區(qū)域性沉降對高速鐵路基礎設施影響的研究

康高亮

區(qū)域性沉降對高速鐵路基礎設施影響的研究

康高亮

Bureau of Transport & Department of Track Maintenance, China Railway Corporation, Beijing 100844, China

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 5 May 2016

Revised form 19 August 2016

Accepted 8 September 2016

Available online 21 September 2016

區(qū)域沉降

本文對高速鐵路線路基礎沉降及差異沉降的主要影響因素進行了分析，提出局部地下水開采是影響線路差異沉降的直接誘因。通過對不同差異沉降量下無砟軌道附加荷載及高速行車過程中車輛、軌道和橋梁動力響應的研究，初步提出了運營期線路基礎差異沉降控制標準。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 概述

截至2015年年底，中國高速鐵路運營里程已超過1.9×104km，位居世界第一。高速鐵路“四縱四橫”主骨架基本建成，并與其他鐵路共同構成了快速客運網(wǎng)，基本覆蓋了50萬人口以上的城市，在區(qū)域運輸中發(fā)揮著重要作用。面對規(guī)模如此龐大的運營線路，高速鐵路設備養(yǎng)護維修已經(jīng)成為現(xiàn)階段乃至今后長期所要面臨的重點課題。原鐵道部2013年公布的《鐵路主要技術政策》[1]明確提出要“探索設備設施運用狀態(tài)變化規(guī)律，完善檢修體制，制定科學的檢修標準，強化檢修質(zhì)量控制”，由此可見，當前我國高速鐵路的發(fā)展已由大規(guī)模建設階段逐漸步入運營管理與維護階段，高速鐵路研究與技術創(chuàng)新的主題也將隨之由“設計與建造”轉(zhuǎn)向“運營與維護”。

我國設計速度300 km·h–1及以上的高速鐵路主要采用無砟軌道結構，高速鐵路對軌道結構的要求是“高可靠性”“高穩(wěn)定性”和“高平順性”，因此對其下部基礎的沉降尤其是不均勻沉降控制要求非常嚴格。為節(jié)約土地、控制沉降、跨越江河和既有交通網(wǎng)，我國高速鐵路橋梁占線路總長的比例較高(如全長1318 km的京滬高鐵橋梁占比80%以上)?！陡咚勹F路設計規(guī)范》[2]規(guī)定，無砟軌道的橋梁墩臺工后沉降量(鋪軌后最終沉降量)不得大于20 mm、相鄰墩臺沉降量差不得大于5 mm，這既對工程施工質(zhì)量提出了嚴格的要求，也給養(yǎng)護維修帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2. 差異沉降對高速鐵路工務基礎設施的影響

2.1.地下水位變化對基礎沉降的影響

高速鐵路沿線途經(jīng)各種復雜的氣候、地質(zhì)、水文等自然環(huán)境條件，已開通運營的絕大部分高速鐵路線路運營狀況良好，但也存在部分工點線路基礎沉降超標。以華北地下水位下降顯著的漏斗沉降區(qū)為例，2009年12月至2012年9月某高速鐵路一座橋梁的連續(xù)梁和相鄰簡支梁橋墩差異沉降最大值為54.6 mm，總沉降量最大值達到243.5 mm(圖1)，沉降速率為21.1～117 mm·a–1。

區(qū)域性和季節(jié)性地下水變化還造成了橋梁樁基基礎出現(xiàn)沉浮變形。圖2是西南地區(qū)某高速鐵路一座橋梁墩臺沉降與地下水位變化之間的關系曲線，自2010年9月起連續(xù)3年的觀測數(shù)據(jù)表明，橋梁墩臺呈雨季上升、旱季下沉的規(guī)律性變化，地下水水位季節(jié)性變化幅度最大可達20 m，橋墩的下沉量和上浮量分別達19.0 mm和38.6 mm。

區(qū)域性沉降造成高速鐵路基礎沉降量大、沉降速率較大，對高速鐵路建設和運營的影響非常顯著，因此必須予以高度重視、深入研究。

圖1.某高速鐵路工點沉降曲線及差異沉降。(a)整體沉降分布；(b)墩臺差異沉降分布。

圖2.橋梁墩臺沉降與地下水位變化關系曲線。

2.1.1.地下水位變化對高速鐵路橋梁樁基基礎差異沉降的影響

研究表明，地下水位下降是導致區(qū)域性地面沉降的最直接原因[3–7]。在區(qū)域性沉降地段高速鐵路工程沉降控制研究中，傳統(tǒng)思路是將地下水位變化與地面沉降的關系作為研究的重點，再依據(jù)工程控制標準分析地面沉降對工程的影響，提出的工程措施主要是在線路兩側一定范圍內(nèi)封井和限采地下水[8–9]。進一步研究認為，地下水位、地層特性、樁基參數(shù)是影響基礎差異沉降的重要因素[10–13]。

