鄭西客運專線路基沉降觀測設計及分析

許興旺（中鐵第一勘察設計院集團有限公司地質路基處，陜西 西安710043）

1 前言

高速鐵路工程目前在我國進入了建設高潮期，對于無砟軌道高速鐵路客運專線路基工程，沉降要求控制在15mm 內，這給路基工程沉降控制帶來較大的困難，有效控制路基工程的沉降成為了高速鐵路建設成敗的關鍵，關系著鐵路運營的安全與舒適性。路基工程除了需要采取有效的地基處理和填料加固處理措施外，尚需要對其沉降發展進行有效的監控才能準確確定無砟軌道的鋪設時間，并消除路基工程在通車運營過程中發生較大沉降的安全隱患。高速鐵路無砟軌道客運專線路基沉降觀測設計，目前是一個對大多數設計者比較陌生的領域，結合鄭西高鐵客運專線路基沉降觀測設計與沉降觀測分析的經驗，對黃土地區高速鐵路客運專線沉降控制進行研究和探索。

2 黃土地區高速鐵路路基沉降控制的特點

黃土的特點是土層一般為欠飽和土，遇水浸濕后在外力或自重應力作用下容易發生濕陷，造成突然坍塌，在施加荷載后土層通常能在較短的時間內完成固結沉降。

無砟軌道客運專線路基總沉降一般小于3cm，路基要求控制的工后沉降量目標值一般地段不大于15mm，路基與橋梁、隧道或橫向結構物交界處的工后沉降差不大于5mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1000。對于這種嚴密沉降的觀測，需要采用的儀器精確度較高，在沉降觀測的過程中往往由于儀器觀測精度原因使得沉降觀測數據失準。

3 黃土地區客運專線路基沉降觀測的設計

路基沉降變形控制是高速鐵路客運專線路基工程地基處理設計的核心問題，路基沉降包括地基沉降、填料沉降。填料沉降在施工靜置期內基本完成，地基沉降在開通運營后尚會繼續發展，路基沉降觀測設計的重點應為監控路基的地基沉降，黃土地區沉降控制一般應以豎向控制為主，水平位移較小可不作為沉降觀測的重點。

鄭西高速鐵路客運專線沉降觀測在設計時，沉降觀測斷面布設間距一般地段為50 ～100m，復雜地段根據需要加密，過渡段處沉降觀測應結合過渡段的類型進行加密（一般在過渡段起點、5m、20m 處分別布設沉降觀測斷面）。觀測的頻率在前期1 ～3 個月較大，3 ～6 個月以后的沉降觀測頻率可適當減少，在雨季或下雨時應加大路基沉降觀測的頻率。

3.1 路堤地段沉降觀測斷面的布設

根據黃土路堤沉降的特點，采用以下沉降觀測點布設方式：在線路中心線布設1 組組合式沉降板（每組包括觀測內容中要求深度上的不同部位），路基兩側路肩布設變形觀測樁。沉降板一般設置在路基基底，當采用堆載預壓處理措施時，宜在堆載預壓的底部（基床頂部）增加設置沉降板觀測路基的沉降，詳見圖1。

圖1 路堤地段沉降觀測標準橫斷面

3.2 路塹地段沉降觀測斷面的布設

路塹地段沉降量較小，路基沉降觀測的重點應為監控路基的濕陷沉降和豎向沉降，宜在線路中心設置組合式沉降板1 組或兩側路肩各設觀測樁1 個，詳見圖2。挖方較淺時建議在路基的中部布設沉降板；挖方較大時沉降量較小，僅在路肩布設觀測樁。

圖2 路塹地段沉降觀測標準橫斷面

3.3 過渡段沉降觀測斷面的布設

過渡段工 后沉降的分析評估應沿線路方向考慮各觀測斷面和各種結構物之間的關系綜合進行。對線路不同下部基礎結構物之間以及不同地基條件或不同地基處理方法之間形成的各種過渡段，應重點分析評估其差異沉降。

