論鐵路客運專線沉降變形評估標準與合理控制

湯曉光,陳善雄,許錫昌,秦尚林

(1.武廣鐵路客運專線有限責任公司,武漢 430060;2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071)

1 概述

高速鐵路作為當代鐵路科學技術的一項重大成就,給鐵路運輸注入了新的活力,代表著鐵路運輸的發展方向。隨著《中長期鐵路網規劃》的實施,我國鐵路將進入加快發展的黃金時期。

鐵路客運專線的生命力體現在其高速度、高密度、高舒適性和高安全性方面,而要實現快速、舒適和安全,則需要平順且穩定的線路,這就要求嚴格控制線下結構的沉降變形。由于設計計算還無法準確預估沉降變形和有效地控制軌道的工后沉降和變形。因此,在鋪設無砟軌道前,應對線下構筑物變形作系統的評估[1～3]。

鐵路客運專線沉降變形觀測與評估的目的主要有如下四方面:(1)對路基、橋涵、隧道、過渡段等地段在鋪軌前的沉降變形觀測數據進行分析,推算出最終的沉降量和工后沉降,合理確定無砟軌道開始鋪設時間。這是鐵路客運專線沉降變形觀測與評估的根本目的。(2)為施工提供及時的反饋信息,驗證和調整設計參數與措施。建立線下構筑物變形監測網,對線下構筑物進行變形觀測,以及對沉降觀測數據進行系統的綜合分析與評估,來驗證和調整設計參數與措施,使路基、橋涵、隧道等線下工程達到規定的變形控制要求。(3)發展沉降變形預測方法。依托實際工程,根據現場的觀測數據,探討適用于鐵路客運專線沉降變形的預測方法,解決鐵路客運專線線下工程沉降的合理預測問題,可推動沉降分析預測方法的進步。(4)積累經驗,以提高工程的設計和施工水平。每一個具體工程的施筑,在某種意義上說,都是一次 1∶1的實體試驗,所取得的數據是結構在各種復雜因素影響和作用下的綜合體現。開展現場觀測和分析,對于認識和把握客觀事物的發展規律具有重要意義。

為規范鐵路客運專線沉降變形觀測分析評估工作,確保沉降變形觀測分析評估的順利進行,鐵道部組織相關專家編寫了《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》(下稱《指南》)。武廣、京津、鄭西等鐵路客運專線均依據該《指南》,全面開展了線下工程沉降變形觀測與評估,《指南》為這些線路無砟軌道的順利鋪設提供了技術支持與保障,發揮了重要作用。

但無砟軌道沉降變形觀測評估畢竟是近幾年才開展的工作,《指南》中也有一些不盡合理之處,需在工程實踐中不斷探索,加以完善。

2 沉降變形評估指標分類及其控制標準

《指南》的基本思路是:對路基、橋涵、隧道、過渡段等地段在無砟軌道鋪設前的沉降變形觀測數據進行分析,推斷基礎工程是否滿足鋪設無砟軌道條件。其具體做法是對實測沉降變形數據進行回歸分析,然后外推工后沉降,最后通過比較工后沉降與控制標準,來判定是否滿足鋪設無砟軌道條件。然而利用短期的觀測數據回歸外推長期的發展趨勢是存在相當風險的,為保證沉降變形預測的可靠性,除工后沉降外,《指南》規定了 9項評估指標,包括穩定性、相關系數、觀測期、可靠性、S(t)/S(∞)、設計總沉降量和預測總沉降量的吻合性、觀測頻次、最終沉降量、觀測數據的一致性,詳見表1。

表1 沉降評估控制指標

各個指標所反映與表征的沉降變形變化規律是不同的,各自反映了沉降變形的一個側面,對工程安全的影響程度也有很大差異,在沉降變形評估中按統一的尺度把握顯然是不合適的,應按照各個指標對工程安全的影響程度。根據《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》,將評估技術要求提煉成 10項評估指標,結合武廣鐵路客運專線的評估經驗,可以按照各個指標對工程安全的影響程度,進一步將該 10項評估指標細分 3個等級,即核心指標、基本指標和一般指標(表1),以區別對待。

