既有重載鐵路路橋過渡段軌道結構縱向差異沉降監測分析與預測

冷伍明，周思危，聶如松，程龍虎，涂仁盼，范瑞祥

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

路橋過渡段易出現軌道幾何形位超限、道砟臟污、路基翻漿冒泥、軌枕懸空、道砟破碎、鋼軌磨損和軌枕開裂等病害，導致路橋過渡段的維修工作量和花費遠遠高于一般路基。產生這些病害的主要影響因素有：①由路基柔性結構物和橋涵剛性結構物支撐的軌道結構剛度在過渡段區域變化較大，導致在列車動荷載作用下軌道結構沉降不均勻，從而增加輪軌的動力相互作用，而增大的輪軌動力相互作用又會進一步增加不均勻沉降和輪軌相互作用力；②由于路基一側的長期累積沉降比橋涵基礎的大，引起的沉降差導致輪軌動力相互作用持續增長；③路基填料不良、壓實不足、固結沉降或者排水不暢等。

重載鐵路軸重的增大和牽引質量及行車密度的不斷提高，將進一步加劇列車與線路系統之間的動力相互作用，過渡段路基的工作狀況將更為惡化[1]。目前，隨著各國鐵路運輸的高速發展，國內外學者對于過渡段差異沉降問題開展了廣泛研究。True[2]指出路橋過渡段沿線路縱向剛度的不均勻變化將導致軌道的嚴重變形和破壞，軌道沿線路的剛度差異和幾何不平順必然會影響列車的運行質量。Li等[3]對路橋過渡段發生變形和破壞的影響因素進行了研究，提出了過渡段質量評估方法和減緩破壞的處理措施。Martin等[4]利用有限差分軟件FLAC對列車循環荷載作用下路橋過渡段的沉降變形特性進行了研究。狄宏規等[5]通過現場實測和室內試驗，對朔黃重載鐵路路橋過渡段在列車反復荷載作用下路基的動力響應規律進行了分析。陳果元等[6]以秦沈客運專線為工程背景，根據現場實測結果，將級配碎石與土工格柵兩種材料下過渡段的沉降規律進行了對比分析，發現土工格柵沉降控制效果更好。陳雪華等[7]對路橋過渡段兩側結構的等效剛度進行了研究，指出過渡段剛度較小一側的等效剛度取值不僅與其自身材料屬性有關，而且還與剛度較大一側材料屬性相關。韓自力[8]總結了近年來我國幾條主要干線的路橋過渡段路基調查和試驗研究，對既有線提速路基的主要技術條件進行了分析，同時對靜態測試和無損檢測方法進行了初步研究。雷曉燕等[9]通過對路橋過渡段動力特性的分析，研究了涵洞凈寬、列車運行速度和路基剛度對車體的垂向加速度、輪軌垂向作用力、鋼軌垂向位移及鋼軌垂向加速度的影響。

但總體而言，對于運營多年的既有線重載鐵路路橋過渡段差異沉降進行長期監測的相關研究較少。因此，開展軸重提高和編組擴大后重載鐵路過渡段沉降監測，掌握過渡段差異沉降規律，及時了解過渡段軌道結構的工作狀態，對當前重載鐵路建設具有重要的實用價值。本文采用水平梁式傾斜儀對朔黃重載鐵路某路橋過渡段進行長期沉降監測，獲得了差異沉降沿線路縱向的分布特征以及隨列車運行噸位的變化規律，研究成果不但在朔黃典型工段中取得了較好的應用效果，而且為后續路橋過渡段差異沉降特性的深入研究提供了基礎數據，并對于路橋過渡段軌道與路基結構的設計與施工具有指導和借鑒作用。

