软土地区客运专线路基沉降的监测技术与预测方法

严 斌

(沪宁城际铁路股份有限公司，江苏南京 210042)

高速铁路建成运营后，一旦路基沉降超过限值，不仅影响行车平顺性，有时甚至会造成生命财产的极大危害。受地理条件的限制，很多高速铁路不得不建造在深厚的软土地基上。软黏土路基在外荷载作用下，其沉降一般较大，通常在建造时需要进行较长时间的堆载预压或一定的工程措施，以消除或减少大部分固结沉降和次固结沉降［1］。尽管如此，路基的工后沉降仍然不可避免存在，如何观测路基沉降和对工后沉降进行准确预测，并确保预测结果与实际结果比较吻合，应该是建设高速铁路一项重要的工作内容。

1 工程背景及试验段选

沪宁城际铁路是长江三角洲地区城际客运铁路规划线网的主骨架，起自上海，终到南京，正线全长300.209 km，设计时速200 km/h以上。南京至丹阳段线路通过剥蚀低山丘陵区及长江河谷阶地，丹阳至上海段线路通过长江三角洲平原区，全线软土、松软土分布广泛，软土及松软土地基总长195.9 km，其中软土地基总长134.849 km(109处)，松软土地基总长61.019 km(92处)。为处理好软土路基问题，沪宁城际铁路在建设过程中确立、制定和细化了有关软土路基、临近既有线管桩、CFG桩施工技术方案和工艺方法，并十分关注路基的工后沉降问题。

2 沪宁城际铁路路基沉降监测方案

沪宁客运专线路基总长约96.8 km，约占线路全长的32.2%。其中一标段至四标段路基所占比例较大，分别占40.00%，48.02%，58.40%和44.87%。各个标段在每段路基的施工过程中同步开展了路基沉降变形观测，共埋设临时沉降板2 930个，长期观测沉降板4 044个，大密度的沉降板埋设工作足以保证路基沉降观测工作的顺利进行以及观测数据的准确性。

沪宁城际铁路路基工程沉降变形观测以路基面沉降观测和地基沉降观测为主，在沉降监测过程中根据不同的结构部位、填方高度、地基条件、堆载预压等具体情况来设置沉降变形观测断面。同时根据施工过程中掌握的地形、地质变化情况调整或增设观测断面。软土、松软土路堤地段观测断面包括剖面沉降管、沉降观测桩、沉降板和位移观测桩。沉降观测桩每断面设置3个，布置于双线路基中心及两侧各2 m处，沉降板位于双线路基中心，位移观测边桩分别位于两侧坡角2 m，10 m处，并与沉降观测桩及沉降板位于同一断面上，剖面沉降管位于基底。观测线路示意如图1。

图1 沉降观测点布设及观测路线示意

1)沉降观测桩。选择φ20 mm钢筋，顶部磨圆，底部焊接弯钩，待基床表层级配碎石施工完成后，通过测量放样埋置在设计的断面位置，埋置深度不小于0.3 m，桩周0.15 m用C15混凝土浇筑固定，完成埋设后测量桩顶高程作为初始读数。测桩埋设布置图如图2所示。

图2 路基沉降观测桩(单位:mm)

2)沉降板。一般情况下的沉降板由底板、金属测杆(φ20镀锌铁管)及保护套管(φ49 PVC管)组成。钢筋混凝土底板尺寸为50 cm×50 cm，厚3 cm或钢底板尺寸为30 cm×30 cm，厚0.8 cm。测量埋设就位的沉降板测杆杆顶高程读数作为初始读数，随着路基填筑施工逐渐接高沉降板测杆和保护套管，每次接长高度以0.5 m为宜，接长前后应测量杆顶高程变化量以确定接高量。金属测杆用内接头连接，保护套管用PVC管外接头连接。见图3。

路基沉降观测频次见表1。

图3 路基沉降板

表1 路基沉降观测频次

3 沪宁城际路基沉降监测结果及变形特点分析

3.1 沉降观测数据统计

随着沪宁城际铁路工程进度的开展，经过对沪宁城际铁路一至四标长期的沉降观测，得到了路基沉降的数据(表2及图4)。由于沉降板埋设于基底，观测时间较长，86.07%的沉降板观测时间超过3个月，43.96%的沉降板观测时间超过6个月，保证了观测数据的有效性和实用性。

