黃土地區(qū)高速鐵路高邊坡路基幫寬沉降分析

楊學(xué)林

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)線路的平順性要求極高，特別是對(duì)差異沉降要求非常嚴(yán)格。因此，路基沉降與變形控制是高速鐵路設(shè)計(jì)施工中必須考慮的重要因素之一[1-3]。在國(guó)內(nèi)，新建鐵路下穿、上跨、并行高鐵的工程項(xiàng)目屢見(jiàn)不鮮[4-13]，但是涉及高速鐵路高邊坡路基幫寬的工程并不多見(jiàn)。以某新建線引入既有高鐵站場(chǎng)工程為例(見(jiàn)圖1)，對(duì)既有線幫寬后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期得到一些有益的結(jié)論。

圖1 工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

2 工程背景

2.1 工程概況

既有線路站場(chǎng)為6股道，分別為正線Ⅰ道、Ⅱ道，到發(fā)線3道、4道，到發(fā)線5道、6道，既有路基頂面寬44.35 m。新建線路緊鄰既有線，北側(cè)新建8道，南側(cè)新建11道和Ⅸ道，平面位置關(guān)系如圖2所示。新建工程涉及2處涵洞接長(zhǎng)，3處路基幫寬。

圖2 新建工程與既有線路平面位置關(guān)系(單位：m)

涵洞1既有結(jié)構(gòu)類(lèi)型為1-4.0 m肋板涵，線路法線與涵洞軸線的夾角為5.62°，北側(cè)接長(zhǎng)后涵頂最大填土高3.6 m，南側(cè)接長(zhǎng)后涵頂最大填土高14.05 m。涵洞2既有結(jié)構(gòu)類(lèi)型為1-4.0 m肋板涵，線路法線與涵洞軸線的夾角為25°，北側(cè)接長(zhǎng)后涵頂最大填土高12.9 m，南側(cè)接長(zhǎng)后涵頂最大填土高27.7 m。

幫寬區(qū)域1有效長(zhǎng)度約為168.3 m，平均有效寬度約為21.8 m，最大高度為27.7 m，填方4.8×104m3。幫寬區(qū)域2長(zhǎng)度約為86.8 m，平均有效寬度約為2.3 m，最大高度為16.9 m，填方3 300 m3。幫寬區(qū)域3長(zhǎng)度約為33.9 m，平均有效寬度約為8.0 m，最大高度為8 m，填方2 200 m3。

涵洞1北側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置如圖3所示。

圖3 涵洞1北側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置(單位：cm；高程單位：m)

涵洞1南側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置示意如圖4所示。

圖4 涵洞1南側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置(單位：cm；高程單位：m)

涵洞2北側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置如圖5所示。

圖5 涵洞2北側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置(單位：cm；高程單位：m)

涵洞2南側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置如圖6所示。

圖6 涵洞2南側(cè)接長(zhǎng)涵洞布置(單位：cm；高程單位：m)

2.2 線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：高速鐵路；

線路類(lèi)型：雙線電氣化、有砟軌道；

設(shè)計(jì)速度：250 km/h；

運(yùn)營(yíng)速度：200 km/h。

2.3 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖積細(xì)圓礫土，第四系上更新統(tǒng)坡洪積新黃土，第四系中更新統(tǒng)洪積黃土、粗角礫土、細(xì)圓礫土，晚第三系上新統(tǒng)黏土；下伏奧陶系峰峰組角礫狀灰?guī)r、石灰?guī)r。巖土施工工程分級(jí)及基本承載力如表1所示。

表1 巖土施工工程分級(jí)及基本承載力

土壤最大凍結(jié)深度為1.01 m，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g(地震基本烈度為Ⅶ度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為三區(qū)。沿線土體對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性，路基工點(diǎn)勘探期間未見(jiàn)地下水。

3 監(jiān)測(cè)方式方法及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

3.1 監(jiān)測(cè)方式方法

長(zhǎng)期以來(lái)，工程沉降變形觀測(cè)方法以人工水準(zhǔn)測(cè)量方法為主[15]，受人工、環(huán)境、氣候、儀器精度、人為誤差等因素影響，使得其采集頻率低、連續(xù)性差、數(shù)據(jù)精度低、不能實(shí)時(shí)處理反饋、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)費(fèi)用高。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)(靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè))可以對(duì)鄰近高鐵施工進(jìn)行無(wú)間斷的連續(xù)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)維護(hù)費(fèi)用低。本項(xiàng)目采用了《高速鐵路工程結(jié)構(gòu)沉降及變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)SMAIS》[16]。

