巨型溶洞超厚填筑體分層沉降規(guī)律研究

陳啟輝，顧薛青，王軍，于明洋，邱敬格

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250101；3.山東建大工程鑒定加固研究院，山東濟南250104)

0 引言

目前，國內(nèi)針對高填方地基的內(nèi)部沉降規(guī)律作了許多研究。葛苗苗等[1-2]對黃土高填方的施工后沉降反演預(yù)測，發(fā)現(xiàn)地基總沉降由填方體自身沉降和原地基沉降2部分組成，其中填方體的自身沉降占主要部分；朱才輝等[3-4]和周遠強等[5]以呂梁機場高填方地基工后沉降監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，量化分析了多種因素對原地基和填筑體的工后沉降影響；李秀珍等[6]和劉宏等[7-8]以九寨黃龍機場高填方地基為研究對象，發(fā)現(xiàn)高填方地基的沉降與填筑體的厚度和原地基中軟弱土層的厚度有密切關(guān)系；王蘊嘉等[9]和周夢佳等[10]研究了不同填料形狀對高填方路基內(nèi)部沉降及應(yīng)力變化的影響。

上述研究多涉及地面高填方路基內(nèi)部沉降及工后沉降，但對于在巨型溶洞內(nèi)這種復雜條件下高填方路基的分層沉降規(guī)律還缺少相關(guān)研究。文章以高山隧道巨型溶洞內(nèi)超厚回填路基為研究對象，路基厚度達67～121 m，其在施工及運營期間的變形和穩(wěn)定性問題尤為突出，為此建立了超厚路基沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)，以分層沉降監(jiān)測為重點，研究了超厚填筑體內(nèi)部沉降規(guī)律。同時，為探究運營期列車動載對回填路基的影響，建立了軌枕—道砟—路基在列車動載作用下的三維模型，研究運營期超厚填筑體內(nèi)部動力響應(yīng)特征，為以后此地區(qū)類似工程提供科學性的指導。

1 工程概況

高山隧道平導掌子面施工至PK 53+678時揭示一廳堂狀溶洞，其長約為124 m、寬為32～63 m、高為46～65 m，頂部呈天然吊頂狀，底部因洞內(nèi)巖體塌落堆積自線路行進方向呈13°斜坡，無地下水發(fā)育，高山隧道與溶洞呈42°夾角高位穿越。經(jīng)專家論證和多方案比選，決定采用“洞砟回填+上部回填體注漿”處治方案，洞砟回填溶洞，洞砟頂部設(shè)級配碎石層，在上方設(shè)鋼筋混凝土板作鐵路路基，如圖1所示?；靥盥坊饕Y(jié)構(gòu)自上而下依次為:①鋼筋混凝土路基板，層厚3 m；② 摻5%水泥級配碎石層，層厚5 m；③加工洞砟回填層，層厚約30～50 m，其中上部20 m注漿加固；④ 后期和早期堆積體為溶洞自然塌落層，層厚約37～66m，主要由石灰?guī)r碎石土組成，仍具有一定壓縮性。全部路基體內(nèi)加工洞砟回填層和底部堆積體是沉降的主要來源，總厚度達67～121 m。

圖1 溶洞回填示意圖/m

2 超厚填筑體沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實施

2.1 超厚填筑體沉降監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

巨型溶洞超厚填筑體沉降監(jiān)測系統(tǒng)，用于長期監(jiān)測回填路基沉降變形，實時掌握路基沉降情況，獲取路基沉降觀測數(shù)據(jù)，可用于考察路基沉降的穩(wěn)定性和探究填筑體沉降特征[11]，以保證鐵路的安全運營。

