高速鐵路線(xiàn)下結(jié)構(gòu)沉降變形預(yù)警初探

厲東偉，陳冉麗，徐元坤

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116;2．石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，河北 石家莊050047)

一、引 言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高鐵沉降變形的預(yù)警研究并不深入，多數(shù)基于“數(shù)據(jù)處理+判定規(guī)則”這一簡(jiǎn)單的模式。沉降變形的預(yù)警核心問(wèn)題在于判定規(guī)則的科學(xué)性與合理性。按照陳善雄等提出的理論，一般判定規(guī)則包括核心指標(biāo)、控制性指標(biāo)、一般指標(biāo)3個(gè)方面［1］。3個(gè)指標(biāo)重要性不同，預(yù)警系統(tǒng)采用的判別模式就要考慮到各方面的因素。

二、一般預(yù)警機(jī)制

參考《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)［2］、武廣客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)、合福新建客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)等規(guī)范，以及工程實(shí)際對(duì)沉降變形評(píng)估的有關(guān)要求、規(guī)定后，總結(jié)出一般高速鐵路線(xiàn)下結(jié)構(gòu)沉降變形預(yù)警的幾個(gè)指標(biāo):

1)在路基和橋梁評(píng)估中，當(dāng)主體工程完工后，觀測(cè)期大于3個(gè)月且沉降波動(dòng)幅度在3．0 mm之內(nèi)、沉降增量在±2 mm之內(nèi)、最后4次(且觀測(cè)時(shí)間不少于一個(gè)月)觀測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)連續(xù)下沉現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為符合要求。

2)根據(jù)實(shí)際荷載情況及觀測(cè)數(shù)據(jù)，作回歸分析及預(yù)測(cè)，綜合確定沉降變形的趨勢(shì)，曲線(xiàn)回歸的相關(guān)系數(shù)不應(yīng)低于0．92。

3)對(duì)于按前述標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估仍不能通過(guò)的測(cè)點(diǎn)，在主體工程完工后，在觀測(cè)時(shí)間不小于3個(gè)月的時(shí)間范圍內(nèi)，沉降曲線(xiàn)總體呈現(xiàn)為收斂狀水平發(fā)展趨勢(shì)，則認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)通過(guò)評(píng)估，不予曲線(xiàn)擬合，但必須繼續(xù)觀測(cè)驗(yàn)證。

4)測(cè)點(diǎn)當(dāng)前沉降量與預(yù)測(cè)最大沉降量比值大于75%。

5)靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺(tái)工后沉降量之差，對(duì)于無(wú)砟橋面橋梁不超過(guò)5 mm。

6)同一斷面的預(yù)測(cè)最終沉降值與設(shè)計(jì)沉降值之差不宜大于10 mm。

7)各斷面工后沉降不大于15 mm。

從以上幾個(gè)指標(biāo)可以看出，對(duì)于高速鐵路線(xiàn)下結(jié)構(gòu)沉降變形預(yù)警來(lái)說(shuō)，應(yīng)該從單點(diǎn)沉降變形預(yù)警和不均勻沉降變形預(yù)警兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

三、單點(diǎn)沉降預(yù)警

單點(diǎn)沉降變形的預(yù)警主要是指對(duì)任意觀測(cè)斷面的沉降觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生的工后沉降的預(yù)警，從時(shí)間上來(lái)說(shuō)包括了無(wú)砟軌道鋪設(shè)完成及運(yùn)營(yíng)期兩大時(shí)間段的預(yù)警。對(duì)于監(jiān)測(cè)的時(shí)間來(lái)說(shuō)，一般高速鐵路的運(yùn)營(yíng)期為100年，不過(guò)在預(yù)警時(shí)不可能直接采用這一時(shí)間段，可行的方法是按照自然年的周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，同時(shí)要對(duì)已發(fā)生的沉降計(jì)入預(yù)警過(guò)程中去。

