客運(yùn)專線路基沉降變形控制技術(shù)探討

沈啟煒

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

為保證高速列車的行車安全、旅客舒適度和減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，客運(yùn)專線對(duì)路基工后沉降控制嚴(yán)格[1]。我國(guó)客運(yùn)專線路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

施工工程中的路基沉降變形控制亦相當(dāng)重要。本文對(duì)客運(yùn)專線路基施工過(guò)程中變形和沉降控制技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)客運(yùn)專線路基工程施工有一定的借鑒作用。

1 觀測(cè)斷面和觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

觀測(cè)斷面應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位、填方高度、地基條件、堆載預(yù)壓等具體情況來(lái)設(shè)置沉降變形觀測(cè)斷面。同時(shí)應(yīng)根據(jù)施工過(guò)程中掌握的地形、地質(zhì)變化情況調(diào)整或增設(shè)觀測(cè)斷面。

1.1 觀測(cè)斷面設(shè)置

沿線路方向的間距一般不大于50 m。對(duì)地勢(shì)平坦且地基條件均勻良好的路塹、填方高度<5 m且地基條件均勻良好的路堤，可放寬到100 m。對(duì)于地形、地質(zhì)條件變化大的地段應(yīng)適當(dāng)加密。路堤與不同結(jié)構(gòu)物的連接處，應(yīng)設(shè)置沉降觀測(cè)斷面。每個(gè)路橋過(guò)渡段在距離橋頭5 m、15 m、35 m處，分別設(shè)置一個(gè)沉降變形觀測(cè)斷面。每個(gè)橫向結(jié)構(gòu)物兩側(cè)，各設(shè)置一個(gè)檢測(cè)斷面。一個(gè)沉降觀測(cè)單元(連續(xù)路基沉降觀測(cè)區(qū)段為一單元)應(yīng)不少于2個(gè)觀測(cè)斷面。對(duì)地形橫向坡度大于1∶5或地層橫向厚度變化的地段，應(yīng)布設(shè)不少于1個(gè)橫向觀測(cè)斷面。

1.2 觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置(見(jiàn)圖1)

為利于測(cè)點(diǎn)看護(hù)，集中觀測(cè)，統(tǒng)一觀測(cè)頻率，各觀測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的綜合分析，各部位觀測(cè)點(diǎn)須設(shè)在同一橫斷面上;路堤地段采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型監(jiān)測(cè)斷面。Ⅱ型斷面僅在橋頭布置。一般路基地段，布置Ⅰ、Ⅱ型檢測(cè)斷面。一般情況下，每間隔3個(gè)Ⅰ型監(jiān)測(cè)斷面，設(shè)置一個(gè)Ⅲ型監(jiān)測(cè)斷面。路堤與橫向結(jié)構(gòu)物過(guò)渡段，于橫向結(jié)構(gòu)物頂部沿橫向結(jié)構(gòu)物的對(duì)角線方向鋪設(shè)剖面沉降管。橫向結(jié)構(gòu)物兩側(cè)外邊緣各2 m處，設(shè)置一個(gè)Ⅰ型觀測(cè)斷面，平面布置見(jiàn)Ⅳ型。路塹地段采用Ⅴ型監(jiān)測(cè)斷面。分別于路基中心，距兩側(cè)路肩1 m處，各設(shè)1根沉降監(jiān)測(cè)樁。路基中心設(shè)沉降板，底板置于基床底層頂面，觀測(cè)路基面的沉降。軟土、松軟土路堤地段，除設(shè)置沉降觀測(cè)設(shè)施外，還應(yīng)設(shè)置位移觀測(cè)樁。位移觀測(cè)樁設(shè)置于兩側(cè)坡腳外2 m、10 m處，并與沉降觀測(cè)樁、觀測(cè)板等位于同一斷面上。路基水準(zhǔn)路線觀測(cè)按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，形成附合水準(zhǔn)路線，布設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)位及水準(zhǔn)路線。

圖1 各種沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(單位:m)

2 觀測(cè)元件與埋設(shè)技術(shù)要求

2.1 沉降觀測(cè)樁(見(jiàn)圖2)

樁體選擇φ20 mm不銹鋼棒，頂部磨圓并刻畫十字線，底部焊接彎鉤，待基床表層級(jí)配碎石施工完成后，通過(guò)測(cè)量埋置在設(shè)計(jì)位置，埋置深度不小于0.3 m。樁周0.15 m用C20混凝土澆筑固定。完成埋設(shè)后，測(cè)量樁頂高程作為初始讀數(shù)。