地下水位下降使得地基土體中靜水壓力減小，在總應力不變的前提下，土體的有效應力會增大，從而使土體產(chǎn)生壓縮沉降。代表不同地層特性的滲透系數(shù)是影響沉降的關鍵因素之一，滲透系數(shù)K越大，浸潤曲線越緩和。對于相同的地下水位下降，隨著滲透系數(shù)K的增大，影響半徑R逐漸增大。不同滲透系數(shù)（黏土—砂土）的影響半徑隨地下水位下降的關系如圖3所示。

地下水位所處位置對橋梁樁基基礎沉降也有著較大的影響。以位于河北省內(nèi)沉降漏斗區(qū)的某高速鐵路橋梁樁基基礎沉降為例，在相同地質(zhì)條件(持力層為粉質(zhì)黏土)和樁基參數(shù)(樁長45 m、樁徑1 m)的情況下，如地下水位位于樁底以下(不在樁基范圍內(nèi))，層狀均勻的下臥層產(chǎn)生的附加應力較為均勻，對樁基區(qū)域的影響較?。蝗绲叵滤晃挥跇痘秶鷥?nèi)(樁頂以下16 m)，樁基差異沉降變化趨勢如圖4所示，可見，地下水位每差1 m，相應產(chǎn)生的差異沉降可達7.8 mm。

此外，樁長、樁徑、地基土特性等對橋梁樁基基礎沉降也有較大的影響。因而在沉降區(qū)進行基礎設計時，應在詳細的地質(zhì)勘查的基礎上，綜合考慮上述影響因素。建議在高速鐵路經(jīng)過沉降區(qū)、連續(xù)梁與簡支梁相鄰區(qū)、地層起伏變化等區(qū)域時，應針對基礎型式進行專門設計，以降低差異沉降的影響。

圖3.影響半徑隨地下水位下降的變化。

圖4.樁基范圍內(nèi)不同水位差引起的差異沉降。

圖5.不同用水樁網(wǎng)路基縱向沉降分布。

圖6.抽水點與線路不同距離時的路基縱向沉降分布。

2.1.2.地下水位變化對高速鐵路樁基路基差異沉降的影響

對于高速鐵路樁基路基，抽取地下水所引起的地下水位局部下降是導致其沉降的最主要原因。鐵路沿線用水可分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水三類，一般情況下農(nóng)業(yè)用水抽取的主要是淺層地下水，而生活和工業(yè)用水抽取的主要是深層地下水。以淺層地下水位為地面以下3 m、深層地下水位為地面以下100 m為例進行分析，抽取淺層地下水時產(chǎn)生的路基沉降量較小，但所產(chǎn)生的差異沉降較為明顯，對線路的平順性影響更大，如圖5所示。

路基與抽水點之間的距離對路基沉降也有較大的影響，路基沉降沿線路縱向呈“下凹”形，即靠近抽水點的路基沉降較大，遠離抽水點的路基沉降較小，抽水點與線路不同距離的路基沉降沿縱向的分布如圖6所示。當距離為50 m時，路基頂面沉降為8.05 mm；當距離增大到200 m時，路基頂面沉降僅為2.54 mm，比前者減小了約68.4%。

2.2.差異沉降對無砟軌道平順性及附加荷載的影響

橋梁墩臺差異沉降將導致橋上無砟軌道跟隨變形，從而產(chǎn)生軌道長波高低不平順。當沉降量較小時，軌道高低可用扣件進行調(diào)整，當沉降量大于扣件的允許調(diào)整范圍時，則需采取設置豎曲線、順坡、更換大調(diào)整量的特殊扣件、注漿抬升軌道板以及頂升橋梁支座等技術措施來進行整治(這些措施在我國北方某高速鐵路線路已有成功的維修實踐經(jīng)驗)。

以32 m簡支箱梁橋上跨梁縫縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式無砟軌道為例[14,15]，當橋梁產(chǎn)生如圖7所示的不同量值沉降時，其軌面高程變化如圖8所示。