1 工程概況

朔黃重載鐵路路橋過渡段監測工點位于河北省平山縣。該工點原為路涵過渡段，該涵洞為凈寬高均為5 m的蓋板涵。由于城市發展的需要，于2016年在蓋板涵位置采用頂推法施工了一座兩跨的框構橋，該橋總長37.5 m，凈跨17 m，邊墩墻厚1.2 m，中間墩寬1.1 m，為上行重車與下行空車的雙線鐵路。橋梁施工完成后，橋兩端過渡段沉降較大，經估算，沉降約為80 mm。重車線采用75 kg/m型鋼軌， Ⅲ型混凝土軌枕。重車線一側在軌道中間設置有護軌以增加軌道剛度。橋上道砟厚度約為1.45 m，過渡段道砟厚約為0.5 m。過渡段路肩進行了加寬和強化處理，加寬后的路肩寬度為1.8 m。兩線的線間距為4 m。路基邊坡高為4 m，按1∶1.5放坡。路基填料為當地廣泛分布的低液限粉質黏土。自地基面依次向下分布為Q4砂質黃土、Q4粉質黏土層。砂質黃土基本承載力為130 kPa，粉質黏土基本承載力為170 kPa。地下水位深4～5 m。過渡段縱、橫斷面如圖1所示。

圖1 路橋過渡段設置方式(單位：m)

2 監測原理與方法

為監測路橋過渡段差異沉降，構建了自動化監測系統。該系統由JTM-U6000JB水平梁式傾斜儀、CR800數據采集箱、無線數據傳輸模塊(DTU649)、太陽能電板、蓄電池和遠程計算機組成。水平梁式傾斜儀測試沉降的原理是：將梁的一端固定在不動點，另一端固定在監測點，當監測點發生沉降時，水平梁會產生角度變化，安裝在水平梁上的傳感器能敏感地輸出角度變化信號，根據角度變化值乘以水平梁的長度即可得到水平梁兩端的差異沉降值。具體計算式為

T=C0+C1·UEL+C2·UEL2+C3·UEL3+C4·

UEL4+C5·UEL5

(1)

d=T·l

(2)

式中：T為水平梁傾斜讀數，mm/m；C0、C1、C2、C3、C4、C5均為率定參數；UEL為測點電壓讀數，V；d為水平梁兩端的差異沉降值，mm；l為水平梁長度，m。

監測過程中，當水平梁逐次首尾連接，即可得到該監測區段各監測點相對于不動點發生的差異沉降值。

3 元件布置及安裝

現場安裝水平梁式傾斜儀時，由于道砟厚度較大，沉降監測點的安裝無法在一個天窗期間完成，因此，將梁式傾斜儀直接安裝在上橋端與下橋端兩側重車道線路中心的軌排上，不動點設在框構橋兩側的邊墩上。兩側區段內各安裝5組傾斜儀，每組長2 m，各10 m。監測系統現場布置見圖2，各測點編號及對應里程見表1。

表1 各測點梁式傾斜儀編號及對應里程

圖2 梁式傾斜儀現場布置圖

水平梁式傾斜儀與軌排連接的結構示意如圖3所示。安裝過程中先將軌枕周邊及底部以下的部分道砟清除，采用事先開槽的兩塊鋼板置于軌枕的上頂面和下底面，并用豎直螺桿將兩者固定，道砟回填夯實后將水平梁兩端錨頭放入上頂板槽中，用螺母和墊片固定。

圖3 梁式傾斜儀安裝結構示意

4 監測數據分析

4.1 沉降量分析

對路橋過渡段進行了為期125 d的實時監測。在監測初期將采樣頻率設定為1次/10 min，后每隔0.5 h采集一次數據，共采集數據54 750個。為避免列車通過時引起的振動對測試結果的影響，僅選取天窗期間的數據進行分析。同時，收集整個監測期間通過監測區段的車輛列數、每列車廂節數以及貨運重量數據，得到上、下橋兩側過渡段差異沉降量沿線路縱向的分布曲線，如圖4所示。

