武廣鐵路客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基變形控制設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

郭建湖,詹學(xué)啟,李小和

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

武廣鐵路客運(yùn)專線線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km、全線無(wú)砟軌道,要求路基工后沉降小于15 mm,臺(tái)后路基沉降差小于5 mm。由于沿線地形和地質(zhì)條件千差萬(wàn)別、土的變形理論不完善、現(xiàn)有的沉降計(jì)算方法不鍵全,且計(jì)算精度遠(yuǎn)不能滿足武廣鐵路客運(yùn)專線路基工后沉降控制要求。因此,要實(shí)現(xiàn)路基變形控制的要求,不僅要有準(zhǔn)確的地質(zhì)資料以及正確的土工參數(shù),還涉及設(shè)計(jì)中沉降估算方法的正確選取、沉降控制措施的合理選擇,以及路基施工質(zhì)量的控制、沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與分析評(píng)估等各個(gè)方面的工作,客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基變形控制必須按系統(tǒng)工程對(duì)待。

2 工后沉降產(chǎn)生因素

從無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,路基沉降可分為以下3部分。

(1)對(duì)于列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生的變形,主要通過(guò)提高路基基床材料的質(zhì)量,提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等措施加以控制,在規(guī)范要求的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及材質(zhì)條件下,列車動(dòng)荷載部分引起的變形一般在5 mm以內(nèi)。

(2)路基填料在自重作用下的壓實(shí)沉降,隨填料的材質(zhì)不同、填筑高度的不同,變形的大小也不一樣。該部分沉降一般為路基填筑高度的0.1%～0.55%,完成時(shí)間一般在填筑施工后1～2年。武廣鐵路客運(yùn)專線根據(jù)部批施工組織計(jì)劃,路基填筑完成到鋪軌大多有超過(guò)12個(gè)月的擺放期,路基填料部分沉降變形可基本完成。

(3)支承路基的地基沉降變形。隨路基高度的不同、地基條件的不同,沉降也不一樣,為路基的主要沉降變形部分,且完成時(shí)間較長(zhǎng),為路基沉降變形和工后沉降考慮的重點(diǎn)。而且對(duì)于不同類型的地基土沉降完成的速度、時(shí)間不同,計(jì)算模式和方法亦不同。

因此,在路基設(shè)計(jì)中應(yīng)主要針對(duì)地基沉降采取控制措施。

3 土體力學(xué)參數(shù)的合理獲取

準(zhǔn)確合理的力學(xué)參數(shù)是沉降計(jì)算的前提保證。武廣鐵路客運(yùn)專線分段、分工區(qū)進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察,通過(guò)初勘、詳勘,結(jié)合工程地質(zhì)鉆探、室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測(cè)試等資料,對(duì)沿線的地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)通過(guò)大量鉆探數(shù)據(jù)匯總分析,了解了沿線地質(zhì)條件和地層分布情況。

(2)對(duì)一般飽和地基土,嚴(yán)格規(guī)范勘探取樣行為,獲取了原狀程度更接近土的原始狀態(tài)的土樣,并進(jìn)行了相應(yīng)的土工試驗(yàn),并與原位測(cè)試資料對(duì)比分析。由此獲取的土工試驗(yàn)資料可信度高。

(3)對(duì)強(qiáng)度較高,易受取樣過(guò)程擾動(dòng)的地基土,通過(guò)建立代表性對(duì)比勘探試驗(yàn)點(diǎn)，采用對(duì)土層擾動(dòng)小的三重管雙動(dòng)取土器鉆探取樣室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探等原位測(cè)試等多手段獲取地基土的變形參數(shù),進(jìn)行對(duì)比分析研究。得到了武廣鐵路客運(yùn)專線Q2黏性土變形模量為室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量的2～3倍；紅黏土壓縮模量ES與標(biāo)貫擊數(shù)N相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式(ES=0.79N-0.41(14.5≤N≤24))等成果,有效地取得了具有較高精度的地基土變形參數(shù),為合理計(jì)算路基變形提供了前提和保障。

