高速鐵路軟土路基沉降預(yù)測(cè)探究

田孟磊

（中國(guó)水利水電第七工程局科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730）

高速鐵路軟土路基沉降預(yù)測(cè)探究

田孟磊

（中國(guó)水利水電第七工程局科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730）

我國(guó)鐵路交通事業(yè)的快速發(fā)展迎來(lái)了高速鐵路建設(shè)的高潮，并且已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。為了有效保障高速鐵路路面的平穩(wěn)性以及列車(chē)運(yùn)行的安全性，對(duì)鐵路路基沉降的控制就顯得尤為重要，這也是延長(zhǎng)高速鐵路使用壽命的重要條件。

高速鐵路 軟土路基 沉降預(yù)測(cè)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，高速鐵路已進(jìn)入全面建設(shè)中。高速鐵路的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)鐵路的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、維護(hù)都提出了新的挑戰(zhàn)。高速鐵路工程規(guī)模大，投資大，技術(shù)要求越來(lái)越精密，一旦某種原因而引起工程事故，所造成的損失將不可估量。為保證高速鐵路的正常運(yùn)行，控制路基的沉降變形已成為最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。因此，必須依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)前期的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)值方法，對(duì)路基未來(lái)某個(gè)時(shí)間的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而反饋于原設(shè)計(jì)，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工方法。

一、高速鐵路路基沉降測(cè)量控制要求

1、相關(guān)設(shè)備的要求

在實(shí)際觀測(cè)高速鐵路沉降中要求要有極高的準(zhǔn)確度，從而確保高速鐵路路基在不斷加強(qiáng)負(fù)荷的狀況下，準(zhǔn)確測(cè)出數(shù)據(jù)。我國(guó)高速鐵路建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確的指出：觀測(cè)沉降的誤差值不應(yīng)大于變形值的0.05～0.1倍，所以，在進(jìn)行觀測(cè)沉降的時(shí)候，一定要使用精密水準(zhǔn)儀。因?yàn)橥ǔ５乃疁?zhǔn)儀都會(huì)受到溫差與環(huán)境的影響，導(dǎo)致結(jié)果中誤差值相對(duì)比較大，所以在進(jìn)行測(cè)量時(shí)一定要使用受此影響相對(duì)較小的精密水準(zhǔn)儀。就算是受到高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，也應(yīng)該采用第一標(biāo)尺來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。

2、觀測(cè)點(diǎn)的要求

沉降觀測(cè)是一項(xiàng)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜蝿?wù)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)有著很高的要求，除了應(yīng)考慮準(zhǔn)確反映實(shí)際的滑降情況，同時(shí)也要考慮到觀測(cè)的方便。一般選擇觀測(cè)地點(diǎn)在地勢(shì)較平坦的位置，并且地貌的縱向與橫向之間相互對(duì)稱(chēng)，它們之間的最佳保持距離應(yīng)該在20m的范圍內(nèi)。

3、觀測(cè)周期及觀測(cè)時(shí)間

施工階段，應(yīng)隨施工進(jìn)度及時(shí)進(jìn)行。觀測(cè)次數(shù)與時(shí)間間隔應(yīng)視地基與加荷情況而定。在觀測(cè)過(guò)程中，如有路基附近荷載突然增減、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨等情況，均應(yīng)及時(shí)增加觀測(cè)次

數(shù)。若路基發(fā)生大量沉降、不均勻沉降或嚴(yán)重裂紋時(shí)，應(yīng)該立即進(jìn)行逐日甚至一天數(shù)次的連續(xù)觀測(cè)。

4、實(shí)際觀測(cè)的具體要求

觀測(cè)前，要對(duì)觀測(cè)地點(diǎn)的地形、地貌、地質(zhì)、水文以及氣候等情況加以調(diào)查，聯(lián)系實(shí)際情況選擇最適宜的觀測(cè)方法，既要保證觀測(cè)的高效，又要保持正精度的要求。

5、采取適宜的觀測(cè)方法與標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)高速鐵路建設(shè)地區(qū)水文、地質(zhì)、環(huán)境、氣候、濕度、溫度等條件的不同情況，應(yīng)該選擇使用的沉降觀測(cè)精密程度也不盡相同。在沒(méi)有特殊的質(zhì)量與技術(shù)要求的高速鐵路工程項(xiàng)目中，使用二級(jí)觀測(cè)水平的觀測(cè)方法就能基本上滿(mǎn)足技術(shù)需要求。

6、對(duì)觀測(cè)人員的要求

在高速鐵路路基的設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中，沉降觀測(cè)人員應(yīng)該要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的理論學(xué)習(xí)，并定期參加由國(guó)家各級(jí)地質(zhì)管理部門(mén)所組織的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，進(jìn)而不斷提高施工人員的職業(yè)素質(zhì)。具體在高速鐵路路基沉降觀測(cè)當(dāng)中，現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員應(yīng)該要靈活、因地制宜的運(yùn)用理論知識(shí)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況準(zhǔn)確運(yùn)用誤差原理來(lái)進(jìn)行分析，從而找出相對(duì)應(yīng)的解決方法?？旖?、專(zhuān)業(yè)、準(zhǔn)時(shí)地完成觀測(cè)任務(wù)是一名合格沉降觀測(cè)人員必備的職業(yè)素質(zhì)。

