軟土地區(qū)客運專線路基沉降的監(jiān)測技術(shù)與預(yù)測方法

嚴 斌

(滬寧城際鐵路股份有限公司，江蘇南京 210042)

高速鐵路建成運營后，一旦路基沉降超過限值，不僅影響行車平順性，有時甚至會造成生命財產(chǎn)的極大危害。受地理條件的限制，很多高速鐵路不得不建造在深厚的軟土地基上。軟黏土路基在外荷載作用下，其沉降一般較大，通常在建造時需要進行較長時間的堆載預(yù)壓或一定的工程措施，以消除或減少大部分固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降［1］。盡管如此，路基的工后沉降仍然不可避免存在，如何觀測路基沉降和對工后沉降進行準確預(yù)測，并確保預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果比較吻合，應(yīng)該是建設(shè)高速鐵路一項重要的工作內(nèi)容。

1 工程背景及試驗段選

滬寧城際鐵路是長江三角洲地區(qū)城際客運鐵路規(guī)劃線網(wǎng)的主骨架，起自上海，終到南京，正線全長300.209 km，設(shè)計時速200 km/h以上。南京至丹陽段線路通過剝蝕低山丘陵區(qū)及長江河谷階地，丹陽至上海段線路通過長江三角洲平原區(qū)，全線軟土、松軟土分布廣泛，軟土及松軟土地基總長195.9 km，其中軟土地基總長134.849 km(109處)，松軟土地基總長61.019 km(92處)。為處理好軟土路基問題，滬寧城際鐵路在建設(shè)過程中確立、制定和細化了有關(guān)軟土路基、臨近既有線管樁、CFG樁施工技術(shù)方案和工藝方法，并十分關(guān)注路基的工后沉降問題。

2 滬寧城際鐵路路基沉降監(jiān)測方案

滬寧客運專線路基總長約96.8 km，約占線路全長的32.2%。其中一標段至四標段路基所占比例較大，分別占40.00%，48.02%，58.40%和44.87%。各個標段在每段路基的施工過程中同步開展了路基沉降變形觀測，共埋設(shè)臨時沉降板2 930個，長期觀測沉降板4 044個，大密度的沉降板埋設(shè)工作足以保證路基沉降觀測工作的順利進行以及觀測數(shù)據(jù)的準確性。

滬寧城際鐵路路基工程沉降變形觀測以路基面沉降觀測和地基沉降觀測為主，在沉降監(jiān)測過程中根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位、填方高度、地基條件、堆載預(yù)壓等具體情況來設(shè)置沉降變形觀測斷面。同時根據(jù)施工過程中掌握的地形、地質(zhì)變化情況調(diào)整或增設(shè)觀測斷面。軟土、松軟土路堤地段觀測斷面包括剖面沉降管、沉降觀測樁、沉降板和位移觀測樁。沉降觀測樁每斷面設(shè)置3個，布置于雙線路基中心及兩側(cè)各2 m處，沉降板位于雙線路基中心，位移觀測邊樁分別位于兩側(cè)坡角2 m，10 m處，并與沉降觀測樁及沉降板位于同一斷面上，剖面沉降管位于基底。觀測線路示意如圖1。

圖1 沉降觀測點布設(shè)及觀測路線示意

1)沉降觀測樁。選擇φ20 mm鋼筋，頂部磨圓，底部焊接彎鉤，待基床表層級配碎石施工完成后，通過測量放樣埋置在設(shè)計的斷面位置，埋置深度不小于0.3 m，樁周0.15 m用C15混凝土澆筑固定，完成埋設(shè)后測量樁頂高程作為初始讀數(shù)。測樁埋設(shè)布置圖如圖2所示。

圖2 路基沉降觀測樁(單位:mm)

2)沉降板。一般情況下的沉降板由底板、金屬測桿(φ20鍍鋅鐵管)及保護套管(φ49 PVC管)組成。鋼筋混凝土底板尺寸為50 cm×50 cm，厚3 cm或鋼底板尺寸為30 cm×30 cm，厚0.8 cm。測量埋設(shè)就位的沉降板測桿桿頂高程讀數(shù)作為初始讀數(shù)，隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測桿和保護套管，每次接長高度以0.5 m為宜，接長前后應(yīng)測量桿頂高程變化量以確定接高量。金屬測桿用內(nèi)接頭連接，保護套管用PVC管外接頭連接。見圖3。

路基沉降觀測頻次見表1。

圖3 路基沉降板

表1 路基沉降觀測頻次

3 滬寧城際路基沉降監(jiān)測結(jié)果及變形特點分析

3.1 沉降觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

隨著滬寧城際鐵路工程進度的開展，經(jīng)過對滬寧城際鐵路一至四標長期的沉降觀測，得到了路基沉降的數(shù)據(jù)(表2及圖4)。由于沉降板埋設(shè)于基底，觀測時間較長，86.07%的沉降板觀測時間超過3個月，43.96%的沉降板觀測時間超過6個月，保證了觀測數(shù)據(jù)的有效性和實用性。