4 計(jì)算方法合理選取

在確定了合理的路基地基土力學(xué)參數(shù)后,沉降計(jì)算方法的選取至關(guān)重要。

4.1 無(wú)砟軌道工后沉降計(jì)算方法

路基的沉降主要包括以下方面：(1)地基沉降部分su(t)；(2)路基填筑部分沉降se(t)；(3)無(wú)砟軌道引起的沉降sst(t≥T0)；(4)列車荷載引起的沉降sv(t≥T2)。因此路基總沉降為：

sg(t)=su(t)+se(t)+sst(t)+sv(t)=

sg(tT0)

式中，T0為鋪設(shè)無(wú)砟軌道的時(shí)間點(diǎn)；T2為預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)開始時(shí)間點(diǎn)。

4.2 無(wú)砟軌道上部荷載的確定

武廣鐵路客運(yùn)專線根據(jù)軌道結(jié)構(gòu),考慮軌道間堆砟防護(hù),加上單線列車荷載進(jìn)行計(jì)算,軌道板支撐層作用在路基面上的單線總荷載為180.01 kN/m,雙線單荷載為235.02 kN/m,采用此值進(jìn)行沉降計(jì)算。

4.3 估算路基沉降完成時(shí)間的設(shè)計(jì)依據(jù)

本線路基設(shè)計(jì)控制沉降完成時(shí)間,根據(jù)部批復(fù)的“武廣鐵路客運(yùn)專線路基指導(dǎo)性施工組織計(jì)劃”,計(jì)算出各工點(diǎn)通過(guò)的架梁時(shí)間、軌道板施工時(shí)間、鋪軌時(shí)間,估算出路基的擺放時(shí)間、預(yù)壓時(shí)間以及軌道板荷載的擺放時(shí)間,來(lái)確定路基施工期沉降完成時(shí)間,并以此作為路基各工點(diǎn)設(shè)計(jì)沉降控制的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.4 沉降計(jì)算方法選取

在設(shè)計(jì)中針對(duì)天然地基土體的不同類型和特點(diǎn),選取了不同沉降計(jì)算模式。

(1)對(duì)于砂類土和碎石類土地基,壓縮沉降較快完成,工后沉降按100%的沉降完成率(或固結(jié)度)計(jì)算。當(dāng)軌道板施工完成后到鋪設(shè)鋼軌間還有超過(guò)2個(gè)月的時(shí)間,則路基工后沉降計(jì)算至鋪設(shè)鋼軌前。

(2)對(duì)于飽和黏性土地基,采用分層總和法分別計(jì)算有荷(考慮列車及軌道荷載)和無(wú)荷載條件下的固結(jié)沉降值,為確保安全,沉降一般計(jì)算至軌道板施工之前。

(3)對(duì)于非飽和土地基,其沉降計(jì)算理論目前不夠成熟,設(shè)計(jì)參照固結(jié)沉降理論,結(jié)合應(yīng)力歷史進(jìn)行沉降估算。

(4)對(duì)于復(fù)合地基,沉降計(jì)算方法主要有復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法和樁身壓縮模量法等,根據(jù)復(fù)合地基加固的類型及特點(diǎn)選用不同的計(jì)算方法。

5 設(shè)計(jì)控制措施

5.1 沉降控制原則

由于武廣鐵路客運(yùn)專線工期緊,為降低投資,滿足沉降控制要求,保障工期,采取預(yù)壓措施時(shí)遵循了以下原則。

(1)根據(jù)施工組織計(jì)劃,不通過(guò)架梁車地段,有條件預(yù)壓時(shí)采用了預(yù)壓措施；

(2)低填淺挖路基地段,檢算工后沉降值接近控制要求時(shí),結(jié)合施工組織,有條件時(shí)優(yōu)先考慮了超載預(yù)壓措施；

(3)低矮路基由列車軌道荷載引起的沉降大,強(qiáng)夯及復(fù)合地基加固(或不宜采用時(shí))難以滿足要求時(shí),而預(yù)壓控制沉降明顯時(shí),則采用了預(yù)壓措施。

