論鐵路客運(yùn)專線沉降變形評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與合理控制

湯曉光,陳善雄,許錫昌,秦尚林

(1.武廣鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司,武漢 430060;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

1 概述

高速鐵路作為當(dāng)代鐵路科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就,給鐵路運(yùn)輸注入了新的活力,代表著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向。隨著《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí)施,我國(guó)鐵路將進(jìn)入加快發(fā)展的黃金時(shí)期。

鐵路客運(yùn)專線的生命力體現(xiàn)在其高速度、高密度、高舒適性和高安全性方面,而要實(shí)現(xiàn)快速、舒適和安全,則需要平順且穩(wěn)定的線路,這就要求嚴(yán)格控制線下結(jié)構(gòu)的沉降變形。由于設(shè)計(jì)計(jì)算還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估沉降變形和有效地控制軌道的工后沉降和變形。因此,在鋪設(shè)無(wú)砟軌道前,應(yīng)對(duì)線下構(gòu)筑物變形作系統(tǒng)的評(píng)估[1～3]。

鐵路客運(yùn)專線沉降變形觀測(cè)與評(píng)估的目的主要有如下四方面:(1)對(duì)路基、橋涵、隧道、過(guò)渡段等地段在鋪軌前的沉降變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,推算出最終的沉降量和工后沉降,合理確定無(wú)砟軌道開(kāi)始鋪設(shè)時(shí)間。這是鐵路客運(yùn)專線沉降變形觀測(cè)與評(píng)估的根本目的。(2)為施工提供及時(shí)的反饋信息,驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)與措施。建立線下構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)網(wǎng),對(duì)線下構(gòu)筑物進(jìn)行變形觀測(cè),以及對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合分析與評(píng)估,來(lái)驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)與措施,使路基、橋涵、隧道等線下工程達(dá)到規(guī)定的變形控制要求。(3)發(fā)展沉降變形預(yù)測(cè)方法。依托實(shí)際工程,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),探討適用于鐵路客運(yùn)專線沉降變形的預(yù)測(cè)方法,解決鐵路客運(yùn)專線線下工程沉降的合理預(yù)測(cè)問(wèn)題,可推動(dòng)沉降分析預(yù)測(cè)方法的進(jìn)步。(4)積累經(jīng)驗(yàn),以提高工程的設(shè)計(jì)和施工水平。每一個(gè)具體工程的施筑,在某種意義上說(shuō),都是一次 1∶1的實(shí)體試驗(yàn),所取得的數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜因素影響和作用下的綜合體現(xiàn)。開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和分析,對(duì)于認(rèn)識(shí)和把握客觀事物的發(fā)展規(guī)律具有重要意義。

為規(guī)范鐵路客運(yùn)專線沉降變形觀測(cè)分析評(píng)估工作,確保沉降變形觀測(cè)分析評(píng)估的順利進(jìn)行,鐵道部組織相關(guān)專家編寫(xiě)了《客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》(下稱《指南》)。武廣、京津、鄭西等鐵路客運(yùn)專線均依據(jù)該《指南》,全面開(kāi)展了線下工程沉降變形觀測(cè)與評(píng)估,《指南》為這些線路無(wú)砟軌道的順利鋪設(shè)提供了技術(shù)支持與保障,發(fā)揮了重要作用。

但無(wú)砟軌道沉降變形觀測(cè)評(píng)估畢竟是近幾年才開(kāi)展的工作,《指南》中也有一些不盡合理之處,需在工程實(shí)踐中不斷探索,加以完善。

2 沉降變形評(píng)估指標(biāo)分類及其控制標(biāo)準(zhǔn)

《指南》的基本思路是:對(duì)路基、橋涵、隧道、過(guò)渡段等地段在無(wú)砟軌道鋪設(shè)前的沉降變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,推斷基礎(chǔ)工程是否滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道條件。其具體做法是對(duì)實(shí)測(cè)沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,然后外推工后沉降,最后通過(guò)比較工后沉降與控制標(biāo)準(zhǔn),來(lái)判定是否滿足鋪設(shè)無(wú)砟軌道條件。然而利用短期的觀測(cè)數(shù)據(jù)回歸外推長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)是存在相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)的,為保證沉降變形預(yù)測(cè)的可靠性,除工后沉降外,《指南》規(guī)定了 9項(xiàng)評(píng)估指標(biāo),包括穩(wěn)定性、相關(guān)系數(shù)、觀測(cè)期、可靠性、S(t)/S(∞)、設(shè)計(jì)總沉降量和預(yù)測(cè)總沉降量的吻合性、觀測(cè)頻次、最終沉降量、觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性,詳見(jiàn)表1。