2.2 沉降板(見(jiàn)圖3)

應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行埋設(shè)。一般情況下，它由底板、金屬測(cè)桿(φ40 mm鍍鋅鐵管)及保護(hù)套管(φ49 mm PVC管)組成。鋼筋混凝土底板尺寸為50 cm×50 cm，厚5 cm。

圖2 路基沉降觀測(cè)樁埋設(shè)布置(單位:mm)

圖3 路基沉降板埋設(shè)布置

沉降板埋設(shè)位置處可墊10 cm砂墊層找平，埋設(shè)時(shí)，確保底板的水平與垂直度，確保測(cè)桿與地面垂直。放好沉降板后，回填一定厚度的墊層，再套上保護(hù)套管。保護(hù)套管略低于沉降板測(cè)桿，上口加蓋，封住管口，并在其周圍填筑相應(yīng)填料，穩(wěn)定套管，完成沉降板的埋設(shè)工作。按二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量埋設(shè)就位的沉降板測(cè)桿，桿頂高程讀數(shù)作為初始讀數(shù)。隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測(cè)桿和保護(hù)套管，每次接長(zhǎng)高度以0.5 m為宜。接長(zhǎng)前后，測(cè)量桿頂高程變化量，確定接高量。金屬測(cè)桿用內(nèi)接頭連接。保護(hù)套管用PVC管外接頭連接。接長(zhǎng)套管時(shí)，應(yīng)確保垂直，避免機(jī)械施工等因素導(dǎo)致套管傾斜。

2.3 定點(diǎn)式剖面沉降測(cè)試壓力計(jì)

定點(diǎn)式剖面沉降測(cè)試壓力計(jì)底板采用沉降板底板。埋設(shè)位置應(yīng)按設(shè)計(jì)測(cè)量確定。埋設(shè)位置處可墊10 cm砂墊層找平。埋設(shè)時(shí)，確保底板水平，填土至0.6 m，高度碾壓密實(shí)后開(kāi)一小凹坑，將壓力計(jì)放入坑內(nèi)，用細(xì)粒土將坑填平后，繼續(xù)施工路基填土。埋設(shè)完成后，將壓力計(jì)監(jiān)測(cè)線沿水平方向甩到坡腳后，在坡腳處設(shè)C20素混凝土保護(hù)墩(0.50 m×0.50 m×0.95 m)。墩內(nèi)預(yù)埋剖面管管材，監(jiān)測(cè)線從管內(nèi)穿出。墩旁設(shè)監(jiān)測(cè)樁，監(jiān)測(cè)樁采用C20素混凝土灌注，斷面采用0.5 m×0.5 m×1.6 m，并在樁頂預(yù)埋半圓形不銹鋼耐磨測(cè)頭。監(jiān)測(cè)樁用鋼筋混凝土保護(hù)盒保護(hù)。待上部一層填料壓實(shí)穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)日，取穩(wěn)定讀數(shù)。

2.4 剖面沉降管

采用專用塑料硬管，其抗彎剛度應(yīng)適應(yīng)被測(cè)土體的豎向位移要求。導(dǎo)管內(nèi)十字導(dǎo)槽應(yīng)順直，管端接口密合。剖面沉降測(cè)量是將剖面沉降儀探頭預(yù)埋在剖面沉降管十字導(dǎo)槽內(nèi)，從一端按一定間距依次讀數(shù)(見(jiàn)圖4)。

圖4 路基剖面沉降管埋設(shè)布置

路基基底剖面沉降管在地基加固及墊層施工完畢后，填土至0.6 m，高度碾壓密實(shí)后開(kāi)槽埋設(shè)。開(kāi)槽寬度20～30 cm。開(kāi)槽深度至地基加固墊層頂面。槽底回填0.2 m厚的中粗砂。在槽內(nèi)敷設(shè)沉降管(沉降管內(nèi)穿入用于拉動(dòng)測(cè)頭的鍍鋅鋼絲繩)，其上夯填中粗砂至與碾壓面平齊。Ⅳ型斷面中，剖面管在涵頂填土厚0.6 m處開(kāi)槽埋設(shè)，原則同基底剖面管埋設(shè)方法。沉降管埋設(shè)位置擋土墻處應(yīng)預(yù)留孔洞。沉降管敷設(shè)完成后，在兩頭設(shè)置0.50 m×0.50 m×0.95 m C20素混凝土保護(hù)墩，并于一側(cè)管口處設(shè)置監(jiān)測(cè)樁。監(jiān)測(cè)樁采用C20素混凝土灌注，斷面采用0.5 m×0.5 m×1.6 m，并在樁頂預(yù)埋半圓形不銹鋼耐磨測(cè)頭。監(jiān)測(cè)樁用鋼筋混凝土保護(hù)盒保護(hù)。待上部一層填料壓實(shí)穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)日，取穩(wěn)定讀數(shù)作為初始讀數(shù)。

