高速鐵路沉降與變形分析及對策

邢玉科

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100142）

1 工程概況

某工程是已投入運營的一條設(shè)計時速350 km的客運專線，其全長116.55 km，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，且具有穩(wěn)定性好、剛度大、變形小的特點，全線共6段路基，累計長16.25 km，占線路長的14.0%，路基表面主要為素土、雜填土，以下為淤泥質(zhì)黏土等軟土，為確定無砟軌道鋪設(shè)條件、為今后運營維修提供依據(jù)，需對路基工程沉降變形進行分析。

2 高速鐵路沉降與變形產(chǎn)生的原因

（1） 地質(zhì)構(gòu)造或者自然環(huán)境較為復(fù)雜。鐵路區(qū)域地面產(chǎn)生沉降，或者位于巖溶性地基上面等，都會導(dǎo)致高鐵線路產(chǎn)生沉降，地裂縫會讓高鐵線路產(chǎn)生變形，位于嚴(yán)寒地帶的高鐵路基由于凍脹會使鐵路產(chǎn)生向上拱起的問題。

（2） 軟弱地基。地下水較為充足區(qū)域的隧道基底的巖石層產(chǎn)生破碎、深厚軟土地面、膨脹性巖土性質(zhì)的鐵路地基等會使鐵路線路產(chǎn)生沉降、向上拱起或者發(fā)生變形。

（3） 復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)。高鐵設(shè)計施工能力不斷增強，設(shè)計施工了一些跨越寬度較大的江河、峽谷的新型式的橋梁。設(shè)計的參數(shù)必須和軌道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)的耦合計算，才能達到平順性以及動態(tài)指標(biāo)的要求。

（4） 外部的因素。鐵路沿線大量傾倒垃圾、施工廢棄樁基礎(chǔ)、對路基進行填筑、對涵洞和橋梁進行施工作業(yè)等都會引起鐵路產(chǎn)生變形和沉降。

（5） 施工質(zhì)量達不到要求。隧道仰拱底部位置的虛砟沒有進行徹底清除，會引起混凝土和基巖接觸面缺乏有效的結(jié)合，路基過渡部分施工所需的填料質(zhì)量達不到要求，或者死角區(qū)域的壓實程度不夠都會導(dǎo)致線路產(chǎn)生沉降。施工作業(yè)過程中，如果路基利用具有膨脹性碎石的填充料，以及添加了沒有實現(xiàn)完全消解的生石灰材料，在與水分進行接觸后會形成膨脹導(dǎo)致路基向上拱起，引起無砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形。

引起高鐵線路產(chǎn)生沉降和變形的原因有多種因素，不能單獨地判定是由單一因素引起的，應(yīng)該從地質(zhì)構(gòu)造、施工設(shè)計、地理環(huán)境等多個角度進行分析，確定出原因之后方可以制定出科學(xué)合理的解決辦法。

3 高速鐵路沉降變形分析

3.1 區(qū)域地面沉降分析

區(qū)域地面沉降在世界范圍內(nèi)都是難于處理的問題，形成的原因較為繁雜，整治難度比較高。世界上的很多國家，比如美國、日本等都存在著區(qū)域性的地面沉降。我國產(chǎn)生地面沉降的主要區(qū)域為長三角地區(qū)、河北平原、環(huán)渤海地區(qū)、東南沿海一帶的平原地區(qū)和山區(qū)盆地等。從中可以得知，產(chǎn)生地面沉降的地區(qū)多分布在地質(zhì)較為深厚的平原地帶，地面沉降的成因有地質(zhì)方面的原因，比如，地層板塊活動、軟弱土層產(chǎn)生固結(jié)沉降、地震等。也有人為方面的原因，比如，對地下水進行大量的開采應(yīng)用，對油氣、煤礦和地?zé)豳Y源進行開發(fā)等。普遍認(rèn)為，地下水資源的過度開采是導(dǎo)致地面沉降的主要原因，應(yīng)該制定出相應(yīng)的管理措施來治理地面沉降，通過利用對地下水的限量開采，很多區(qū)域地面沉降有著減緩的趨勢。