表1 沉降評(píng)估控制指標(biāo)

各個(gè)指標(biāo)所反映與表征的沉降變形變化規(guī)律是不同的,各自反映了沉降變形的一個(gè)側(cè)面,對(duì)工程安全的影響程度也有很大差異,在沉降變形評(píng)估中按統(tǒng)一的尺度把握顯然是不合適的,應(yīng)按照各個(gè)指標(biāo)對(duì)工程安全的影響程度。根據(jù)《客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》,將評(píng)估技術(shù)要求提煉成 10項(xiàng)評(píng)估指標(biāo),結(jié)合武廣鐵路客運(yùn)專線的評(píng)估經(jīng)驗(yàn),可以按照各個(gè)指標(biāo)對(duì)工程安全的影響程度,進(jìn)一步將該 10項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)細(xì)分 3個(gè)等級(jí),即核心指標(biāo)、基本指標(biāo)和一般指標(biāo)(表1),以區(qū)別對(duì)待。

沉降變形觀測(cè)與評(píng)估的根本目的是控制工后沉降,因此,工后沉降理所當(dāng)然是沉降變形評(píng)估第一核心指標(biāo),應(yīng)嚴(yán)格滿足,如不滿足要求,決不能通過(guò)評(píng)估。

正常情況下,路基填筑完成后一段時(shí)間內(nèi),部分尚未完成的固結(jié)繼續(xù)發(fā)展,以及由于顆粒之間的調(diào)整引起蠕變變形,沉降將隨著時(shí)間的推移而緩慢發(fā)展,但沉降速率遞減,并逐漸向零速率趨近[4]。后期沉降是否趨于穩(wěn)定是反映路基沉降特征的重要指標(biāo),應(yīng)嚴(yán)格滿足,如不滿足要求,決不能通過(guò)評(píng)估。在實(shí)際評(píng)估中也曾發(fā)現(xiàn)過(guò),在一定的沉降觀測(cè)期內(nèi),沉降速率較低,但近似常數(shù)的情況。對(duì)于此種情況需進(jìn)一步延長(zhǎng)觀測(cè),以觀察其穩(wěn)定性是否滿足要求。

相關(guān)系數(shù) R是直線相關(guān)條件下說(shuō)明兩個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo),是判斷曲線回歸方程有效性的一個(gè)重要參數(shù),R越大,所求的曲線回歸方程越有效,只有當(dāng) R足夠大時(shí)采用曲線回歸方程外推最終沉降變形才是可靠的。因此,應(yīng)將相關(guān)系數(shù)R列為沉降變形評(píng)估的核心指標(biāo),應(yīng)嚴(yán)格滿足。

當(dāng)路基填筑完成,荷載不再增加時(shí),部分尚未完成的固結(jié)或因土體的流變導(dǎo)致路基的沉降隨時(shí)間的延長(zhǎng)而繼續(xù),但沉降速率遞減,一段時(shí)間后,從曲線上明顯看到沉降速率快速減小,并趨于穩(wěn)定。足夠的觀測(cè)期是路基完成其剩余沉降所必需條件,也是取得足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)以利于沉降預(yù)測(cè)的必要條件,但它可以不像核心指標(biāo)嚴(yán)格,只要觀測(cè)期長(zhǎng)到足以準(zhǔn)確判斷其穩(wěn)定性和進(jìn)行可靠的回歸預(yù)測(cè),就可以了。因此,宜將觀測(cè)期列為沉降變形評(píng)估的基本指標(biāo),應(yīng)滿足。

間隔不少于 3個(gè)月的兩次預(yù)測(cè)最終沉降的差值直接反映了兩次預(yù)測(cè)的一致性,當(dāng)兩次預(yù)測(cè)的差值小于一定值時(shí),可認(rèn)為沉降預(yù)測(cè)是可靠的。因此,宜將可靠性列為沉降變形評(píng)估的基本指標(biāo),應(yīng)滿足。

S(t)/S(∞)說(shuō)明觀測(cè)期內(nèi)沉降的完成量,其值越大,說(shuō)明已發(fā)生的沉降比例越大,后續(xù)沉降比例越小,對(duì)于軌道運(yùn)行越有利。該指標(biāo)提出了觀測(cè)時(shí)間的基本要求,宜列為沉降變形評(píng)估的基本指標(biāo),應(yīng)滿足。