超厚填筑體沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，由感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。感知系統(tǒng)由各類監(jiān)測元件組成，包括壓差式靜力水準儀、多點位移計、土應(yīng)變計，分別監(jiān)測回填體表層沉降、回填體分層沉降、底部堆積體分層沉降及回填體與路基板離層脫空4項內(nèi)容；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收辨識各類監(jiān)測元件的原始數(shù)據(jù)，并對其進行分類、統(tǒng)計和存儲等處理操作，形成綜合數(shù)據(jù)庫，方便數(shù)據(jù)的管理與調(diào)取；傳輸系統(tǒng)通過4G移動網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由于溶洞內(nèi)無移動網(wǎng)絡(luò)信號，溶洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過光纜與平導入口處數(shù)據(jù)傳輸基站連接，基站通過移動信號將測試數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，千里之外的監(jiān)控人員通過網(wǎng)絡(luò)讀取測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程自動化監(jiān)測服務(wù)，并有助于數(shù)據(jù)的實時處理與反饋；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要通過自主編程的巨型溶洞回填沉降數(shù)據(jù)自動分析專用軟件，對綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，計算其總體沉降量和日均沉降速率等參數(shù)，直觀地呈現(xiàn)超厚填筑體沉降特征，同時具備信息查詢和閾值報警等功能，實時掌控現(xiàn)場安全狀況。巨型溶洞回填沉降數(shù)據(jù)自動分析系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖2 超厚路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖3 超厚路基沉降監(jiān)測系統(tǒng)圖

2.2 監(jiān)測點布置與安裝

監(jiān)測點布置原則以線路中心為重點，逐漸向兩側(cè)擴散布置。采用壓差式靜力水準儀監(jiān)測路基表層沉降，監(jiān)測點沿線路中心和兩側(cè)邊墻布置3條測線，共18個測點，每條測線單設(shè)一個基準點安裝于溶洞穩(wěn)定巖壁上。采用土應(yīng)變計監(jiān)測回填體與鋼筋混凝土路基板之間離層量，沿線路中心布置3個測點。沉降點平面布置如圖4所示。為配合底板注漿技術(shù)預(yù)防離層量過大而造成的路基板破壞，測點布置如圖4(a)所示。

圖4 沉降測點平面布置圖/m

文章重點介紹填筑體分層沉降監(jiān)測，沿線路中心布置3個監(jiān)測孔(FQ2、FS1和FQ3)，兩側(cè)邊墻外側(cè)布置3個監(jiān)測孔(FQ1、FQ4和FQ5)，共計6個監(jiān)測孔，鉆孔內(nèi)布置多點位移計，鉆孔平面布置如圖4(b)所示，其中淺孔(FQ)5個，用于洞砟回填體分層沉降監(jiān)測；深孔(FS)1個，用于底部堆積體分層沉降監(jiān)測，各監(jiān)測孔內(nèi)每間隔10 m設(shè)一個測點，自上而下進行編號，共計29個測點，線路中心剖面測點布置如圖5所示，測點詳細布置位置見表1。

一是句式結(jié)構(gòu)準確性不夠。中西方文化的不同使英語句式表達與漢語的次序習慣不同甚至相反。因此，譯者要準確把握語言句式結(jié)構(gòu)的變化，轉(zhuǎn)換為與該國文化相應(yīng)的句式。如漢語語序一般按照動作發(fā)生的先后排列，而英文則常常將動作的先后順序打亂。

從溶洞與主線相交的2個洞口傾倒洞砟回填，回填至755高程(摻5%水泥級配碎石層頂面)后布設(shè)安裝多點位移計，具體安裝步驟如下:① 利用全站儀定點，鉆孔，其鉆孔直徑為130 mm；② 安裝最深測點的錨頭于測桿端頭；③ 根據(jù)設(shè)計孔深接長PVC管和測桿，接長前，需先對PVC管一端接頭涂膠固化，測桿接頭用防松膠鎖固，PVC管接頭用給水膠并纏繞膠帶加固，連接完畢后，臨時固定在孔口處；④采用水灰比1∶3的水泥漿與粗砂混合封孔；⑤砌筑傳感器保護基座，砌筑期間用綜合測試儀持續(xù)監(jiān)測傳感器工作狀態(tài)；⑥ 布設(shè)數(shù)據(jù)采集線，統(tǒng)一連接至采集機箱。分層沉降監(jiān)測元件安裝過程如圖6所示。

圖5 線路中心剖面測點布置圖/m

表1 分層測點詳細布置表

圖6 分層沉降監(jiān)測元件安裝圖

3 巨型溶洞超厚填筑體分層沉降規(guī)律分析

級配洞砟回填層注漿施工完成后，于2018年1月18日開始采集分層沉降數(shù)據(jù)，沉降計算以安裝基座為基準點，不同深度測點的位移值為該深度以上填筑體的壓縮變形量，監(jiān)測系統(tǒng)每4 h采集一次沉降值，每日平均值作為測點沉降值，同鉆孔內(nèi)相鄰兩測點差值為10 m回填體范圍內(nèi)的壓縮量；監(jiān)測數(shù)據(jù)取至2018年12月31日，共計337 d，其中前237 d為鐵路隧道施工期，剩余100 d為靜置期。結(jié)合各監(jiān)測孔測點位置，分析溶洞超厚填筑體分層沉降規(guī)律。

