川南城際高速鐵路路基變形監(jiān)測設計探討

司文明

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速鐵路是國家的關鍵基礎設施，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中有至關重要的地位和作用。高速鐵路運營列車速度高，行車時間間隔短，路基沉降、上拱等變形嚴重影響高速鐵路行車速度及行車安全。常規(guī)的路基變形監(jiān)測措施不能完全滿足高速鐵路運營階段安全監(jiān)控的需求[1-7]?；诖耍铣请H高速鐵路在設計階段，針對基工點情況，針對本區(qū)域特定的紅層泥巖弱膨脹性水文地質(zhì)條件，針對既有高速鐵路交叉影響的特點，著重考慮了路基自動變形監(jiān)測的系統(tǒng)性措施，用以確定路基穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢，及時做出災害預測預報，有效防控高速鐵路運營期間的安全風險。

川南城際鐵路內(nèi)江至瀘州段為時速250 km的有砟高速鐵路，自貢至宜賓段為時速350 km的無砟高速鐵路。線路全長約210 km，其中路基長度約占總長度的40%。路基所占比重較大，工點類型較多。川南地區(qū)以低山丘陵區(qū)、低山區(qū)等地貌單元為主，區(qū)域內(nèi)大面積分布侏羅系、白堊系軟質(zhì)紅層泥巖。軟質(zhì)紅層泥巖具有自身強度低、遇水易軟化、膨脹等特點，既有營運鐵路在軟質(zhì)紅層泥巖深挖方路塹地段發(fā)生過局部幾毫米至數(shù)十毫米的上拱變形問題[8-9]。

本文針對川南城際鐵路代表性的采空區(qū)路基、紅層泥巖深挖方路基、既有高速鐵路交叉影響段路基等特殊工點路基的變形監(jiān)測系統(tǒng)設計作詳細闡述。

1 采空區(qū)路基的變形監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 工程概況

川南城際鐵路橫穿螺觀山山脈及三疊系上統(tǒng)須家河組含煤地層，沿該山脈分布大小規(guī)模不等的煤礦采空區(qū)。其中DK 90+480～DK 90+720段路基區(qū)間最大填方為17.5 m，位于古佛煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)。古佛煤礦揭露為單一煤層，厚度約0.5 m，埋深約240 m。為小窯采空區(qū)，以人工巷道采掘為主。巷道寬度約為2 m，煤層采高為0.5 m，采厚比大于1∶250，屬于較安全開采深度，且采空區(qū)上覆巖層較完整。

1.2 采空區(qū)穩(wěn)定性判斷

采空區(qū)路基示意如圖1所示。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》，采空區(qū)頂板巖層保持自然平衡，臨界高度H0的計算如公式(1)所示：

(1)

式中:B——巷道寬度(m);

γ——巖層重度(kN/m3);

p0——基底附加壓力(kPa);

φ——巖層內(nèi)摩擦角(°)。

圖1 采空區(qū)路基示意圖

按照公式(1)計算得到臨界高度H0=13 m。

H=240 m >1.5×H0=19.5 m

(2)

根據(jù)公式(2)，按照《工程地質(zhì)手冊》的判斷標準，該采空區(qū)上部地基穩(wěn)定。

古佛煤礦關閉時間均較長，根據(jù)相關規(guī)范，煤礦的沉降變形已基本穩(wěn)定。地表調(diào)查亦未發(fā)現(xiàn)線路附近公路路面、房屋建筑等地表構筑物及坡地地表有下沉、開裂變形。故綜合判定此處采空區(qū)地基穩(wěn)定，高速鐵路線位方案可行。

1.3 監(jiān)測的必要性

在未處理的采空區(qū)范圍內(nèi)修建高速鐵路，在國內(nèi)高鐵建設歷史上實屬罕見。本段線位填方高度為17.5 m，從工程技術經(jīng)濟合理性方面考慮，應設置橋梁工程，但為確保高速鐵路更加安全可靠，經(jīng)各方慎重審查，科學決策，確定本段設置為路基工程。路基采用直接填方的形式，盡量不設置復雜的支擋加固措施。路基工程措施較為簡單，若后期發(fā)生沉降變形，相對橋梁結(jié)構，處理起來也較為簡單快捷，影響程度較小。

但路基工程要進行專項設計，且必須設置沉降變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌控可能發(fā)生的潛在沉降變形，在規(guī)劃設計階段確保高速鐵路百年工程的安全可靠。

路基工程的主要設計措施如下：

(1)路堤拉通鋪設高強土工格柵，路基底部設置2層高強土工布，以增強路堤的整體性并減少沉降的不均勻性。路堤邊坡坡率放緩一級，增加平臺寬度，增加路堤剛度和壓實度，減少沉降變形，增強路堤的安全性。