采用橫剖儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行橫剖面沉降觀測(cè)。每次觀測(cè)時(shí)，首先用水準(zhǔn)儀測(cè)出橫剖面管一側(cè)的觀測(cè)樁頂高程，再把橫剖儀放置于觀測(cè)樁頂測(cè)量初值，然后用橫剖儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)。區(qū)間每2.0 m測(cè)量一點(diǎn)。車站內(nèi)測(cè)點(diǎn)間距可為3.0 m。

2.5 位移邊樁

采用C15鋼筋混凝土預(yù)制，斷面為15 cm×15 cm正方形，長(zhǎng)度不小于1.5 m。在樁頂預(yù)埋 φ20 mm鋼筋，頂部磨圓并刻畫十字線。

邊樁埋置深度在地表以下不小于1.0 m，樁頂露出地面不應(yīng)大于10 cm。埋置方法采用洛陽(yáng)鏟或開(kāi)挖埋設(shè)。樁周以C15混凝土澆筑固定，確保邊樁埋置穩(wěn)定。完成埋設(shè)后，采用全站儀測(cè)量邊樁高程及距基樁的距離，作為初始讀數(shù)。

2.6 單點(diǎn)沉降計(jì)

單點(diǎn)沉降計(jì)是一種埋入式電感調(diào)頻類智能型位移傳感器，由電測(cè)位移傳感器、測(cè)桿、錨頭、錨板及金屬軟管和塑料波紋管等組成。采用鉆孔引孔埋設(shè)，鉆孔孔徑φ108 mm或φ127 mm，鉆孔垂直，孔深應(yīng)達(dá)到硬質(zhì)穩(wěn)定層(最好為基巖)，并與沉降儀總長(zhǎng)一致?？卓趹?yīng)平整密實(shí)。安裝前，先在孔底灌漿，以便固定底端錨板。安裝時(shí)，錨桿朝下，法蘭沉降板朝上，要注意用拉繩保護(hù)，以防止元件自行掉落，采用合適方法將底端錨板壓至設(shè)計(jì)深度。每個(gè)測(cè)試斷面埋設(shè)完成后，位移計(jì)引出導(dǎo)線，用鋼絲波紋管進(jìn)行保護(hù)，并挖槽集中從一側(cè)引出路基，引入坡腳觀測(cè)箱內(nèi)。一般在埋設(shè)完成后3～5 d，待縮孔完成后，測(cè)試零點(diǎn)。觀測(cè)路塹換填基底沉降或隆起變形埋設(shè)在換填基底面，表面應(yīng)平整密實(shí)。觀測(cè)路基本體變形，按設(shè)計(jì)斷面圖埋設(shè)。

3 觀測(cè)技術(shù)要求

路堤地段，從路基填土開(kāi)始進(jìn)行沉降觀測(cè)。路塹地段，從級(jí)配碎石頂面施工完成開(kāi)始觀測(cè)。路基填筑完成或施加預(yù)壓荷載后，應(yīng)有不少于6個(gè)月的觀測(cè)期。觀測(cè)數(shù)據(jù)不足以評(píng)估或工后沉降評(píng)估不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間或采取必要的加速或控制沉降的措施。沉降觀測(cè)設(shè)備的埋設(shè)是在施工過(guò)程中進(jìn)行的，施工單位的填筑施工要與設(shè)備的埋設(shè)協(xié)調(diào)，做到互不干擾、影響。觀測(cè)設(shè)施的埋設(shè)及沉降觀測(cè)工作應(yīng)按要求進(jìn)行，不能影響路基填筑質(zhì)量。路基施工不能影響到觀測(cè)設(shè)備。路基填筑過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)整理路堤中心沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降與邊樁的位移量。當(dāng)中心地基處沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降量>10 mm/d或邊樁水平位移>5 mm/d、豎向位移>10 mm/d時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知項(xiàng)目部，并要求停止填筑施工，待沉降穩(wěn)定后再恢復(fù)填土，必要時(shí)采用卸載措施。觀測(cè)精度要求:路基沉降觀測(cè)水準(zhǔn)測(cè)量的精度為±1.0 mm，讀數(shù)取位至0.1 mm;剖面沉降觀測(cè)的精度應(yīng)不低于8 mm/30 m;位移觀測(cè)測(cè)距誤差±3 mm;方向觀測(cè)水平角誤差為 ±2.5″。觀測(cè)頻次依照路基沉降觀測(cè)的頻次規(guī)范規(guī)定。