3.1 回填體分層沉降規(guī)律分析

FQ孔主要監(jiān)測范圍為回填層，即淺層分層，各測孔沉降量變化曲線如圖7所示，分層沉降見表2。

圖7 各測孔沉降量變化圖

表2 回填體分層沉降表/m

根據(jù)圖7分析可知，各監(jiān)測孔測點沉降量呈現(xiàn)出隨著深度的增加而增大規(guī)律，同時說明填筑高度越高，填筑體壓縮變形量越大；且監(jiān)測初期未注漿洞砟層受施工新增荷載影響顯著，沉降速率快，隨著時間推移，外部荷載對填筑體的沉降影響降低，沉降速率逐漸變緩，進入靜置期后，填筑體基本壓實，沉降基本穩(wěn)定。沉降在施工期已基本完成，壓縮變形量占總壓縮量＞90%，進入靜置期曲線段接近平行，各分層沉降量基本保持不變。主要原因是回填體上方機械等施工荷載加大回填體的附加應(yīng)力，加快了回填體的壓縮變形。

由表2可知，沉降主要發(fā)生在洞砟注漿層底部、洞砟未注漿層和底部堆積體頂部，其中洞砟未注漿層沉降最為顯著。結(jié)合圖6，回填體在埋深-5～-25 m范圍內(nèi)為洞砟注漿加固層，而測孔 FQ2和FQ4在埋深-17～-27 m范圍內(nèi)的沉降量＞25 mm，這是因為實際注漿難以控制，現(xiàn)場部分位置存在注漿不充分的問題，導致沉降變形量大；對比位于中線的FQ2和FQ3測孔，測孔FQ2在埋深-37～-47 m范圍內(nèi)的沉降量小于FQ3，因為FQ2孔在此分層范圍內(nèi)大部分由后期堆積體組成，而FQ3孔位于未注漿洞砟層中，后期堆積體已較為密實，壓縮變形量小于未注漿洞砟層。位于線路右側(cè)的FQ4和FQ5測孔在埋深-27～-37 m范圍內(nèi)的沉降量均＞25 mm，此分層為未注漿洞砟層，塊石之間空隙大，壓縮變形量大。

整體來看，回填體在埋深0～-7 m范圍內(nèi)填筑體壓縮量均＜3 mm，此分層主要由摻5%水泥級配碎石層組成，壓實度高，可壓縮量非常小；在埋深-7～-17 m范圍內(nèi)的填筑體壓縮量多數(shù)＜10 mm，此分層位于注漿加固洞砟層，漿液充填塊石間空隙；分層沉降量較大值多產(chǎn)生于監(jiān)測孔測點2-3、3-4和4-5分層范圍內(nèi)，即在埋深-17～-47 m范圍內(nèi)，此分層絕大部分為未注漿洞砟層，施工工藝采用拋填填筑，塊石之間空隙大，可壓縮變形量大。所以回填體沉降量主要由未注漿洞砟層壓縮變形產(chǎn)生。

3.2 底部堆積體分層沉降規(guī)律分析

FS1監(jiān)測孔主要監(jiān)測范圍為底部堆積體，其沉降量變化曲線如圖8所示，堆積體分層沉降值見表3。位于早期堆積體中的FS1-4和FS1-5等3個測點沉降變化曲線接近重合，沉降速率基本保持一致，說明底部深層堆積體固結(jié)沉降早已完成，可壓縮量非常小。

圖8 FS1分層沉降量曲線圖

表3 堆積體分層沉降表

深孔FS1分層沉降值顯示，分層壓縮量隨著深度的增加逐漸減小，在埋深-40～-60 m范圍內(nèi)的沉降值較大。由圖8可知，埋深-40～-50 m范圍內(nèi)的填筑體由未注漿洞砟層和后期堆積體組成，壓縮量達17.65 mm；埋深-50～-60 m范圍內(nèi)的填筑體由后期堆積體組成，壓縮量為10.26 mm，位于埋深-60～-80 m范圍內(nèi)的早期堆積體壓縮量非常小，均＜5 mm。因此堆積體沉降量主要由后期堆積體壓縮變形產(chǎn)生。