5.2 沉降控制措施

設(shè)計(jì)根據(jù)各工點(diǎn)的地基條件、填土高度,對(duì)工后沉降值不能滿足要求的地段,按下列原則采取了相應(yīng)的地基加固措施。

(1)表層軟土、松軟土、軟黏土厚度不大于1.5 m的地段,原則上采用挖除換填措施。

(2)厚層黏性土、粉土和松軟土地基,特別是當(dāng)具有較厚的硬殼或硬層夾軟弱層地基,主要采取CFG樁復(fù)合地基加固,這是本線的主要加固措施。

(3)含較多碎石黏性土和砂性土、填土、碎石土的地基,采取旋噴樁復(fù)合地基加固。

(4)對(duì)于正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土和軟黏土,以及地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值小于120 kPa的黏性土和粉性土地層,采用攪拌樁復(fù)合地基加固。

(5)深厚層軟弱地基,對(duì)于地基沉降要求高或存在側(cè)向應(yīng)力作用的(如橋路、隧路過(guò)渡段、溶溝溶槽地段等)地段,以及不均勻沉降大的地段,采用剛性樁樁-網(wǎng)復(fù)合地基加固。

5.3 不均勻沉降控制措施

5.3.1 縱向不均勻沉降

武廣鐵路客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)中進(jìn)行了整體變形分析,以控制不均勻沉降的出現(xiàn)。具體設(shè)計(jì)中,根據(jù)壓縮層的厚度變化情況、路基的填筑高度、地層軟硬均勻性等條件選擇檢算橫斷面,并保證了一定的檢算密度；如果地表縱坡變化大、壓縮層的厚度變化、地層相變大,則必須檢算變化處的相鄰2個(gè)橫斷面的工后沉降,建立整體變形分析表,使相鄰斷面工后沉降差控制在軌道可圓順?lè)秶鷥?nèi)。此外,對(duì)于有復(fù)合地基加固與無(wú)復(fù)合地基加固的相鄰橫斷面、地層變化大的地段、路基高度變化地段、巖溶溶溝、溶槽區(qū)等,必須檢算相鄰斷面或按每50 m進(jìn)行工后沉降的檢算。

5.3.2 橫向不均勻沉降

陡坡路堤地段,當(dāng)路堤基底無(wú)法通過(guò)挖臺(tái)階使基底水平時(shí),應(yīng)進(jìn)行橫向不均勻沉降差的檢算。計(jì)算時(shí)路堤高度分別按左線左側(cè)2 m、以及右線右側(cè)2 m處路基面至原地面的高度進(jìn)行計(jì)算。沉降差控制在5 mm內(nèi)。

5.3.3 過(guò)渡段不均勻沉降的控制

過(guò)渡段范圍,橋臺(tái)臺(tái)尾路基應(yīng)進(jìn)行工后沉降的分析,且與橋臺(tái)后路基工后沉降差不超過(guò)5 mm,同時(shí)還應(yīng)考慮相鄰斷面的不均勻沉降的檢算。而對(duì)于橋橋、橋隧、橋塹之間小于60 m的過(guò)渡段,在具體設(shè)計(jì)時(shí)基本按5～8 mm的工后沉降控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 施工控制措施

由于武廣鐵路客運(yùn)專線路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高,要求路基工后沉降一般不大于15 mm,近乎零沉降?；诖?路基工后沉降的控制,除了勘察設(shè)計(jì)控制外,更要重視并切實(shí)加強(qiáng)路基施工各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)地基條件的核查；