沉降變形觀測與評估的根本目的是控制工后沉降,因此,工后沉降理所當然是沉降變形評估第一核心指標,應嚴格滿足,如不滿足要求,決不能通過評估。

正常情況下,路基填筑完成后一段時間內,部分尚未完成的固結繼續發展,以及由于顆粒之間的調整引起蠕變變形,沉降將隨著時間的推移而緩慢發展,但沉降速率遞減,并逐漸向零速率趨近[4]。后期沉降是否趨于穩定是反映路基沉降特征的重要指標,應嚴格滿足,如不滿足要求,決不能通過評估。在實際評估中也曾發現過,在一定的沉降觀測期內,沉降速率較低,但近似常數的情況。對于此種情況需進一步延長觀測,以觀察其穩定性是否滿足要求。

相關系數 R是直線相關條件下說明兩個現象之間相關關系密切程度的統計分析指標,是判斷曲線回歸方程有效性的一個重要參數,R越大,所求的曲線回歸方程越有效,只有當 R足夠大時采用曲線回歸方程外推最終沉降變形才是可靠的。因此,應將相關系數R列為沉降變形評估的核心指標,應嚴格滿足。

當路基填筑完成,荷載不再增加時,部分尚未完成的固結或因土體的流變導致路基的沉降隨時間的延長而繼續,但沉降速率遞減,一段時間后,從曲線上明顯看到沉降速率快速減小,并趨于穩定。足夠的觀測期是路基完成其剩余沉降所必需條件,也是取得足夠的觀測數據以利于沉降預測的必要條件,但它可以不像核心指標嚴格,只要觀測期長到足以準確判斷其穩定性和進行可靠的回歸預測,就可以了。因此,宜將觀測期列為沉降變形評估的基本指標,應滿足。

間隔不少于 3個月的兩次預測最終沉降的差值直接反映了兩次預測的一致性,當兩次預測的差值小于一定值時,可認為沉降預測是可靠的。因此,宜將可靠性列為沉降變形評估的基本指標,應滿足。

S(t)/S(∞)說明觀測期內沉降的完成量,其值越大,說明已發生的沉降比例越大,后續沉降比例越小,對于軌道運行越有利。該指標提出了觀測時間的基本要求,宜列為沉降變形評估的基本指標,應滿足。

觀測頻次的確定應以能系統反映觀測項目的重要變化過程,而又不遺漏其變化時刻為原則。只有以足夠高的觀測頻次進行觀測,才能取得系統可靠的觀測數據,但過高的觀測頻次并不能增加有效信息,因此,觀測頻次達到一定的值即可,可將其列為一般指標予以要求。

最終沉降量主要用于考察 S(t)/S(∞)和地基處理的有效性,觀測數據的一致性主要用于考察不同觀測手段所反映的路基沉降變化趨勢的一致性,它們只是從某一側面間接反映沉降變形的發展規律,因此,可將二者列為一般指標予以要求。

設計中對土質路基、橋梁墩臺基礎等均進行了沉降變形計算,對比設計總沉降量和預測總沉降量可驗證和調整設計參數與措施,使路基、橋涵、隧道等線下工程達到規定的變形控制要求。《指南》要求設計預測總沉降量與通過實測資料預測的總沉降量之差不宜大于 10mm。但實際評估分析過程中,兩者的差異較大,其原因在于:一方面,設計單位在設計計算時,為了工程安全,其相關地質條件、荷載狀況等計算參數取保守值,且在最不利工況下計算地基總沉降量,留有充足的安全儲備,這樣給出的設計總沉降量偏大;另一方面,在實際施工過程中,同樣出于工程安全,地基加固及填筑質量盡可能地按高標準予以實施,造成實測沉降量要小于預期值。因此,《指南》提出的“設計預測總沉降量與通過實測資料預測的總沉降量之差不宜大于 10mm”這一標準實際可操作性差,可作為一般比對指標。

