高铁波浪状地形路基间过渡段沉降特性与控制效果

陈宏伟，徐林荣

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

工后沉降控制是深厚软土地区高速铁路建设的关键技术之一。沪宁城际高速铁路客运专线，设计时速300 km/h以上，采用无砟轨道。沪宁城际铁路地处长江三角洲冲积平原，沟河纵横，水网密布，沿线分布较多鱼塘、沼泽、沟渠，区域内多为软土地层，分布广且淤积深，全线累计约有78 km软土地段，且路基比例高达34.66%，软土纵向分布不均，原始地面呈波浪状起伏，对路基的工后沉降控制极其不利。在这种波浪状地形上修筑高速铁路路基，路堑与路堤紧密相连，存在挖填交界面。路堑段地基土性能较好，路堤段存在较厚的软土层，软土在纵向层厚变化较大，地基不均特征明显。为此，有必要设置一定长度的过渡段，本文将这种过渡段称为波浪状地形路基间过渡段。在平原水网深厚软土地区修建高速铁路，不可避免地遇到路桥(涵)过渡段，软土地基过渡段由于两侧土性和地基处理方式的差异，容易产生不均匀工后沉降［1－2］，工后沉降超限将影响轨道的平顺性［3－4］。

国内外学者对过渡段差异沉降的研究主要集中在路桥过渡段［5］、半填半挖横向过渡段［6］、不同岩土组合路基过渡段［7］、路堤路堑过渡段［8］、路堤与横向结构物(立交框构、箱涵)过渡段［9］、隧路过渡段及桥隧相连地段刚性过渡段等［10－13］。虽然许多研究成果已在工程中成功应用，但由于波浪状地形路基间过渡段具有连续起伏、下伏软土分布不均以及水网密布的特殊性，其沉降控制机理尚不明确。因此，有必要开展此类过渡段沉降控制方面的研究，有针对性地进行地基处理，使轨道基础刚度与沉降平缓变化，最大限度减少差异沉降和工后沉降。

1 现场试验

1.1 试验段概况

现场测试选取3个断面，里程及典型地质剖面如图1所示。

图1 波浪状地形路基间过渡段剖面图Fig.1 Transition section cross－ sectional view of wavy terrain subgrade

试验段地形表面起伏不平，路基面宽13.4 m，线路为双线，为减小路堤本体和软土地基的工后沉降，采用梯形断面，路堤边坡坡率1∶1.5，且每侧加宽0.3 m，线间距 4.8 m，路堤填土高 2.25 ～3.16 m。地基土物理力学指标见表1。

DK80+805断面(1号)为半填半挖横向过渡段，DK80+835断面(2号)为路堤路堑过渡段，DK80+935(3号)断面为路堤。根据地层情况采用了不同的地基处理方式。1号断面未做地基处理，采用中粗砂垫层内设双层双向土工格栅。路堤设计高度为2.1 m，填土采用改良土，未进行填土预压。2号断面(桩长8 m)和3号断面(桩长16.5 m)断面采用CFG桩－网复合地基，桩径0.5 m，桩距1.8 m，正方形布置。褥垫层厚0.5 m，内设置双层双向土工格栅。路堤设计高度为2.25 m，填土采用A、B填料，预压填土高度为3 m，预压3个月。

表1 试验断面地基土物理力学指标Table 1 Physico－mechanical indexes of test section sub soil

1.2 测试方案

典型复合地基测试剖面如图2所示。综合采用沉降板、分层沉降管和单点沉降计3种测试方法。沉降板测试地表总沉降，在左路肩、右路肩和路基中央的筏板顶面分别埋设1个沉降板;分层沉降管埋设于路基中央，磁环分层间距为2 m，埋设至深入持力层4 m，分层沉降管由多个单点沉降单元与PVC管串接而成，测量分层土体与相对不动层之间的位移，即所在土层的地基土压缩量;桩长位置的单点沉降计测试数据为加固区桩间土的压缩量，持力层的测试数据为桩间土的总压缩量，在桩长位置和深入持力层分别埋设了2个单点沉降计。

图2 复合地基测试剖面图Fig.2 Test profile of composite foundation

2 测试结果分析

2.1 单点沉降计与沉降板测试结果对比分析

单点沉降计与沉降板测试结果见图3～5。3个测试断面的单点沉降计显示沉降量随时间及荷载的增加而增加。2号和3号断面沉降速率在超载预压初期明显变大，在间歇期间变小，进入恒载期后，沉降曲线逐渐变缓，虽略有回弹，但沉降逐渐趋于稳定。2号断面以预压土卸载时间点为界，测点前180 d的沉降累积最大值为24.25 mm，后120 d回弹了2.63 mm。3号断面路基中心处加固区沉降为28.48 mm，下卧层土体沉降值为10.84 mm。

从路基横断面来看，路肩沉降量大于路基中心，形成了横向不均匀沉降，横向最大差异沉降发生在3号断面沉降差值为3.62 mm。最大沉量1号断面为27.24 mm，2 号断面为26.53 mm，3 号断面为39.32 mm。

