京沪高速铁路路基沉降变形观测与分析

张鹏翔

近几年来,随着我国客运专线和高速铁路项目的建设,铁路建设主要以桥梁为主,因路基的工后沉降已成为高速铁路和客运专线施工控制的重点,控制路基沉降已成为路基施工控制的关键和重点,也是今后影响高速铁路行车速度、平稳、舒适和安全的重要技术指标。新建京沪高速铁路设计时速为350km/h,是我国第一条真正意义上的高速铁路,为确保路堤施工的安全和稳定,控制填土速率,预测沉降趋势和工后沉降量,确定轨道铺设施工时间,必须对路基施工过程及工后沉降进行全程动态和静态观测。

1 工程概况及地基处理

京沪高速铁路蚌埠南站位于安徽省蚌埠市,设计范围:DK843+000～DK846+200,全长3.2km,前接淮河特大桥,后接张巷特大桥,站场范围内框架小桥2座、框架涵4座、框架中桥1座。地形地貌主要为淮河二级阶地,地势平坦、开阔,沟渠密布,多辟为水田和居民。地质情况表面主要为黏土、粉质黏土、淤泥质黏土,厚度在5 m～20 m不等。地下水不发育,水位埋深1.0 m～3.0 m。在地基处理方面主要有挖除原地面软土换填AB组料和CFG桩加固复合地基,通过对两种地基不同处理结构进行沉降观测、分析比较和预测工后沉降量,确定CRTSⅡ型板的铺设时间。

2 沉降观测技术控制

2.1 沉降观测的目的

京沪高速铁路线下、轨道工程设计行车速度目标值为350km/h,采用双线无碴轨道,正线轨道按一次铺设跨区间无缝线路设计。无碴轨道路基的工后沉降要求非常严格。通过对设计沉降的验证和修改,分析、预测出最终沉降量和工后沉降量,合理确定无碴轨道的铺设时间,确保路基工后沉降减少到最小。

2.2 沉降观测点的布置

1)基底沉降板基本上按80 m～100 m布设一个,路桥过渡段、路涵过渡段的两侧5 m～20 m范围内每10 m设置一个,在过渡段填料的分界处必须设置基底沉降板和路基面观测桩,是观测路基过渡段不均匀沉降的重要措施。

2)沉降板埋设位置处可垫10cm砂垫层找平,埋设时确保底板的水平与垂直度。

3)放好沉降板后,回填一定厚度的垫层,再套上保护套管,保护套管上口略低于沉降板测杆,并在其周围填筑相应填料稳定套管,完成沉降板的埋设工作。

4)测量埋设就位的沉降板测杆杆顶标高读数作为初始读数,随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管,每节接长高度以1 m为宜,接管前后务必测量沉降板杆顶标高:a.形成连续沉降数据;b.确定接管高度。

2.3 沉降观测

1)路基沉降观测高程和线下施工高程要形成同一高程系统,京沪高速铁路线下施工高程系统应用上采用1985国家高程基准。蚌埠南站内二等水准点2个,加密工作基点12个,平均300 m布设一个工作基点。工作基点间距是影响沉降观测精度的重要指标。按照附合线路闭合差限差和变形观测的高程中误差(±1mm)要求,最后反推计算300 m工作基点间距最为合理。2)路基沉降观测路线必须严格按照附合路线观测,决不能采用闭合路线观测。在观测路线上,每次观测必须沿同一条路线进行观测、起闭点固定两个工作基点、使用同一台电子水准仪和同一塔尺即“四固定”。3)观测方法采用GB/T 12897-2006国家一、二等水准测量规范二等水准要求进行观测,观测时采用仪器中变换奇偶站aBFFBFBBF的顺序进行测量,每一段必须以偶数站结束,并且在仪器设置方面要对仪器进行地球曲率(CE)的改正。

表1 路基施工沉降观测频率

2.4 观测频率

观测频率按照《京沪高速铁路线下工程沉降变形观测及评估》实施,见表1。

在实际观测中,观测时间和频率注意基底的沉降速率,在下列两种情况下加大观测频次:1)两次连续观测的沉降值差值大于4mm;2)出现突变或雨季。

2.5 观测技术要求

1)路基地段从路基填筑开始沉降观测;过渡段从涵洞或桥台底部填筑开始观测。路基填筑完成或施加预压荷载后应有不少于6个月的观测期。观测数据评估或工后沉降评估不满足设计要求时,应延长观测时间或采取必要的加速或控制沉降的措施。

