軟基高鐵TQI與路基沉降對比研究

路良愷，徐林榮

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

?

軟基高鐵TQI與路基沉降對比研究

路良愷，徐林榮

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要：TQI超限可反映軌道幾何形態(tài)差異過大，由此可說明線路平順性不足，高鐵運營安全及舒適性面臨威脅。現(xiàn)有研究未闡明軟土路基沉降與TQI超限是否存在對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致無論采用控制TQI或沉降指導(dǎo)軟基高鐵養(yǎng)護維修，均存在模式難以統(tǒng)一的問題。為探究此問題，科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護管理，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對滬寧城際高速鐵路運營期間TQI與路基沉降數(shù)據(jù)進行對比研究。研究結(jié)果表明，路基沉降與TQI超限關(guān)聯(lián)性較高，多數(shù)路基沉降超限區(qū)段被包含于動檢TQI超限區(qū)段中；在TQI各類單項指標中，高低、三角坑及水平指標與路基沉降間相關(guān)性較為顯著，并分別與之呈現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系。經(jīng)分析，建議工務(wù)部門在以TQI作為軟基高鐵養(yǎng)護維修主要參考標準的同時，強化單項指標的分析并對高低、水平、三角坑單項指標較大或超限的路基區(qū)段進行沉降觀測，確定沉降量是否過大，以便結(jié)合兩者最不利情況，合理制定維修計劃。

關(guān)鍵詞：軟基；高速鐵路；TQI；路基沉降

當前，隨著我國高速鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，我國高速度、高密度的高鐵運輸組織方式與線路養(yǎng)護維修的矛盾日益突出。軌道作為直接與車輪接觸的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其平順狀態(tài)會顯著影響列車振動及輪軌作用力，對行車安全性與舒適性十分重要[1]。目前，我國通常采用軌檢車對高速鐵路軌道平順狀態(tài)進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對線路進行維護調(diào)整[2-4]。TQI(Track Quality Index)作為動態(tài)檢測中評定軌道平順狀態(tài)的主要指標，能夠反映檢測區(qū)段軌道狀態(tài)的改善和惡化程度，幫助工務(wù)部門了解線路平順狀態(tài)的變化情況，因此通常被作為線路宏觀管理和質(zhì)量控制的依據(jù)，指導(dǎo)養(yǎng)護維修作業(yè)[5-8]。近年來隨著TQI預(yù)測研究的深入，已能通過數(shù)學(xué)模型有效預(yù)計軌道不平順的發(fā)展與變化趨勢，為制定養(yǎng)護維修周期，合理安排機械作業(yè)提供了相關(guān)依據(jù)[9-11]。對于軟土地區(qū)的高速鐵路，路基易由于地基變形而產(chǎn)生較大的沉降[12]。因此，在軟土地基高速鐵路的養(yǎng)護維修工作中，工務(wù)部門需要采用TQI控制與路基沉降控制并舉的檢修模式。然而現(xiàn)有研究并未闡釋TQI與沉降間的關(guān)系，致使制定檢測維修計劃時需要分別從控制TQI與控制沉降的角度進行考量，未能將二者有效統(tǒng)一。以滬寧城際高速鐵路為例，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)TQI與路基沉降均存在超限問題，倘僅采用動檢手段并根據(jù)TQI情況劃定養(yǎng)護維修的區(qū)段，則路基沉降問題難以得到足夠的考量，反之亦然；而若同時對全線進行動態(tài)檢測與沉降觀測并分別根據(jù)二者信息進行維修，則勢必又會造成工作內(nèi)容多、作業(yè)強度大的問題。為此，本文將以滬寧城際高速鐵路軌檢車動態(tài)檢測數(shù)據(jù)以及沉降觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過數(shù)據(jù)間的對比研究，探究TQI與路基沉降之間是否存在相關(guān)對應(yīng)關(guān)系，為鐵路部門日常養(yǎng)護維修提供相關(guān)參考。

1滬寧高鐵運營期線路檢測概況

1.1軌道平順狀態(tài)動態(tài)檢測

滬寧城際高速鐵路主要采用綜合監(jiān)測列車對線路平順狀態(tài)進行檢測，并采用TQI(Track Quality Index)對200 m單元區(qū)段內(nèi)高低(左右股)、軌向(左右股)、水平、軌距、三角坑共5類軌道不平順進行整體評定，平均每個月對全線或局部線路檢測1～2次。根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中的軌道不平順均值管理規(guī)定[13]，滬寧城際高速鐵路TQI限值為5 mm，具體參數(shù)如表1所示。