圖4 不同列車運行噸位下差異沉降量沿線路縱向分布曲線

從圖4中可以看出，橋兩側過渡段差異沉降隨距橋邊墩距離的增加而逐漸增大，隨列車運行噸位的增加而不斷增大。在監測期間，下橋端過渡段最大沉降量為0.4 mm，上橋端過渡段最大沉降量為0.8 mm。下橋端過渡段沿線路縱向各測點差異沉降變化趨勢較為一致，變化最為明顯的區域主要集中在距橋邊墩4～6 m處，所對應的兩測點間存在近0.12 mm的沉降差。在距橋邊墩8、10 m的位置，兩測點的沉降量已基本一致，兩者間的沉降差很小，初步可以判定距邊墩8 m范圍內的軌道結構為過渡段沉降最為顯著的區域。上橋端過渡段與下橋端過渡段的沉降規律類似，但沿線路縱向各測點差異沉降變化趨勢存在較大的差別，變化最明顯的區域主要發生在邊墩外4～6 m處，兩測點間存在近0.26 mm的沉降差，整個區段內差異沉降量極差達0.486 mm。

同時，各測點的差異沉降量與列車通行累計噸位的關系如圖5所示。

圖5 差異沉降量-列車累計噸位變化曲線

從圖5中同樣可以發現，監測區段內相對橋邊墩不動點的差異沉降量在0～0.8 mm范圍內持續增長，且距橋邊墩越遠，差異沉降及其變化幅度越大。同時，隨著列車噸位的增加，差異沉降量逐漸增長，其增長幅度表現為在監測初始或前期較大，中期有所減小，隨后繼續增大，最終趨于穩定并保持微小變化的過程，表明在列車荷載的長期循環作用下道床和路基發生了一定的循環累積變形，并且上、下橋兩側過渡段差異沉降量在經過約1.0×109t的列車累計噸位作用后均趨于穩定狀態。

另外，將監測結束后上、下橋端兩側的最終沉降量進行對比，如表2所示。發現上橋端一側沿線各測點沉降量及沉降差均明顯高于下橋端，表明下橋端一側沉降變形更為穩定，且沿線路縱向分布更為均勻。

表2 橋兩側過渡段最終沉降量對比 mm

4.2 沉降速率分析

為研究差異沉降增長隨時間的變化規律，將每周沉降量統計數據的始、終進行對比，以一周內沉降量的大小來反映軌道結構沉降的快慢。測試17周各個監測點的沉降速率如表3和圖6所示。

表3 各測點差異沉降速率 mm/周

圖6 差異沉降速率-列車累計噸位變化曲線

由表3和圖6可以看出：

(1)距橋邊墩越遠，沉降速率整體上變化也越大，這與沉降量沿線路縱向分布規律類似。隨著列車運行噸位的增加，沉降速率大致表現為逐漸減小并上下波動，最終趨于穩定的變化過程。

(2)橋兩側過渡段沉降速率峰值均發生在梁式傾斜儀安裝完成開始監測后的第一周，在此期間通過該路段的列車噸位僅為0.07×109t左右。分析主要原因可能為：①梁式傾斜儀安裝過程中，需先將軌枕周邊及底部的部分道砟清除，再進行回填，過程中使道砟發生了松動，導致短期內在列車荷載作用下產生了較大的沉降量；②通過對整個監測期間監測區段內的降雨量進行統計，見圖7。由圖7可見，降雨量集中于前兩周，尤其在第一周最大降雨量高達50 mm左右，由于過渡段路基含水率的驟增導致沉降速率迅速達到其峰值。

圖7 監測期每日降雨量統計

(3)上、下橋兩側過渡段沉降速率變化趨勢類似，但上橋端速率變化幅值明顯高于下橋端，進一步表明下橋端一側沉降變形更為穩定。當列車運行噸位超過1.0×109t后兩側均進入穩定狀態。隨著累計噸位的繼續增加，各測點沉降速率最終均穩定在0.01 mm/周范圍內。

