高速鐵路路基沉降變形分析方法與評估實踐

張相威

中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司

高速鐵路路基沉降變形分析方法與評估實踐

張相威

中鐵三局集團(tuán)第二工程有限公司

為了達(dá)到快速、安全、舒適的運(yùn)輸要求，必須保證高速鐵路路基具有高度的穩(wěn)定性。但是，在高速車輛沖擊荷載和復(fù)雜環(huán)境的長期作用下，路基的沉降變形是不可避免的，嚴(yán)重危及路基的穩(wěn)定性和列車的安全運(yùn)行。因此本文根據(jù)我國高速鐵路發(fā)車密度高、天窗時間點短、維修任務(wù)繁重的實際情況，開展了高速鐵路路基沉降病害的整治技術(shù)研究，以實現(xiàn)高鐵線下工程結(jié)構(gòu)病害的早維修、快整治，滿足未來高鐵線路快速整治修復(fù)的需求。

高鐵線路；路基沉降；變形控制

1 高速鐵路路基特點

與普通鐵路路基相比，高速鐵路路基主要表現(xiàn)為以下三個特點：高速鐵路路基的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；控制變形是路基設(shè)計的關(guān)鍵在列車、線路這一整體系統(tǒng)中，路基是重要的組成部分。以上特點決定了高速鐵路路基工程的復(fù)雜性，我們必須分析研究路基工程所處的環(huán)境及工作條件，研究土的性質(zhì)，掌握其變形和強(qiáng)度變化規(guī)律。由于列車荷載屬交通荷載，其特點為多次重復(fù)作用。路基在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生累積變形，表現(xiàn)出疲勞的特性。另一方面，路基同軌道結(jié)構(gòu)一起共同組成的這種線路結(jié)構(gòu)是一種相對松散連結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，抵抗荷載的能力較弱。

2 沉降變形分析

2.1 路基沉降變形機(jī)理

在工程建設(shè)期間，路基沉降主要分兩部分一是路基填方本體的沉降，二是地基沉降。已有的研究成果表明路基填方本體壓實度達(dá)到規(guī)定要求，其后期沉降很小，且沉降大部分在一年之內(nèi)完成。因此，路基工后沉降控制主要是對地基變形的控制，基底沉降和穩(wěn)定控制問題十分突出。另外，現(xiàn)階段我國建成或在建的高鐵項目主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)，例如滬寧、滬杭等高鐵項目均位于長三角沖積平原帶。該地區(qū)地下分布著大量的軟土，且地下水含量豐富，因長期開采地下水和土質(zhì)松軟，地表區(qū)域沉降現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在某種程度上對該地區(qū)高鐵路基沉降問題產(chǎn)生重大的影響，因而不可忽律。

2.2 沉降變形表現(xiàn)特點

2.2.1 本體變形

基床有足夠的強(qiáng)度，它能抵抗列車荷載產(chǎn)生的動應(yīng)力而不使基床破壞，能抵抗道碴壓入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成，在路基填筑階段能承受重型施工車輛走行而不形成印坑，以免留下隱患。基床具有足夠的剛度，在列車荷載的重復(fù)作用下，塑性積累變形很小，能避免形成過大的不均勻下沉而造成軌道的不平順，增加養(yǎng)護(hù)維修的困難。在列車高速行駛時，基床的彈性變形應(yīng)滿足高速走行的安全性和舒適性的要求，同時還能保障道床的穩(wěn)固?；簿哂辛己玫呐潘?，能防止雨水浸入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，基床還有防凍等特殊作用。

2.2.2 區(qū)域地面沉降變形

地面區(qū)域沉降是指在自然因素或人為因素影響下發(fā)生的幅度較大、速率較大的地表高程垂直下降的現(xiàn)象。由于長期超量開采地下水，使得區(qū)域地下水位持續(xù)下降，并產(chǎn)生等效附加應(yīng)力效果，導(dǎo)致土層有效應(yīng)力增加。此時，一方面造成孔隙水壓力轉(zhuǎn)嫁于含水層骨架，加大了含水顆粒間的有效應(yīng)力，使含水層本身排水壓密產(chǎn)生彈性變形另一方面，含水層頂?shù)装宓恼承酝林械慕Y(jié)合水產(chǎn)生向含水層的滲流，導(dǎo)致粘性土固結(jié)，出現(xiàn)程度不同的塑性變形或永久變形。這便是區(qū)域地面沉降變形的基本原理。

