地質(zhì)斷層處高速鐵路橋梁不均勻沉降控制研究

王學(xué)剛

?

地質(zhì)斷層處高速鐵路橋梁不均勻沉降控制研究

王學(xué)剛

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，天津 河西 300222）

通過(guò)對(duì)烏馬河大橋處于地質(zhì)斷層處的②號(hào)墩、③號(hào)墩樁基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析，得出該兩橋墩基礎(chǔ)存在沉降差，并提出成橋預(yù)壓沉降、選用大調(diào)高量支座等控制沉降差的措施，對(duì)位于地質(zhì)性狀突變或地質(zhì)變化劇烈的地基基礎(chǔ)不均勻沉降控制具有一定參考價(jià)值．

高速鐵路；橋梁；地質(zhì)斷層；沉降；預(yù)壓；大調(diào)高量支座

高速鐵路具有高舒適性、高密度快速連續(xù)運(yùn)營(yíng)等特點(diǎn)，對(duì)軌道線路平順性具有較高的要求．為有效控制線下工程變形，線路中橋梁占比往往較大．因此橋梁基礎(chǔ)的工后沉降，尤其不均勻沉降直接危害鐵路線路平順性．控制橋梁相鄰基礎(chǔ)的沉降差，已成為高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一．地質(zhì)斷層是巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造．破裂面兩側(cè)地質(zhì)性狀常常存在較大差異，有時(shí)候甚至存在一側(cè)為硬質(zhì)巖層另一側(cè)為軟土的極端情況．由于地層性狀的突變，易引起基礎(chǔ)沉降的較大差異，因此控制斷層處基礎(chǔ)的不均勻沉降是一個(gè)控制性設(shè)計(jì)難點(diǎn)．

1 工程概況

新建太原至焦作鐵路項(xiàng)目(太焦城際鐵路)是國(guó)家快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，為新建雙線客運(yùn)專(zhuān)線，線路北起山西省太原市，向南依次經(jīng)晉中市、長(zhǎng)治市、晉城市3個(gè)地級(jí)市，穿越太行山后接軌于河南省焦作市鄭焦城際鐵路焦作站，線路全長(zhǎng)358.761 km．

白北村烏馬河大橋位于山西省晉中市榆社縣西馬鄉(xiāng)白北村附近，低山丘陵區(qū)與沖溝發(fā)育，橋址小里程地形切割嚴(yán)重，山壁陡峭，基巖出露；橋址大里程地形較平坦，坡地多辟為耕地及林地，植被較發(fā)育．該橋?yàn)榭缭綖躐R河及S319省道而設(shè)．小里程接榆社隧道，為無(wú)砟軌道橋梁，采用支架現(xiàn)澆施工．

根據(jù)橋位地質(zhì)勘察報(bào)告，該橋太方臺(tái)至②號(hào)墩地質(zhì)為弱風(fēng)化砂巖，③號(hào)墩至焦方臺(tái)地質(zhì)為密實(shí)粉砂與粉質(zhì)黏土互層．②號(hào)墩、③號(hào)墩分別位于地質(zhì)斷層兩側(cè)，根據(jù)橋位地質(zhì)勘察報(bào)告，②號(hào)墩、③號(hào)墩承臺(tái)底以下土層自上而下分布情況分別如表1、表2所示．

表1 2號(hào)墩土層分布

表2 3號(hào)墩土層分布

2 沉降計(jì)算

2.1 沉降計(jì)算方法

對(duì)于摩擦樁采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算[2]：

2.2 ②號(hào)墩沉降分析

2.3 ③號(hào)墩沉降分析

表3 ③號(hào)墩樁底地基土壓縮變形分層計(jì)算表

壓縮層厚度確定，由于基礎(chǔ)外力作用于地基，在理論上地基的應(yīng)力與變形延伸到無(wú)限深．但在實(shí)際中由于土體不是線彈性體，而是非連續(xù)松散體，粘性土粒間還存在著粘結(jié)力，實(shí)際上在一定深度以下的土層沒(méi)有變形．因此，樁基沉降的計(jì)算深度不是無(wú)限的，而是達(dá)到樁端以下某一厚度后終止．常用“應(yīng)力控制法”或“應(yīng)變控制法”確定．鐵路規(guī)范采用“應(yīng)變控制法”確定[2]；《樁基規(guī)范》采用“應(yīng)力控制法”，由計(jì)算深度處的附加應(yīng)力為該處自重應(yīng)力的0.2倍來(lái)確定[3]；《上海地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用計(jì)算深度處的附加應(yīng)力為該處自重應(yīng)力的0.1倍來(lái)確定．