表2 滬寧城際一至四標段路基沉降板累計沉降點統(tǒng)計 個

圖4 三標段路基沉降板最大沉降曲線

3.2 數(shù)據(jù)分析

1)路基沉降板沉降量在0～10 mm的情況占絕大多數(shù)，共占83.68%。

2)出現(xiàn)隆起的沉降板數(shù)量較多，共占13.93%。分析原因主要有以下幾點:①測量誤差引起，因二等水準測量誤差為±1 mm，對于沉降變形絕對值很小，但波動很大的沉降板，累計沉降在－2 mm以內(nèi)的基本為沉降觀測誤差引起;②首期觀測高程有問題引起，首期觀測值是確定沉降量的標準，初始高程的誤差會直接影響所觀測沉降板的沉降量;③由于沉降板埋設(shè)于路基中線，而埋設(shè)沉降板的斷面不能用大型機械進行碾壓，當周圍路基反復(fù)碾壓以后會造成沉降板附近路基的少量隆起，造成觀測數(shù)據(jù)上出現(xiàn)的隆起現(xiàn)象;④工作基點高程變動，從線路區(qū)段縱斷面看，連續(xù)區(qū)域沉降地段很少，多為個別工作基點變化，只有個別地段因工作基點下沉，造成部分沉降板觀測數(shù)據(jù)為負。

4 三點法和雙曲線法預(yù)測及精度對比

4.1 三點法(固結(jié)度對數(shù)配合法)［2］

對于線彈性土體，應(yīng)力定義固結(jié)度U，等于應(yīng)變定義固結(jié)度Ut，所以，土體的壓縮過程在理論上也被認為符合指數(shù)曲線關(guān)系。常見的形式有

式中，α，β為與地基排水條件、地基土性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，時間t時地基固結(jié)度定義為

式中，St為t時刻沉降;Sd為初始沉降;S為最終沉降量。

聯(lián)立兩式可得

即

為求t時刻的沉降，上式右邊有四個未知數(shù)Sd，S，α，β，由實測的初期沉降時間曲線(S—T曲線)任意選取三點(t1，S1)，(t2，S2)，(t3，S3)，并使t2－ t1=t3－ t2，分別代入式(4)中，可得一聯(lián)立方程。再依聯(lián)立方程求出 β，α，Sd及 S。

選取四標段的幾個關(guān)鍵斷面用三點法進行了沉降預(yù)測，結(jié)果見表3。

4.2 修正雙曲線法［2-3］

對于高壓縮性軟土來說，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，因此軟土的實際壓縮過程也可以按雙曲線表示。雙曲線方程為

式中，S1，St，S 分別為初始、t時、最終沉降量。

解方程，并令

求參數(shù)a

計算最終沉降量S

利用雙曲線法對同樣的斷面進行工后沉降預(yù)測，分析結(jié)果以及預(yù)測精度、相關(guān)系數(shù)等如表4所示。

4.3 兩種模型對比分析

從兩種預(yù)測模型的結(jié)果中可以看出，在觀測時間較長時，三點法和雙曲線法都能較好地預(yù)測高速鐵路軟土路基的工后沉降。由于實測曲線基本處于收斂階段，且對所選三點要求盡可能相距較遠，才能保證較好的預(yù)測精度;還有在軟土路堤施工過程中，影響地基穩(wěn)定性的因素很多，路基施工條件復(fù)雜，施工過程中不能保證等速加荷，使得三點法的預(yù)測精度稍差。而雙曲線法利用最小二乘法計算，把荷載系數(shù)引入到了預(yù)測模型中，根據(jù)預(yù)測模型可計算出在不同荷載下測點的預(yù)測值，這點與軟土地基的施工情況相符合;且由于高壓縮性軟土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯呈非線性，壓縮過程也不一定符合指數(shù)關(guān)系，對雙曲線法進行修正以后可以有效地提高預(yù)測精度。軟土地基沉降預(yù)測必須在軟土地基處理完畢，填方已經(jīng)完成并有一定的預(yù)壓時間的基礎(chǔ)上進行，這就造成了實測數(shù)據(jù)會存在階梯狀態(tài)，采用修正雙曲線法預(yù)測精度會優(yōu)于三點法。

表4 雙曲線法預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

本文選取了具有大量軟土地區(qū)的滬寧城際鐵路四個標段的路基進行沉降觀測和最終工后沉降預(yù)測，分別運用三點法和修正雙曲線法進行了預(yù)測，分析二者的預(yù)測精度并進行對比分析，得到以下結(jié)論。

1)影響軟土地區(qū)高速鐵路路基沉降的因素很多，只有布置穩(wěn)定的沉降監(jiān)測網(wǎng)并進行嚴格的沉降監(jiān)測，才能使監(jiān)測數(shù)據(jù)很好地反應(yīng)實際的路基沉降量。

2)在進行了長期的沉降觀測的基礎(chǔ)上(一般需要半年左右)，三點法和修正雙曲線法都具有較高的預(yù)測精度，二者都可用作預(yù)測軟土地區(qū)路基的工后沉降。

3)由于高速鐵路軟土地區(qū)會采取較多的地基處理措施，且在施工過程中也會伴隨著地基處理，導(dǎo)致路基施工不能保證等時間間隔以及等速加載，故相比之下修正雙曲線法更適合于工后沉降的預(yù)測。

［1］ 答治華．京滬高速鐵路路基工程設(shè)計與施工［J］．鐵道建筑，2009(7):1-4．

［2］ 鐵道部工程管理中心．客運專線鐵路變形觀測評估技術(shù)手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［3］ 閆宏業(yè)，劉莉，廖志剛，等．采用改進的修正雙曲線法預(yù)測高速鐵路路基沉降［J］．鐵道建筑，2011(12):92-94．