高速铁路桥梁基础工后沉降问题研究

涂 浩，杜海若，修志杰

（西南交通大学 机械工程学院，1.硕士研究生，2.副教授，四川 成都 610031）

高速铁路具有快速、高舒适度和高密度连续运营等特点，要求轨道线路具有较高的平顺性。桥梁在整个线路中占的比重往往很大，且桥梁基础的工后沉降直接影响轨面高程变化，危害铁路线路平顺性。因此，控制桥梁基础的沉降，已成为高速铁路桥梁建造的关键问题之一。

高速铁路桥梁基础工后沉降研究的关键问题，主要包括沉降变形观测方法、工后沉降计算方法、预测模型的研究以及列车动载荷的影响。从目前研究资料来看，对这4个关键问题的研究并不多，且研究内容不全面、计算理论不成熟，均滞后于工程实践需要。面对方兴未艾的高速铁路建设，保障工后沉降在容许范围内以保证线路高平顺性，对工后沉降关键问题还有待进一步深入研究的必要性。

1 观测方法

在施工阶段，通过准确可靠的观测方法可以得到沉降监测数据。这对后期预测工后沉降准确性和验证工后沉降理论计算方法可行性相当重要，获取准确的观测数据，需要靠科学有效的监测及数据管理方法作为保障。因此，开展高速铁路桩基沉降变形观测方法的研究，以提高监测数据的精度和有效性，对研究控制工后沉降具有重要作用。

1.1 行业规范制定高速铁路桥梁工程沉降观测方案，进行工程测量时，应符合国家行业标准。对桥梁沉降变形观测点布置、观测精度、观测频次所涉及的标准有《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》；对桥梁独立平面坐标系统、GPS平面控制测量作业技术要求、导线测量应符合《客运专线无砟轨道铁路工程测量技术暂行规定》中对桥梁测量的规定。

1.2 监测方法高速铁路桥梁基础工后沉降监测对精度要求较高，整个监测周期长达数年甚至更久，对监测方法和技术提出了较高的要求。线路不同决定了观测方案的不同。现研究主要涉及结合具体某段高铁线路，制定沉降变形观测具体实施技术，包括基点（水准基点和工作基点）布设方法、基点复测、观测点布设、水准路线图、桥墩基础观测系统整体布置方法以及所要满足的技术标准和观测作业要求等方面。

观测仪器的选用，在一定程度上决定了观测精度和数据质量。高速铁路桥梁沉降主要采用精密水准观测方法，仪器多为精密水准器，配合铟钢尺。但这种监测方法在一定程度上不能满足工后沉降监测要求：一是沉降观测点和基准点很容易受到外界扰动影响，稳定性较差；二是观测方式、气候条件的略微差异对观测精度影响较大；三是观测工作量大且精度达不到要求。

选用稳定性更好、精度更高的仪器，或者多种仪器配合验证补充以提高观测精度值得我们进一步研究。已有研究者将静力水准监测方法引入到桥梁基础沉降监测中，与精密水准联合监测桩基沉降〔1〕，工程实践也证明这种方法提高了观测精度，可以为其他研究者所借鉴。

1.3 数据管理高速铁路沉降观测是一个工序严格的过程。沉降观测数据是复杂的、海量的，且数据的有效性、准确性直接关系着对工后沉降的计算及预测，关系到合理的铺轨时间。没有一套对数据进行合理的质量控制和管理就难以确保数据的有效性，难以保障高速铁路的顺利建设。

建立完备的高速铁路沉降监测体系，需要多个领域的技术知识和多方单位的协调配合。涉及到观测前期工作管理、观测辅助资料管理、外业监督管理、沉降数据质量审查、外业抽检控制以及数据数据质量管理方法〔2〕等多个方面。在多方单位的配合中，要职责分明、反馈及时，严格按照沉降观测方案实施观测。

2 工后沉降计算

铺轨工程施工后基础设施产生的沉降量〔3〕称为工后沉降。据此桥梁基础工后沉降等于基础设施的最终沉降量与至铺轨完成时的沉降量之差。随着高速铁路的发展，对工后沉降的要求越来越高。研究和探讨工后沉降计算方法、计算因素，对行车安全、舒适度以及工程造价和日后的维修养护具有重要的理论和现实意义。