而對(duì)于單點(diǎn)沉降實(shí)際發(fā)生的形式來(lái)說(shuō)可以分為兩種:一種是突發(fā)沉降，短時(shí)間之內(nèi)可能造成比較大的有破壞性的沉降;另一種是緩慢的發(fā)生沉降，如按照其發(fā)展趨勢(shì)，在一定時(shí)間內(nèi)將超過(guò)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)要求的限度。

單點(diǎn)突發(fā)沉降在工程中是普遍存在的。如工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造比較差，如紅壤土、地下溶洞等不利的地質(zhì)條件，或者是突發(fā)洪水、持續(xù)暴雨等因素可能會(huì)發(fā)生高速鐵路線(xiàn)下結(jié)構(gòu)的工后的突發(fā)較大沉降。因此在洪水、持續(xù)暴雨時(shí)，預(yù)警自然要啟動(dòng)，而對(duì)于那些不易觀測(cè)到的因素所引起的突發(fā)沉降將需要通過(guò)工后沉降監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)警。按照路基沉降觀測(cè)頻次表，可以發(fā)現(xiàn)工后一年的正常觀測(cè)數(shù)為7次，見(jiàn)表1。而《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)對(duì)工后沉降的要求為不超過(guò)15 mm，因此按照自然年的周期來(lái)分析，工后沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應(yīng)該小于2 mm。

表1 路基工后一年的正常沉降觀測(cè)數(shù)

相對(duì)于單點(diǎn)突發(fā)沉降，緩慢的工后沉降對(duì)高速鐵路運(yùn)行的影響小得多，但是如果不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，一旦達(dá)到一定的趨勢(shì)就會(huì)對(duì)高速鐵路造成嚴(yán)重的后果，因此其沉降發(fā)展趨勢(shì)需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的。因此筆者采用15組沉降數(shù)據(jù)在恒載的情況下到達(dá)沉降穩(wěn)定的沉降量，同時(shí)按照不同的時(shí)間周期，如日、周、月及年分別計(jì)算其沉降量，見(jiàn)表2。

從表2中可以發(fā)現(xiàn)1號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)和13號(hào)年沉降量超過(guò)了15 mm，其沉降發(fā)展趨勢(shì)如圖1—圖5所示，其中虛線(xiàn)為沉降線(xiàn)性趨勢(shì)。

表2 恒載期到沉降穩(wěn)定不同時(shí)間尺度下的沉降量

圖1 路基工后沉降超標(biāo)趨勢(shì)1號(hào)圖

圖2 路基工后沉降超標(biāo)趨勢(shì)6號(hào)圖

圖3 路基工后沉降超標(biāo)趨勢(shì)8號(hào)圖

圖4 路基工后沉降超標(biāo)趨勢(shì)9號(hào)圖

圖5 路基工后沉降超標(biāo)趨勢(shì)13號(hào)圖

同時(shí)選取1組未超標(biāo)的工后沉降趨勢(shì)圖，如圖6所示。從圖1—圖5與圖6的對(duì)比中，可以看到超標(biāo)各組的線(xiàn)性趨勢(shì)是比較明顯的，如果進(jìn)行量化指標(biāo)可以將15 mm按表2的形式量化，見(jiàn)表3。由此可以得出當(dāng)按周為周期來(lái)監(jiān)測(cè)時(shí)其預(yù)警值應(yīng)該為0．3 mm，如果按月為周期其監(jiān)測(cè)預(yù)警值為1．2 mm。

圖6 路基工后沉降趨勢(shì)2號(hào)圖

表3 工后沉降一年期量化指標(biāo)

四、不均勻沉降預(yù)警

工后的不均勻沉降不僅破壞了乘車(chē)的舒適性及行車(chē)的平順性，而且使車(chē)輛無(wú)法快速行駛，嚴(yán)重的甚至造成安全事故。然而目前不均勻沉降指標(biāo)的研究比較少，其預(yù)警也很少有研究。