4 超厚填筑體的動力響應(yīng)特征分析

4.1 計算模型

超厚回填路基沉降量在施工期已基本完成，現(xiàn)在以及隨后相當長時間內(nèi)處于蠕變沉降階段，沉降持續(xù)發(fā)生，為研究運營期列車動載作用下回填路基的動力響應(yīng)特征，采用 MIDAS/GTS軟件建立軌道—道砟—路基在高速列車動荷載作用下的三維模型如圖9所示，模型尺寸長×寬×高為20 m×50 m×40.6 m，主要包括軌道、軌枕、道砟層、鋼筋砼路基板、級配碎石層、注漿洞砟層和加工洞砟層，材料參數(shù)見表4。鋼軌采用Eluer梁模型[12]，其他結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，鋼軌與軌枕的扣件系統(tǒng)采用彈簧—阻尼單元模擬。采用一致粘彈性人工邊界作為模型邊界條件[13-14]，即模型除頂面其他邊界均采用彈性—阻尼單元模擬無限遠。

圖9 回填路基有限元模型圖

表4 模型材料參數(shù)表

列車運行時，路基承受的動荷載主要來自于列車在不平順軌道上形成的激振力[15]，故采用激振力函數(shù)確定列車荷載，由式(1)表示為

式中:P0為車輪靜載，kN；ωi為圓頻率Pi為軌道不平順管理控制條件下的某一典型值的振動荷載，Pi=M0aiωi2，kN，其中ai為矢高，i為 1，2，3，M0為簧下質(zhì)量，取值為750 kg。

鋼軌規(guī)格為60 kg/m，軌枕采用Ⅲ型枕，列車模型參數(shù)參照CRH3/CRH380型動車組，將車輛模型簡化為集中荷載(僅考慮相鄰轉(zhuǎn)向架的4對輪載)施加于軌道結(jié)構(gòu)，荷載作用間距取2.5 m(兩相鄰轉(zhuǎn)向架的距離)，作用時長為0.5 s。

4.2 動力響應(yīng)特征分析

分析列車不同運行速度條件下回填路基動力響應(yīng)沿深度方向的變化?；靥盥坊鶆恿憫?yīng)如圖10～12所示。

圖10 不同運行速度下動應(yīng)力曲線圖

圖11 不同運行速度下動位移曲線圖

圖12 不同運行速度下動力加速度曲線圖

圖10 為列車在不同運行速度下動應(yīng)力沿路基深度方向的變化曲線，隨著深度增大，動應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力衰減速度也逐漸減小。各速度條件下的動應(yīng)力在不同深度范圍內(nèi)衰減規(guī)律大致相同，在道砟層衰減速度最大，衰減量達84%；在路基板內(nèi)動應(yīng)力衰減到0 kPa。

圖11為列車在不同運行速度下動位移沿路基深度方向的變化曲線，隨著深度增大，動位移量逐漸減小，至道砟層底面時，各速度條件下的動位移值大致相同，且基本不再發(fā)生變化。

圖12為列車在不同運行速度下加速度沿路基深度方向的變化曲線，隨著深度增大，動力加速度逐漸減小，至道砟層底面時，各速度條件下的動力加速度衰減為0 m/s2。

綜上所述，列車動載作用下回填路基的動力響應(yīng)主要發(fā)生在道砟層，道砟層下鋼筋混凝土路基板的存在吸收了大部分動荷載作用，起到了良好的隔振作用，運營期列車動荷載對填筑體沉降影響不大。

5 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1)填筑體沉降量隨著深度的增加而增大，大部分沉降在施工期已基本完成；沉降主要發(fā)生在洞砟注漿層底部、洞砟未注漿層和原始堆積體頂部，其中洞砟未注漿層沉降最為顯著；注漿加固洞砟層的壓縮量值小，說明注漿加固可提高填筑體整體性，減沉效果良好。

(2)底部堆積體在上方洞砟填筑之后繼續(xù)被壓實，分層壓縮量隨著深度的增加逐漸減小，沉降量主要由后期堆積體壓縮變形產(chǎn)生，早期堆積體可壓縮量非常小。

(3)列車動載作用下回填路基的動力響應(yīng)主要發(fā)生在道砟層，道砟層下的鋼筋混凝土路基板的存在吸收了大部分動荷載作用，起到了良好的隔振作用，運營期列車動載對超厚填筑體沉降影響不大。