由于沉降板位于褥垫层之上，受环境影响和施工干扰，曲线波动剧烈。沉降板测试结果理论上应为褥垫层顶面沉降量，各断面沉降随荷载的增加和稳定而呈现出较为规律的增加和稳定过程，填筑过程中，沉降曲线变化幅度加大，沉降速率较大，荷载稳定之后，沉降曲线虽波动较大，但总体趋势平稳。

2.2 分层沉降测试结果分析

在3个对比测试断面路基中部均埋设1根分层沉降管，1号和2号断面分层沉降管在路堤填土施工时被破坏，无法测试。3号断面分层沉降管测试结果如图6所示。

图3 单点沉降计与沉降板测试结果(DK80+805)Fig.3 Test results of single － point settlement and settlement plate count(DK80+805)

图4 单点沉降计与沉降板测试结果(DK80+835)Fig.4 Test results of single － point settlement and settlement plate count(DK80+835)

图5 单点沉降计与沉降板测试结果(DK80+935)Fig.5 Test results of single － point settlement and settlement plate count(DK80+835)

由测试结果可知，填筑初期，各磁环的沉降曲线形状相似，沉降速率差别不大;进入恒载期，随着时间的增加，深层处的部分磁环沉降已经开始稳定，而表层的磁环易受干扰，所以仍然表现出一定的波动。3号断面为路堤，地基土性质较差，经过CFG桩－网复合地基处理后，其沉降得到有效控制，表层磁环沉降量值大于沉降板，与单点沉降计相同深度的磁环沉降量要大于单点沉降计测试结果。

图6 分层沉降管现场测试数据(DK80+935)Fig.6 Field test data of layered settlement gauges(DK80+935)

2.3 路基间过渡段沉降规律分析

综合分析沉降板、单点沉降计和分层沉降管测试结果，1号断面的沉降量最小，3号断面沉降量最大，1号和3号断面铺轨前最大差异为12 mm，在纵向上的比值为1∶10 834，说明整个过渡段纵向沉降差值很小，通过CFG桩－网复合地基对该路段进行地基处理，保证了线路平顺过渡。

各断面横向沉降分布呈现出路肩沉降大于路基中心沉降的规律，铺轨前的横向差异沉降为4～9 mm。

由于CFG桩往上刺入褥垫层，往下刺持力层，单点沉降计及分层沉降数据明显大于沉降板测试数据。综合对比沉降板、单点沉降计和分层沉降磁环3种观测数据，认为沉降板测试数据作为工后沉降推测数据，并以此确定铺轨时间较为合理。

3 工后沉降影响因素分析

3.1 构造评价层次结构模型

对工后沉降超限路段(DK80+847～DK81+126)进行分析，根据软土路基沉降机理［10］，对工后沉降不利影响因素进行分析，通过现场调查和对比分析将影响高速铁路工后沉降的主要因素指标可以划分为外在因素、沉降监测、路堤结构、路堤填料、地基处理、施工方法以及地基土层等6类，在具体综合分析工后沉降影响因素过程中应根据工程设计、施工及运营情况对这些技术指标进行选择。采用层次分析法［14］，以发生工后沉降超限为目标建立层次结构模型如图7所示。

图7 工后沉降主要影响因素评价层次结构图Fig.7 Hirerarchy structure for evaluation of the main factors of settlement after construction

利用层次分析法基本原理，对工后沉降影响因素建立综合评价指标(O):外在因素指标(P1)，可从周边施工(X11)等进行分析;沉降监测指标(P2)，可从监测精度(X21)等进行分析;路堤结构指标(P3)，可从路堤填料(X31)等进行分析;地基处理指标(P4)，可从处理方法(X41)等进行分析;施工方法指标(P5)，可从施工顺序(X51)等进行分析;地基土层指标(P6)，可从土层参数(X61)等进行分析。

3.2 单项指标权重确定

3.2.1 构造判断矩阵D

运营期间高速铁路工后沉降影响因素指标层Xij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)对准则层 Pi(i=1，2，…，n)的重要度，可得出比较标准［14］。采用 Delphi法，得出各因素之间两两对比的相对重要性见表2。

表2 比较标准意义Table 2 Meaning of compare standard

采用Delphi法，得出各因素之间两两对比的相对重要性见表3。

表3 各因素相对重要性Table 3 Relative importance of each factor

按照层次结构模型，构造判断矩阵D:

3.2.2 各单项指标对D的权重计算

判断矩阵中每行元素乘积为Mi:

对向量进行正规化，可得到各元素对判断矩阵D的权重为:

3.2.3 一致性检验分析

利用以下方法对判断矩阵进行一致性检验:

式中:λmax为判断矩阵最大特征值;CI为判断矩阵D的一致性检验指标;CR为随机一致性比率;n为判断矩阵的阶数;RI为平均随机一致性指标。当CR＜0.1时，判断矩阵D满足一致性要求，否则需要重新构造判断矩阵，直到满足一致性要求。平均随机一致性指标如表4所示。

