運(yùn)營高鐵車站黃土路基沉降特征及原因分析

杲 斐 李 碩 劉陽杰

(1.中鐵二十一局集團(tuán)有限公司 甘肅蘭州 730070；2.南京師范大學(xué) 江蘇南京 210023)

1 引言

高速鐵路對軌道的精度要求高，路基作為軌道結(jié)構(gòu)的直接載體，必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度及抗變形能力[1]。從目前運(yùn)營高鐵來看，路基變形主要發(fā)生在地基部分，其原因多為荷載和外部環(huán)境耦合作用下，地基土的物理力學(xué)指標(biāo)發(fā)生變化，承載能力降低而導(dǎo)致路基本體變形，路基本體變形的反射作用引起了軌道結(jié)構(gòu)的變形[2－3]。為此，要高度重視高鐵路基結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，定期對路基變形段落進(jìn)行評估，分析路基的變形原因，提出針對性的措施，以保障高速鐵路運(yùn)營安全。

目前，運(yùn)營鐵路路基變形監(jiān)測方法還是依靠常規(guī)接觸式測量手段，常用高精度水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，其缺點(diǎn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大、觀測周期長、受營業(yè)線和光線影響大[4－7]。近幾年，興起的永久散射體干涉測量技術(shù)(PS-InSAR)已經(jīng)用于部分交通工程的區(qū)域變形監(jiān)測，該技術(shù)為非接觸式測量，可以監(jiān)測到長期地表緩慢形變，具有全天時(shí)、范圍廣、受天氣影響小的特點(diǎn)，可以定期提取交通工程沿線區(qū)域沉降變形情況。雷朋濤[8]將InSAR和北斗監(jiān)測及傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量相結(jié)合，對比分析了某高寒鐵路路基沉降情況，證明了InSAR技術(shù)的可行性。張兆旭[9]采用PS-InSAR技術(shù)對京滬高鐵靜海段上典型PS點(diǎn)進(jìn)行沉降時(shí)序分析。張學(xué)東[10]基于PS-InSAR技術(shù)分析了京滬高速公路京－冀段變形情況。秦曉瓊[11]以上海軌道交通工程為例，采用PS-InSAR技術(shù)分析了沉降格局，探討了其形變特性及原因?？傮w看來，PS-InSAR技術(shù)用于交通工程的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足要求。

在高鐵路基病害原因分析方面，高超[12]針對運(yùn)營高鐵某站場路堤軌道面沉降病害，分析成因并提出采用基底及路堤主體注漿加固技術(shù)治理病害。李尚飛[13]以大西高速鐵路高速綜合試驗(yàn)段為例，對季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害主要成因、整治措施及其效果進(jìn)行研究。李壇[14]分析了滬昆高鐵某軟土區(qū)路基沉降變形原因，得出部分地段路基受到新增荷載影響造成土體偏壓，導(dǎo)致路基本體發(fā)生側(cè)向滑移變形等病害的結(jié)論。李金良[15]針對蘭新高鐵部分水泥土路基上拱病害，研究了路基上拱原因，指出路基填料中高含量的硫酸鹽和水泥在水的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鈣礬石、硅灰石膏的過程中膨脹造成路基變形。從這些研究可以看出，路基病害與路基內(nèi)水分分布關(guān)系緊密。

本文以某高鐵車站黃土路基沉降病害為例，基于永久散射體干涉測量技術(shù)(PS-InSRA)對高鐵路基范圍內(nèi)地面進(jìn)行變形監(jiān)測，分析其沉降規(guī)律、發(fā)展趨勢對高速鐵路線路的影響。在現(xiàn)場鉆探取樣，分析地基土的干密度和含水率分布特征，尋找路基變形的原因，以便指導(dǎo)后續(xù)病害治理。

2 工程概況

某高鐵車站位于黃河的二級(jí)階地，緊鄰既有蘭新鐵路，區(qū)域地形開闊，城市道路交錯(cuò)，交通極為便利，是利用舊的鐵路編組站而新建的大型客運(yùn)樞紐，車站范圍內(nèi)地層自上而下分別為:(1)砂質(zhì)黃土，分布于黃土梁峁區(qū)邊緣，厚度8～12 m，Ⅱ級(jí)普通土，承載力為120 kPa，具有Ⅲ級(jí)濕陷性；(2)細(xì)圓礫土，成分以砂巖為主，Ⅱ級(jí)普通土，承載力為400 kPa；(3)粗圓礫土，Ⅲ級(jí)硬土，承載力為500 kPa；(4)卵石土(Q3al7)，Ⅳ級(jí)軟石，承載力為750 kPa。

軌道結(jié)構(gòu)為有砟軌道，路基基床表層為60 cm厚的級(jí)配碎石，路基填高0.6～2 m，地基采用強(qiáng)夯、水泥土擠密樁和DDC樁處理。路基兩側(cè)設(shè)置矩形排水側(cè)溝，寬度0.6 m，溝深0.6～1.8 m。車站自2017年7月開通運(yùn)營，2018年，觀察部分股道路基的排水側(cè)溝開裂，軌道出現(xiàn)下沉，影響了列車的運(yùn)營安全。