2.1 计算方法在恒定载荷作用下，桥梁基础工后沉降主要构成部分是蠕变变形。对现有研究资料分析，沉降计算研究的思路和方法，大致概括为以下3种：

1）选用蠕变模型描述地基土的蠕变行为，应用解析和数值分析方法计算桩基础的工后沉降；

2）采用弹性理论、修正载荷传递法和剪切位移法计算桩基总沉降，结合实际加载情况对固结公式进行推导，计算出桩端土层在任意时刻的固结度和沉降；

3）在考虑饱和软土的循环累计塑性变形和循环累计孔压模型基础上，建立静载和循环载荷在复合桩基工后沉降的计算方法。

这些研究资料也分别通过工程实践进行了比较，理论计算结果与实测沉降-时间曲线总体上吻合，验证了计算方法具有一定可行性与合理性，但这些研究只是考虑了某种主要沉降特性，未考虑地基土物质组成、结构复杂，以及施工过程桥梁基础的成形工艺和布置方式的差异性等因素，有必要结合实际加载情况、实测数据对计算方法加以修正，才更为合乎实际沉降过程。

2.2 计算因素计算桩基工后沉降的一个关键因素是选取地基土体参数，但由于土体物质组成、结构复杂，在实际工况条件下，受载荷、地下水等动态因素的影响，土体参数处于动态演化中。在计算工后沉降时，目前的一些研究也多未考虑土体参数的动态变化，只是以室内试验获取参数来计算，这在一定程度上影响了工后沉降计算的准确性。探讨研究确定合理的地基土体参数，对于提高桩基工后沉降计算准确性及计算精度相当重要。

利用直接位移反分析法来反演参数是一种可行的方法，已有研究者根据轨道铺设前观测的桩基沉降值和理论模型，计算桩基沉降误差建立目标函数，运用坐标轮换法分组迭代反演土层的弹性变形模量、蠕变阶段变形模量和粘性系数、渗透系数这几个主要参数，并对基于反演参数的计算沉降、基于室内试验参数的计算沉降与现场观测沉降进行了比较，结果基于反演参数的计算沉降与现场观测沉降更为吻合〔1〕。

土体参数很多，反演的土体参数多，会使计算工作量成倍增加，反分析解的精度降低，甚至唯一性难以保证。因此，从实际出发，确定以哪些土体参数来作为反演参数至关重要。这还有待我们进一步通过试验计算来确定。

3 预测模型

桥梁基础沉降过程是一个承台与桩、桩与地基土之间相互影响的过程。不同铁路线路地基土的性质不同，所承受的荷载水平也存在差异，以及具体的桥梁基础的成型工艺和布置方式的多样性，使得现有分析方法所计算的沉降结果与实测值存在明显差异，计算精度不能满足沉降控制要求，难以应用到工程实践中。在工程应用中往往采用根据沉降-时间（S-t）实测数据来预测工后沉降。

根据不同时间测得的实际沉降值形成数列，对沉降与时间数据的内在动态规律进行研究，选取能描述内在规律的预测模型和模型参数，从而预测未来沉降量。沉降预测方法的关键是建立合理的预测模型。预测模型分为单项预测模型和组合预测模型，其中单项预测模型研究集中在GM（1，1）模型和全过程预测模型。

3.1 单项预测模型

3.1.1 GM（1，1）模型 灰色模型简称GM模型，提供了在信息部分不清楚或不确定情况下求解系统问题的新方法。在岩土工程有关变形问题中广泛应用的是GM（1，1）模型，其计算量小、原理清晰。采用经典GM（1，1）模型进行预测，随着时间推移，预测精度会越来越低，这主要是由于桥梁基础沉降观测是一个时间长、观测周期非等距、土层参数动态变化的过程。经典GM（1，1）模型只能作为短期预测方法，开始预测阶段吻合较好，随着时间的推移发散较快，不能适用中后期预测精度需求。为满足长期预测的精度要求，发展了非等步长变系数GM（1，1）模型〔1〕、新陈代谢GM（1，1）模型〔4〕。这些改进的GM（1，1）模型与实际沉降更为吻合，预测的准确性更好，具有较好的实用性，能有效缩短工期、降低造价和提高工程质量。