過渡段沉降觀測以路基面沉降和不均勻沉降觀測為主，在線路兩側設置地基和路肩觀測樁，在過渡段范圍內布置剖面沉降管，并在管口設置沉降觀測樁。

沉降觀測裝置的具體埋設位置應符合設計要求，且埋設穩定。觀測期間應對觀測裝置采取有效的保護措施。

于路肩兩側各設置一處觀測樁，觀測樁露出地表或基床，其埋設應牢固可靠。每個路涵過渡段路基設置6 個觀測斷面，分別設置于結構物與路基交界處，距離結構物5 ～10m 處，距離結構物10 ～20m 處。在路基基床底層的頂部，沿線路垂向布置剖面沉降管1 處，兩端管口處各布置沉降觀測樁1 處，剖面管布設示意圖詳見圖3、圖4。

圖3 路橋過渡段剖面管布置示意圖

圖4 路涵過渡段剖面管布置示意圖

4 鄭西客運專線沉降觀測曲線的分析

4.1 鄭西客運專線路基沉降觀測分析的情況

鄭西運專線路基填筑完成后，對路基工程進行了3 ～12 個月沉降觀測，通過沉降觀測結果的對比分析，雙曲線分析法比較適合黃土地區地基無砟軌道高速鐵路客運專線沉降觀測數據的分析，3 個月的沉降觀測值對雙曲線擬合性明顯好于其它的各種沉降曲線擬合方法的擬合性。

4.1.1 路堤地段

(1)路堤地段中心沉降板的情況

鄭西客運專線路堤地段采用了堆載預壓的處理措施，沉降觀測結果顯示堆載預壓可以顯著加速黃土地基沉降。路基填料影響的沉降基本穩定后，采取堆載預壓措施使得路基沉降速度明顯發生了變化，堆載影響路基沉降的變化一般在3 ～6 個月即可趨于平緩穩定，詳見圖5。圖中平緩曲線為擬合雙曲線。

圖5 路堤地段基底沉降板荷載-時間-沉降曲線

圖5荷載-時間-沉降曲線表明在填筑完成60 天后沉降基本穩定，當140 天處施加堆載預壓荷載后，沉降變化速率加快，3 個月后沉降再次趨于穩定，沉降可以在短期內完成，新的荷載增加后會產生新的沉降變形，且可以在較短的時間內完成沉降。

(2) 路堤地段路肩觀測樁的情況

路堤地段路肩觀測樁一般在路基基床底層成型后埋設，主要觀測路基填筑完成后的沉降情況，時間-沉降曲線詳見圖6。

圖6 路堤的路肩沉降觀測樁荷載-時間-沉降曲線

圖6 荷載-時間-沉降曲線表明路基觀測樁沉降曲線滿足雙曲線模型，沉降觀測樁觀測值小于中心沉降板觀測值，驗證了再次加載后沉降可在短時間內趨于穩定，宜多采取在中部設置觀測點的方案。

4.1.2 路塹地段

鄭西客運專線黃土路基觀測情況顯示，在消除地基濕陷性的挖方地段，重新填土后可以觀測到較小沉降值，沉降觀測的時間-沉降曲線符合雙曲線模型。根據這一結果，應對濕陷性黃土地區客運專線挖方段落采取沉降觀測措施。

（1）路塹地段中心沉降板

路塹地段中心沉降板的沉降曲線顯示，在填筑路塹基床（厚度1.8m）后，路基地基發生了沉降，詳見圖6。

圖7 路塹地段沉降板荷載-時間-沉降曲線

圖7 荷載-時間-沉降曲線表明路塹地段在施加荷載后有沉降發生，初期沉降變化較大，沉降在3 個月后趨于穩定，表明卸載后再加載的黃土復合地基又沉降的發生，且沉降觀測時間-沉降曲線符合雙曲線模型。

（2）路塹地段路肩觀測樁

路塹地段路肩觀測樁在填筑完成后埋設，時間-沉降曲線詳見圖8。

圖8 路塹地段觀測樁荷載-時間-沉降曲線

圖8 荷載-時間-沉降曲線表明埋設于路肩的觀測樁沉降量小于埋設于路基中部的沉降板，為便于沉降結果的分析建議多在路基中部設置沉降觀測點（沉降較大時便于曲線擬合）。由于沉降量較小，觀測誤差的原因實測曲線出現波動，但路塹地段荷載-時間-沉降曲線觀測滿足雙曲線模型。