3 路基沉降特征分析

鑒于變形段高速鐵路在限速運(yùn)營，采用傳統(tǒng)的接觸式測量進(jìn)行路基沉降觀測費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)列車運(yùn)營也會(huì)影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和觀測人員的安全。為此，采用永久散射體干涉測量技術(shù)(PS-InSAR)進(jìn)行路基變形觀測，分析路基沉降原因。

PS-InSAR技術(shù)是利用某一固定區(qū)域的長時(shí)間序列SAR影像，篩選出1幅主影像和N幅輔影像進(jìn)行干涉分析，選出大氣影響小，且與時(shí)間和空間失相關(guān)的穩(wěn)定的房屋、橋梁、裸露巖石等組成的永久性散射體，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理和分析程序，將形變相位分量與其他相位分量分離，反演地表在固定時(shí)間段內(nèi)的形變特性，然后使用SRTM90m DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行二次反演分析和干涉圖的二次差分處理，得到高精度的地表形變特征。

本項(xiàng)目采用歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星29景IW模式的VV極化方式SAR影像，影像的軌道號(hào)為62，入射角度約為44.6°，時(shí)間段為2017年2月19日至2019年6月9日，選取10 km鐵路路基200 m寬的范圍，共計(jì)65 km2進(jìn)行干涉分析，總計(jì)選出12 846個(gè)永久散射體點(diǎn)(見圖1)。

圖1 觀測范圍內(nèi)永久散射體分布

為了詳細(xì)了解沉降情況，在圖1所示車站范圍內(nèi)路基中布設(shè)A、B兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行時(shí)序沉降精確分析，A區(qū)域位于車站東咽喉以東部分站線，B區(qū)域范圍為車站東西咽喉范圍內(nèi)的部分，選取2017年2月19日至2019年6月19日時(shí)間段內(nèi)DEM圖像進(jìn)行干涉分析，在A區(qū)域選取a、b、c三段(見圖2)，B區(qū)域內(nèi)選取d和e段(見圖3)進(jìn)行累計(jì)變形分析，繪制時(shí)序累計(jì)變形分布圖(見圖4)。

圖2 A區(qū)域永久散射體分布

圖3 B區(qū)域永久散射體分布

圖4 車站內(nèi)觀測點(diǎn)時(shí)序累計(jì)沉降量分布

由圖4可知，截止2019年6月9日，A區(qū)域a段高鐵路基平均累計(jì)沉降為－21.39 mm，b段的平均累計(jì)沉降為－14.28 mm，c段的平均累計(jì)沉降為－13.28 mm。B區(qū)域高鐵路基內(nèi)d段的平均累計(jì)沉降為－9.67 mm，e段的平均累計(jì)沉降為－17.11 mm。a段的平均累計(jì)沉降最大，d段的累計(jì)沉降最小，b、c和e三段的累計(jì)沉降相近。從趨勢看，A和B區(qū)域內(nèi)5段的高鐵路基的沉降趨勢相近。

從時(shí)序角度考慮，圖4中的5個(gè)監(jiān)測段落在2017年5月至2017年9月、2018年4月至2018年7月兩個(gè)時(shí)序段內(nèi)的平均累計(jì)沉降呈逐漸增加趨勢，時(shí)間與平均累計(jì)沉降呈線性關(guān)系，沉降較快；在2017年10月至2018年3月、2018年8月至2019年2月兩個(gè)時(shí)序段內(nèi)，平均累計(jì)沉降較為緩慢，接近于無沉降狀態(tài)，特別是B區(qū)域的表現(xiàn)更為明顯?？傮w來看，2018年7月之后，沉降趨勢開始減緩。

4 地基土密度及含水率特征

2018 年9 月底，在 a、b、c、d、e五個(gè)段內(nèi)布設(shè)5 個(gè)鉆孔，孔位編號(hào)依次為 ZTa、ZTb、ZTc、ZTd、ZTe，分析地基土的含水率和干密度分布特征，取樣深度為10 m，繪制含水率和干密度隨深度的分布圖(見圖5和圖6)。

圖5 地基土含水率隨深度分布曲線

圖6 地基土干密度隨深度分布曲線

4.1 地基土含水率分布特征

圖5為地基土樣含水率隨深度變化曲線，可以看出，地基土樣的含水率在12.9%～25.2%間，其中地下0.3 m處土樣的含水率分布在12.9%～16.7%之間，地下2 m處土樣的含水率分布在17.1%～21.9%之間，地下4～10 m范圍內(nèi)土樣的含水率分布在17.9%～25.2%之間。從含水率分布趨勢看，自上而下呈增加趨勢，地下2 m和4 m處為含水量增加趨勢的拐點(diǎn)，其中地下0～2 m范圍內(nèi)的含水率增加較明顯，定義為快速增加階段；地下2～4 m范圍內(nèi)的含水率增加趨勢減緩，定義為緩慢增加階段；地面以下4～10 m范圍內(nèi)的含水率幾乎不變，定義為穩(wěn)定階段。在快速增加階段，單孔地基土樣的含水率隨地基深度增加了大約30%；在緩慢增加階段，單孔地基土樣的含水率隨地基深度增加約10%；穩(wěn)定階段的含水率幾乎無增加。