3.2 路基凍脹分析

當(dāng)前，世界上對于路基凍脹的形成機理、凍土的性質(zhì)和變化規(guī)律研究的較為深入，凍害對于工程產(chǎn)生的影響和采取的防止措施都掌握的比較清楚，國內(nèi)對于東北、西北嚴(yán)寒區(qū)域鐵路凍脹進行了分析，并制定了相應(yīng)策略來處理凍害。在對青藏鐵路進行施工過程中，專門對凍害防治問題進行了專項論證，并在應(yīng)用中取得了良好的效果。高速鐵路的高速性、平順性對路基產(chǎn)生的沉降和變形提出了十分嚴(yán)格的要求，凍脹問題對于高鐵，尤其是對無砟軌道產(chǎn)生影響會隨著高寒地區(qū)鐵路的施工和運行不斷顯現(xiàn)出來。

依據(jù)對東北區(qū)域內(nèi)的高鐵客專施工建設(shè)和冬季運行期間凍脹對路基的影響數(shù)據(jù)進行分析，鐵路產(chǎn)生的凍脹變形會根據(jù)時間的不同分為凍脹初始波動階段、凍脹快速形成階段、低速穩(wěn)定保持階段、波動融沉階段和充數(shù)形穩(wěn)定階段，凍脹和時間的關(guān)系曲線的特點主要有：（1）凍脹上揚時期中，凍脹量會快速的提升，達到最高值所需要的時間為10 d左右。凍脹融化期持續(xù)時間會達到25 d左右，所需的時間并不是很長。（2）凍脹穩(wěn)定時期內(nèi)，凍脹量處于穩(wěn)定狀況。（3）凍脹變形分為上漲和回落兩個時期，與溫度產(chǎn)生的變化情況進行比較來看，存在著時間滯后現(xiàn)象。（4）經(jīng)過一次凍融循環(huán)周期以后，回落的幅度和凍脹高度都形成了不同程度的凍膜殘余變形，其變形的數(shù)值并不大。所以，高速鐵路在施工建設(shè)時期，路基的施工應(yīng)該結(jié)合所在區(qū)域的氣候條件，應(yīng)該盡可能提前進行施工、合理縮短施工單元區(qū)段、在一年時間內(nèi)完成主體施工以及附屬設(shè)施，按著上述原則進行施工組織設(shè)計，科學(xué)合理安排施工。

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)變形分析

隨著對山區(qū)鐵速高路的施工建設(shè)，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形問題較為突出，直接影響著軌道的平順性，產(chǎn)生該問題的主要原因有：

（1） 相鄰兩座橋墩高度差較大，會使軌道引起高低不平順現(xiàn)象。

（2） 跨度較大的新型式鋼結(jié)構(gòu)或者鋼混結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)生的變形，會導(dǎo)致鐵路軌道形成水平或者高低方位的不平順。這兩種軌道變形都是由于溫度產(chǎn)生變化而引發(fā)的。

3.4 線側(cè)施工及施工質(zhì)量引起的線路變形分析

3.4.1 線側(cè)施工

線側(cè)施工導(dǎo)致的鐵路沉降以及變形現(xiàn)象十分常見，很多鐵路線路的地質(zhì)情況都不理想，大多都為厚層軟土，且地下水位高度較大，使路基產(chǎn)生變形的狀況有：

（1） 線側(cè)施工建設(shè)提高了地基荷載，比如，幫填路基、在線側(cè)區(qū)域內(nèi)堆存垃圾等，會使地基形成擠壓，引起軌道形成橫向或者豎向的變形。

