工程措施,從變形過程看,變形主要隨路基填筑施工進(jìn)展,荷載增加沉降變形不斷增大,堆載預(yù)壓對(duì)沉降變形有一個(gè)明顯加速過程,荷載恒定后,加速沉降過程大致持續(xù)1個(gè)月左右,此后,變形迅速趨于穩(wěn)定。

圖2為TJ-2標(biāo)3個(gè)斷面堆載預(yù)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(gè)月左右,變形趨于穩(wěn)定。

圖2 TJ-2標(biāo)堆載預(yù)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(duì)要小,從統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diǎn)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(jù)哈大鐵路客運(yùn)專線線下工程沉降變形特點(diǎn),按摩擦樁、明挖、柱樁、挖井等基礎(chǔ)形式,對(duì)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,其中主要為摩擦樁。

具體統(tǒng)計(jì)時(shí)段為恒載期(6個(gè)月)及恒載后3個(gè)月、4個(gè)月、5個(gè)月、6個(gè)月時(shí)累積沉降變形完成的比率,并對(duì)2個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較,一個(gè)是6個(gè)月實(shí)測(cè)累積沉降變形,另一個(gè)是預(yù)測(cè)的總變形,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 哈大鐵路客運(yùn)專線橋墩臺(tái)沉降變形(大于5 mm)完成率統(tǒng)計(jì)

從上面統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,有以下幾方面的特點(diǎn)。

(1)對(duì)于明挖基礎(chǔ),根據(jù)表1,全線6個(gè)月最大沉降為8.8 mm,按最不利考慮,3個(gè)月已沉降6.9 mm,剩余1.9 mm,后期變化不大；100年預(yù)測(cè)最大值11.54 mm,3個(gè)月沉降6.76 mm,剩余4.77 mm,完成比率雖未達(dá)到規(guī)范75%的要求,但與6個(gè)月相比變化不大,考慮其基礎(chǔ)已嵌入基巖,主要是其理論趨勢(shì)與實(shí)際的差異。

(2)對(duì)于摩擦樁基礎(chǔ),根據(jù)表1,全線6個(gè)月最大沉降為12.3 mm,按最不利考慮,3個(gè)月已沉降10.66 mm,剩余1.67 mm,后期變化不大；100年預(yù)測(cè)最大值17.78 mm,3個(gè)月沉降12.81 mm,剩余4.97 mm,完成比率已達(dá)72%,與規(guī)范要求的75%相差不大。

(3)橋墩穩(wěn)定過程相對(duì)較短,對(duì)于摩擦樁基礎(chǔ)在架梁3 個(gè)月后,除個(gè)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(jù)上看,除摩擦樁外的其他類基礎(chǔ)類型似乎變形緩慢,趨于穩(wěn)定的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),在恒載6個(gè)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(cè)不及時(shí)所致,代表性不強(qiáng)。

3.2.2 路基沉降變形曲線收斂趨勢(shì)研究

路基設(shè)計(jì)中,結(jié)合地質(zhì)情況,部分路堤地段進(jìn)行了堆載預(yù)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(jì)時(shí)段除考慮恒載后3個(gè)月、4個(gè)月、5個(gè)月、6個(gè)月時(shí)累積沉降變形完成的比率,也對(duì)恒載前的變化量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,無論是堆載還是非堆載路基,恒載前,即施工期產(chǎn)生的變形平均分別為57.8%、46.1%；恒載后3個(gè)月內(nèi),產(chǎn)生了較明顯的變形,沉降完成率分別達(dá)到85.7%、87.4%,僅從完成率看,后期沉降主要發(fā)生在前3個(gè)月,3個(gè)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(yùn)專線路基沉降變形(大于10 mm點(diǎn))完成率統(tǒng)計(jì) %

4 評(píng)估后沉降變化情況分析

為驗(yàn)證評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果和掌握后期沉降變化情況,對(duì)部分典型工點(diǎn)6個(gè)月以后沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和評(píng)估,并按以下原則進(jìn)行：

(1)在各標(biāo)段隨機(jī)挑選一部分單元,評(píng)估完成后繼續(xù)觀測(cè)時(shí)間超過2個(gè)月以上；

(2)在原數(shù)據(jù)序列的基礎(chǔ)上,追加評(píng)估通過的后續(xù)觀測(cè)資料,用同樣的模型重新進(jìn)行回歸分析；

(3)結(jié)合新舊評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析,比較兩次回歸預(yù)測(cè)總沉降之差,和后續(xù)實(shí)測(cè)沉降量與評(píng)估時(shí)的預(yù)測(cè)沉降量之差以及2次預(yù)測(cè)值之差加以驗(yàn)證。

按以上原則,選取了約150個(gè)典型斷面,進(jìn)行驗(yàn)證分析計(jì)算,得出的結(jié)論基本是一致的,即總體上,兩次回歸分析預(yù)測(cè)值之差小于8 mm；工后沉降未發(fā)生明顯變化最后實(shí)測(cè)沉降與正式評(píng)估預(yù)測(cè)值之差大多在1 mm以內(nèi),表5為幾個(gè)典型工點(diǎn)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表5 TJ-1標(biāo)典型工點(diǎn)部分沉降預(yù)測(cè)值后驗(yàn)證統(tǒng)計(jì) mm

5 結(jié)語

通過對(duì)全線橋梁和路基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)值及加恒載前后3～6個(gè)月沉降完成比率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、評(píng)估和分析,以及后期對(duì)沉降結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證,對(duì)哈大鐵路客運(yùn)專線橋梁和路基沉降變形曲線收斂趨勢(shì)和規(guī)律,可初步得出以下結(jié)論。

(1)哈大鐵路客運(yùn)專線橋梁、路基恒載后6個(gè)月,沉降已基本穩(wěn)定,相關(guān)指標(biāo)也滿足規(guī)范要求,后期對(duì)個(gè)別代表性斷面又進(jìn)行了驗(yàn)證,無明顯變化。

(2)橋梁摩擦樁基礎(chǔ),總的沉降量不大,3個(gè)月實(shí)際沉降量完成比率已達(dá)86.1%,與6個(gè)月相差不大；100年預(yù)測(cè)值,3個(gè)月完成比率已達(dá)72%,與規(guī)范要求的75%也相差不大。也就是說3個(gè)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(gè)月內(nèi),產(chǎn)生路基沉降完成率分別達(dá)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(gè)月沉降已基本穩(wěn)定,曲線已開始收斂。

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

根據(jù)以上分析及哈大鐵路客運(yùn)專線建設(shè)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),建議今后東北地區(qū)客運(yùn)專線建設(shè),相同工程措施、類似地質(zhì)條件下,個(gè)別工點(diǎn),確因工期緊張,通過增加觀測(cè)頻次,并經(jīng)沉降分析,如沉降曲線趨于收斂,橋梁地段架梁3個(gè)月后可進(jìn)行下道工序施工；路基堆載預(yù)壓地段,雖然恒載3個(gè)月后沉降已基本穩(wěn)定,但考慮路基基礎(chǔ)及本體施工影響因素較多,因此恒載5個(gè)月后,進(jìn)行下道工序施工為好。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2006]158號(hào) 客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)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(shè)[2006]189號(hào) 客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

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