(2)地基加固處理施工的控制與檢測(cè)；

(3)無(wú)復(fù)合地基加固地段清基回填的施工控制與檢測(cè)；

(4)路基基底褥墊層的施工控制與檢測(cè)；

(5)路基填筑施工控制與檢測(cè)。

7 變形監(jiān)測(cè)措施

7.1 變形監(jiān)測(cè)的重要性

由于路基沉降的復(fù)雜性,通過(guò)計(jì)算得到的往往是路基沉降的估算值,與路基實(shí)際的沉降量之間存在差別,這種差別可能不能滿足高速鐵路無(wú)砟軌道對(duì)路基沉降的要求。目前,采用路基沉降監(jiān)測(cè)是控制路基沉降和不均勻沉降最可靠的方法。為滿足武廣鐵路客運(yùn)專線無(wú)砟軌道對(duì)路基沉降的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,建立全路段路基沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控路基沉降和不均勻沉降,以滿足路基沉降的技術(shù)要求是非常必要的。路基沉降監(jiān)測(cè)通過(guò)在路基面或地基中埋設(shè)儀器元件,精確的測(cè)量路基的豎向和橫向變形,通過(guò)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析路基沉降的大小、速率,以及與施工填土高度的關(guān)系和沉降趨勢(shì),分析與評(píng)估路基沉降數(shù)值,預(yù)測(cè)沉降完成時(shí)間,確定無(wú)砟軌道施工時(shí)間并指導(dǎo)無(wú)砟軌道的施工。

7.2 變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和原則

路基沉降變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：路基面沉降監(jiān)測(cè)、路堤本體沉降監(jiān)測(cè)、基底沉降監(jiān)測(cè),其中路基面的沉降監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)。

沉降觀測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置、元件布設(shè)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、地基處理方法、路堤高度、地面起伏情況、堆載預(yù)壓等具體情況,結(jié)合沉降預(yù)測(cè)方法和工期要求具體確定,同時(shí)還應(yīng)根據(jù)施工核對(duì)的地質(zhì)、地形等情況調(diào)整或增設(shè)。

7.3 監(jiān)測(cè)元件和精度

針對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,設(shè)計(jì)有沉降板、單點(diǎn)沉降計(jì)、剖面沉降管、路面觀測(cè)樁等元件。各元件的監(jiān)測(cè)精度如下。

(1)路基觀測(cè)樁、沉降板及橋涵、隧道觀測(cè)樁(標(biāo))均按二等變形測(cè)量(即國(guó)家一等水準(zhǔn)測(cè)量)方法進(jìn)行測(cè)量,精度宜達(dá)到±0.1 mm,讀數(shù)保留0.01 mm。

(2)單點(diǎn)沉降計(jì)采用振頻弦頻率檢測(cè)儀或自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,精度達(dá)到測(cè)量值的1%,靈敏度不低于0.02 mm。

(3)剖面沉降管采用剖面沉降儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)量精度為8 mm/30 m,靈敏度為0.01 mm。

7.4 信息反饋機(jī)制

建立數(shù)據(jù)信息庫(kù),全線使用統(tǒng)一Excel表格形式,將觀測(cè)數(shù)據(jù)按照編制的《沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)錄入與管理細(xì)則》的要求錄入數(shù)據(jù)庫(kù)信息系統(tǒng)。

觀測(cè)單位將每個(gè)觀測(cè)斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成填土-時(shí)間-沉降量的變化過(guò)程曲線,及時(shí)了解沉降變形的發(fā)展態(tài)勢(shì)；對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況和沉降發(fā)展加速區(qū)段,及時(shí)進(jìn)行分析并查找原因記錄在案,必要時(shí)反饋設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)修正,并采取措施指導(dǎo)施工,從而實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)測(cè)信息化。

8 結(jié)論

按照武廣鐵路客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基沉降標(biāo)準(zhǔn),在變形控制措施設(shè)計(jì)中,綜合考慮了地質(zhì)資料的準(zhǔn)確獲取、土工參數(shù)的合理性、沉降估算方法的正確選取、沉降控制措施的選擇、路基施工質(zhì)量的控制、沉降監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)的建立與反饋等各個(gè)方面,為武廣鐵路客運(yùn)專線順利建設(shè)提供了技術(shù)保障,達(dá)到了預(yù)期的目的。

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