（2） 線側(cè)開挖施工基坑進行抽排地下水，會使高鐵線路產(chǎn)生沉降或者變形。除此之外，在施工建設(shè)過程中，對橋墩部位進行旋噴注漿會引起橋墩產(chǎn)生偏移。

3.4.2 施工質(zhì)量問題

施工建設(shè)過程中產(chǎn)生各種質(zhì)量問題，都會對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，或者使軌道的幾何尺寸超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。常見的問題主要有：

（1） 對地基處理達不到施工要求。主要有：軟土路基樁數(shù)量不夠或者較長，會導(dǎo)致路基產(chǎn)生沉降。膨脹性巖土地基處理達不到要求，當(dāng)水分進入會導(dǎo)致路基向上拱起。

（2） 路基填料質(zhì)量管控不嚴(yán)。加入膨脹性巖石材料之后，當(dāng)水分進入之后會產(chǎn)生膨脹引起路基向上拱起。通過添加石灰材料改良之后的土質(zhì)進行路基填筑，生石灰如果沒有完全消解或者沒有對其進行充分的攪拌，會使路基產(chǎn)生向上拱起的問題。

（3） 無砟軌道施工質(zhì)量沒有進行有效的控制。

4 對策與建議

4.1 加強地質(zhì)情況的勘探調(diào)查

進行詳細(xì)的地質(zhì)勘探調(diào)查對于保證高鐵線路的安全應(yīng)用起到了非常關(guān)鍵的作用。當(dāng)前，高鐵線路進行施工建設(shè)時，推行的是地質(zhì)勘察監(jiān)理以及項目管理制度。勘探調(diào)查的深度、管理水平和監(jiān)理的力度都沒有發(fā)揮出應(yīng)用的作用。所以，應(yīng)該保證好勘探調(diào)查質(zhì)量，提高監(jiān)督管理力度，防止勘探調(diào)查達不到要求。對于特別容易產(chǎn)生沉降、凍脹的地區(qū)，應(yīng)該應(yīng)用先進的勘察手段，細(xì)化勘探的內(nèi)容，加強室內(nèi)的試驗分析，為設(shè)計單位提供詳盡可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

4.2 加強對路基填筑質(zhì)量的控制

（1） 填筑工藝性試驗。針對不同地區(qū)的填料，需要分別開展壓實工藝試驗，以取得更好的壓實效果，比如某車站路基本體和填土厚度為36 cm，松鋪系數(shù)為1.22，含水量為4.0%～5.7%；采用20 t的壓路機破壓，先按1遍靜壓、1遍弱振、2遍強振進行控制，當(dāng)檢測不達標(biāo)時再增加碾壓遍數(shù)。狀壁及墻背1 m內(nèi)用沖擊夯夯實6～7遍，然后再用小型壓路機碾壓2遍。

（2） 路基檢測。需要對路基的剛度和相應(yīng)的彈性變形進行控制。要嚴(yán)格按照相關(guān)工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實施，如表1所示。

表1 路基基床及基床以下部分壓實標(biāo)準(zhǔn)表

4.3 提高設(shè)計的系統(tǒng)性

在進行高鐵線路設(shè)計時，應(yīng)該結(jié)合所經(jīng)區(qū)域的地質(zhì)狀況，深入研究分析線路的走向和軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)系，確定出運營速度和安全值之間的相互關(guān)系，設(shè)計出符合實際應(yīng)用要求的平順曲線，便于對軌道進行后期的調(diào)節(jié)和維修保養(yǎng)。

4.4 施工質(zhì)量控制

在進行施工建設(shè)時，應(yīng)該控制好施工工藝流程，組建高水平的技術(shù)團隊，加強監(jiān)督管理力度，對于關(guān)鍵的工序和部位進行現(xiàn)場監(jiān)督。比如，在路堤高度大于5.0 m地段兩側(cè)，均設(shè)置扶壁式擋土墻和加強路基側(cè)向約束，增加路基剛度減少了路堤荷載，從而有效提高沉降控制效果。