魯南高速鐵路接入京滬高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)

張海鳳

魯南高速鐵路有限公司，濟(jì)南 250102

新建魯南高速鐵路接入既有京滬高速鐵路工程中，由于地基處理施工擾動(dòng)、路基填筑產(chǎn)生的附加應(yīng)力，導(dǎo)致京滬高速鐵路路基變形，繼而影響線路的安全平順運(yùn)行。受地層土性參數(shù)選取、地質(zhì)不均勻、假設(shè)簡(jiǎn)化等影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果往往會(huì)和實(shí)際情況有一定差異，加上現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具等不確定因素，計(jì)算結(jié)果不能完全指導(dǎo)既有京滬高速鐵路路基變形的高精度控制。因此，在施工過(guò)程中，需根據(jù)線路變形控制要求與仿真計(jì)算規(guī)律，制定完善的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)地基處理、路基填筑、開(kāi)通運(yùn)營(yíng)等不同階段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障既有京滬高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，加強(qiáng)新建魯南高速鐵路的施工質(zhì)量控制。

鄰近營(yíng)業(yè)線施工監(jiān)測(cè)往往聚焦于既有線路受力、變形中的某一方面。Massarch［1］通過(guò)對(duì)沉樁施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，提出不同土層深度其變形方向不同，近地表土體主要發(fā)生豎向變形并向上發(fā)展，而深層土體變形以水平方向?yàn)橹?。劉波?］研究了基坑開(kāi)挖施工鄰近既有隧道變形分區(qū)，揭示了隧道受基坑開(kāi)挖影響變形發(fā)展變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了變形預(yù)測(cè)分析。魏煥衛(wèi)等［3］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析降水前后鄰近建筑物地基的應(yīng)力變化，研究了坑內(nèi)降水導(dǎo)致CFG 樁基沉降的規(guī)律，并提出計(jì)算方法。孟長(zhǎng)江等［4］對(duì)基坑降水后坑內(nèi)水位下降引發(fā)鄰近高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)變形及其承載力變化規(guī)律進(jìn)行了研究。徐干成等［5］通過(guò)研究盾構(gòu)下穿京津城際鐵路過(guò)程中采用的注漿加固措施，對(duì)既有鐵路橫向和縱向變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，論述了注漿加固的有效性。張鵬［6］結(jié)合地鐵下穿高速鐵路線路產(chǎn)生的地表沉降數(shù)據(jù)、高速鐵路軌道平順性要求以及高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)速度等因素，研究提出了地鐵下穿高速鐵路引起地表沉降的限制要求。左珅［7］考慮滬寧城際高速鐵路鄰近京滬高速鐵路修建工程，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路路基在路基基坑開(kāi)挖、成樁、路基填筑等不同階段的原有應(yīng)力、位移狀態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了不同階段既有京滬高速鐵路路基動(dòng)、靜力學(xué)響應(yīng)。

面向運(yùn)營(yíng)線路軌道平順性的高要求，已有研究成果不能有效指導(dǎo)施工，保證既有線路的運(yùn)營(yíng)安全。本文針對(duì)魯南高速鐵路近接京滬高速鐵路施工過(guò)程中路基變形控制難題，提出運(yùn)營(yíng)條件下京滬高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)體系，形成京滬高速鐵路變形監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究分析不同施工階段京滬高速鐵路路基變形發(fā)展規(guī)律。

1 監(jiān)測(cè)方法

為評(píng)估新建線路路基填筑施工對(duì)既有線路帶來(lái)的沉降變形和橫向位移，需針對(duì)高速鐵路場(chǎng)接軌段K536+600—K537+420 正線Ⅰ、Ⅱ股道展開(kāi)監(jiān)測(cè)，共計(jì)820 m。

沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性極大地依賴于基準(zhǔn)點(diǎn)的合理選取?；鶞?zhǔn)點(diǎn)需選擇于遠(yuǎn)離施工擾動(dòng)區(qū)域的穩(wěn)定建筑物處，比如深樁基、橋臺(tái)基礎(chǔ)、涵洞等，對(duì)于運(yùn)營(yíng)線路可結(jié)合工務(wù)部門日常巡檢數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)點(diǎn)的穩(wěn)定性，在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的人工復(fù)核。測(cè)點(diǎn)的間距需要兼顧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性能與經(jīng)濟(jì)性。測(cè)點(diǎn)間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致液路排泡困難，影響測(cè)點(diǎn)芯片的工作狀態(tài)，造成數(shù)據(jù)失真；測(cè)點(diǎn)間距過(guò)小會(huì)影響線路的運(yùn)營(yíng)，同時(shí)增大監(jiān)測(cè)成本，故每隔20 m布設(shè)1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，按60 m 間距布設(shè)自動(dòng)全向傳感水平位移計(jì)。水平位移計(jì)布設(shè)于既有京滬高速鐵路邊坡坡腳外0.5 m 位置至路肩的坡面上。根據(jù)荷載變形機(jī)理和維護(hù)要求，結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路的要求，測(cè)斜孔位置應(yīng)盡量靠上，管口做好保護(hù)措施，以便于設(shè)備維護(hù)。水平位移計(jì)布設(shè)斷面應(yīng)與沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)斷面合并設(shè)置。在不影響京滬高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的條件下，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)盡量靠近京滬高速鐵路。