鑒于各指標對評估影響不同,在實際評估中應區別對待,對于核心指標,要求嚴格滿足,任何一個指標不滿足要求,不能通過評估;對于基本指標,要求整體滿足,個別指標超限不大時,可以基本通過評估,同時提出完善意見;對于一般指標,要求基本滿足。

3 觀測期合理控制

3.1 路基沉降觀測期的合理控制

文獻[5]結合武廣鐵路客運專線大量高速路基沉降實測數據,對路基沉降變形的穩定時間進行系統的分類和研究。根據沉降變形的發展趨勢,可將沉降 -時間曲線可分為 3種類型,相應的觀測期控制方式如下。

(1)第Ⅰ類曲線

主要特征為,路基填筑期間,沉降變形明顯增長,填筑完成后,沉降速率逐步減小,沉降變形在 6個月內已基本趨于穩定。沉降過程表現為較平滑、規律的收斂曲線。

對于第Ⅰ類情況,建議對嚴重影響整體施工進度的特殊工點,在沉降變形趨勢已基本穩定的條件下,路基沉降觀測期可放寬至 4個月以上,容許其提前進行沉降評估,并在后續施工階段中繼續加強觀測。

(2)第Ⅱ類曲線

主要特征為,路基填筑完成,沉降逐步趨于穩定的過程中,沉降變形出現突然增長,沉降速率明顯變大,爾后又逐步趨于穩定。沉降過程表現為具有明顯拐點、呈臺階狀發展的收斂曲線。

對于第Ⅱ類情況,采用拐點后較短時間(不大于 2月)的數據進行分析預測,其分析預測結果是不真實的。為了準確地進行分析預測,需要在沉降突變后繼續觀測不少于 2～3個月,待沉降趨勢基本穩定后,才能進行有效的評估。

(3)第Ⅲ類曲線

主要特征為,路基填筑期間,沉降變形開始增長,填筑完成后,沉降變形繼續發展,沉降速率未明顯減小,在填筑完成 6個月后未見穩定趨勢。

這種類型的觀測斷面應引起觀測單位和建設單位的重視,應延長觀測期并加強后期觀測,以判斷其沉降變化趨勢,必要時采取工程處理措施以滿足鋪軌的要求。

3.2 橋梁墩臺沉降沉降觀測期的合理控制

客運專線橋梁墩臺的沉降變形實測數據表明,墩臺基礎沉降變形特征表現為:

(1)架梁期間:墩臺沉降變形過程曲線出現明顯的拐點,沉降速率出現突變;

(2)架梁后 1個月內:沉降變形很快趨于穩定,由架梁荷載引起的沉降增量較小(一般 ＜3mm);

(3)架梁后 2個月以上:沉降變形已基本穩定;

(4)大部分橋梁路段,嵌巖樁墩臺和摩擦樁墩臺的沉降變形趨勢基本一致,均符合上述變化規律,且實際觀測的沉降變形量無明顯的差異。

鑒于以上分析成果,建議對影響整體施工進度的橋梁工點,沉降變形觀測期采用以下控制標準:

(1)嵌巖樁墩臺在架梁后 1個月內的沉降增量小于 3mm,后期沉降趨于穩定,可直接通過評估;

(2)地質條件類似,且摩擦樁墩臺與嵌巖樁墩臺沉降變形趨勢、沉降量無明顯差異的區段內:摩擦樁墩臺沉降觀測期可放寬至 2～3個月,類比嵌巖樁容許其提前進行沉降評估,并在后續施工階段中繼續加強觀測。

4 曲線回歸相關系數的控制標準

《指南》要求根據實際觀測數據作多種曲線的回歸分析,曲線回歸的相關系數不應低于 0.92。由于客運專線實測沉降變形量一般較小(如武廣鐵路客運專線 80%以上的路基涵洞基礎沉降量小于 10mm,90%以上的橋梁墩臺、隧道沉降量小于 5mm),相對于較小的沉降增量而言,測量系統誤差易造成觀測數據出現較大的波動,尤其是主體施工完成后(路面觀測樁數據和墩臺基礎沉降數據)的沉降增量與測量系統誤差處于同一量級上,數據相對波動較大造成曲線回歸相關系數不易達到 0.92。但從整體變形趨勢來看,其沉降已基本趨于穩定,其他評估指標均能滿足《指南》的要求,整體上可以判定其沉降變形滿足無砟軌道鋪設條件。

