高速铁路线下结构沉降变形预警初探

厉东伟，陈冉丽，徐元坤

(1．中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116;2．石家庄铁路职业技术学院测绘工程系，河北 石家庄050047)

一、引 言

目前，国内外对高铁沉降变形的预警研究并不深入，多数基于“数据处理+判定规则”这一简单的模式。沉降变形的预警核心问题在于判定规则的科学性与合理性。按照陈善雄等提出的理论，一般判定规则包括核心指标、控制性指标、一般指标3个方面［1］。3个指标重要性不同，预警系统采用的判别模式就要考虑到各方面的因素。

二、一般预警机制

参考《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)［2］、武广客运专线、合福新建客运专线等规范，以及工程实际对沉降变形评估的有关要求、规定后，总结出一般高速铁路线下结构沉降变形预警的几个指标:

1)在路基和桥梁评估中，当主体工程完工后，观测期大于3个月且沉降波动幅度在3．0 mm之内、沉降增量在±2 mm之内、最后4次(且观测时间不少于一个月)观测数据未出现连续下沉现象时，认为符合要求。

2)根据实际荷载情况及观测数据，作回归分析及预测，综合确定沉降变形的趋势，曲线回归的相关系数不应低于0．92。

3)对于按前述标准评估仍不能通过的测点，在主体工程完工后，在观测时间不小于3个月的时间范围内，沉降曲线总体呈现为收敛状水平发展趋势，则认为该测点通过评估，不予曲线拟合，但必须继续观测验证。

4)测点当前沉降量与预测最大沉降量比值大于75%。

5)静定结构相邻墩台工后沉降量之差，对于无砟桥面桥梁不超过5 mm。

6)同一断面的预测最终沉降值与设计沉降值之差不宜大于10 mm。

7)各断面工后沉降不大于15 mm。

从以上几个指标可以看出，对于高速铁路线下结构沉降变形预警来说，应该从单点沉降变形预警和不均匀沉降变形预警两个方面进行研究。

三、单点沉降预警

单点沉降变形的预警主要是指对任意观测断面的沉降观测点发生的工后沉降的预警，从时间上来说包括了无砟轨道铺设完成及运营期两大时间段的预警。对于监测的时间来说，一般高速铁路的运营期为100年，不过在预警时不可能直接采用这一时间段，可行的方法是按照自然年的周期进行监测和预警，同时要对已发生的沉降计入预警过程中去。

而对于单点沉降实际发生的形式来说可以分为两种:一种是突发沉降，短时间之内可能造成比较大的有破坏性的沉降;另一种是缓慢的发生沉降，如按照其发展趋势，在一定时间内将超过《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)要求的限度。

单点突发沉降在工程中是普遍存在的。如工程现场的地质构造比较差，如红壤土、地下溶洞等不利的地质条件，或者是突发洪水、持续暴雨等因素可能会发生高速铁路线下结构的工后的突发较大沉降。因此在洪水、持续暴雨时，预警自然要启动，而对于那些不易观测到的因素所引起的突发沉降将需要通过工后沉降监测来预警。按照路基沉降观测频次表，可以发现工后一年的正常观测数为7次，见表1。而《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)对工后沉降的要求为不超过15 mm，因此按照自然年的周期来分析，工后沉降监测时，其前后两次的沉降量差值的绝度值应该小于2 mm。

表1 路基工后一年的正常沉降观测数

相对于单点突发沉降，缓慢的工后沉降对高速铁路运行的影响小得多，但是如果不对其进行监测预警，一旦达到一定的趋势就会对高速铁路造成严重的后果，因此其沉降发展趋势需重点监测的。因此笔者采用15组沉降数据在恒载的情况下到达沉降稳定的沉降量，同时按照不同的时间周期，如日、周、月及年分别计算其沉降量，见表2。

从表2中可以发现1号、6号、8号、9号和13号年沉降量超过了15 mm，其沉降发展趋势如图1—图5所示，其中虚线为沉降线性趋势。

表2 恒载期到沉降稳定不同时间尺度下的沉降量

图1 路基工后沉降超标趋势1号图

图2 路基工后沉降超标趋势6号图

图3 路基工后沉降超标趋势8号图

图4 路基工后沉降超标趋势9号图

图5 路基工后沉降超标趋势13号图

同时选取1组未超标的工后沉降趋势图，如图6所示。从图1—图5与图6的对比中，可以看到超标各组的线性趋势是比较明显的，如果进行量化指标可以将15 mm按表2的形式量化，见表3。由此可以得出当按周为周期来监测时其预警值应该为0．3 mm，如果按月为周期其监测预警值为1．2 mm。

图6 路基工后沉降趋势2号图

表3 工后沉降一年期量化指标

四、不均匀沉降预警

工后的不均匀沉降不仅破坏了乘车的舒适性及行车的平顺性，而且使车辆无法快速行驶，严重的甚至造成安全事故。然而目前不均匀沉降指标的研究比较少，其预警也很少有研究。

根据《客运专线无柞轨道铁路设计指南》及《新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定》，同时借鉴德国对于路基不均匀沉降限值的控制方法，我国无砟轨道路基工后不均匀沉降有如下要求:调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足式(1)

式中，Ra为轨面圆顺的竖曲线半径，单位为m;VE为设计时速，单位为km/h。

由此可以得到不均匀沉降的第一个预警指标，如对于300 km/h的客运专线来说，轨面圆顺的竖曲线半径应大于36 000 m。

原铁道部科技司在《新板式轨道线路的土工结构—实施的原则和建议》中认为，从保证舒适度出发，产生不均匀沉降形成的曲线要满足式(1)的同时，另外其不均匀沉降量应满足

式中，ΔS为不均匀沉降量;ΔL为竖曲线弦长。

由此可以得到对于300 km/h的客运专线来说，50 m长的轨道基线的最大不均匀沉降量为17 mm。同时采用上一节的预警方法可知相邻沉降观测点在当次观测期内的沉降量的绝对值大于2．4 mm时，不均匀沉降预警应启动;而相邻观测点持续性的不均匀沉降量预警阈值采用达到最大不均匀沉降量的75%，由此可以得到该预警值应该为13 mm。

五、结 论

通过《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)和工程现场的经验总结，对高速铁路线下结构工后沉降变形预警作了分析和研究，并得出了一些结果，具体来说有以下几点:

1)沉降变形预警的核心指标为工后沉降不大于15 mm。

2)通过对恒载期沉降变形的趋势研究，得出:对于独立的沉降观测点的缓慢的工后沉降预警值，当按周为周期来监测时其预警值应该为0．3 mm，如果按月为周期其监测预警值为1．2mm。

3)工后沉降监测时，对于线下结构的单独沉降观测点突发沉降来说，其前后两次的沉降量差值的绝度值应该小于2 mm。

4)对于300 km/h的客运专线，其工后不均匀沉降中的轨面圆顺的竖曲线半径应大于36 000 m。

5)对于300 km/h的客运专线，50 m长的轨道基线的最大不均匀沉降量为17 mm。相邻沉降观测点在当次观测期内的沉降量的预警值为绝对值大于2．4 mm;而相邻观测点持续性的不均匀沉降量预警值应为13 mm。

［1］ 陈善雄，宋剑，周全能，等．高速铁路沉降变形观测评估理论与实践［M］．北京:中国铁道出版社，2010．

［2］ TB 10601—2009高速铁路工程测量规范［S］．北京:中国铁道出版社，2009．