施工過(guò)程中為避免機(jī)械、人員對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的擾動(dòng)，應(yīng)通過(guò)附近CPⅢ控制網(wǎng)對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行變形數(shù)據(jù)修正，修正頻次根據(jù)實(shí)際情況確定，宜為1 次/月。此外根據(jù)施工不同的階段對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求，遠(yuǎn)程設(shè)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集頻率及時(shí)間點(diǎn)，提高供電系統(tǒng)的使用壽命。

2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置原則

變形監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置應(yīng)遵循以下三原則。

第一原則：應(yīng)充分考慮京滬高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)。以京滬高速鐵路無(wú)砟軌道線路的可維護(hù)性為第一控制原則，始終確保既有京滬高速鐵路線路平順性處于扣件與墊片的調(diào)整能力范圍之內(nèi)，滿足TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》要求。

第二原則：應(yīng)考慮新建高速鐵路順利施工。在不違背第一控制原則及一定的安全儲(chǔ)備條件下，報(bào)警管理值的設(shè)置應(yīng)避免給新建魯南高速鐵路施工帶來(lái)不必要干擾，并動(dòng)態(tài)指導(dǎo)新建魯南高速鐵路施工。

第三原則：應(yīng)以京滬Ⅰ、Ⅱ股道變形為準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)警。由于鋪設(shè)的傳感器較多，有些傳感器距離運(yùn)營(yíng)京滬Ⅰ、Ⅱ股道距離較遠(yuǎn)，但離施工區(qū)域很近，其變形較大，若直接采用其值進(jìn)行報(bào)警會(huì)造成較大施工干擾。

2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

由于臨時(shí)補(bǔ)修作業(yè)具有即時(shí)性要求，當(dāng)天天窗未必能及時(shí)處理，造成處理措施的滯后。因此依據(jù)TG/GW 115—2012 相關(guān)規(guī)定，可將軌道高低和水平變形限制到經(jīng)常保養(yǎng)級(jí)別對(duì)應(yīng)的4 mm，設(shè)2、3、4 mm 三級(jí)，顏色分別對(duì)應(yīng)黃、橙、紅。

對(duì)于沉降限值，由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)間距為20 m，只能大致相當(dāng)于40 m 弦測(cè)量結(jié)果，且變形相當(dāng)于絕對(duì)變形，若采用這一劃分標(biāo)準(zhǔn)，則偏于嚴(yán)格，給運(yùn)營(yíng)和施工造成不必要的干擾。對(duì)于測(cè)斜監(jiān)測(cè)，路基段自動(dòng)全向傳感水平位移計(jì)布設(shè)于路基坡角或擋墻外，橋梁區(qū)域布設(shè)在防護(hù)柵欄外側(cè)，與京滬高速鐵路正線Ⅰ、Ⅱ股道有一定距離，先于運(yùn)營(yíng)線路受施工影響。當(dāng)全向水平位移測(cè)點(diǎn)最先發(fā)生變形，Ⅰ、Ⅱ股道可能未發(fā)生變形。按上述標(biāo)準(zhǔn)會(huì)過(guò)于嚴(yán)格。

本文共設(shè)置兩級(jí)報(bào)警體系：一級(jí)預(yù)警以自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級(jí)，其作用為預(yù)警提醒；二級(jí)報(bào)警以軌道檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)置黃、橙、紅三級(jí)，其作用為各單位行動(dòng)響應(yīng)依據(jù)。

2.3 運(yùn)營(yíng)線路監(jiān)測(cè)報(bào)警管理值設(shè)置

根據(jù)TG/GW 260—2015《運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)管理辦法》，運(yùn)營(yíng)高速鐵路基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)采用變形測(cè)量三等精度，水平位移監(jiān)測(cè)采用變形測(cè)量二等精度，見(jiàn)表1。