因此,在觀測總沉降量較小的情況下,測量系統誤差對曲線回歸的相關系數的影響較大。鑒于以上情況,建議對觀測總沉降量 ＜10(5)mm的工點,在可以確定后期沉降變形趨勢的情況下,曲線回歸相關系數的最低標準可以由 0.92放寬至 0.85。

相關系數是直線相關條件下說明兩個現象之間相關關系密切程度的統計分析指標。在數學上,判斷兩變量線性相關密切程度的具體標準為:0≤R＜0.3,稱為微弱相關;0.3≤R＜0.5,稱為低度相關;0.5≤R＜0.8,稱為顯著相關;0.8≤R＜1稱為高度相關。可以認為,曲線回歸相關系數的標準放寬至 0.85并不會明顯降低預測的可靠性,因為,當 R≥0.85時,回歸曲線與實測值是高度相關的,由此進行的預測將是可靠的。

5 沉降量 ＜1mm觀測斷面的評估

從武廣鐵路客運專線的觀測資料來看,在滿足沉降變形觀測期要求的前提下,橋梁墩臺、隧道等部分剛性結構物的實測沉降量小于 1mm的斷面占有一定的比重。由于沉降水準的測量精度為 ±1mm,沉降實測值與水準觀測誤差接近,系統誤差成為觀測誤差的主要來源。

建議對于沉降變形觀測期滿足《評估技術指南》的要求,實測沉降量小于 1mm的觀測斷面,在整體變形趨勢穩定的條件下,可以不進行計算分析,判定其滿足評估要求。在分析相鄰過渡段時,從偏于安全的角度,工后沉降取 0,計算過渡段差異沉降和折角,分析其是否滿足評估要求。

6 結 論

沉降變形分析評估是我國鐵路客運專線建設中一個特有的技術環節,缺乏可資借鑒的經驗,探討沉降變形評估標準與合理控制具有重要意義。

針對沉降變形評估指標分類及其控制標準、觀測期合理控制、曲線回歸相關系數的控制標準和沉降量＜1mm觀測斷面的評估等進行了深入討論。

鐵路客運專線沉降變形評估指標主要有:工后沉降、穩定性、相關系數、觀測期、可靠性、S(t)/S(∞)、設計總沉降量和預測總沉降量的吻合性、觀測頻次、最終沉降量、觀測數據一致性等 10項指標,并將 10個評估指標細分為核心指標、基本指標和一般指標等 3個等級,對于核心指標,要求嚴格滿足,任何一個指標不滿足要求,不能通過評估;對于基本指標,要求整體滿足,個別指標超限不大時,可以基本通過評估,同時提出完善意見;對于一般指標,要求基本滿足。

根據沉降變形的發展趨勢,將沉降 -時間曲線可分為 3種類型,并提出了相應的觀測期控制標準。

建議曲線回歸相關系數的最低標準可以由 0.92放寬至 0.85。

建議對于沉降變形觀測期滿足《評估技術指南》的要求,實測沉降量小于 1mm的觀測斷面,在整體變形趨勢穩定的條件下,直接判定其滿足評估要求。

[1] 鐵建設[2006]158號,客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].

[2] 吳明友.客運專線無砟軌道鐵路工程測量和鋪設條件評估關鍵技術[J].中國鐵路,2006(10):28-32.

[3] 尤昌龍.無砟軌道工后沉降變形觀測、評估的集成理念[J].鐵道科學與工程學報,2007,102(3):25- 28.

[4] 陳善雄,王小剛,姜領發.鐵路客運專線路基面沉降特征與工程意義[J].巖土力學,2010,31(3).