既有重載鐵路路橋過渡段軌道結(jié)構(gòu)縱向差異沉降監(jiān)測分析與預(yù)測

冷伍明，周思危，聶如松，程龍虎，涂仁盼，范瑞祥

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

路橋過渡段易出現(xiàn)軌道幾何形位超限、道砟臟污、路基翻漿冒泥、軌枕懸空、道砟破碎、鋼軌磨損和軌枕開裂等病害，導(dǎo)致路橋過渡段的維修工作量和花費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般路基。產(chǎn)生這些病害的主要影響因素有：①由路基柔性結(jié)構(gòu)物和橋涵剛性結(jié)構(gòu)物支撐的軌道結(jié)構(gòu)剛度在過渡段區(qū)域變化較大，導(dǎo)致在列車動荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)沉降不均勻，從而增加輪軌的動力相互作用，而增大的輪軌動力相互作用又會進(jìn)一步增加不均勻沉降和輪軌相互作用力；②由于路基一側(cè)的長期累積沉降比橋涵基礎(chǔ)的大，引起的沉降差導(dǎo)致輪軌動力相互作用持續(xù)增長；③路基填料不良、壓實(shí)不足、固結(jié)沉降或者排水不暢等。

重載鐵路軸重的增大和牽引質(zhì)量及行車密度的不斷提高，將進(jìn)一步加劇列車與線路系統(tǒng)之間的動力相互作用，過渡段路基的工作狀況將更為惡化[1]。目前，隨著各國鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對于過渡段差異沉降問題開展了廣泛研究。True[2]指出路橋過渡段沿線路縱向剛度的不均勻變化將導(dǎo)致軌道的嚴(yán)重變形和破壞，軌道沿線路的剛度差異和幾何不平順必然會影響列車的運(yùn)行質(zhì)量。Li等[3]對路橋過渡段發(fā)生變形和破壞的影響因素進(jìn)行了研究，提出了過渡段質(zhì)量評估方法和減緩破壞的處理措施。Martin等[4]利用有限差分軟件FLAC對列車循環(huán)荷載作用下路橋過渡段的沉降變形特性進(jìn)行了研究。狄宏規(guī)等[5]通過現(xiàn)場實(shí)測和室內(nèi)試驗(yàn)，對朔黃重載鐵路路橋過渡段在列車反復(fù)荷載作用下路基的動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析。陳果元等[6]以秦沈客運(yùn)專線為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，將級配碎石與土工格柵兩種材料下過渡段的沉降規(guī)律進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)土工格柵沉降控制效果更好。陳雪華等[7]對路橋過渡段兩側(cè)結(jié)構(gòu)的等效剛度進(jìn)行了研究，指出過渡段剛度較小一側(cè)的等效剛度取值不僅與其自身材料屬性有關(guān)，而且還與剛度較大一側(cè)材料屬性相關(guān)。韓自力[8]總結(jié)了近年來我國幾條主要干線的路橋過渡段路基調(diào)查和試驗(yàn)研究，對既有線提速路基的主要技術(shù)條件進(jìn)行了分析，同時對靜態(tài)測試和無損檢測方法進(jìn)行了初步研究。雷曉燕等[9]通過對路橋過渡段動力特性的分析，研究了涵洞凈寬、列車運(yùn)行速度和路基剛度對車體的垂向加速度、輪軌垂向作用力、鋼軌垂向位移及鋼軌垂向加速度的影響。

但總體而言，對于運(yùn)營多年的既有線重載鐵路路橋過渡段差異沉降進(jìn)行長期監(jiān)測的相關(guān)研究較少。因此，開展軸重提高和編組擴(kuò)大后重載鐵路過渡段沉降監(jiān)測，掌握過渡段差異沉降規(guī)律，及時了解過渡段軌道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，對當(dāng)前重載鐵路建設(shè)具有重要的實(shí)用價值。本文采用水平梁式傾斜儀對朔黃重載鐵路某路橋過渡段進(jìn)行長期沉降監(jiān)測，獲得了差異沉降沿線路縱向的分布特征以及隨列車運(yùn)行噸位的變化規(guī)律，研究成果不但在朔黃典型工段中取得了較好的應(yīng)用效果，而且為后續(xù)路橋過渡段差異沉降特性的深入研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對于路橋過渡段軌道與路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)和借鑒作用。