5 沉降預測分析

基于實測沉降數據進行沉降預測的方法可分為三類：①曲線擬合法，如雙曲線法、指數曲線法、星野法、Asaoka法、泊松曲線法、三點法、拋物線法等；②系統理論法，如時間序列法、灰色理論法、神經網絡法等；③反演預測法，一般采用有限元法，利用已知沉降數據先反演模型參數，然后正演預測后期的沉降[10]。目前，國內外學者對以上各種預測模型均開展了大量的研究工作，但主要是針對填筑期路基、新線路基、軟土地基等全過程沉降且初期存在較大沉降變形的工況[11-18]，對于具有一定運營年限的既有重載鐵路軌道結構，因其路基填料壓縮變形及地基土固結沉降中的瞬時沉降和主固結沉降均已基本完成，現階段沉降主要由地基土次固結沉降及行車荷載作用下路基和道床層的永久變形組成，沉降變化量級較小，因此對適用的預測模型研究較為有限。本文綜合考慮既有線重載鐵路軌道結構沉降機理及各種預測模型的適用條件，選取雙曲線模型、指數曲線模型，并以對數誤差平方和最小為目標函數建立雙曲線-指數曲線組合預測模型[19]，通過對監測數據進行擬合，得到過渡段差異沉降與列車通行噸位間的經驗公式(表4)，并利用經驗公式對過渡段差異沉降進行預測及驗證，篩選出適用于既有線重載鐵路路橋過渡段差異沉降的預測模型。

表4 既有重載鐵路路橋過渡段差異沉降預測模型

從表4中可以看出，三種模型都能較好地擬合路橋過渡段差異沉降與列車運行噸位間的關系。由評估預測模型精度指標(SSE和SE)來看，雙曲線模型>指數曲線模型>組合預測模型；由評估預測模型穩定可靠性指標(SSPE和SPE)來看，雙曲線模型>指數曲線模型>組合預測模型。表明組合預測模型的預測精度及穩定可靠性較另外兩種模型更好。

采用上述三種預測模型，對該路橋過渡段在累計通行噸位達到1.2×109t時的沉降量進行預測，預測結果與實測值比較如表5與圖8所示。

從表5中可以發現：雙曲線模型預測值與實測值之間絕對誤差范圍為0.002～0.053 mm，相對誤差范圍為0.50%～11.71%；指數曲線模型的絕對誤差范圍為0～0.040 mm，相對誤差范圍為0～5.76%；組合預測模型的絕對誤差范圍為0～0.025 mm，相對誤差范圍為0～4.24%。由圖8可知，三者較明顯的誤差均集中在監測點EL9處，其中，組合預測模型在該點處誤差最小，與實測曲線吻合度最高，雙曲線模型、指數曲線模型稍偏離實測曲線，但總體上，三種預測模型曲線與實測曲線基本接近，在實際工程中，三者用于軌道結構沉降預測，均具有良好的預測效果。綜合上述分析，組合預測模型相比其他兩種模型能夠更好反映既有重載鐵路路橋過渡段監測工點的沉降變形規律，其次是指數曲線模型，雙曲線模型預測誤差相對較大。

表5 不同預測模型最終沉降量結果對比

圖8 各測點沉降預測值與實測值比較

6 結論

采用水平梁式傾斜儀對既有線重載鐵路路橋過渡段軌道結構的差異沉降進行長期實時監測，對監測結果中沉降量、沉降速率及兩者沿線路縱向的分布特征以及隨列車通行噸位的變化規律進行了分析，并且采用三種預測模型對過渡段差異沉降進行了預測分析，得到如下結論：

(1)在監測期間，通過過渡段的列車噸位達到近1.2×109t，下橋端過渡段軌道與路基結構的最大沉降量為0.4 mm，上橋端過渡段軌道與路基結構的最大沉降量為0.8 mm，距橋邊墩8 m范圍內的軌道結構為過渡段沉降最為顯著的區域。

(2)橋兩側過渡段差異沉降隨距橋邊墩距離的增加而逐漸增大，隨列車運行噸位的增加而不斷增大。

(3)在監測期間，過渡段各測點的沉降速率在0.2 mm/周范圍內變化，距橋邊墩越遠，沉降速率及其變化范圍越大。隨著列車累計噸位的增加，沉降速率逐漸減小并最終趨于穩定。

(4)組合預測模型能較好地預測既有重載鐵路路橋過渡段的沉降變形，指數曲線模型次之，雙曲線模型預測誤差相對較大。