觀測(cè)頻次的確定應(yīng)以能系統(tǒng)反映觀測(cè)項(xiàng)目的重要變化過(guò)程,而又不遺漏其變化時(shí)刻為原則。只有以足夠高的觀測(cè)頻次進(jìn)行觀測(cè),才能取得系統(tǒng)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù),但過(guò)高的觀測(cè)頻次并不能增加有效信息,因此,觀測(cè)頻次達(dá)到一定的值即可,可將其列為一般指標(biāo)予以要求。

最終沉降量主要用于考察 S(t)/S(∞)和地基處理的有效性,觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性主要用于考察不同觀測(cè)手段所反映的路基沉降變化趨勢(shì)的一致性,它們只是從某一側(cè)面間接反映沉降變形的發(fā)展規(guī)律,因此,可將二者列為一般指標(biāo)予以要求。

設(shè)計(jì)中對(duì)土質(zhì)路基、橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)等均進(jìn)行了沉降變形計(jì)算,對(duì)比設(shè)計(jì)總沉降量和預(yù)測(cè)總沉降量可驗(yàn)證和調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)與措施,使路基、橋涵、隧道等線下工程達(dá)到規(guī)定的變形控制要求。《指南》要求設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)總沉降量與通過(guò)實(shí)測(cè)資料預(yù)測(cè)的總沉降量之差不宜大于 10mm。但實(shí)際評(píng)估分析過(guò)程中,兩者的差異較大,其原因在于:一方面,設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),為了工程安全,其相關(guān)地質(zhì)條件、荷載狀況等計(jì)算參數(shù)取保守值,且在最不利工況下計(jì)算地基總沉降量,留有充足的安全儲(chǔ)備,這樣給出的設(shè)計(jì)總沉降量偏大;另一方面,在實(shí)際施工過(guò)程中,同樣出于工程安全,地基加固及填筑質(zhì)量盡可能地按高標(biāo)準(zhǔn)予以實(shí)施,造成實(shí)測(cè)沉降量要小于預(yù)期值。因此,《指南》提出的“設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)總沉降量與通過(guò)實(shí)測(cè)資料預(yù)測(cè)的總沉降量之差不宜大于 10mm”這一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際可操作性差,可作為一般比對(duì)指標(biāo)。

鑒于各指標(biāo)對(duì)評(píng)估影響不同,在實(shí)際評(píng)估中應(yīng)區(qū)別對(duì)待,對(duì)于核心指標(biāo),要求嚴(yán)格滿足,任何一個(gè)指標(biāo)不滿足要求,不能通過(guò)評(píng)估;對(duì)于基本指標(biāo),要求整體滿足,個(gè)別指標(biāo)超限不大時(shí),可以基本通過(guò)評(píng)估,同時(shí)提出完善意見(jiàn);對(duì)于一般指標(biāo),要求基本滿足。

3 觀測(cè)期合理控制

3.1 路基沉降觀測(cè)期的合理控制

文獻(xiàn)[5]結(jié)合武廣鐵路客運(yùn)專線大量高速路基沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)路基沉降變形的穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)的分類和研究。根據(jù)沉降變形的發(fā)展趨勢(shì),可將沉降 -時(shí)間曲線可分為 3種類型,相應(yīng)的觀測(cè)期控制方式如下。

(1)第Ⅰ類曲線

主要特征為,路基填筑期間,沉降變形明顯增長(zhǎng),填筑完成后,沉降速率逐步減小,沉降變形在 6個(gè)月內(nèi)已基本趨于穩(wěn)定。沉降過(guò)程表現(xiàn)為較平滑、規(guī)律的收斂曲線。

對(duì)于第Ⅰ類情況,建議對(duì)嚴(yán)重影響整體施工進(jìn)度的特殊工點(diǎn),在沉降變形趨勢(shì)已基本穩(wěn)定的條件下,路基沉降觀測(cè)期可放寬至 4個(gè)月以上,容許其提前進(jìn)行沉降評(píng)估,并在后續(xù)施工階段中繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)。