表2 沪宁城际一至四标段路基沉降板累计沉降点统计 个

图4 三标段路基沉降板最大沉降曲线

3.2 数据分析

1)路基沉降板沉降量在0～10 mm的情况占绝大多数，共占83.68%。

2)出现隆起的沉降板数量较多，共占13.93%。分析原因主要有以下几点:①测量误差引起，因二等水准测量误差为±1 mm，对于沉降变形绝对值很小，但波动很大的沉降板，累计沉降在－2 mm以内的基本为沉降观测误差引起;②首期观测高程有问题引起，首期观测值是确定沉降量的标准，初始高程的误差会直接影响所观测沉降板的沉降量;③由于沉降板埋设于路基中线，而埋设沉降板的断面不能用大型机械进行碾压，当周围路基反复碾压以后会造成沉降板附近路基的少量隆起，造成观测数据上出现的隆起现象;④工作基点高程变动，从线路区段纵断面看，连续区域沉降地段很少，多为个别工作基点变化，只有个别地段因工作基点下沉，造成部分沉降板观测数据为负。

4 三点法和双曲线法预测及精度对比

4.1 三点法(固结度对数配合法)［2］

对于线弹性土体，应力定义固结度U，等于应变定义固结度Ut，所以，土体的压缩过程在理论上也被认为符合指数曲线关系。常见的形式有

式中，α，β为与地基排水条件、地基土性质有关的参数，时间t时地基固结度定义为

式中，St为t时刻沉降;Sd为初始沉降;S为最终沉降量。

联立两式可得

即

为求t时刻的沉降，上式右边有四个未知数Sd，S，α，β，由实测的初期沉降时间曲线(S—T曲线)任意选取三点(t1，S1)，(t2，S2)，(t3，S3)，并使t2－ t1=t3－ t2，分别代入式(4)中，可得一联立方程。再依联立方程求出 β，α，Sd及 S。

选取四标段的几个关键断面用三点法进行了沉降预测，结果见表3。

4.2 修正双曲线法［2-3］

对于高压缩性软土来说，其应力应变关系明显呈非线性，因此软土的实际压缩过程也可以按双曲线表示。双曲线方程为

式中，S1，St，S 分别为初始、t时、最终沉降量。

解方程，并令

求参数a

计算最终沉降量S

利用双曲线法对同样的断面进行工后沉降预测，分析结果以及预测精度、相关系数等如表4所示。

4.3 两种模型对比分析

从两种预测模型的结果中可以看出，在观测时间较长时，三点法和双曲线法都能较好地预测高速铁路软土路基的工后沉降。由于实测曲线基本处于收敛阶段，且对所选三点要求尽可能相距较远，才能保证较好的预测精度;还有在软土路堤施工过程中，影响地基稳定性的因素很多，路基施工条件复杂，施工过程中不能保证等速加荷，使得三点法的预测精度稍差。而双曲线法利用最小二乘法计算，把荷载系数引入到了预测模型中，根据预测模型可计算出在不同荷载下测点的预测值，这点与软土地基的施工情况相符合;且由于高压缩性软土应力应变关系明显呈非线性，压缩过程也不一定符合指数关系，对双曲线法进行修正以后可以有效地提高预测精度。软土地基沉降预测必须在软土地基处理完毕，填方已经完成并有一定的预压时间的基础上进行，这就造成了实测数据会存在阶梯状态，采用修正双曲线法预测精度会优于三点法。

表4 双曲线法预测结果

5 结论

本文选取了具有大量软土地区的沪宁城际铁路四个标段的路基进行沉降观测和最终工后沉降预测，分别运用三点法和修正双曲线法进行了预测，分析二者的预测精度并进行对比分析，得到以下结论。

1)影响软土地区高速铁路路基沉降的因素很多，只有布置稳定的沉降监测网并进行严格的沉降监测，才能使监测数据很好地反应实际的路基沉降量。

2)在进行了长期的沉降观测的基础上(一般需要半年左右)，三点法和修正双曲线法都具有较高的预测精度，二者都可用作预测软土地区路基的工后沉降。

3)由于高速铁路软土地区会采取较多的地基处理措施，且在施工过程中也会伴随着地基处理，导致路基施工不能保证等时间间隔以及等速加载，故相比之下修正双曲线法更适合于工后沉降的预测。

［1］ 答治华．京沪高速铁路路基工程设计与施工［J］．铁道建筑，2009(7):1-4．

［2］ 铁道部工程管理中心．客运专线铁路变形观测评估技术手册［M］．北京:中国铁道出版社，2009．

［3］ 闫宏业，刘莉，廖志刚，等．采用改进的修正双曲线法预测高速铁路路基沉降［J］．铁道建筑，2011(12):92-94．