分析結果表明，軌面高程變化與橋梁基礎沉降變動有較強的跟隨性和相關性，一般相差不大于1 mm，此差異主要由扣件拉壓變形以及底座板與橋梁間的縫隙造成?，F(xiàn)行《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[16]規(guī)定的無砟軌道線路長波高低(1.5～120 m)動態(tài)容許偏差標準(實測動態(tài)偏差值與靜態(tài)偏差值相差一般在1 mm以內(nèi))如下：Ⅰ級7 mm，Ⅱ級9 mm，Ⅲ級12 mm(臨時補修標準)，Ⅳ級15 mm(限速標準)。

CRTSⅡ型板式無砟軌道結構縱向連續(xù)，跨越梁縫，橋梁的差異沉降會使梁縫處無砟軌道產(chǎn)生附加荷載，這種附加荷載在簡支梁上尤為顯著。若存在圖7所示的橋梁墩臺差異沉降，無砟軌道會產(chǎn)生如圖9、圖10所示的附加彎矩及軌道板和底座板拉應力。

圖7.橋梁相鄰墩臺差異沉降示意圖。

圖8.軌面高程變化示意圖。

圖9.無砟軌道附加彎矩增長趨勢。

圖10.軌道板和底座板拉應力增長趨勢。

分析結果表明，隨著橋梁墩臺差異沉降的遞增，無砟軌道附加彎矩及軌道板和底座板的拉應力基本上呈線性增長態(tài)勢；底座板拉應力在產(chǎn)生沉降的橋墩上方較大，而軌道板拉應力峰值則出現(xiàn)在相鄰橋墩的上方；基礎差異沉降每增加5 mm，會導致無砟軌道附加彎矩增大70 kN·m左右，軌道板上拉應力增加0.4 MPa左右，底座板上拉應力增加0.7 MPa左右；當差異沉降達到15 mm時，底座板混凝土拉應力達到2.1 MPa，接近底座板C30級混凝土抗拉強度極限。

2.3.差異沉降對行車動力性能的影響

墩臺差異沉降導致軌面高低的變化以及縱連式無砟軌道與橋梁間的離縫，是影響高速鐵路運行品質(zhì)的重要原因之一。本文在分析墩臺差異沉降所引起的動力響應時，重點考慮了上述兩種因素的影響，并采用車輛–軌道–橋梁耦合動力分析方法[17–19]進行分析；軌面高低采用如圖8所示的軌道高低不平順，并疊加《高速鐵路無砟軌道不平順譜》[20]所建議的線路隨機不平順；無砟軌道與橋梁間的離縫采用非線性彈簧進行模擬。

以多跨32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道為例，在不同差異沉降及行車速度的情況下，車體振動響應及安全性指標隨差異沉降的變化規(guī)律如圖11至圖13所示。

分析結果表明，行車速度不同時橋梁基礎差異沉降對車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標及輪重減載率均有一定的影響，其中對車體垂向加速度的影響尤為顯著。當行車速度為350 km·h–1、差異沉降在20 mm以上時，車體垂向加速度超過了規(guī)范規(guī)定的限值要求(1.3 m·s–2)；當行車速度低于350 km·h–1且差異沉降在30 mm以內(nèi)時，車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標及輪重減載率均未出現(xiàn)超限。

圖11.車體加速度與差異沉降的關系。

圖12.車輛平穩(wěn)性與差異沉降的關系。

圖13.輪重減載率與差異沉降的關系。

在不同差異沉降及行車速度下，軌道及橋梁振動響應隨差異沉降的變化規(guī)律如圖14至圖16所示。

分析結果表明，差異沉降對橋梁及軌道的動力性能影響相對較小。在行車速度為350 km·h–1時，若差異沉降由5 mm增加至30 mm，則沉降墩位置處的扣件支反力僅由35.09 kN增加至37.56 kN，增幅約7%；鋼軌位移僅由1.58 mm增加至1.66 mm，橋梁位移僅由1.16 mm增加至1.21 mm，這兩項指標增幅均在5%以內(nèi)。