2)沉降观测元件的埋设是在施工过程中进行,施工与观测做好协调,做到互不干扰。施工过程中要保证沉降板的垂直,保证观测元件自由沉降。

3)路基填筑过程中应及时分析路堤观测点的沉降,当沉降量达到10mm/d时应及时通知项目部相关领导及部门,并要求现场停止填筑,待沉降稳定后再恢复填土。

4)观测精度要求:路基沉降观测水准测量的精度为±1.0mm(观测点高程中误差),读数精度至0.01mm。

5)观测路线:路基沉降观测路线除首期观测采用往返路线外,其余采用附合路线,因为相邻工作基点间高差误差会使往返测量高程形成正负误差,使沉降数据形成上下跳跃图形。所以在后期观测中,每一段水准路线采用起闭于同一个工作基点、同一水准路线进行测量。

3 数据分析

路堤填筑完成后沉降主要有路基基底沉降和路基本体压缩沉降。路基压缩沉降主要是通过路堤压实度来控制,路堤填筑完成后6个～10个月压缩沉降基本完成。所以路堤沉降主要是控制基底的工后沉降。

路堤填筑到设计标高后,至少要连续观测6个月的沉降(含预压段),根据观测数据形成的沉降曲线图来分析和推算工后50年或100年的沉降量和沉降速率,并初步推算CRTSⅡ板的铺设时间,确定铺轨时间。

3.1 预测方法

根据实测观测沉降量推算最终沉降量方法主要有规范双曲线法、修正双曲线法、固结度对数配合法(三点法)、指数曲线法、Asaoka等八种方法。目前我们最常用的主要是规范双曲线法。

沉降量计算的具体顺序:1)确定起点时间(t=0),可取填方施工结束日为 t=0;2)就各实测计算 t/(St-S0);3)绘制 t与t/(St-S0)的关系图,并确定系数 a,b;4)计算 St;5)由双曲线关系推算出沉降S—时间t曲线。

3.2 路基沉降分析

3.2.1 挖出地表土换填AB料地段

该段范围内DK843+000～DK844+000路基填土高度为1 m～2 m,设计无CFG桩加固地基处理地段,在地基处理上采用挖除地表软土2 m左右,基床底部采用铺设0.2 m中粗砂夹铺单层排水土工格栅加固,再进行基床底层AB料填筑。路基填筑高度和沉降量成反向趋势,符合路基沉降趋势。当路基填筑到设计标高后,沉降会渐渐趋于收敛。2009年3月30日左右沉降基本处于收敛状态,预测沉降量和实测沉降量之差小于10mm,可以满足评估条件。

3.2.2 CFG桩符合地基加固地段沉降

DK844+000～DK846+200路基范围内设计为CFG桩符合地基加固地段,填土高度在2 m～8 m之间,填筑前铺设0.6 m褥垫层夹铺两层土工格栅。路基填筑期间路基基底处于沉降趋势,当路基填筑到设计标高后无荷载作用时,沉降很快进入收敛。2009年4月12日路基填筑结束,而且路基沉降也进入收敛状态。

4 沉降评估

根据3个～6个月的观测数据,绘制“时间—填土高度—沉降量”曲线。通过分析预测总沉降量、工后沉降量和沉降速率,并初步推算最终沉降完成时间,确定铺轨时间。沉降评估要求:

沉降值应满足下列条件:

其中,S(t)为预测时的沉降值(根据真实沉降计算);S(t=∞)为预测的最终沉降值(工后沉降)。

当设计预测的总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量之差不大于10mm,预测工后沉降值不大于15mm时(轨道扣减调整限差),则满足要求。

过渡段不同结构间的预测差异沉降不应大于5mm,预测沉降引起的沿线路方向的折角不应大于1/1000。

无碴轨道对路基工后沉降要求非常严格,施工过程中的沉降观测数据是指导CRTSⅡ板铺设的关键,所以加强路基沉降观测实施,避免由于前期错误沉降数据导致后期揭板返工,影响施工进度。

对于路基工后沉降数据预测要采用多种比较验证,得出最合理的沉降数据。

通过近10个月的沉降观测及数据分析,蚌埠南站顺利通过沉降评估,进入上部轨道工程作业。

[1] 铁二院.《京沪高速铁路线下工程沉降变形观测及评估》实施细则[S].

[2] 铁道部.客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准[S].

[3] 铁道部.客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准[S].

[4] 王小龙.浅析软土路基沉降动态观测[J].山西建筑,2009,35(3):271-272.