采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法(二等水準(zhǔn)測(cè)量)建立水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，各測(cè)點(diǎn)高程初始值在施工前測(cè)定，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工程施工前布設(shè)[17]。

3.2 測(cè)線總體布置情況

觀測(cè)點(diǎn)的布置間距應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、沉降發(fā)生的原因等綜合確定，一般不超過(guò)50 m[14]。在既有高鐵路基頂面共布置了4條靜力水準(zhǔn)測(cè)線。局部測(cè)點(diǎn)、測(cè)線的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖7，測(cè)點(diǎn)之間的間距見(jiàn)表2。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理算法

依據(jù)鐵路的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，利用如圖8所示的數(shù)據(jù)分析流程思路，以JDs(平滑-絕對(duì)沉降量)作為最終的相對(duì)累計(jì)沉降值，CYs(平滑-差異沉降量)作為最終的施工預(yù)警值。

圖7 路基沉降監(jiān)測(cè)平面布置示意(單位：m)

表2 測(cè)點(diǎn)間距 m

注：測(cè)線1對(duì)應(yīng)到發(fā)線5，包含14個(gè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)線2對(duì)應(yīng)到發(fā)線3，包含10個(gè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)線3對(duì)應(yīng)正線Ⅱ，包含6個(gè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)線4對(duì)應(yīng)到發(fā)線6，包含5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖8 數(shù)據(jù)分析流程

4 沉降監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 線路縱斷面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析

根據(jù)2年來(lái)的數(shù)據(jù)，分別繪制測(cè)線1～測(cè)線4的縱斷面曲線(見(jiàn)圖9、圖11、圖13、圖15)和時(shí)程曲線(見(jiàn)圖10、圖12、圖14、圖16)，4條測(cè)線中沉降最大測(cè)點(diǎn)(1-10、2-06、3-05)的時(shí)程曲線見(jiàn)圖17～圖19。

圖9 測(cè)線1測(cè)點(diǎn)沉降縱斷面曲線(單位：mm)

由圖9～圖16可見(jiàn)，測(cè)線1中 1-09～1-12測(cè)點(diǎn)的最終沉降數(shù)值較大，沉降最大位置處(1-10測(cè)點(diǎn))的沉降量為73.20 mm；測(cè)線2中2-06、2-07測(cè)點(diǎn)的最終沉降數(shù)值較大，沉降最大位置處(2-06測(cè)點(diǎn))的沉降量為34.93 mm；測(cè)線3中沉降最大位置處(3-05測(cè)點(diǎn))的沉降量為18.04 mm。除以上測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)沉降變形數(shù)值均較小。

圖10 測(cè)線1測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖11 測(cè)線2測(cè)點(diǎn)沉降縱斷面曲線

圖12 測(cè)線2測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖13 測(cè)線3測(cè)點(diǎn)沉降縱斷面曲線

圖14 測(cè)線3測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖15 測(cè)線4測(cè)點(diǎn)沉降縱斷面曲線

圖16 測(cè)線4測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖17 測(cè)點(diǎn)1-10沉降值最大測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

圖20 A-A～F-F截面測(cè)點(diǎn)斷面曲線

圖18 測(cè)點(diǎn)2-06沉降值最大測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

圖19 測(cè)點(diǎn)3-05沉降值最大測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

由圖10可知，開(kāi)工以來(lái)，涵洞位置附近測(cè)線1中的1-09～1-12測(cè)點(diǎn)開(kāi)始緩慢下沉；2017年2月8日～2017年5月30日，隨著幫寬量不斷加大，測(cè)點(diǎn)的沉降速率出現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)；2017年5月30日停工后，測(cè)點(diǎn)的沉降速率緩慢減小并趨于穩(wěn)定。填土完成后，后續(xù)施工與雨水并未導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)沉降速率加劇。由圖16可以得出，幫寬區(qū)域?qū)y(cè)線4幾乎無(wú)影響。