(2)采空區(qū)范圍內(nèi)設置自動沉降觀測系統(tǒng)，對沉降、水平位移進行自動監(jiān)測，建立施工及運營期間的沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)，進一步降低鐵路運營風險。

1.4 自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

采空區(qū)里程范圍DK 90+480～DK 90+720設置了地基沉降、路基表層變形、路基坡腳水平位移3項自動監(jiān)測系統(tǒng)。

自動監(jiān)測系統(tǒng)由自動監(jiān)測物位計、基準點安裝件、基準點保護箱、定位裝載箱、傳輸總線、工控設備箱組成。自動監(jiān)測物位計的精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm。設計選取的自動監(jiān)測系統(tǒng)相關硬件，具有國家制造計量器具許可證，相關軟件系統(tǒng)具有多個高速鐵路連續(xù)沉降變形自動監(jiān)測的應用業(yè)績。

在采空區(qū)影響范圍外側(cè)設置系統(tǒng)基準點，本段系統(tǒng)基準點設置里程為DK 90+430。在施工過程中通過CPⅠ和CPⅡ?qū)ο到y(tǒng)基準點進行變形數(shù)據(jù)修正，將觀測數(shù)據(jù)輸入軟件進行系統(tǒng)修正，修正頻次根據(jù)實際情況確定，一般為每月1次。

(1)地基沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)

DK 90+430設置系統(tǒng)基準點，向大里程每隔約40 m布設一個自動監(jiān)測斷面，合計設置8個斷面。監(jiān)測斷面于路堤基底中心、左右線路肩中心對應地基位置埋設自動監(jiān)測物位計，在路基坡腳外側(cè)埋設基準點物位計、定位裝載箱及工控設備箱。在監(jiān)測斷面基準點上設置基準點修正測點物位計，所有修正物位計與系統(tǒng)基準點相連接，通過系統(tǒng)基準點物位計和基準點修正物位計對各斷面進行測量與修正。

(2)路基表層變形自動監(jiān)測系統(tǒng)

DK 90+430設置系統(tǒng)基準點，向大里程每隔約20 m于路肩位置設置一個自動監(jiān)測斷面，合計約38個測點。

(3)坡腳水平位移自動監(jiān)測系統(tǒng)

DK 90+430設置系統(tǒng)基準點，向大里程每隔約40 m于路肩位置設置一個自動監(jiān)測斷面，合計8個斷面，水平位移監(jiān)測系統(tǒng)合計32套，水平位移計合計128個。每個監(jiān)測斷面布設4套水平位移自動監(jiān)測系統(tǒng)，分別位于路基斷面兩側(cè)坡腳外側(cè)2 m、10 m位置。監(jiān)測系統(tǒng)布設圖如圖2所示。

圖2 采空區(qū)路基自動監(jiān)測系統(tǒng)布設圖(m)

地基沉降、路基表層變形、坡腳水平位移的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，每24 h測量和采集傳輸一次。通過工控設備箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模組實時無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺，通過系統(tǒng)軟件實時發(fā)布，通過專用的監(jiān)測軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)庫，實時觀測本次沉降、累計沉降和沉降速率等數(shù)據(jù)。

2 紅層泥巖路基變形監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 工程概況

川南城際鐵路DK 69+600～DK 70+000段，長度400 m，為深挖方路塹，最大挖方高度約40 m。本工點屬丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大。地表上覆坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組泥巖夾砂巖，泥巖為紫紅色、紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構，鈣-泥質(zhì)膠結(jié)，具有巖質(zhì)較軟，易風化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

2.2 監(jiān)測的必要性

本段路基最大挖方高度約40 m，地層巖性、挖方高度十分類似于川南地區(qū)既有成渝高速鐵路內(nèi)江北站，其部分段落發(fā)生了無砟軌道的上拱病害，最大上拱變形10～14 mm。

結(jié)合既有運營鐵路的經(jīng)驗教訓，紅層泥巖地區(qū)無砟軌道高速鐵路一旦發(fā)生上拱變形，很難查找并分析出具體原因。且上拱變形監(jiān)測數(shù)據(jù)收斂的歷時較長，對高速鐵路運營帶來較大的風險隱患，而運營期間的病害整治代價很高。

本段紅層泥巖深挖方路塹需進行專項的變形自動監(jiān)測系統(tǒng)設計，在工程建設過程中，及時掌控可能發(fā)生的潛在上拱變形，才能及早提出相關解決措施，減少高速鐵路運營期間的病害整治。