表1　250～350 km/h線路TQI管理值

1.2路基沉降監(jiān)測

滬寧城際高速鐵路主要采用精密水準測量的方式對全線路基軌道維護基點沉降情況進行監(jiān)測，其中路基部分共設(shè)置監(jiān)測斷面1 894處。監(jiān)測過程中水準測量采用矩形環(huán)單程水準網(wǎng)并按二等精度及技術(shù)要求觀測，水準路線布設(shè)形式如圖1所示。測量基準高程采用1985年國家基準高程。管理標準參照《高速鐵路設(shè)計規(guī)范 TB 10621—2009》執(zhí)行[14]，以15 mm作為沉降限值。

圖1　水準路線布設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of level line

2路基沉降與TQI超限統(tǒng)計

現(xiàn)根據(jù)滬寧高速鐵路運營期間軌檢車檢測與沉降觀測與情況，選取2011-09-01～2013-09-30間全線38期次動檢TQI數(shù)據(jù)與路基累計沉降量進行整理統(tǒng)計，分析其各自超限情況，統(tǒng)計結(jié)果如圖1，表2和表3所示。

經(jīng)統(tǒng)計得出，滬寧高速鐵路全線TQI值主要分布在2～5內(nèi)，其中路基地段共有22.4 km檢測段TQI超限，K166，K235和K236等部分地段則存在TQI值多次超限的情況；而路基沉降量則多集中在0～10 mm范圍內(nèi)，其中9處監(jiān)測斷面出沉降超限的情況，超限率為0.47%。

表2　滬寧高鐵路基沉降超限斷面統(tǒng)計

表3　滬寧高鐵路基TQI主要超限區(qū)段

圖2　滬寧高鐵2011-09-01～2013-09-30全線沉降與TQI峰值對比圖Fig.2 Comparison chart of settlement and TQI maximum value of the Shanghai Nanjing High-speed Railway between 2011-09-01 to 2013-09-30

對全線路基TQI與沉降超限情況進行對比統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，在TQI超限的區(qū)段中，共有12.3%的區(qū)段出現(xiàn)路基沉降超限的情況，說明路基沉降對軌道的平順狀態(tài)有著明顯的影響；而在沉降超限的9個斷面中，共有7個斷面所處區(qū)段存在TQI超限的情況，占沉降超限斷面總數(shù)的77.8%，而余下2個斷面位置所對應(yīng)的TQI值均達到4以上，可見路基沉降與TQI間存在一定的正相關(guān)性。就二者超限區(qū)段的對應(yīng)性而言，雖然兩種超限區(qū)段并不存在絕對的包含關(guān)系，但多數(shù)沉降超限區(qū)段被囊括在TQI超限區(qū)段中。

3路基沉降與TQI單項指標對比

為進一步探究沉降與TQI各單項指標間的對應(yīng)關(guān)系，特選擇沉降較大(沉降量超過10 mm)的路段，對其TQI單項指標超限情況進行統(tǒng)計分析，其整理結(jié)果如圖3所示。

圖3　TQI單項指標超限統(tǒng)計Fig.3 Statistics for TQI single index overrun tatio

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，左右高低以及三角坑指標的超限率明顯高于其他指標，各自超限率均超過70%；軌距指標的超限率則不足20%，在7項指標中最低。從統(tǒng)計結(jié)果不難看出，不同類型的軌道不平順與路基沉降間的相關(guān)程度明顯不同。

現(xiàn)采用相關(guān)分析的方法對數(shù)據(jù)整理計算，深入探討沉降與TQI各單項指標的關(guān)系。由于TQI數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)正態(tài)分布[15]，沉降數(shù)據(jù)分布情況尚不明確，因此統(tǒng)計過程中采用Spearman相關(guān)性檢驗，其分析結(jié)果如表4所示。根據(jù)假設(shè)檢驗的原理，以P<0.05作為顯著性檢驗標準，可以判斷沉降與左軌向、右軌向及軌距指標缺乏顯著的相關(guān)關(guān)系。為此，在隨后的回歸分析中僅圍繞余下的左高低、右高低、水平和三角坑共4項指標進行計算討論，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3所示。從數(shù)據(jù)擬合結(jié)果中可以看出，左高低、右高低、水平和三角坑4項指標與沉降間呈現(xiàn)出線性正相關(guān)關(guān)系。依據(jù)回歸系數(shù)的大小可以判定，路基沉降與高低指標間的正相關(guān)程度最高，而后則依次為三角坑指標與水平指標。

