蓉2號(hào)線有軌電車路基工后沉降變形預(yù)測(cè)研究

李凱甜，鄧榮貴 ,周其健，2, 張哲寧

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2. 中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610052； 3. 成都軌道交通集團(tuán)，四川成都 610036)

現(xiàn)代有軌電車具有噪聲低、環(huán)境友好、客運(yùn)能力大、速度高、靈活舒適[1-2]的特點(diǎn)，能有效緩解城市交通負(fù)荷、完善公共交通體系、踐行綠色出行的生態(tài)理念。在我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要中也提到有序推進(jìn)有軌電車等城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

有軌電車路基的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)列車安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，路基工后沉降分析預(yù)測(cè)多參照TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]。軌道路基一旦發(fā)生沉降，無砟軌道將無法進(jìn)行起道作業(yè)，只能通過調(diào)整扣件才能恢復(fù)軌道幾何形狀，但是由于扣件調(diào)整量有限，只能通過嚴(yán)格控制線下工程的沉降量來解決路基沉降的問題。因此，高速鐵路對(duì)路基、橋涵、隧道等線下工程工后沉降提出了嚴(yán)格要求，一般要求工后沉降不超過15 mm?，F(xiàn)代有軌電車路基工后沉降一般采用不應(yīng)大于50 mm的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的確定與路基本體填料的選擇和厚度的確定、路基排水措施的有效性，施工工藝和方法選擇密切相關(guān)。該標(biāo)準(zhǔn)的確定與路基本體填料的種類以及厚度、路基排水措施、施工工藝和方法選擇密切相關(guān)。

地基工后沉降曲線通常呈“S”形，通過對(duì)工后地基沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠有效控制路基的變形，提前采取相應(yīng)的施工措施或技術(shù)措施。目前常用的預(yù)測(cè)地基沉降的方法有兩類[4-5]，一類是根據(jù)土體本構(gòu)關(guān)系采用的數(shù)值計(jì)算方法，另一類是基于實(shí)測(cè)曲線的數(shù)學(xué)方法。對(duì)于地基工后沉降預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型常見的有指數(shù)模型、雙曲線模型、Asaoka模型、Usher模型等[6-11]。趙明華等人[10]通過對(duì)寧-杭高速軟土地基進(jìn)行擬合，對(duì)比實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的差異，證明了Usher模型預(yù)測(cè)得到的沉降后期值與實(shí)際測(cè)量值精度較高。徐曉宇[12]通過對(duì)不同類型的預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雙曲線模型以及指數(shù)曲線模型對(duì)6個(gè)月左右中期階段預(yù)測(cè)較精確。秦尚林等人[13]通過對(duì)指數(shù)曲線進(jìn)行改進(jìn)得到了拓展指數(shù)曲線模型，并得到了在路基沉降預(yù)測(cè)中拓展指數(shù)模型與實(shí)測(cè)資料相關(guān)系數(shù)比較高，預(yù)測(cè)誤差小的結(jié)論；王小剛等人[14]運(yùn)用拓展雙曲線模型預(yù)測(cè)鐵路客運(yùn)專線的路基沉降量，并將其結(jié)果與常用的雙曲線法、Asaoka法以及三點(diǎn)發(fā)進(jìn)行比較，結(jié)合實(shí)際工程說明了拓展雙曲線法對(duì)路基沉降的預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確；劉寒冰等人[15]對(duì)MGM(1,n)模型進(jìn)行優(yōu)化克服了眾多預(yù)測(cè)模型分析中由于單點(diǎn)局部分析不足導(dǎo)致的預(yù)測(cè)精度低的缺點(diǎn)，建立的優(yōu)化模型能夠?qū)崿F(xiàn)整體預(yù)測(cè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的效果。陳洪運(yùn)等人[16]通過對(duì)比三種雙曲線擬合結(jié)果的差異發(fā)現(xiàn)TS雙曲線擬合得到的相關(guān)系數(shù)較高，適用范圍較廣，并分析了擬合起始點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。雖然已有較多的學(xué)者對(duì)路基沉降預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究改進(jìn)修正[17-19]。雖然已經(jīng)有較多學(xué)者對(duì)路基沉降的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了研究和修正，但主要應(yīng)用于對(duì)高速鐵路、公路的預(yù)測(cè)中，對(duì)于城市有軌電車路基沉降的預(yù)測(cè)還少有研究，本文結(jié)合蓉2號(hào)線某段監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，擬合得到不同預(yù)測(cè)模型下路基沉降全過程時(shí)程曲線。