2.3 自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

DK 69+600～DK 70+000段，每間隔50 m設置一個監(jiān)測斷面，表層測量元件分別布置于線路中心、兩側(cè)路肩邊緣內(nèi)1 m的位置，基準點設置在坡腳。為保證基準點的穩(wěn)定，基準點位置向下鉆孔，孔深為15 m，孔內(nèi)放置基準桿，基準桿底端錨固長度為2～3 m，孔壁與基準桿之間使用護套管進行隔離，護套管外壁與孔壁之間使用細砂填充，最后將基準點固定在基準桿上。在股道中心位置，分別在地基面、地基下2 m、地基下4 m、地基下6 m、地基下8 m、地基下13 m共6個位置分層監(jiān)測，布設位置為左右側(cè)線路中心的位置，左側(cè)線路中心位置按沿線路方向深度逐漸遞增的方式進行布設，右側(cè)軌道中心位置按沿線路方向逐漸遞減的方式布設。分層監(jiān)測鉆孔間距為1 m，孔鉆至指定深度后，在孔內(nèi)安放基準桿，基準桿錨固長度為30～50 cm，基準桿與孔壁之間采用護套管進行隔離，護套管外壁與孔壁之間使用細砂填充。監(jiān)測系統(tǒng)布設如圖3所示。

圖3 紅層泥巖自動監(jiān)測系統(tǒng)布設圖(m)

自動化監(jiān)測物位計精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測量和采集傳輸一次。自動監(jiān)測系統(tǒng)通過工控設備箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模組實時無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺，通過系統(tǒng)軟件實時發(fā)布，通過專用監(jiān)測軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)庫，實時觀測數(shù)據(jù)。

3 臨近既有線路基的自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 工程概況

川南城際鐵路在IDK 6+555～IDK 6+585段以路基形式下穿運營中的成渝高速鐵路。其平面和橫斷面位置關系如圖4、圖5所示。本工點地面橫坡平緩，地表上覆土層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層硬塑狀粉質(zhì)黏土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖，泥巖為紅褐色，巖質(zhì)較軟，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

交叉位置川南城際鐵路為淺填淺挖路基，路基采用樁板式U型槽結(jié)構，共2跨。U型槽側(cè)壁及底板厚均為1.0 m，采用C35鋼筋混凝土一次性連續(xù)立模澆筑。U型槽內(nèi)表層及底層填料均采用級配碎石摻7%水泥。全段基底設置C35鋼筋混凝土圓形挖孔樁，樁直徑1.2 m，共18根，樁長7.5～8.5 m，樁基采用非爆破人工+小型機械的方式進行施工。

3.2 監(jiān)測的必要性

交叉位置成渝高速鐵路為32 m簡支橋梁，川南城際鐵路U型槽結(jié)構距離既有成渝鐵路墩臺最近距離僅 0.33 m。U型槽施工及運營期間是否對正在運營的成渝高速鐵路產(chǎn)生不利影響，需要設置沉降變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，對臨近的橋梁墩臺進行全天候安全監(jiān)控。自動監(jiān)測系統(tǒng)可及時掌控橋墩變形情況，及早預警，是施工期間既有線運營行車安全保障的技術措施之一。

3.3 自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽工程施工期間，設置沉降變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，對緊鄰的成渝高速鐵路兩處墩臺進行實時自動變形監(jiān)測。自動監(jiān)測系統(tǒng)的基準點布設在兩測量橋墩外側(cè)的臨近橋墩，在監(jiān)測橋墩的四角布設物位計監(jiān)測點，物位計通過安裝件剛性連接在橋墩表面。

橋梁變形自動監(jiān)測物位計精度為0.2 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測量和采集傳輸一次。自動監(jiān)測數(shù)據(jù)實時無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺，通過系統(tǒng)軟件實時發(fā)布，通過專用的監(jiān)測軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)庫， 通過管理軟件實時發(fā)布數(shù)據(jù)、實時預警，以保障施工期間既有線運的行車安全。

圖4 IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽與既有橋墩平面布置圖(m)

圖5 IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽斷面圖(m)

4 結(jié)論

本文對川南城際鐵路代表性特殊工點路基的變形監(jiān)測系統(tǒng)設計進行研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)采空區(qū)路基的變形監(jiān)測設計包含了地基沉降、路基表層變形和路基坡腳水平位移自動監(jiān)測系統(tǒng)。對未處理采空區(qū)進行全方位的自動監(jiān)測，能提前預知建設及運營過程中可能出現(xiàn)的變形風險，并及時提出處理方案。

(2)對紅層泥巖無砟軌道深挖方路塹進行專項的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)設計，可在后續(xù)施工過程中，及時掌握可能發(fā)生的潛在上拱變形，及早解決上拱變形問題。

(3)U型槽路基自動監(jiān)測設計的重點是對緊鄰既有高速鐵路橋墩的變形自動監(jiān)測，及時掌控橋墩的變形情況，可為既有線正常運營提供技術保障。