表1 京滬高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)要求

根據(jù)沉降變形精度范圍±0.5 mm 要求，其誤差范圍為1.0 mm。為減小誤報(bào)率，最小等級(jí)劃分跨度標(biāo)準(zhǔn)為誤差范圍+0.5 mm=1.5 mm。自動(dòng)監(jiān)測(cè)沉降預(yù)警等級(jí)劃分見(jiàn)表2，軌道高低報(bào)警等級(jí)劃分見(jiàn)表3。當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警值超過(guò)Ⅰ級(jí)之后，啟動(dòng)對(duì)Ⅰ、Ⅱ股道狀態(tài)的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定是否進(jìn)行二級(jí)報(bào)警。

自動(dòng)全向傳感水平位移計(jì)誤差范圍為1.5 mm，為減小誤報(bào)率，最小等級(jí)劃分跨度標(biāo)準(zhǔn)= 誤差范圍+0.5 mm =2.0 mm。自動(dòng)監(jiān)測(cè)水平位移預(yù)警等級(jí)劃分見(jiàn)表4，軌道狀態(tài)水平報(bào)警等級(jí)劃分見(jiàn)表5。當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警值超過(guò)Ⅰ級(jí)之后，啟動(dòng)對(duì)Ⅰ、Ⅱ股道狀態(tài)的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定是否進(jìn)行二級(jí)報(bào)警。

表4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)水平位移預(yù)警等級(jí)劃分

表5 軌道水平位移報(bào)警等級(jí)劃分

3 變形監(jiān)測(cè)規(guī)律分析

3.1 沉降變形規(guī)律分析

接軌段京滬高速鐵路路基Ⅰ、Ⅱ股道沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1，監(jiān)測(cè)時(shí)段由2018年9月1日—2020年7月29日?？芍?，接軌段路基Ⅰ股道K536+700—K537+400 出現(xiàn)沉降變形，最大值為4.63 mm，位于K537+000。接軌段路基Ⅱ股道在K536+750—K537+240出現(xiàn)沉降變形，最大值為4.62 mm，位于K536+960。在K537+000—K537+420 范圍內(nèi)，隨接軌段路基逐漸遠(yuǎn)離京滬高速鐵路正線路基，Ⅱ股道出現(xiàn)的沉降變形逐漸減小。

圖1 接軌路基段京滬Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形

整體分析來(lái)看，接軌段Ⅰ股道沉降變形整體小于Ⅱ股道沉降變形。由于地層軟弱、不均勻等，在新建線接入工程施工擾動(dòng)下，京滬高速鐵路路基出現(xiàn)一定的不均勻沉降，但均在可控范圍內(nèi)。

接軌段咽喉區(qū)（K536+960—K537+020）位于接軌段路基地基處理施工擾動(dòng)和鄰近堆載最不利處，需重點(diǎn)關(guān)注其變形及發(fā)展趨勢(shì)。軟土地區(qū)沉降變形往往呈現(xiàn)出發(fā)生-發(fā)展-穩(wěn)定-極限的過(guò)程。該工點(diǎn)所在區(qū)域地層層承載力較低，為評(píng)估新建路基填筑堆載后附加應(yīng)力長(zhǎng)期作用下京滬高速鐵路路基變形演化規(guī)律，此處引入Boltzmann S 型成長(zhǎng)曲線模型。由于S 型成長(zhǎng)模型單點(diǎn)遞增性、不過(guò)原點(diǎn)以及存在反彎點(diǎn)，可以比較準(zhǔn)確描述既有京滬高速鐵路路基沉降變形規(guī)律。其基本形式為

式中：A1、A2為模型兩條漸近線；x0為模型拐點(diǎn)；dx為模型時(shí)間常量。

最不利斷面K536+960 斷面的Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖2?？芍篕536+960 沉降主要產(chǎn)生在擋墻開(kāi)始至鋪軌完成，鋪軌結(jié)束后此處沉降速率隨時(shí)間逐漸減小。此斷面Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形采用Boltzmann S 型成長(zhǎng)曲線模型進(jìn)行擬合，擬合得到R2分別為0.945 77、0.942 81，模型可以較好反應(yīng)京滬高速鐵路沉降變形實(shí)測(cè)規(guī)律。目前該斷面Ⅰ、Ⅱ股道均到達(dá)極限階段，變形趨于穩(wěn)定，最終收斂值為4.46、4.37 mm。

圖2 K536+960斷面沉降變形時(shí)程曲線

3.2 深層水平位移規(guī)律分析

選取上行聯(lián)絡(luò)線最不利斷面范圍內(nèi)3處測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線K536+900水平位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖3，監(jiān)測(cè)期為2019年2月2日—2019 年 5 月 14 日，圖中x方向?yàn)榇怪庇诰€路走向的方向，y方向?yàn)槠叫杏诰€路走向的方向?？芍?，該位置施工期間主要變形發(fā)生在地基面至5 m 深度范圍內(nèi)，且量值較小，x、y方向最大值分別為1.85、2.09 mm。