由圖10、圖12、圖14、圖16得出，填方施工在總沉降中的影響比例與線路和幫寬區(qū)域1之間的距離成反比。

由圖17～圖19得出，1-10、2-06、3-05測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律與其他測(cè)點(diǎn)基本一致，均呈現(xiàn)反S曲線，可見(jiàn)幫寬完成后，土體的沉降變形時(shí)程較長(zhǎng)，土體呈蠕變特性[18]。測(cè)線與幫寬區(qū)域1的距離越大，則反S曲線反彎點(diǎn)出現(xiàn)得越早。

4.2 線路橫斷面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析

既有高速鐵路路基橫斷面較寬，既有股道數(shù)量多，此監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)共有A-A～F-F6個(gè)截面(見(jiàn)圖7)。相關(guān)曲線見(jiàn)圖20。

由圖20可知，涵洞1頂部截面A-A和無(wú)涵洞接長(zhǎng)截面B-B、C-C監(jiān)測(cè)數(shù)值變化較小，路基幫寬施工對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)影響較小。在沉降數(shù)值上，有1-05>2-03>4-04，說(shuō)明涵洞頂A-A截面南側(cè)有微弱的下沉現(xiàn)象。從C-C、D-D、E-E、F-F四個(gè)截面中可以看出，在沉降數(shù)值上，有“0≈1-08<1-09>1-11>1-13≈0， 2-05<2-06>2-07>2-08”，說(shuō)明越靠近幫寬區(qū)域1和涵洞2，沉降影響越大。1-09測(cè)點(diǎn)沉降較1-11測(cè)點(diǎn)大，說(shuō)明堆土越高，沉降變形越大。

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出沉降區(qū)域、沉降速率、收斂時(shí)間、影響最大值的分布規(guī)律：測(cè)線1>測(cè)線2>測(cè)線3>測(cè)線4，沉降較明顯的測(cè)點(diǎn)與幫寬區(qū)域1、涵洞2具有明顯的相關(guān)性，測(cè)點(diǎn)3-05、2-06、2-07、1-09、1-10、1-11、1-12形成了一塊喇叭口形狀的沉降漏斗區(qū)域。以上現(xiàn)象說(shuō)明，涵洞2和邊坡幫寬區(qū)域1在變形影響因素中起主導(dǎo)作用。

5 沉降防治對(duì)策

5.1 主要防治手段

根據(jù)本工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，制定了動(dòng)態(tài)施工、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整為主的防治對(duì)策。根據(jù)沉降變形速率控制施工進(jìn)度，增加監(jiān)測(cè)頻次和軌面人工復(fù)核校準(zhǔn)的次數(shù)。

根據(jù)預(yù)警值和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)[2013]29號(hào))中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。

5.2 防治對(duì)策建議

(1)調(diào)查路基既有現(xiàn)狀，根據(jù)既有路基工作狀態(tài)，采取不同的設(shè)計(jì)、施工措施。

(2)對(duì)填土速度進(jìn)行控制。

(3)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(4)制定黃色和紅色預(yù)警措施，形成原始數(shù)據(jù)核備報(bào)告、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、預(yù)警報(bào)告、監(jiān)測(cè)成果報(bào)告5種報(bào)告形式。

(5)增加預(yù)警復(fù)測(cè)、動(dòng)檢和搗固作業(yè)等相關(guān)手段。

6 結(jié)論

(1)高邊坡路基幫寬施工對(duì)高鐵沉降變形影響較大。

(2)填土作業(yè)是沉降變形的主要影響因素；汛期，幫寬區(qū)域范圍內(nèi)既有路基沉降變形沒(méi)有明顯變化，該路基幫寬區(qū)域范圍內(nèi)，既有路基沉降變形最大值達(dá)到73.2 mm。

(3)幫寬工作對(duì)涵洞1附近地表區(qū)域沉降變形影響較小，對(duì)涵洞2附近地表區(qū)域沉降變形影響較大。

(4)幫寬區(qū)域越大，填土越深，距離幫寬區(qū)域越近，幫寬對(duì)既有路基的影響范圍和影響數(shù)值就越大，拖拽作用也越明顯。