根據(jù)《客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)柞軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》及《新建時(shí)速300-350公里客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，同時(shí)借鑒德國(guó)對(duì)于路基不均勻沉降限值的控制方法，我國(guó)無(wú)砟軌道路基工后不均勻沉降有如下要求:調(diào)整軌面高程后的豎曲線(xiàn)半徑應(yīng)能滿(mǎn)足式(1)

式中，Ra為軌面圓順的豎曲線(xiàn)半徑，單位為m;VE為設(shè)計(jì)時(shí)速，單位為km/h。

由此可以得到不均勻沉降的第一個(gè)預(yù)警指標(biāo)，如對(duì)于300 km/h的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，軌面圓順的豎曲線(xiàn)半徑應(yīng)大于36 000 m。

原鐵道部科技司在《新板式軌道線(xiàn)路的土工結(jié)構(gòu)—實(shí)施的原則和建議》中認(rèn)為，從保證舒適度出發(fā)，產(chǎn)生不均勻沉降形成的曲線(xiàn)要滿(mǎn)足式(1)的同時(shí)，另外其不均勻沉降量應(yīng)滿(mǎn)足

式中，ΔS為不均勻沉降量;ΔL為豎曲線(xiàn)弦長(zhǎng)。

由此可以得到對(duì)于300 km/h的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，50 m長(zhǎng)的軌道基線(xiàn)的最大不均勻沉降量為17 mm。同時(shí)采用上一節(jié)的預(yù)警方法可知相鄰沉降觀測(cè)點(diǎn)在當(dāng)次觀測(cè)期內(nèi)的沉降量的絕對(duì)值大于2．4 mm時(shí)，不均勻沉降預(yù)警應(yīng)啟動(dòng);而相鄰觀測(cè)點(diǎn)持續(xù)性的不均勻沉降量預(yù)警閾值采用達(dá)到最大不均勻沉降量的75%，由此可以得到該預(yù)警值應(yīng)該為13 mm。

五、結(jié) 論

通過(guò)《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)和工程現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)高速鐵路線(xiàn)下結(jié)構(gòu)工后沉降變形預(yù)警作了分析和研究，并得出了一些結(jié)果，具體來(lái)說(shuō)有以下幾點(diǎn):

1)沉降變形預(yù)警的核心指標(biāo)為工后沉降不大于15 mm。

2)通過(guò)對(duì)恒載期沉降變形的趨勢(shì)研究，得出:對(duì)于獨(dú)立的沉降觀測(cè)點(diǎn)的緩慢的工后沉降預(yù)警值，當(dāng)按周為周期來(lái)監(jiān)測(cè)時(shí)其預(yù)警值應(yīng)該為0．3 mm，如果按月為周期其監(jiān)測(cè)預(yù)警值為1．2mm。

3)工后沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)于線(xiàn)下結(jié)構(gòu)的單獨(dú)沉降觀測(cè)點(diǎn)突發(fā)沉降來(lái)說(shuō)，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應(yīng)該小于2 mm。

4)對(duì)于300 km/h的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，其工后不均勻沉降中的軌面圓順的豎曲線(xiàn)半徑應(yīng)大于36 000 m。

5)對(duì)于300 km/h的客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，50 m長(zhǎng)的軌道基線(xiàn)的最大不均勻沉降量為17 mm。相鄰沉降觀測(cè)點(diǎn)在當(dāng)次觀測(cè)期內(nèi)的沉降量的預(yù)警值為絕對(duì)值大于2．4 mm;而相鄰觀測(cè)點(diǎn)持續(xù)性的不均勻沉降量預(yù)警值應(yīng)為13 mm。

［1］ 陳善雄，宋劍，周全能，等．高速鐵路沉降變形觀測(cè)評(píng)估理論與實(shí)踐［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

［2］ TB 10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．