表4　Spearman相關(guān)分析結(jié)果統(tǒng)計表

圖4　路基沉降與TQI單項指標擬合曲線Fig.4 Fitting curve of the subgrade TQI single index and settlement

結(jié)合上述分析，路基沉降與TQI的相關(guān)性主要集中在高低、水平、三角坑方面上，并且沉降量較大時相應(yīng)單項指標易出現(xiàn)超限情況，而其余的TQI單項指標則與沉降關(guān)聯(lián)性較小，因此諸如K147等路基沉降超限區(qū)段會存在左右高低、水平和三角坑單項指標超限而TQI值未超限的情況。為此，工務(wù)部門若以TQI作為衡量軟基高鐵各路段是否需要維修養(yǎng)護的主要參考標準，則需要在TQI的分析過程中加強對高低、水平和三角坑單項指標的幅值分析，一旦發(fā)現(xiàn)動態(tài)檢測過程中存在左右高低、水平、三角坑TQI單項指標偏大甚至超限的區(qū)段，則需要考慮通過水準觀測等方法確定是否存在路基沉降過大甚至超限問題，以便充分考量二者最不利情況，合理制定維修養(yǎng)護計劃，確保線路安全平穩(wěn)。

4結(jié)論

1)路基沉降與TQI超限關(guān)聯(lián)性較高，12.3%的TQI超限區(qū)段存在沉降超限情況，77.8%的路基沉降超限區(qū)段存在TQI超限情況；

2)路基沉降與高低、三角坑和水平共3類TQI單項指標間存在明顯的相關(guān)性，并分別與之呈線性正相關(guān)，其中高低指標與路基沉降間正相關(guān)程度最高;

3)工務(wù)部門若以TQI作為線路養(yǎng)護維修主要參考標準，需要強化單項指標的分析，并考慮對高低、水平和三角坑單項指標較大的區(qū)段進行沉降觀測，確定路基沉降是否過大，以便結(jié)合二者最不利情況，合理制定維修養(yǎng)護計劃。

參考文獻：

[1] 袁長卿, 高月婷. 軌道不平順性對高速鐵路的影響[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2007(增2): 109-112.

YUAN Changqing, GAO Yueting.The influence of track irregularity on high-speed railway [J]. Railway Construction Technology, 2007(Suppl 2): 109-112.

[2] 許玉德, 周宇. 既有線軌道質(zhì)量指數(shù)的分布與不平順權(quán)重系數(shù)統(tǒng)計分析[J]. 中國鐵道科學(xué), 2006(4): 71-75.

XU Yude, ZHOU Yu. Statistics analysis of distribution of track quality index and weight coefficient of track irregularity [J]. China Railway Science, 2006(4): 71-75.

[3] 左玉云, 向俊. 鄭武線軌道不平順的相關(guān)性分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2006,3(1): 46-49.

ZUO Yuyun, XIANG Jun. Correlation analysis of trackirregularities of Zhengzhou-Wuhan railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2006,3(1): 46-49.

[4] 曾華亮, 金守華, 陳秀方. 客運專線新建線路軌道不平順功率譜分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2005,2(4): 31-34.

ZENG Hualiang, JIN Shouhua, CHEN Xiufang. Power spectrum density analysis of track irregularity of newly - built railway line for passenger[J]. Journal of Railway Science and Engineering. 2005,2(4): 31-34.

[5] 李繼偉. TQI在成都局線路維修中的應(yīng)用研究[D]. 成都：西南交通大學(xué). 2006.

LI Jiwei. Research on railwaymaintenance in Chengdu Railway Bureau for TQI guidance [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2006.

[6] 莊鵬, 姜楠. 利用軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)指導(dǎo)線路養(yǎng)護維修[J]. 鐵道運營技術(shù), 2008(1): 21-29.

ZHUANG Peng, JIANG Nan. Using the track quality index (TQI) to guide railway line maintenance [J]. Railway Operation Technology, 2008(1): 21-29.

[7] 王俊文. 軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)在線路天窗維修中的應(yīng)用[J]. 鐵道建筑, 2009(11): 86-88.

WANG Junwen.Application of the track quality index (TQI) in the maintenance gap [J]. Railway Engineering, 2009(11): 86-88.