1 工程概況及路基施工工藝

1.1 工程概況

1.2 施工工藝

蓉2號(hào)線現(xiàn)代有軌電車，軌道結(jié)構(gòu)采用整體道床配槽型軌形式，主要采用60R2槽型軌，軌距為標(biāo)準(zhǔn)鐵路軌距1 435 mm。軌道板一般采用高強(qiáng)度混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，厚度約200～300 mm。蓉2號(hào)線有軌電車路基填方選取1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)(工藝一)，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)(工藝二)，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)(工藝一)作為試驗(yàn)段，結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)詳見表1。施工工藝流程為施工放樣→設(shè)立排水措施→填料運(yùn)輸→填料攤鋪→碾壓→檢驗(yàn)→合格→進(jìn)行下層施工工序，其中，工藝一，碾壓采用LSS2301型壓路機(jī)，以4～4.5 km/h的速度按照靜壓-弱振-強(qiáng)振-弱振-靜壓的順序，碾壓完成后用環(huán)刀法測(cè)定壓實(shí)度。水穩(wěn)層采用XS262J壓路機(jī)，以 1.5～3 km/h行走速度按照靜壓-弱振-強(qiáng)振-靜壓的壓實(shí)順序；工藝二碾壓采用徐工LSS2301壓路機(jī) ，以1.2～1.5 km/h的行走速度，按照靜壓-弱振-強(qiáng)振-弱振-靜壓的壓實(shí)順序，水穩(wěn)層采用徐工XS202J壓路機(jī)，以1.5～2.5 km/h的行走速度，按照靜壓-弱振-強(qiáng)振-弱振-靜壓的壓實(shí)順序，碾壓完成后用灌砂法測(cè)定壓實(shí)度。兩種施工工藝的參數(shù)見表1。

表1 壓實(shí)工藝選擇

2 路基工后沉降監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理

選取三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)路基的沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沉降觀測(cè)從填土開始，路基填筑完成或施加預(yù)壓荷載后有至少3個(gè)月的觀測(cè)期和調(diào)整期，沉降變形監(jiān)測(cè)以二等水準(zhǔn)進(jìn)行，采用閉合或附合水準(zhǔn)路線奇偶站交替的方法。外業(yè)觀測(cè)應(yīng)保證足夠的準(zhǔn)確性，防止由于操作以及人為因素導(dǎo)致的誤差。外業(yè)觀測(cè)完成后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，由高程數(shù)據(jù)減去初始高程值得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積沉降量。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取蓉有軌電車2號(hào)線路基段斷面1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用工藝一進(jìn)行路基填筑，該斷面地層主要由粘性土、卵石層等組成，采用開挖換填地基加固，2016年5月31日開始填土，2016年8月15日，填土完畢，填土層厚為1.59 m，沉降觀測(cè)從填土開始監(jiān)測(cè)，沉降板測(cè)得的總沉降4.36 mm，監(jiān)測(cè)曲線見圖1。2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用工藝二，該斷面地層情況與1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同，采用開挖換填地基加固，2016 年8月11 日開始填土，2016年8 月29日，填土完畢，填土層厚為1.30 m，沉降觀測(cè)從填土開始監(jiān)測(cè)，沉降板測(cè)得的總沉降16.8 mm，監(jiān)測(cè)曲線見圖2。3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用工藝一，該斷層地層情況與1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同，采用開挖換填地基加固，從2016年8月22日開始填土，2016年10月6日填筑完畢，填土厚度為1.3 m，沉降板測(cè)得的總沉降量為8.43 mm，監(jiān)測(cè)曲線見圖3。按照既有施工工藝填筑壓實(shí)后對(duì)路基進(jìn)行預(yù)壓，并用沉降板測(cè)得沉降量，得到如下曲線。

圖1 1#檢測(cè)點(diǎn)時(shí)態(tài)曲線

圖2 2#檢測(cè)點(diǎn)時(shí)態(tài)曲線

圖3 3#檢測(cè)點(diǎn)時(shí)態(tài)曲線

3 路基工后沉降預(yù)測(cè)分析

路基沉降變形一般包括彈性變形、塑性變形、填土以及地基的壓縮變形[20]。蓉2號(hào)線有軌電車基底為卵石層承載力較高，路基沉降包括一部分基底卸荷再壓縮的瞬時(shí)沉降，一部分填料的固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降，以及后期動(dòng)力響應(yīng)導(dǎo)致的沉降。根據(jù)Boussinesq彈性理論公式和Odemark的模量與層厚當(dāng)量假定，換填填料達(dá)到一定的密實(shí)度后，換填層沉降的量級(jí)應(yīng)不大于20 mm?？紤]列車行駛速度影響，根據(jù)基底砂卵石主要模態(tài)波的頻域動(dòng)態(tài)響應(yīng)，擬靜力考慮，沉降量不超過15 mm，預(yù)測(cè)路基的總沉降不超過35 mm，滿足現(xiàn)代有軌電車路基工后沉降一般采用不應(yīng)大于50 mm的標(biāo)準(zhǔn)。

路基施工沉降預(yù)測(cè)主要有兩種類型的數(shù)學(xué)模型。一種是數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)工后沉降，包括建設(shè)模型和指數(shù)模型。另一種方法是預(yù)測(cè)整個(gè)生長(zhǎng)曲線模型的過程，通常包括Pearl、Gompertz和Weibull模型。鑒于有軌電車沉降預(yù)測(cè)模型尚未建立，本文通過下面3種模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1 預(yù)測(cè)模型分析

3.1.1 雙曲線預(yù)測(cè)模型

這種方法主要是假定路基沉降量滿足雙曲線遞減規(guī)律，并探討沉降值擬合點(diǎn)和時(shí)間的曲線,曲線形式為：

(1)