1 工程概況

朔黃重載鐵路路橋過渡段監(jiān)測工點(diǎn)位于河北省平山縣。該工點(diǎn)原為路涵過渡段，該涵洞為凈寬高均為5 m的蓋板涵。由于城市發(fā)展的需要，于2016年在蓋板涵位置采用頂推法施工了一座兩跨的框構(gòu)橋，該橋總長37.5 m，凈跨17 m，邊墩墻厚1.2 m，中間墩寬1.1 m，為上行重車與下行空車的雙線鐵路。橋梁施工完成后，橋兩端過渡段沉降較大，經(jīng)估算，沉降約為80 mm。重車線采用75 kg/m型鋼軌， Ⅲ型混凝土軌枕。重車線一側(cè)在軌道中間設(shè)置有護(hù)軌以增加軌道剛度。橋上道砟厚度約為1.45 m，過渡段道砟厚約為0.5 m。過渡段路肩進(jìn)行了加寬和強(qiáng)化處理，加寬后的路肩寬度為1.8 m。兩線的線間距為4 m。路基邊坡高為4 m，按1∶1.5放坡。路基填料為當(dāng)?shù)貜V泛分布的低液限粉質(zhì)黏土。自地基面依次向下分布為Q4砂質(zhì)黃土、Q4粉質(zhì)黏土層。砂質(zhì)黃土基本承載力為130 kPa，粉質(zhì)黏土基本承載力為170 kPa。地下水位深4～5 m。過渡段縱、橫斷面如圖1所示。

圖1 路橋過渡段設(shè)置方式(單位：m)

2 監(jiān)測原理與方法

為監(jiān)測路橋過渡段差異沉降，構(gòu)建了自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由JTM-U6000JB水平梁式傾斜儀、CR800數(shù)據(jù)采集箱、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU649)、太陽能電板、蓄電池和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組成。水平梁式傾斜儀測試沉降的原理是：將梁的一端固定在不動點(diǎn)，另一端固定在監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生沉降時，水平梁會產(chǎn)生角度變化，安裝在水平梁上的傳感器能敏感地輸出角度變化信號，根據(jù)角度變化值乘以水平梁的長度即可得到水平梁兩端的差異沉降值。具體計(jì)算式為

T=C0+C1·UEL+C2·UEL2+C3·UEL3+C4·

UEL4+C5·UEL5

(1)

d=T·l

(2)

式中：T為水平梁傾斜讀數(shù)，mm/m；C0、C1、C2、C3、C4、C5均為率定參數(shù)；UEL為測點(diǎn)電壓讀數(shù)，V；d為水平梁兩端的差異沉降值，mm；l為水平梁長度，m。

監(jiān)測過程中，當(dāng)水平梁逐次首尾連接，即可得到該監(jiān)測區(qū)段各監(jiān)測點(diǎn)相對于不動點(diǎn)發(fā)生的差異沉降值。

3 元件布置及安裝

現(xiàn)場安裝水平梁式傾斜儀時，由于道砟厚度較大，沉降監(jiān)測點(diǎn)的安裝無法在一個天窗期間完成，因此，將梁式傾斜儀直接安裝在上橋端與下橋端兩側(cè)重車道線路中心的軌排上，不動點(diǎn)設(shè)在框構(gòu)橋兩側(cè)的邊墩上。兩側(cè)區(qū)段內(nèi)各安裝5組傾斜儀，每組長2 m，各10 m。監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置見圖2，各測點(diǎn)編號及對應(yīng)里程見表1。