由表2可知，采用0.1應(yīng)力比確定的壓縮層深為群樁樁底平面以下12.7 m，沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)取s= 0.200[2]，群樁樁底平面以下地基的壓縮變形h=s·∑S=0.200×28.3=5.66(mm)；采用應(yīng)變控制法，在群樁樁底平面以下25.5 m時(shí)=0.613≤0.025∑S=0.956，沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)取s= 0.200[2]，群樁樁底平面以下地基的壓縮變形h=s·∑S=0.200× 38.2=7.64(mm)．

3 不均勻沉降控制

3.1 工后沉降分析

3.2 不均勻沉降控制措施

3.2.1 成橋預(yù)壓

由于沉降在隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)展，理論上講沉降的實(shí)測(cè)值是得不到的．沉降觀測(cè)值僅僅是在某一時(shí)刻的沉降發(fā)生情況，在時(shí)間和空間上是有限的．因此，當(dāng)沉降發(fā)展到一定程度時(shí)，利用已發(fā)生的沉降就可以預(yù)測(cè)出總沉降和工后沉降，已發(fā)生的沉降時(shí)間越長(zhǎng)，則預(yù)測(cè)值越接近實(shí)際值，預(yù)測(cè)總沉降值和工后沉降值越精確．

采用成橋預(yù)壓沉降法，即在成橋后加載二期恒載和與活載等同的堆載進(jìn)行靜載預(yù)壓．其優(yōu)點(diǎn)在于，采用等同活載的堆載預(yù)壓可以模擬運(yùn)營(yíng)環(huán)境使基礎(chǔ)平穩(wěn)沉降；同時(shí)通過(guò)預(yù)壓可延長(zhǎng)沉降觀測(cè)期，提高預(yù)測(cè)總沉降值精度，進(jìn)而確定工后沉降值．

預(yù)壓時(shí)間的確定．由于②號(hào)墩工后沉降趨于0 mm，③號(hào)墩工后沉降須控制在5 mm以下，因此預(yù)壓時(shí)間在滿(mǎn)足客運(yùn)專(zhuān)線鐵路無(wú)碴軌道鋪設(shè)條件[7]同時(shí)，須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的最終沉降量與預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值之差不大于5 mm，以確保預(yù)測(cè)工后沉降差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求．

3.2.2 選用大調(diào)高量支座

國(guó)內(nèi)外采用的支座調(diào)高主要有墊板調(diào)高、螺桿調(diào)高、楔塊調(diào)高和液壓調(diào)高等4種技術(shù)方案．目前最常用也是最簡(jiǎn)便實(shí)用的主要是墊板調(diào)高和液壓調(diào)高方案．

液壓調(diào)高是用高壓注射設(shè)備向密閉的支座空腔內(nèi)注入液態(tài)彈性材料，使支座上構(gòu)抬高，類(lèi)似液壓千斤頂．再利用材料可“液固”轉(zhuǎn)化原理使支座調(diào)高后達(dá)到穩(wěn)定．具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)持荷調(diào)高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于武廣客運(yùn)專(zhuān)線、京滬客運(yùn)專(zhuān)線等高速鐵路．但也存在可調(diào)高頻次有限，1個(gè)注射孔只能注1次，可調(diào)高量有限，一般為0~20 mm等缺點(diǎn)．

墊板調(diào)高是在支座頂部或底部加墊鋼板調(diào)高方案，構(gòu)造最簡(jiǎn)單，只需增加相應(yīng)厚度的鋼板即可．且可實(shí)現(xiàn)多次調(diào)高，廣泛應(yīng)用于高速鐵路橋梁中．