圖3 上行聯(lián)絡(luò)線K536+900斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

高速鐵路下行聯(lián)絡(luò)線K536+960 水平位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖 4，監(jiān)測(cè)期為 2019 年 2 月 2 日—2019 年 5 月 5日?？芍?，該位置施工期間x方向最大值4.98 mm，發(fā)生層位為27 m，原因可能為樁基施工過(guò)程中提鉆過(guò)快，導(dǎo)致該層位朝樁基打孔方向變形。y方向最大值為1.89 mm，發(fā)生層位為2.6 m。

圖4 下行聯(lián)絡(luò)線K536+960斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

上行聯(lián)絡(luò)線K537+020 水平位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖5，監(jiān)測(cè)期為 2019 年 2 月 22 日—2019 年 9 月 2 日。 可知，該位置施工期間主要變形發(fā)生在地基面至5 m 深度范圍內(nèi)，且量值較小，x方向最大值2.06 mm，y方向最大值5.21 mm。5 ～30 m監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯變形。

圖5 上行聯(lián)絡(luò)線K537+020斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

選取下行聯(lián)絡(luò)線3處典型斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。高速鐵路下行聯(lián)絡(luò)線K537+020 水平時(shí)程曲線見(jiàn)圖6，監(jiān)測(cè)期為2019年1月5日—2019年4月1日?？芍撐恢檬┕て陂g主要變形發(fā)生在地基面至5m 深度范圍內(nèi)，且量值較小，x方向最大值4.74 mm，y方向最大值4.54 mm。5 ～30 m監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯變形。

圖6 下行聯(lián)絡(luò)線K537+020斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

高速鐵路下行聯(lián)絡(luò)線K537+080 水平時(shí)程曲線見(jiàn)圖 7，監(jiān)測(cè)期為 2019 年 1 月 9 日—2019 年 5 月 12 日?？芍?，該位置監(jiān)測(cè)深度內(nèi)未見(jiàn)明顯變形。其中x方向變形小于1 mm，屬于傳感器監(jiān)測(cè)誤差誤差范圍內(nèi)；y方向最大值2.89 mm，發(fā)生層位為地下5 m 深度處，其余深度未見(jiàn)明顯變形。

圖7 下行聯(lián)絡(luò)線K537+080斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

高速鐵路下行聯(lián)絡(luò)線K537+140 水平時(shí)程曲線見(jiàn)圖 8，監(jiān)測(cè)期為 2019 年 2 月 1 日—2019 年 8 月 12 日?？芍?，該位置變形主要集中在地面至地下5 m 范圍。其中，x方向變形最大為5.11 mm，發(fā)生在地表；y方向最大值4.28 mm，發(fā)生層位為地下3.5 m 深度處，其余深度未見(jiàn)明顯變形。

圖8 下行聯(lián)絡(luò)線K537+140斷面水平位移監(jiān)測(cè)曲線

總體來(lái)看，受鄰近路基堆載填筑附加應(yīng)力作用，上、下行聯(lián)絡(luò)線測(cè)點(diǎn)位置水平位移主要發(fā)生在地表0 ～5 m 內(nèi)，總體維持在5 mm 以內(nèi)；而其余層位土體穩(wěn)定，未見(jiàn)明顯變形。

4 結(jié)論

1）結(jié)合高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)的變形及預(yù)警要求，明確了近接工程既有高速鐵路路基變形監(jiān)測(cè)要求，構(gòu)建了由沉降變形監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目構(gòu)成的既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路監(jiān)測(cè)體系，提出了新建鐵路近接既有高速鐵路路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）施工期間，接軌段Ⅰ股道沉降變形整體小于Ⅱ股道沉降變形。由于地層軟弱、不均勻等，在新建線接入過(guò)程的施工擾動(dòng)下，京滬高速鐵路路基出現(xiàn)一定的不均勻沉降。引入Boltzmann S 型成長(zhǎng)曲線模型對(duì)最不利斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明目前變形已處于極限階段，路基狀態(tài)安全穩(wěn)定。

3）新建高速鐵路上、下行聯(lián)絡(luò)線土體深層水平位移各測(cè)點(diǎn)變形基本發(fā)生在地表附近，原因?yàn)猷徑演d產(chǎn)生附件的水平應(yīng)力，導(dǎo)致地表附近產(chǎn)生少量變形。地面5 m 以下層位地基狀態(tài)穩(wěn)定，基本未產(chǎn)生明顯變形。