實(shí)際工作進(jìn)行時(shí)，觀測(cè)時(shí)間的間隔還要看地基的沉降值和沉降速率。當(dāng)兩次連續(xù)觀測(cè)的沉降差值>4 mm時(shí)，應(yīng)加密觀測(cè)頻次;當(dāng)出現(xiàn)沉降突變、地下水變化及降雨等外部環(huán)境變化時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)頻次。觀測(cè)應(yīng)持續(xù)到工程驗(yàn)收，交由運(yùn)營(yíng)管理部門繼續(xù)觀測(cè)。

4 效果及評(píng)估結(jié)果

以DK956+381.51—DK959+906.27段路基區(qū)段為例，采用上述方法觀測(cè)后進(jìn)行沉降評(píng)估分析如下。

4.1 統(tǒng)計(jì)分析

1)運(yùn)梁車通過(guò)后，路基(包括涵洞、過(guò)渡段)沉降波動(dòng)幅度統(tǒng)計(jì)分析如下:根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，沉降板沉降波動(dòng)范圍為0.27～2.76 mm，涵洞觀測(cè)標(biāo)波動(dòng)范圍為0.28～3.42 mm。

2)運(yùn)梁車通過(guò)后，路基(包括涵洞、過(guò)渡段)沉降增量統(tǒng)計(jì)分析如下:沉降板沉降增量為－0.82～3.19 mm，涵洞觀測(cè)標(biāo)沉降增量為－0.07～3.03 mm。

3)最后四期沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析:統(tǒng)計(jì)顯示該區(qū)段所有測(cè)點(diǎn)最后四期(且觀測(cè)時(shí)間不少于1個(gè)月)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)未見(jiàn)持續(xù)下沉的情況，滿足路基評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，該路基區(qū)段96個(gè)測(cè)點(diǎn)滿足路基評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)2，直接判斷其處于穩(wěn)定階段，占89.72%，代表性曲線(見(jiàn)圖5)，不滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的共計(jì) 11個(gè)測(cè)點(diǎn)，占10.28%，對(duì)其進(jìn)行曲線回歸預(yù)測(cè)。

圖5 沉降曲線

4.2 工后沉降回歸預(yù)測(cè)

針對(duì)不滿足穩(wěn)定評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的，采用了遺傳算法雙曲線、GM(1，1)法及Asaoka法。路基選擇運(yùn)梁車通過(guò)后的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，見(jiàn)圖6。

圖6 沉降預(yù)測(cè)曲線

1)采用三種預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)得到的最小相關(guān)系數(shù)為0.92，滿足《評(píng)估技術(shù)指南》要求;

2)三種方法預(yù)測(cè)得到的工后沉降均為0，均滿足《評(píng)估技術(shù)指南》<15 mm的要求;

3)當(dāng)前沉降量與預(yù)測(cè)最終沉降量比值最小為84.84%，滿足《評(píng)估技術(shù)指南》不小于75%的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在石武客運(yùn)專線建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)精心管理與實(shí)施，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則和規(guī)范執(zhí)行路基各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)，施工中確保路基沉降與變形控制符合要求，為路基工后沉降控制準(zhǔn)備了良好的客觀條件。在2010年3月由建設(shè)單位組織的評(píng)估中，路基沉降評(píng)估順利通過(guò)，為無(wú)砟軌道鋪設(shè)創(chuàng)造了條件，也確保了高速列車的運(yùn)行安全和旅客舒適度，減小了將來(lái)養(yǎng)護(hù)維修的工作量。文中的路基沉降和變形控制措施尚需在以后的工程建設(shè)過(guò)程中不斷完善與改進(jìn)，期待同行補(bǔ)充與發(fā)展。

[1] 韓志霞，崔俊杰.客運(yùn)專線鐵路路基沉降控制的若干問(wèn)題［J］.鐵道工程學(xué)報(bào).2009(2):25-26.

[2] 中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司.石武客運(yùn)專線土建工程八標(biāo)線下工程沉降變形評(píng)估報(bào)告［R］.成都:中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司，2010.