(2)第Ⅱ類曲線

主要特征為,路基填筑完成,沉降逐步趨于穩(wěn)定的過(guò)程中,沉降變形出現(xiàn)突然增長(zhǎng),沉降速率明顯變大,爾后又逐步趨于穩(wěn)定。沉降過(guò)程表現(xiàn)為具有明顯拐點(diǎn)、呈臺(tái)階狀發(fā)展的收斂曲線。

對(duì)于第Ⅱ類情況,采用拐點(diǎn)后較短時(shí)間(不大于 2月)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè),其分析預(yù)測(cè)結(jié)果是不真實(shí)的。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行分析預(yù)測(cè),需要在沉降突變后繼續(xù)觀測(cè)不少于 2～3個(gè)月,待沉降趨勢(shì)基本穩(wěn)定后,才能進(jìn)行有效的評(píng)估。

(3)第Ⅲ類曲線

主要特征為,路基填筑期間,沉降變形開(kāi)始增長(zhǎng),填筑完成后,沉降變形繼續(xù)發(fā)展,沉降速率未明顯減小,在填筑完成 6個(gè)月后未見(jiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

這種類型的觀測(cè)斷面應(yīng)引起觀測(cè)單位和建設(shè)單位的重視,應(yīng)延長(zhǎng)觀測(cè)期并加強(qiáng)后期觀測(cè),以判斷其沉降變化趨勢(shì),必要時(shí)采取工程處理措施以滿足鋪軌的要求。

3.2 橋梁墩臺(tái)沉降沉降觀測(cè)期的合理控制

客運(yùn)專線橋梁墩臺(tái)的沉降變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降變形特征表現(xiàn)為:

(1)架梁期間:墩臺(tái)沉降變形過(guò)程曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),沉降速率出現(xiàn)突變;

(2)架梁后 1個(gè)月內(nèi):沉降變形很快趨于穩(wěn)定,由架梁荷載引起的沉降增量較小(一般 ＜3mm);

(3)架梁后 2個(gè)月以上:沉降變形已基本穩(wěn)定;

(4)大部分橋梁路段,嵌巖樁墩臺(tái)和摩擦樁墩臺(tái)的沉降變形趨勢(shì)基本一致,均符合上述變化規(guī)律,且實(shí)際觀測(cè)的沉降變形量無(wú)明顯的差異。

鑒于以上分析成果,建議對(duì)影響整體施工進(jìn)度的橋梁工點(diǎn),沉降變形觀測(cè)期采用以下控制標(biāo)準(zhǔn):

(1)嵌巖樁墩臺(tái)在架梁后 1個(gè)月內(nèi)的沉降增量小于 3mm,后期沉降趨于穩(wěn)定,可直接通過(guò)評(píng)估;

(2)地質(zhì)條件類似,且摩擦樁墩臺(tái)與嵌巖樁墩臺(tái)沉降變形趨勢(shì)、沉降量無(wú)明顯差異的區(qū)段內(nèi):摩擦樁墩臺(tái)沉降觀測(cè)期可放寬至 2～3個(gè)月,類比嵌巖樁容許其提前進(jìn)行沉降評(píng)估,并在后續(xù)施工階段中繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)。

4 曲線回歸相關(guān)系數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)

《指南》要求根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)作多種曲線的回歸分析,曲線回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于 0.92。由于客運(yùn)專線實(shí)測(cè)沉降變形量一般較小(如武廣鐵路客運(yùn)專線 80%以上的路基涵洞基礎(chǔ)沉降量小于 10mm,90%以上的橋梁墩臺(tái)、隧道沉降量小于 5mm),相對(duì)于較小的沉降增量而言,測(cè)量系統(tǒng)誤差易造成觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的波動(dòng),尤其是主體施工完成后(路面觀測(cè)樁數(shù)據(jù)和墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù))的沉降增量與測(cè)量系統(tǒng)誤差處于同一量級(jí)上,數(shù)據(jù)相對(duì)波動(dòng)較大造成曲線回歸相關(guān)系數(shù)不易達(dá)到 0.92。但從整體變形趨勢(shì)來(lái)看,其沉降已基本趨于穩(wěn)定,其他評(píng)估指標(biāo)均能滿足《指南》的要求,整體上可以判定其沉降變形滿足無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件。

因此,在觀測(cè)總沉降量較小的情況下,測(cè)量系統(tǒng)誤差對(duì)曲線回歸的相關(guān)系數(shù)的影響較大。鑒于以上情況,建議對(duì)觀測(cè)總沉降量 ＜10(5)mm的工點(diǎn),在可以確定后期沉降變形趨勢(shì)的情況下,曲線回歸相關(guān)系數(shù)的最低標(biāo)準(zhǔn)可以由 0.92放寬至 0.85。