總之，墩臺差異沉降對高速鐵路軌道和橋梁動力響應的影響較小，但對運行安全性和舒適性指標的影響較大。

圖14.扣件支反力與差異沉降的關系。

圖15.鋼軌位移與差異沉降的關系。

圖16.橋梁位移與差異沉降的關系。

3. 沉降控制策略

(1) 高速鐵路沿線途經(jīng)各種復雜的氣候、地質(zhì)、水文等自然環(huán)境條件，區(qū)域性沉降對高速鐵路線路的影響日益彰顯，大面積開采地下水是主要原因之一。地下水位下降時，代表地層土質(zhì)特性的滲透系數(shù)不同，對沉降的影響范圍不同。對于滲透系數(shù)小于5.0×10–3cm·s–1的砂土而言，當?shù)叵滤幌陆捣謩e為5 m和9 m時，影響范圍可達106 m和191 m，直接影響到高速鐵路線路的平順性。對于高速鐵路樁基路基，抽取地下水所引起的地下水位局部下降是導致其沉降的最主要原因。因此，在高速鐵路建設和運營期間，應嚴格限制在線路兩側各200 m范圍內(nèi)開采地下水。國務院頒布的《鐵路安全管理條例》已從法規(guī)層面做出了明文規(guī)定，目前國家相關部門正在組織修訂《中華人民共和國鐵路法》，擬從法律層面對鐵路沿線開采地下水做出嚴格的規(guī)定。

(2) 橋梁樁基范圍內(nèi)地下水位變化引起的樁基基礎差異沉降大于樁底以下地下水位變化。在樁基范圍內(nèi)地下水位變化相差1 m，樁基基礎產(chǎn)生的差異沉降約7.8 mm。對于樁基路基而言，局部抽取淺層地下水產(chǎn)生的總沉降量小于抽取深層地下水，但所產(chǎn)生的差異沉降大于抽取深層地下水。因此，對于經(jīng)過區(qū)域性沉降地區(qū)的高速鐵路，在線下基礎設計時就應考慮適當增加樁基長度，留有一定的冗余量。

(3) 樁長、樁徑、地基土特性等對橋梁樁基基礎沉降也有較大的影響。在沉降區(qū)進行基礎設計時，應在詳細地質(zhì)勘查的基礎上，綜合考慮上述影響因素。建議在高速鐵路經(jīng)過沉降區(qū)、連續(xù)梁與簡支梁相鄰區(qū)、地層變化起伏等區(qū)域時，應針對基礎型式進行專門設計，降低差異沉降的影響。

(4) 軌面高程變化與橋梁基礎沉降變動有較強的跟隨性和相關性，一般相差不大于1 mm，此差異主要由扣件拉壓變形以及底座板與橋梁間的縫隙造成。因此僅從無砟軌道平順性角度考慮，在運營期間應將橋梁相鄰墩臺差異沉降控制在15 mm以內(nèi)。

(5) 以32 m簡支梁橋上跨梁縫縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式無砟軌道結構為例，墩臺差異沉降會導致無砟軌道產(chǎn)生附加彎矩，發(fā)生沉降的橋墩上方的底座板受拉最為顯著；當差異沉降超過15 mm，底座板拉應力將超過C30級混凝土極限抗拉強度。因此僅從保證無砟軌道結構受力和耐久性角度考慮，32 m簡支梁相鄰橋墩間差異沉降應控制在15 mm以內(nèi)。

(6) 墩臺差異沉降對高速列車運行品質(zhì)的影響較大，而對線下結構動力響應的影響相對較小。以CRTSⅡ型板式無砟軌道為例，當行車速度為350 km·h–1且差異沉降在20 mm以上時，車體垂向加速度超過了規(guī)范規(guī)定的限值要求；當行車速度低于350 km·h且差異沉降在30 mm以內(nèi)時，車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標及輪重減載率均未出現(xiàn)超限。因此僅從保證高速行車安全性和舒適性角度考慮，32 m簡支梁相鄰橋墩間差異沉降應控制在15 mm以內(nèi)。

4. 結論

地下水位變化是導致高速鐵路下部基礎差異沉降的主要原因，高速鐵路沿線抽取地下水將直接導致鄰近線路的基礎出現(xiàn)差異沉降；沉降區(qū)高速鐵路線下基礎的設計應考慮地層特點及地下水位變化，對樁長、樁徑等進行針對性的設計。相鄰橋墩間差異沉降會導致軌道結構產(chǎn)生附加荷載，動力指標也有所增加。本文的分析結果表明，在特殊困難條件下，高速鐵路運營期間區(qū)域性沉降地區(qū)差異沉降的控制標準可較設計規(guī)范規(guī)定的限值適度放寬；應進一步研究、合理確定既能滿足行車安全和軌道維護的要求，又能減少差異沉降整治的工作量和降低維護費用，特別是要針對不同橋梁類型、跨度及橋上無砟軌道結構形式等情況開展針對性的研究，以確定不同工況下運營期間的差異沉降控制標準。

[1] Major railway technology policies (Decree No. 34 of the Ministry of Railways of the People’s Republic of China) (Jan 9, 2013). Chinese.