表1 各測點(diǎn)梁式傾斜儀編號及對應(yīng)里程

圖2 梁式傾斜儀現(xiàn)場布置圖

水平梁式傾斜儀與軌排連接的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。安裝過程中先將軌枕周邊及底部以下的部分道砟清除，采用事先開槽的兩塊鋼板置于軌枕的上頂面和下底面，并用豎直螺桿將兩者固定，道砟回填夯實(shí)后將水平梁兩端錨頭放入上頂板槽中，用螺母和墊片固定。

圖3 梁式傾斜儀安裝結(jié)構(gòu)示意

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 沉降量分析

對路橋過渡段進(jìn)行了為期125 d的實(shí)時監(jiān)測。在監(jiān)測初期將采樣頻率設(shè)定為1次/10 min，后每隔0.5 h采集一次數(shù)據(jù)，共采集數(shù)據(jù)54 750個。為避免列車通過時引起的振動對測試結(jié)果的影響，僅選取天窗期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時，收集整個監(jiān)測期間通過監(jiān)測區(qū)段的車輛列數(shù)、每列車廂節(jié)數(shù)以及貨運(yùn)重量數(shù)據(jù)，得到上、下橋兩側(cè)過渡段差異沉降量沿線路縱向的分布曲線，如圖4所示。

圖4 不同列車運(yùn)行噸位下差異沉降量沿線路縱向分布曲線

從圖4中可以看出，橋兩側(cè)過渡段差異沉降隨距橋邊墩距離的增加而逐漸增大，隨列車運(yùn)行噸位的增加而不斷增大。在監(jiān)測期間，下橋端過渡段最大沉降量為0.4 mm，上橋端過渡段最大沉降量為0.8 mm。下橋端過渡段沿線路縱向各測點(diǎn)差異沉降變化趨勢較為一致，變化最為明顯的區(qū)域主要集中在距橋邊墩4～6 m處，所對應(yīng)的兩測點(diǎn)間存在近0.12 mm的沉降差。在距橋邊墩8、10 m的位置，兩測點(diǎn)的沉降量已基本一致，兩者間的沉降差很小，初步可以判定距邊墩8 m范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)為過渡段沉降最為顯著的區(qū)域。上橋端過渡段與下橋端過渡段的沉降規(guī)律類似，但沿線路縱向各測點(diǎn)差異沉降變化趨勢存在較大的差別，變化最明顯的區(qū)域主要發(fā)生在邊墩外4～6 m處，兩測點(diǎn)間存在近0.26 mm的沉降差，整個區(qū)段內(nèi)差異沉降量極差達(dá)0.486 mm。

同時，各測點(diǎn)的差異沉降量與列車通行累計(jì)噸位的關(guān)系如圖5所示。

圖5 差異沉降量-列車?yán)塾?jì)噸位變化曲線

從圖5中同樣可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測區(qū)段內(nèi)相對橋邊墩不動點(diǎn)的差異沉降量在0～0.8 mm范圍內(nèi)持續(xù)增長，且距橋邊墩越遠(yuǎn)，差異沉降及其變化幅度越大。同時，隨著列車噸位的增加，差異沉降量逐漸增長，其增長幅度表現(xiàn)為在監(jiān)測初始或前期較大，中期有所減小，隨后繼續(xù)增大，最終趨于穩(wěn)定并保持微小變化的過程，表明在列車荷載的長期循環(huán)作用下道床和路基發(fā)生了一定的循環(huán)累積變形，并且上、下橋兩側(cè)過渡段差異沉降量在經(jīng)過約1.0×109t的列車?yán)塾?jì)噸位作用后均趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

另外，將監(jiān)測結(jié)束后上、下橋端兩側(cè)的最終沉降量進(jìn)行對比，如表2所示。發(fā)現(xiàn)上橋端一側(cè)沿線各測點(diǎn)沉降量及沉降差均明顯高于下橋端，表明下橋端一側(cè)沉降變形更為穩(wěn)定，且沿線路縱向分布更為均勻。