3.1.2 全过程预测模型 在工程实践中，为了尽可能地反映整个过程中沉降量与时间关系，广泛采用全过程预测模型。但全过程预测模型中的Logistic、Von Bertalanffy和Gompertz模型只能描述一种特定形状的S曲线，有着固定的拐点，结构上存在不足〔1〕。为改善这些问题，引入Richars模型到桩基沉降预测，它不仅能演变为上面3种模型，预测在载荷稳定条件下主固结期间的沉降，也能描述沉降从发生、发展、成熟到稳定整个呈S型变化规律过程，具有较好的拟合性和预测精度。

3.2 组合预测模型在某一阶段或全过程中桥梁基础沉降过程比较复杂，地基土层性质动态变化、施工工序多样。这些因素使得在某阶段可能不仅发生线弹性沉降，也含有主固结沉降和蠕变沉降，如果采用单项预测模型，只考虑其中某种沉降特性，显然难以描述这个阶段或全过程的沉降变化规律，难以保证沉降预测准确性。选取能反映不同沉降规律的单项预测模型，研究如何将这些单项预测模型有效组合，改善预测精度和适用性十分必要。

组合预测方法提出以来，由于其提高预测精度、改善预测模型拟合能力，在土木工程领域得到广泛应用发展，但在高速铁路桥梁桩基工后沉降预测上研究应用还较少。组合预测方法关键是各个单项预测的权重。确定权重的方法较多，有基于相关系数的最优权重法、基于相关系数确定权重法、方差倒数法、最小二乘准则下最优组合预测法〔5〕等，其中最小二乘准则下最优组合预测法效果较好，可作为首选预测模型，基于相关系数的最优权重法为次选模型。其他研究者在应用组合预测方法时，也要遵循相应的原则步骤〔5〕。高速铁路桥梁基础沉降预测对精度要求越来越高，发展组合预测模型，提高预测拟合度，具有现实意义和理论意义。

4 动载影响

高速铁路桥梁在运营期间，长期承受来自列车的循环动力载荷，且高速列车轴重较小，运营速度快。当高速列车经过桥梁时，列车动力载荷通过梁、支座、墩或台传递到基础上，其衰减显著；由列车动力载荷引起的加速度、动位移值较小，不足以引起动力累计沉降。在桩端持力层较好的情况下，软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由于高速列车运营的反复荷载作用对桩基工后沉降和竖向承载力的影响〔6〕。

5 结束语

高速铁路飞速发展的同时，对线路的平顺性要求越来越高。线路的平顺性关系到运输安全和旅客舒适度。桥梁基础工后沉降的研究滞后于工程实践需要，在一定程度上也影响高速铁路发展大局。高速铁路桥梁基础工后沉降观测方法、工后沉降计算方法、预测模型这些关键问题的研究是控制工后沉降的理论实践基础，有待进一步深入研究，不断提高计算精度和预测精度，从而控制工后沉降，提高线路的高平顺性，满足高速铁路发展需求。

〔1〕杨奇.高速铁路桥梁桩基础变形性状试验与工后沉降研究〔D〕.长沙，中南大学，2011.

〔2〕陈超，张献州，尚金光.高速铁路沉降观测数据生产过程质量控制与管理〔J〕.高速铁路技术2011.2（5）：25-29.

〔3〕TB10621-2009 高速铁路设计规范〔S〕.北京：中国铁道出版社，2009

〔4〕蔡君君，王星华.高速铁路桥梁群桩基础工后沉降的计算与预测〔J〕.铁道勘察与设计2008.6：29-34

〔5〕冷伍明，杨奇，聂如松，岳健.高速铁路桥梁桩基工后沉降组合预测研究〔J〕.岩土力学2011.32（11）：3341-3348.

〔6〕蔡华炳，文望青，薛照钧，冷伍明，杨龙才.软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究〔J〕.铁道标准设计2005（11）：34-37.