4.1.3 過渡段沉降觀測

鄭西高速鐵路客運專線過渡段設計時采用了埋設剖面管進行觀測，但在實際操作的過程中，由于剖面管為帶狀結構，在觀測的過程中無法對各點進行全面的觀測，由于誤差的影響沉降觀測結果很難顯示設計時中部沉降大兩側沉降小的預期效果，在做沉降分析評估時僅對中部沉降最大的點位進行了有效的沉降分析。通過鄭西高速鐵路沉降觀測的情況，剖面管不太適宜應用在黃土地區高速鐵路無砟軌道的路基沉降觀測中，難以發揮應有的效果。

4.2 沉降觀測分析的方法

根據鄭西高速鐵路客運專線沉降分析的情況，預測最終剩余沉降采用雙曲線方法曲線擬合的效果較好，可以快速準確地從測量所得的時間-沉降曲線分析出剩余沉降，沉降分析時的雙曲線方程為

式中

St—時間t 時的沉降量；

Sf—最終沉降量（t =∞）；

S0—初期沉降量（t =0）；

a、b—將荷載不變以后的實測數據經過回歸求得的系數。

沉降分析可根據路基填筑完成或堆載預壓后不少于3 個月的實際觀測數據作回歸分析，確定沉降變形的趨勢，同時尚需滿足以下要求：

(1)曲線回歸的相關系數不應低于0.92 ；

(2) 基填筑完成或堆載預壓后，最終的沉降預測時間應滿足s(t)/s(t=∞)≥75%后方可進行沉降預測評估，其中s(t)為預測時的沉降觀測值，s(t=∞)為預測的最終沉降值；

(3) 降觀測的可靠性應經過驗證，間隔不少于3 個月的兩次預測沉降最終沉降的差值不應大于8mm。

滿足以上條件的可視為沉降發展趨于穩定，滿足沉降評估標準的要求。

根據鄭西客運專線陜西境內的路基沉降觀測情況，在短時間內曲線相關系數和沉降觀測時間比值（st/st=∞）不小于75%是控制沉降觀測周期的主要因數，3 個月的沉降差不大于8mm 一般不控制沉降觀測的周期。黃土路基沉降一般在3～6 個月的靜置期后沉降趨于穩定，剩余沉降較小，基本上可滿足路基剩余沉降的要求。

5 結論

（4）路塹地段也有少量沉降發生，應結合實際情況布設沉降觀測設施。

總之，在進行沉降觀測設計及分析時，應合理布置沉降觀測斷面及觀測點對路基沉降進行控制，以確保高速鐵路無砟軌道鋪設按期鋪設及高速列車后期運營安全。

通過對鄭西高速鐵路路基沉降觀測的設計和沉降分析，對黃土地區高速鐵路客運專線的沉降觀測控制有以下幾點體會：

（1）黃土地區沉降完成時間較快，對荷載的敏感度較高，一般靜置3 ～6 個月沉降即可趨于穩定，設計中如采取堆載預壓的處理措施，可以顯著加速沉降的發展，縮短路基沉降完成的周期。

（2）客運專線沉降控制總沉降量較小，時間-沉降曲線比較符合雙曲線模型，采取雙曲線（或修正雙曲線法）分析法進行沉降分析比較符合實際。

（3）在路基中心布設沉降板對沉降進行觀測，沉降觀測效果好于埋設于兩側路肩觀測樁的觀測效果，建議采用沉降控制宜采取中心控制為主、路肩控制為輔的原則，在高速鐵路沉降觀測設計中盡量少用剖面管進行沉降觀測。

[1]鐵道科學研究院主編.客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南（鐵建設[2006]158 號）.北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]鐵道第三勘察設計院主編.高速鐵路設計規范（試行）(TB10621-2009).

[3]龔曉南.復合地基設計和施工指南.北京：人民交通出版社，2003.

[4]劉偉，王連均.路橋過渡段路基填料及沉降控制研究.路基工程，2007，總130 期，67-68.

[5]劉宏，李攀峰，張倬元.九寨黃龍機場高填方地基工后沉降預測.巖土工程學報，第27 卷，90-93.

[6]宋緒國，劉遠峰，楊明雨等.利用沉降觀測資料推算未來沉降在秦沈客運專線中的應用.路基工程，總104 期，37-40.