二、高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，主要有兩大類(lèi)，一種是根據(jù)施工期獲得的路基基面的數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用物理或者是化學(xué)方法對(duì)路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一類(lèi)則是根據(jù)在高速鐵路路基施工中測(cè)得的數(shù)據(jù)以及四個(gè)階段獲得的沉降規(guī)律，對(duì)路基沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在這兩大類(lèi)的預(yù)測(cè)方法中后者應(yīng)用較多，并且第二類(lèi)的預(yù)測(cè)技術(shù)具體又可以分為以下幾種方法，分別是曲線擬合、灰色系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及遺傳算法等四種。

1、曲線擬合法

曲線擬合，就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得有限對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)（xi, yi）,利用這些數(shù)據(jù)來(lái)求取近似函數(shù)y=f(x)。式中x 為輸出量，y 為被測(cè)物理量。即通過(guò)分析實(shí)測(cè)資料與時(shí)間的關(guān)系，建立適當(dāng)?shù)某两蹬c時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而推測(cè)沉降的發(fā)展規(guī)律。曲線擬合法是將沉降近似看做按照某種規(guī)律變化的過(guò)程，對(duì)實(shí)際測(cè)量的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立某種相適應(yīng)的曲線模型，采取適宜的優(yōu)化方法，反推出計(jì)算公式所需的參數(shù)，在運(yùn)用于后期的沉降預(yù)測(cè)。此方法參數(shù)較少并且易于確定，所以應(yīng)用廣泛。工程中常用的曲線擬合法包括：雙曲線法、星野法、指數(shù)曲線法、三點(diǎn)法、沉降速率法、Asaoka 法、S 形成長(zhǎng)曲線模型。

2、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類(lèi)似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡(jiǎn)稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)算模型，由大量的節(jié)點(diǎn)和之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一種特定的輸出函數(shù)，稱(chēng)為激勵(lì)函數(shù)。每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接都代表一個(gè)對(duì)于通過(guò)該連接信號(hào)的加權(quán)值，稱(chēng)之為權(quán)重，這相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵(lì)函數(shù)的不同而不同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對(duì)自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對(duì)一種邏輯策略的表達(dá)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立預(yù)測(cè)路基沉降的BP 模型和Elman 模型，兩種模型在預(yù)測(cè)路基沉降時(shí)，不需要建立任何土工模型，只要采集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的樣本就可以比較精確的預(yù)測(cè)路基沉降。

3、灰色系統(tǒng)理論

灰色系統(tǒng)理論主要是通過(guò)從已知信息中提取出具有價(jià)值的信息，然后根據(jù)其中的規(guī)律進(jìn)行描述和控制。而利用灰色系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)是指對(duì)已有信息進(jìn)行處理后與灰色模型建立關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測(cè)。在該種預(yù)測(cè)方法中，GM模型是應(yīng)用較多的一種方式，但是為了保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)其進(jìn)行修正。

4、遺傳算法

最后一種預(yù)測(cè)方法是遺傳算法，該種方法是路基沉降預(yù)測(cè)的新方法，該種方法和其他類(lèi)型不同，主要是對(duì)參數(shù)的代碼進(jìn)行處理，并且對(duì)目標(biāo)函數(shù)和其他約束條件沒(méi)有要求，這對(duì)于處理非線性的路基沉降量具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

路基沉降預(yù)測(cè)模型的建立對(duì)于高速鐵路沉降預(yù)測(cè)與控制至關(guān)重要。適宜的預(yù)測(cè)模型可以很好地預(yù)測(cè)路基沉降的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于工程施工以及線路運(yùn)營(yíng)階段的管理都有指導(dǎo)作用。通過(guò)路基沉降預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推算最終沉降量，若預(yù)測(cè)沉降超限，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的工程措施。

結(jié)語(yǔ)

為了確保高速鐵路建設(shè)中路基沉降測(cè)量控制工作的順利展開(kāi)，正確掌握高速鐵路路基沉降預(yù)測(cè)模型以及觀測(cè)工作的控制要求是不可或缺的必要條件。在實(shí)際的工作當(dāng)中應(yīng)該嚴(yán)格地遵守高速鐵路路基沉降觀測(cè)的基本規(guī)范與要求，建立恰當(dāng)?shù)母咚勹F路路基沉降預(yù)測(cè)模型，從而保證高速鐵路路基沉降量在允許值的范圍內(nèi)，圓滿(mǎn)有效地完成高速鐵路建設(shè)的任務(wù)。

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U45

B

1007-6344（2015）11-0330-01

王瑋，女，1986-，吉林遼源人，西安交通工程學(xué)院交通運(yùn)輸系，助教，研究方向：城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理