根據(jù)工程特點(diǎn)，存在多次、累計(jì)大調(diào)高量的可能，選用可調(diào)高量為0~60 mm大調(diào)高量墊板調(diào)高支座，通過(guò)調(diào)高支座能夠快捷方便的補(bǔ)償基礎(chǔ)超限沉降，為線路的平順多一項(xiàng)措施，為安全運(yùn)營(yíng)多一道保障．

4 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)斷層處橋梁樁基不均勻沉降是橋梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如果對(duì)沉降的構(gòu)成及工后沉降的確定沒(méi)有一個(gè)詳細(xì)而準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)于保守而造成工程浪費(fèi)；也可能采取的工程措施不足給鐵路運(yùn)營(yíng)埋下隱患．通過(guò)上述斷層處樁基沉降研究，得出以下結(jié)論：

(1)樁頂軸向變形主要由樁身材料的彈性壓縮變形、樁側(cè)摩擦力傳至樁底平面的彈性壓縮變形以及樁底平面以下地基的壓縮變形3部分組成．但樁側(cè)摩擦力傳至樁底平面的彈性壓縮變形很小，可以忽略不計(jì)．而樁身材料的彈性壓縮變形占總沉降比重較大，②號(hào)墩為75.56%，③號(hào)墩47.64%，不可忽略．

(2)采用成橋預(yù)壓沉降可以有效減少工后沉降，讓大部分沉降在鋪軌前完成．同時(shí)通過(guò)預(yù)壓可以延長(zhǎng)沉降觀測(cè)期，可以有效提高預(yù)測(cè)工后沉降的精度．

(3)選用大調(diào)高量墊板調(diào)高支座作為的冗余技術(shù)儲(chǔ)備措施，可有效降低工后沉降風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)支座調(diào)整到設(shè)計(jì)高程，補(bǔ)償基礎(chǔ)超限沉降．確保線路的平順和運(yùn)營(yíng)安全．

(4)采用成橋預(yù)壓和選用大可調(diào)高量支座等措施，對(duì)于位于地質(zhì)性狀突變或地質(zhì)變化劇烈的地基基礎(chǔ)不均勻沉降控制具有很好的參考價(jià)值．

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院. 橋涵地基和基礎(chǔ)[K]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2002.

[2] TB10002.5-2005, 鐵路橋涵地基核基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JGJ 94-2008, 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]田萬(wàn)俊, 馬建林. 黏性土地區(qū)高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2013(4): 55-59.

[5]楊奇. 高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)變形性狀實(shí)驗(yàn)與工后沉降研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2011.

[6]程琴輝. 高速鐵路橋梁長(zhǎng)樁基礎(chǔ)樁底壓縮層厚度的研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2011.

[7]鐵建設(shè)[2006]158號(hào), 客運(yùn)專(zhuān)線鐵路無(wú)碴軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南[S].

[8]TB10621-2014, 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]肖漢, 郭永春. 樁板結(jié)構(gòu)下樁基沉降計(jì)算方法適用性探討[J]. 鐵道建筑, 2012(1): 96-98.

[10]張茵濤, 張晨, 黃強(qiáng)兵. 地裂縫對(duì)高速鐵路橋梁的破壞機(jī)理研究[J]. 鐵道建筑, 2014(6): 24-26.

(責(zé)任編校：陳健瓊)

Study on Uneven Settlement Control of High - speed Railway Bridge in Geological Fault

WANG Xuegang

（China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd. Survey and Design Institute, Hexi, Tianjin 300222, China）

Based on the calculation and analysis of the No.2 and No.3 Pile Foundation of Pier at the geological fault of the Uma River Bridge, it is concluded that there is a settlement difference between the two piers.The use of bridge preloading settlement, high adjustable support and other measures are proposed to control the settlement difference.The result has a certain reference value for the uneven settlement of the foundation based on the abrupt change of geological traits or the geological changes.

high - speed railway; bridge; geological fault; settlement; preload; high adjustable support

U442.5+9

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0005

1672–7304(2017)04–0022–04

2017-06-10

王學(xué)剛(1984-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，主要從事鐵路橋梁設(shè)計(jì)研究．E-mail: 2830537744@qq.com