3.3 综合权重的计算

高速铁路工后沉降影响因素层次结构图中指标层各评价指标Xij相对于目标层O的综合权重可由各单项权重Wi进行组合得到。

表4 判断矩阵的随机一致性指标Table 4 Random consistency index of the judgment matrix

准则层P对目标层O的权重为:

指标层X对准则层P的权重为:

式中，j=1，2，…，m，若 Xij不受 Pi支配，则权重为0，可得指标层各因素指标Xij对目标层高速铁路工后沉降超限O的综合权重为:

综合权重向量为:

3.4 模糊综合评价

利用模糊变换原理和最大隶属度原则将高速铁路工后沉降各相关影响因素做模糊综合评价。建立互不相交的模糊综合评价子集U:

将影响高速铁路工后沉降的各因素划分为:正面影响较大v1，正面影响较小v2，基本没有影响v3和负面影响较小v4、负面影响较大v5等5个等级，建立备择集V及相应分数集X:

利用Delphi法，引入升降半梯形方法建立指标隶属度函数u(x)，则评价因子对vk的隶属度函数为:

评价因子对vk+1的隶属度函数为:

根据以上分析，但权向量W和评判矩阵R已知时，便可以进行模糊综合评价:

对B进行归一化处理，得B'，则模糊综合评价结果为:

式中，γ为方案综合属性值;V为按评语等级求得的中位数。

3.5 分析结果

根据图7，利用Delphi法求得判断矩阵D，由各因素相对重要性(表3)结合式(4)～(8)，可得λmax=6.17，CI=0.034，由表4 可知，当 n=6 时，RI=1.24，CR=CI/RI=0.027 ＜0.1。所以判断矩阵满足一致性要求。经过模糊综合权重计算，可得一级因素:外在因素、沉降监测、路堤结构、路堤填料、地基处理、施工方法以及地基土层的相对权重为(0.109 1，0.053 2，0.226 3，0.276 1，0.261 0，0.074 1)。同理可得一级因素集(周边施工、震动影响、地质环境)等的相对权重。建立指标隶属度函数并进行模糊综合评价，进行归一化处理，可得工后沉降的影响因素从重到轻依次为地基处理、土层特性、路堤结构、施工方法、外在因素和沉降监测。

4 沉降控制效果

4.1 工后沉降预测

根据沉降观测数据对比分析结果，选用沉降板观测数据进行理论分析、修正计算，利用三点法、双曲线法、Asaoka法和GM(1，1)法等7种方法进行工后沉降预测，预测结果平均值见表5。

表5 工后沉降推测值Table 4 Estimated value of the settlement after construction

波浪状地形路基间过渡段需要严格控制工后沉降和不均匀沉降。理论计算方法计算工后沉降，难以反映土体的实际受力状态且存在较多不确定因素，计算结果与实际工后沉降量往往存在较大差异。

由预测结果可知，各测试断面的工后沉降均小于15 mm，满足高速铁路路基工后沉降控制要求。

4.2 轨道纵向平顺性

无砟轨道工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足以下表达式要求［15－16］:

式中:Rsh为轨面圆顺的竖曲线半径，m;Vsj为设计最高速度，km/h。

沪宁城际铁路列车设计速度为300 km/h，最小的沉降曲率半径为3.6×104m。

沉降对线路的影响主要来源于差异沉降造成的线路纵向波状起伏，假定某一段地面沉降所造成的下降曲线为一段圆弧，其曲率半径可由下式求得:

式中:L为弦长，即地面下降宽度，m;ΔS为弧高，代表一定时间内的最大差异沉降量，m。

根据工后沉降的预测结果可知:1号断面和3号断面工后差异沉降为2.05 mm，代入式(21)可得沉降竖曲线曲率半径为1 030 487.8 m，远远大于运营速度为300 km/h的线路最小沉降曲率半径36 000 m的要求。

4.3 线路纵坡

由于沉降的空间差异，线路上两点之间的地面坡度变化按下式计算:

式中:ΔS为地面两点沉降差，m;L为地面2点直线距离，m。

波浪状路基间过渡段2和3号断面相距100 m，工后最大差异沉降为2.11 mm。该路段设计坡度为 0.4%，规范要求不小于 0.2%且不大于2%［15］，差异沉降对线路纵坡有所改变，由差异沉降产生的最大沉降坡度和现有的坡度相互叠加、拟合，能满足列车的运行要求。

4 结论

1)采用单点沉降计、分层沉降磁环、沉降板监测技术，揭示了沪宁城际软土路基沉降变形规律，提出了相应的路基沉降计算和预测方法，为及时确定铺轨时间提供了依据。

2)深厚软土地区高速铁路工后沉降的主要影响因素主要有地基处理、土层特性、路堤结构、施工方法、沉降监测和外在因素等。

3)整个过渡段的差异沉降较小，针对过渡段不同的地基土特性采用相应的地基处理方法保证了线路平顺过渡。

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