3 完善高速鐵路路基沉降變形分析

3.1 路基沉降病害整治方案

當(dāng)路基處于變形的持續(xù)發(fā)展階段，需要對路基沉降的根源部位進(jìn)行強(qiáng)化加固，控制其變形的發(fā)展，然后再對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證線路的平順性。因此需要對沉降病害進(jìn)行研究分析，根據(jù)其病害特點制定修復(fù)方案。 高速鐵路路基沉降病害的整治包括兩個方面，一是沉降病害產(chǎn)生部位的加固處理，針對地基的加固處理國內(nèi)外已有比較成熟的技術(shù)，本文通過比選選擇鉆孔注漿加固處理技術(shù)；二是路基沉降引起的軌道板標(biāo)高變化的修復(fù)。針對軌道高程變形過大的病害。

3.2 路基沉降整治前期工作

(1)分析勘察、設(shè)計、施工資料 詳細(xì)分析已有的工程勘察資料，掌握沉降區(qū)段的地層分布、各土層物理力學(xué)性質(zhì)、地下水位等，查清周邊是否有新的可能產(chǎn)生沉降的人為及自然環(huán)境條件的變化。必要時分析設(shè)計及施工過程中的記錄資料，綜合分析是否在設(shè)計及施工過程存在缺陷而導(dǎo)致進(jìn)一步存在沉降的可能。(2)調(diào)查路基狀態(tài)及周圍環(huán)境的實際情況 掌握在運(yùn)營期間的路基維護(hù)情況，是否進(jìn)行過維修，路基上部結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)破損，是否存在地表水下滲或周邊集中降水等導(dǎo)致沉降產(chǎn)生的因素。掌握周邊邊境的變化情況，包括臨近線路的加載、減載，地面排水條件的變遷、氣溫變化，臨近線路的振動施工等。(3)查閱沉降監(jiān)測資料 掌握線路沉降和不均勻沉降的發(fā)展過程，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析評估沉降變形的變化趨勢。

3.3 路基沉降病害整治工藝流程

本章通過對高速鐵路路基段 CRTS-II 型無砟軌道和路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過模擬基床表層與支撐層的脫空狀態(tài)，進(jìn)行列車荷載對上部軌道結(jié)構(gòu)影響的分析。

為了消除路基沉降的根本因素，需要對造成沉降的路基部位進(jìn)行加固處理，本文的方案是對路基沉降區(qū)域的軟弱土體進(jìn)行加固處理，運(yùn)用花管注漿施工技術(shù)。鉆孔注漿是借助注漿管向路基沉降部位壓入注漿漿液，通過與沉降部位軟弱土體的化學(xué)膠結(jié)作用對路基地基進(jìn)行加固，同時改善其受力狀態(tài)，從而提高路基地基部位的承載力。

針對軌道板結(jié)構(gòu)的變形恢復(fù)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，本文制定了機(jī)械抬升與注漿填充相結(jié)合的沉降病害整治方案。本文針對高速鐵路路基沉降的病害，根據(jù)沉降產(chǎn)生的成因制定相適應(yīng)的技術(shù)方案，主要是路基的深層沉降部位加固方案以及恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)的變形技術(shù)方案。

綜上所述，目前國內(nèi)外對于路基沉降的病害整治還缺乏相對成熟工藝技術(shù)，在此背景下本文開展了路基沉降病害整治及其質(zhì)量檢控技術(shù)的研究，選定了高速鐵路無砟軌道路基沉降病害的整治材料、配套施工設(shè)備，設(shè)計了符合現(xiàn)場實際應(yīng)用的病害整治技術(shù)方案，制定了相應(yīng)的施工工藝流程。

[1] 虞先溢. 高速鐵路路基沉降變形分析方法與評估實踐[D]. 西南交通大學(xué)，2011.

[2] 張達(dá)生. 高速鐵路高填方路基沉降及橋臺穩(wěn)定性分析[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 徐向春. 高速鐵路運(yùn)營階段路基沉降變形規(guī)律研究[D]. 華東交通大學(xué)，2014.