相關(guān)系數(shù)是直線相關(guān)條件下說(shuō)明兩個(gè)現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)。在數(shù)學(xué)上,判斷兩變量線性相關(guān)密切程度的具體標(biāo)準(zhǔn)為:0≤R＜0.3,稱為微弱相關(guān);0.3≤R＜0.5,稱為低度相關(guān);0.5≤R＜0.8,稱為顯著相關(guān);0.8≤R＜1稱為高度相關(guān)?？梢哉J(rèn)為,曲線回歸相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)放寬至 0.85并不會(huì)明顯降低預(yù)測(cè)的可靠性,因?yàn)?當(dāng) R≥0.85時(shí),回歸曲線與實(shí)測(cè)值是高度相關(guān)的,由此進(jìn)行的預(yù)測(cè)將是可靠的。

5 沉降量 ＜1mm觀測(cè)斷面的評(píng)估

從武廣鐵路客運(yùn)專線的觀測(cè)資料來(lái)看,在滿足沉降變形觀測(cè)期要求的前提下,橋梁墩臺(tái)、隧道等部分剛性結(jié)構(gòu)物的實(shí)測(cè)沉降量小于 1mm的斷面占有一定的比重。由于沉降水準(zhǔn)的測(cè)量精度為 ±1mm,沉降實(shí)測(cè)值與水準(zhǔn)觀測(cè)誤差接近,系統(tǒng)誤差成為觀測(cè)誤差的主要來(lái)源。

建議對(duì)于沉降變形觀測(cè)期滿足《評(píng)估技術(shù)指南》的要求,實(shí)測(cè)沉降量小于 1mm的觀測(cè)斷面,在整體變形趨勢(shì)穩(wěn)定的條件下,可以不進(jìn)行計(jì)算分析,判定其滿足評(píng)估要求。在分析相鄰過(guò)渡段時(shí),從偏于安全的角度,工后沉降取 0,計(jì)算過(guò)渡段差異沉降和折角,分析其是否滿足評(píng)估要求。

6 結(jié) 論

沉降變形分析評(píng)估是我國(guó)鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中一個(gè)特有的技術(shù)環(huán)節(jié),缺乏可資借鑒的經(jīng)驗(yàn),探討沉降變形評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與合理控制具有重要意義。

針對(duì)沉降變形評(píng)估指標(biāo)分類及其控制標(biāo)準(zhǔn)、觀測(cè)期合理控制、曲線回歸相關(guān)系數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)和沉降量＜1mm觀測(cè)斷面的評(píng)估等進(jìn)行了深入討論。

鐵路客運(yùn)專線沉降變形評(píng)估指標(biāo)主要有:工后沉降、穩(wěn)定性、相關(guān)系數(shù)、觀測(cè)期、可靠性、S(t)/S(∞)、設(shè)計(jì)總沉降量和預(yù)測(cè)總沉降量的吻合性、觀測(cè)頻次、最終沉降量、觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性等 10項(xiàng)指標(biāo),并將 10個(gè)評(píng)估指標(biāo)細(xì)分為核心指標(biāo)、基本指標(biāo)和一般指標(biāo)等 3個(gè)等級(jí),對(duì)于核心指標(biāo),要求嚴(yán)格滿足,任何一個(gè)指標(biāo)不滿足要求,不能通過(guò)評(píng)估;對(duì)于基本指標(biāo),要求整體滿足,個(gè)別指標(biāo)超限不大時(shí),可以基本通過(guò)評(píng)估,同時(shí)提出完善意見(jiàn);對(duì)于一般指標(biāo),要求基本滿足。

根據(jù)沉降變形的發(fā)展趨勢(shì),將沉降 -時(shí)間曲線可分為 3種類型,并提出了相應(yīng)的觀測(cè)期控制標(biāo)準(zhǔn)。

建議曲線回歸相關(guān)系數(shù)的最低標(biāo)準(zhǔn)可以由 0.92放寬至 0.85。

建議對(duì)于沉降變形觀測(cè)期滿足《評(píng)估技術(shù)指南》的要求,實(shí)測(cè)沉降量小于 1mm的觀測(cè)斷面,在整體變形趨勢(shì)穩(wěn)定的條件下,直接判定其滿足評(píng)估要求。

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