式中：t0為任意點(diǎn)的預(yù)加載時(shí)間；s0為t0時(shí)刻的沉降；st為t時(shí)間的沉降；a,b為參數(shù)。

(2)

其中：a為截距；b為直線的斜率。

3.1.2 Asaoka 預(yù)測(cè)模型

使用現(xiàn)有的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)反算未知參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)估計(jì)未來沉降量。Asaoka認(rèn)為，固結(jié)微分方程可以近似表示為微分方程的級(jí)數(shù)形式：

(3)

在一維固結(jié)條件下，其微分方程表示為：

(4)

即：

(5)

式中：α、β、γ是待定參數(shù)，Asaoka沉降預(yù)測(cè)模型選擇不同的時(shí)間間隔時(shí)，最后得到的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有一定的差異。

3.1.3 指數(shù)曲線預(yù)測(cè)模型

根據(jù)太沙基固結(jié)理論，地基沉降變形是由于超孔隙水壓力隨時(shí)間的變化，并結(jié)合地基排水固結(jié)條件，綜合得到分級(jí)加載條件下地基沉降量與時(shí)間之間變化的時(shí)間曲線關(guān)系，其表達(dá)式為：

st=s-(s

(6)

式中：s0為t0時(shí)刻的沉降量；0st為t時(shí)刻的沉降量；s∞為最終沉降量；η為待定常數(shù)。

3.2 預(yù)測(cè)模型參數(shù)分析

根據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的路基累積沉降量，建立沉降量與時(shí)間之間的曲線關(guān)系，由于現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)水平的限制，加之現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，干擾因素較多，考慮到各個(gè)因素的影響，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)不可避免地會(huì)造成各類誤差，從而引起觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，但其整體趨勢(shì)還是比較明顯的，能夠反映整個(gè)路基的沉降規(guī)律。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，用3種類型的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行擬合，得到以下各擬合模型的待定參數(shù)，擬合結(jié)果見表2。

表2 預(yù)測(cè)模型參數(shù)

3.3 沉降預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)擬合得到的各曲線參數(shù)值，選取擬合曲線上的點(diǎn)，比較實(shí)測(cè)路基沉降值與預(yù)測(cè)值之間的差異，并計(jì)算誤差百分比， 得到計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 實(shí)測(cè)沉降與預(yù)測(cè)沉降比較

從得到的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析，對(duì)于1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三種預(yù)測(cè)模型對(duì)其最終的沉降量的預(yù)測(cè)值都穩(wěn)定在4.2 mm左右，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降趨勢(shì)相吻合；對(duì)于2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三種預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)得到的最終沉降量有一定的差距，但是雙曲線模型與實(shí)測(cè)沉降量前期吻合度較高，最終預(yù)測(cè)得到的沉降量在17.0 mm左右；對(duì)于3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三種預(yù)測(cè)模型中指數(shù)模型與實(shí)測(cè)曲線吻合度較高，得到的最終預(yù)測(cè)沉降量在9.0 mm左右。

兩種施工工藝下的沉降測(cè)試值存在一定的差異性，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量較大，其預(yù)測(cè)模型中指數(shù)模型預(yù)測(cè)得到的最終沉降量與實(shí)際沉降量吻合度較高；而對(duì)于1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降量相差不大，且兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)三個(gè)預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)沉降量均有較好的吻合度。由于三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，對(duì)后期沉降量的預(yù)測(cè)有待深入研究。

4 結(jié)論

對(duì)于運(yùn)行速度較高的列車而言，路基的沉降變形嚴(yán)重影響著列車的運(yùn)行速度以及運(yùn)行安全，控制路基的沉降量也是一個(gè)亟待解決的問題，本文根據(jù)不同的施工工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同模型下的預(yù)測(cè)，得到了如下結(jié)論：

(1)在本文蓉2號(hào)線有軌電車路基填筑采用的兩種施工工藝中，在控制兩者的壓實(shí)系數(shù)基本一致的情況下，工藝二的填筑時(shí)間較短，其沉降量相對(duì)較大。而工藝一的填筑時(shí)間較長(zhǎng)，沉降量較小，從一定程度上表明了沉降量與填筑時(shí)間長(zhǎng)短有一定的關(guān)系，即填筑時(shí)間長(zhǎng)沉降量小。

(2)在工藝一的施工方法下，路基沉降量較工藝二小。在對(duì)路基沉降量要求比較嚴(yán)格的情況下可考慮采用工藝一的路基填筑施工方法，從施工工藝上減小路基的沉降量。

(3)對(duì)于兩種不同施工工藝下填筑的路基，指數(shù)模型對(duì)路基沉降量預(yù)測(cè)具有較好的吻合性，在以后有軌電車路基沉降預(yù)測(cè)中可以考慮采用該模型對(duì)路基沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到最終沉降量。

(4)通過對(duì)路基的沉降量進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，能夠?yàn)槭┕すに囈约昂笃诘某两底冃沃卫硖峁┮粋€(gè)有效的參考，對(duì)實(shí)際工程的施工指導(dǎo)和后期路基維護(hù)有一定的實(shí)際意義。