[8] 李海鋒, 吳紀才, 許玉德. 鐵路軌道幾何狀態(tài)評價方法比較[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005(6): 772-776.

LI Haifeng, WU Jicai, XU Yude.Comparison of railway track geometry status evaluation methods[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2005(6): 772-776.

[9] 曲建軍, 王衛(wèi)東, 田新宇. 基于灰色系統(tǒng)辨識的軌道質(zhì)量生命周期預(yù)測方法研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2012(9): 75-80.

QU Jianjun, WANG Weidong, TIAN Xinyu. Research on prediction method of life cycle of track quality based on frey system identification[J]. Journal of the China Railway Society, 2012(9): 75-80.

[10] 潘海澤, 黃春遠, 汪磊, 等. 基于灰色GM(1,1)和灰色-馬爾可夫模型的軌道幾何不平順預(yù)測及應(yīng)用研究[J]. 鐵道標準設(shè)計, 2010(10): 5-9.

PAN Haize, HUANG Chunyuan, WANG Lei, et al. Prediction and application of track geometric irregularity based on Grey GM (1, 1) and Gray Markov model[J]. Railway Standard Design, 2010(10): 5-9.

[11] 朱芳草, 孫宏, 李志剛. 基于灰色理論定量預(yù)測軌道質(zhì)量指數(shù)的研究[J]. 鐵道建筑, 2009(8): 125-127.

ZHU Fangcao, SUN Hong, LI Zhigang. Study on quantitative prediction of track quality index based on Grey Theory [J]. Railway Engineering, 2009(8): 125-127.

[12] 羅強. 高速鐵路路橋過渡段動力學(xué)特性分析及工程試驗研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2003.

LUO Qiang. Dynamic performance analyses and experiment study on bridge approach embankment of high-speed railway[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003.

[13] 鐵運(2012)83號, 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)[S].

TieYun (2012) No.83，Maintenance rules for high-speed railway ballastless track (trial) [S].

[14] TB 10621—2009, 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].

TB 10621—2009, Design of high-speed railway (trial) [S].

[15] 陳勛. 滬寧城際高速鐵路軌道質(zhì)量指數(shù)分布規(guī)律研究[J]. 鐵道標準設(shè)計, 2013(7): 1-5.

CHEN Xun. Research on distribution rule of track quality index of Shanghai-Nanjing intercity high-speed railway [J] . Railway Standard Design, 2013(7): 1-5.

(編輯蔣學(xué)東)

Comparative study on the TQI and subgrade settlement of the high-speed railway in soft soil foundation

LU Liangkai, XU Linrong

(Schools of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:The TQI overrun can reflect the great difference of track geometry. The high speed railway operation safety and comfort are threatened because of the track irregularity. The existing research has not clarified whether there is a corresponding relationship between soft soil subgrade settlement overrun and TQI overrun. Thus, there are two inconsistent railway maintenance method, which causes trouble for the maintenance department. In order to explore this issue and provide scientific guidance for track management and maintenances, the TQI data and the subgrade settlement data of Shanghai Nanjing Intercity High-speed Railway during operating period were compared and analyzed based on the method of mathematical statistics in this paper. The results show that, there is a certain correlation between the TQI and the subgrade settlement, and the TQI overrun sections contain most of the subgrade settlement overrun sections. Among all TQI single indexes, longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index and twist irregularity index are significantly correlated with subgrade settlement. Furthermore, there is a linear positive correlation between longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index, twist irregularity index and subgrade settlement. After analysis, if the TQI was used as major reference standards of for maintenance, the maintenance department needs to strengthen the analysis of TQI single index. When the data of longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index and twist irregularity index is too large or even exceed the management value in a determination section. Maintenance department should conduct settlement observation in order to determine whether there is a settlement overrun section, and unify the most unfavorable situation of subgrade settlement and TQI to make reasonable maintenance plan.

Key words：soft soil foundation; high-speed railway; TQI; subgrade settlement

中圖分類號：U238

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0430-05

通訊作者：徐林榮(1964—)，男，浙江嘉興人，教授，博士，從事地質(zhì)災(zāi)害防治與預(yù)警預(yù)報、特殊土路基設(shè)計與施工，地基處理和土工合成材料應(yīng)用研究；E-mail: lrxu@mail.csu.edu.cn

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃資助項目(2012G009-C)

收稿日期：2015-08-02