表2 橋兩側(cè)過渡段最終沉降量對比 mm

4.2 沉降速率分析

為研究差異沉降增長隨時間的變化規(guī)律，將每周沉降量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的始、終進(jìn)行對比，以一周內(nèi)沉降量的大小來反映軌道結(jié)構(gòu)沉降的快慢。測試17周各個監(jiān)測點(diǎn)的沉降速率如表3和圖6所示。

表3 各測點(diǎn)差異沉降速率 mm/周

圖6 差異沉降速率-列車?yán)塾?jì)噸位變化曲線

由表3和圖6可以看出：

(1)距橋邊墩越遠(yuǎn)，沉降速率整體上變化也越大，這與沉降量沿線路縱向分布規(guī)律類似。隨著列車運(yùn)行噸位的增加，沉降速率大致表現(xiàn)為逐漸減小并上下波動，最終趨于穩(wěn)定的變化過程。

(2)橋兩側(cè)過渡段沉降速率峰值均發(fā)生在梁式傾斜儀安裝完成開始監(jiān)測后的第一周，在此期間通過該路段的列車噸位僅為0.07×109t左右。分析主要原因可能為：①梁式傾斜儀安裝過程中，需先將軌枕周邊及底部的部分道砟清除，再進(jìn)行回填，過程中使道砟發(fā)生了松動，導(dǎo)致短期內(nèi)在列車荷載作用下產(chǎn)生了較大的沉降量；②通過對整個監(jiān)測期間監(jiān)測區(qū)段內(nèi)的降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖7。由圖7可見，降雨量集中于前兩周，尤其在第一周最大降雨量高達(dá)50 mm左右，由于過渡段路基含水率的驟增導(dǎo)致沉降速率迅速達(dá)到其峰值。

圖7 監(jiān)測期每日降雨量統(tǒng)計(jì)

(3)上、下橋兩側(cè)過渡段沉降速率變化趨勢類似，但上橋端速率變化幅值明顯高于下橋端，進(jìn)一步表明下橋端一側(cè)沉降變形更為穩(wěn)定。當(dāng)列車運(yùn)行噸位超過1.0×109t后兩側(cè)均進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。隨著累計(jì)噸位的繼續(xù)增加，各測點(diǎn)沉降速率最終均穩(wěn)定在0.01 mm/周范圍內(nèi)。

5 沉降預(yù)測分析

基于實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降預(yù)測的方法可分為三類：①曲線擬合法，如雙曲線法、指數(shù)曲線法、星野法、Asaoka法、泊松曲線法、三點(diǎn)法、拋物線法等；②系統(tǒng)理論法，如時間序列法、灰色理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等；③反演預(yù)測法，一般采用有限元法，利用已知沉降數(shù)據(jù)先反演模型參數(shù)，然后正演預(yù)測后期的沉降[10]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對以上各種預(yù)測模型均開展了大量的研究工作，但主要是針對填筑期路基、新線路基、軟土地基等全過程沉降且初期存在較大沉降變形的工況[11-18]，對于具有一定運(yùn)營年限的既有重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)，因其路基填料壓縮變形及地基土固結(jié)沉降中的瞬時沉降和主固結(jié)沉降均已基本完成，現(xiàn)階段沉降主要由地基土次固結(jié)沉降及行車荷載作用下路基和道床層的永久變形組成，沉降變化量級較小，因此對適用的預(yù)測模型研究較為有限。本文綜合考慮既有線重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)沉降機(jī)理及各種預(yù)測模型的適用條件，選取雙曲線模型、指數(shù)曲線模型，并以對數(shù)誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)建立雙曲線-指數(shù)曲線組合預(yù)測模型[19]，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到過渡段差異沉降與列車通行噸位間的經(jīng)驗(yàn)公式(表4)，并利用經(jīng)驗(yàn)公式對過渡段差異沉降進(jìn)行預(yù)測及驗(yàn)證，篩選出適用于既有線重載鐵路路橋過渡段差異沉降的預(yù)測模型。