[2] National Railway Administration of the People’s Republic of China. TB 10621—2014 Code for design of high-speed railway. Beijing: China Railway Publishing House; 2014. Chinese.

[3] Meng QS, Chen NY, Yang C. Research progress review of characters of marine soft clay in underground water fluctuating zone. Yangtze River 2011;42(4):29—32. Chinese.

[4] Zhang Y, Xue YQ. Present situation and prospect on the mathematical model of land subsidence due to pumping. Chinese J Geol Hazard Control 2002;13(2):1—9. Chinese.

[5] Xue YQ, Wu JC, Zhang Y, Ye SJ, Shi XQ, Wei ZX, et al. The Yangtze River Delta (south) local land settlement simulation. Sci Sinica Terrae 2008;38(4):477—92. Chinese.

[6] Luo ZJ, Zhang YP, Liu JB, Liu JD. Three-dimensional numerical model for groundwater withdrawal and land subsidence in development zone along Yangtze River in Jiangsu Province. J Earth Sci Environ 2007;29(3):280—4. Chinese.

[7] Moore WS. Large groundwater inputs to coastal waters revealed by226Ra enrichment. Nature 1996;380(6575):612—4.

[8] Kezdi S. Bearing mechanism of piles. Geotechnique 1965;20(1):1—5. Japanese.

[9] Zhang X, Li CW, Pan K. Effect of groundwater fluctuation on deformation characteristics of foundation soils. J North China Inst Water Conserv Hydroelec Power 2012;33(5):95—8. Chinese.

[10] Xia LN, Miao YD, Liao CB. Three-dimensional numerical simulation of influences of ground subsidence on composite foundation. Rock Soil Mech 2012;33(4):1217—22. Chinese.

[11] Wu B. Three-dimensional seepage-stress coupling analysis of bridge foundation behaviors induced by precipitation. Chinese J Rock Mech Eng 2009;28(S1):3277—81. Chinese.

[12] Liu J, Yao HL, Hu ML, Lu Z, Yu DM, Chen FG. Study of moisture dynamic response and underground drainage test of subgrade model under water level fluctuation. Rock Soil Mech 2012;33(10):2917—22. Chinese.

[13] Xiong J. Study on the influence of groundwater exploitation in the Tianjin area on the Beijing—Shanghai high-speed railway roadbed settlement [dissertation]. Chengdu: Southwest Jiaotong University; 2013. Chinese.

[14] Chen P, Gao L, Ma MN. Limited value of subgrade settlement and its influenceon mechanical characteristics of ballastless track in high-speed railway. Constr Des Project 2008;(5):63—6. Chinese.

[15] Gao L, Zhao L, Qu C, Cai X. Analysis on design scheme of CRTSIII slab track structure on roadbed. J Tongji Univ (Nat Sci Ed) 2013;(6):848—55. Chinese.

[16] Ministry of Railways of the People’s Republic of China. TG/GW 115—2012 Regulation for ballastless track maintenance of high-speed railway line (trial implementation). Beijing: China Railway Publishing House; 2012. Chinese.

[17] Zhai WM. Vehicle-track coupling dynamics. 3rd ed. Beijing: Science Press; 2007. Chinese.

[18] Cai CB. Theory and application of train-track-bridge coupling vibration in high-speed railways [dissertation]. Chengdu: Southwest Jiaotong University; 2004. Chinese.

[19] Song GH, Gao MM, Li GQ. Vehicle-bridge vertical system coupled vibration analysis under the uneven settlement of bridge pier and abutment. China Railway Sci 2010;31(2):29—33. Chinese.

[20] National Railway Administration of the People’s Republic of China. TB/T 3352—2014 Irregularity spectrum of high-speed railway ballastless track. Beijing: China Railway Publishing House; 2015. Chinese.

E-mail address: kgl710@sina.com

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(3): 374—379

Gaoliang Kang. Influence and Control Strategy for Local Settlement for High-Speed Railway Infrastructure. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/ J.ENG.2016.03.014

差異沉降

無砟軌道附加荷載

車輛–軌道動力學