4.2 地基土干密度分布特征

圖6為地基土樣干密度隨深度變化曲線，可以看出，地基土樣的干密度在1.5～1.77 g/cm3之間，其中地下0.3 m處土樣的干密度分布在1.5～1.64 g/cm3之間，地下2 m處土樣的干密度分布在1.65～1.68 g/cm3之間，地下4～10 m范圍內(nèi)土樣的干密度分布在1.6～1.77 g/cm3之間。從總體趨勢看，干密度自上而下逐漸增加，地下4 m處為拐點(diǎn)，在地下0～4 m范圍內(nèi)干密度增加較明顯；地面以下4～10 m范圍內(nèi)土體干密度增加較少。對比各點(diǎn)的干密度，ZTa點(diǎn)在地下0～8 m范圍內(nèi)的干密度小于其他點(diǎn)位，對應(yīng)的a段累計(jì)沉降較大；ZTd點(diǎn)的干密度自始至終大于其他點(diǎn)位，對應(yīng)的d段累計(jì)沉降也較小。

根據(jù)地勘資料，該段地基黃土的天然干密度為1.5～1.67 g/cm3，土樣的干密度絕大多數(shù)分布在地基土天然干密度區(qū)間內(nèi)。這說明地基處理范圍有限，對路基側(cè)溝外側(cè)地基土影響較小，干密度偏小，土壤滲透系數(shù)較大，地表積水容易下滲。

5 路基沉降原因分析

從氣候特征考慮，研究區(qū)域降雨主要集中在5月～9月，11月至次年4月為凍結(jié)期，主要以降雪為主，而PS-InSAR觀測數(shù)據(jù)提示，2017年5月至9月、2018年4月至8月兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)平均累計(jì)沉降速率較快，這段時(shí)間對應(yīng)春夏季，降雨量較大；在2017年10月至2018年3月、2018年9月至2019年3月兩個(gè)期間內(nèi)，平均累計(jì)沉降較為緩慢，這段時(shí)間對應(yīng)秋冬季，降水較少，多數(shù)時(shí)間地表封凍，地表水入滲較為困難。路基的沉降與氣候和降水關(guān)系較為密切，但是總體而言，沉降速率有所減緩。

從地基土的含水率分布特征分析，地面以下0.3～4 m間的地基土樣含水率處于增加階段，地面以下4～10 m間的土樣含水率基本保持不變，結(jié)合文獻(xiàn)[16]研究結(jié)論，認(rèn)為地表水入滲引起地基含水率增加。

從地基土的干密度分布特征分析，地基處理范圍有限，并沒有影響到側(cè)溝外側(cè)地基土，側(cè)溝外側(cè)地基土樣密實(shí)度偏小，土壤滲透系數(shù)較大，地表積水容易下滲。

綜合分析認(rèn)為，該段路基位于車站內(nèi)，地勢平坦，路基間的場坪匯水面積較大，橫坡較小，地表匯水通過路基兩側(cè)的側(cè)溝排水，而場坪地表為砂礫石，沒有采用合理的防水措施，造成雨水及融化后的雪水滲入地基下臥層，造成黃土路基下臥層濕化變形。另一方面，新建路基的側(cè)溝為C30混凝土結(jié)構(gòu)，雨水和雪水從側(cè)溝邊滲入溝底黃土層，高含水率黃土的凍脹作用引起了側(cè)溝的開裂，而側(cè)溝的縱坡較小，排水不暢，溝內(nèi)積水從裂縫中滲入黃土地基，進(jìn)一步引起了地基的濕化沉降。

6 結(jié)論

通過采用PS-InSAR技術(shù)和現(xiàn)場勘查相結(jié)合的方法，研究了依托工程黃土路基的沉降特征和原因，得出以下結(jié)論:

(1)該段路基沉降主要發(fā)生在2017年5月至9月和2018年4月至8月兩個(gè)時(shí)間段，春夏季沉降速率較大，秋冬季相對平穩(wěn)，總體沉降趨勢有所減緩。

(2)車站地基土的含水率沒有線性變化特征，在地下0.3～2 m范圍內(nèi)土體含水率增加較快，2～4 m范圍內(nèi)含水率增加速率減緩，4～10 m范圍內(nèi)含水率基本穩(wěn)定，地下2 m和4 m為含水率增加速率的臨界深度。

(3)路基部位地基處理影響范圍有限，路基側(cè)溝外側(cè)地基土干密度偏小，滲透系數(shù)偏大。

(4)車站場坪的匯水面積較大，排水系統(tǒng)不完善，地表為透水性較強(qiáng)的卵石土，且沒有采取防水措施，造成大氣降水滲入地基引起黃土層濕化變形。

(5)整治措施為需完善車站股道間場坪地表的防排水系統(tǒng)，做好地表卵石土層的防水措施和C30混凝土排水側(cè)溝防凍和防水措施。