表4 既有重載鐵路路橋過渡段差異沉降預(yù)測模型

從表4中可以看出，三種模型都能較好地?cái)M合路橋過渡段差異沉降與列車運(yùn)行噸位間的關(guān)系。由評估預(yù)測模型精度指標(biāo)(SSE和SE)來看，雙曲線模型>指數(shù)曲線模型>組合預(yù)測模型；由評估預(yù)測模型穩(wěn)定可靠性指標(biāo)(SSPE和SPE)來看，雙曲線模型>指數(shù)曲線模型>組合預(yù)測模型。表明組合預(yù)測模型的預(yù)測精度及穩(wěn)定可靠性較另外兩種模型更好。

采用上述三種預(yù)測模型，對該路橋過渡段在累計(jì)通行噸位達(dá)到1.2×109t時的沉降量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值比較如表5與圖8所示。

從表5中可以發(fā)現(xiàn)：雙曲線模型預(yù)測值與實(shí)測值之間絕對誤差范圍為0.002～0.053 mm，相對誤差范圍為0.50%～11.71%；指數(shù)曲線模型的絕對誤差范圍為0～0.040 mm，相對誤差范圍為0～5.76%；組合預(yù)測模型的絕對誤差范圍為0～0.025 mm，相對誤差范圍為0～4.24%。由圖8可知，三者較明顯的誤差均集中在監(jiān)測點(diǎn)EL9處，其中，組合預(yù)測模型在該點(diǎn)處誤差最小，與實(shí)測曲線吻合度最高，雙曲線模型、指數(shù)曲線模型稍偏離實(shí)測曲線，但總體上，三種預(yù)測模型曲線與實(shí)測曲線基本接近，在實(shí)際工程中，三者用于軌道結(jié)構(gòu)沉降預(yù)測，均具有良好的預(yù)測效果。綜合上述分析，組合預(yù)測模型相比其他兩種模型能夠更好反映既有重載鐵路路橋過渡段監(jiān)測工點(diǎn)的沉降變形規(guī)律，其次是指數(shù)曲線模型，雙曲線模型預(yù)測誤差相對較大。

表5 不同預(yù)測模型最終沉降量結(jié)果對比

圖8 各測點(diǎn)沉降預(yù)測值與實(shí)測值比較

6 結(jié)論

采用水平梁式傾斜儀對既有線重載鐵路路橋過渡段軌道結(jié)構(gòu)的差異沉降進(jìn)行長期實(shí)時監(jiān)測，對監(jiān)測結(jié)果中沉降量、沉降速率及兩者沿線路縱向的分布特征以及隨列車通行噸位的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并且采用三種預(yù)測模型對過渡段差異沉降進(jìn)行了預(yù)測分析，得到如下結(jié)論：

(1)在監(jiān)測期間，通過過渡段的列車噸位達(dá)到近1.2×109t，下橋端過渡段軌道與路基結(jié)構(gòu)的最大沉降量為0.4 mm，上橋端過渡段軌道與路基結(jié)構(gòu)的最大沉降量為0.8 mm，距橋邊墩8 m范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)為過渡段沉降最為顯著的區(qū)域。

(2)橋兩側(cè)過渡段差異沉降隨距橋邊墩距離的增加而逐漸增大，隨列車運(yùn)行噸位的增加而不斷增大。

(3)在監(jiān)測期間，過渡段各測點(diǎn)的沉降速率在0.2 mm/周范圍內(nèi)變化，距橋邊墩越遠(yuǎn)，沉降速率及其變化范圍越大。隨著列車?yán)塾?jì)噸位的增加，沉降速率逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。

(4)組合預(yù)測模型能較好地預(yù)測既有重載鐵路路橋過渡段的沉降變形，指數(shù)曲線模型次之，雙曲線模型預(yù)測誤差相對較大。