高速铁路路基沉降变形分析方法与评估实践

张相威

中铁三局集团第二工程有限公司

高速铁路路基沉降变形分析方法与评估实践

张相威

中铁三局集团第二工程有限公司

为了达到快速、安全、舒适的运输要求，必须保证高速铁路路基具有高度的稳定性。但是，在高速车辆冲击荷载和复杂环境的长期作用下，路基的沉降变形是不可避免的，严重危及路基的稳定性和列车的安全运行。因此本文根据我国高速铁路发车密度高、天窗时间点短、维修任务繁重的实际情况，开展了高速铁路路基沉降病害的整治技术研究，以实现高铁线下工程结构病害的早维修、快整治，满足未来高铁线路快速整治修复的需求。

高铁线路；路基沉降；变形控制

1 高速铁路路基特点

与普通铁路路基相比，高速铁路路基主要表现为以下三个特点：高速铁路路基的多层结构系统；控制变形是路基设计的关键在列车、线路这一整体系统中，路基是重要的组成部分。以上特点决定了高速铁路路基工程的复杂性，我们必须分析研究路基工程所处的环境及工作条件，研究土的性质，掌握其变形和强度变化规律。由于列车荷载属交通荷载，其特点为多次重复作用。路基在重复荷载作用下产生累积变形，表现出疲劳的特性。另一方面，路基同轨道结构一起共同组成的这种线路结构是一种相对松散连结的结构形式，抵抗荷载的能力较弱。

2 沉降变形分析

2.1 路基沉降变形机理

在工程建设期间，路基沉降主要分两部分一是路基填方本体的沉降，二是地基沉降。已有的研究成果表明路基填方本体压实度达到规定要求，其后期沉降很小，且沉降大部分在一年之内完成。因此，路基工后沉降控制主要是对地基变形的控制，基底沉降和稳定控制问题十分突出。另外，现阶段我国建成或在建的高铁项目主要集中在经济发达的东部沿海地区，例如沪宁、沪杭等高铁项目均位于长三角冲积平原带。该地区地下分布着大量的软土，且地下水含量丰富，因长期开采地下水和土质松软，地表区域沉降现象较为严重，在某种程度上对该地区高铁路基沉降问题产生重大的影响，因而不可忽律。

2.2 沉降变形表现特点

2.2.1 本体变形

基床有足够的强度，它能抵抗列车荷载产生的动应力而不使基床破坏，能抵抗道碴压入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成，在路基填筑阶段能承受重型施工车辆走行而不形成印坑，以免留下隐患。基床具有足够的刚度，在列车荷载的重复作用下，塑性积累变形很小，能避免形成过大的不均匀下沉而造成轨道的不平顺，增加养护维修的困难。在列车高速行驶时，基床的弹性变形应满足高速走行的安全性和舒适性的要求，同时还能保障道床的稳固。基床具有良好的排水性，能防止雨水浸入造成路基土软化，防止发生翻浆冒泥等病害。在可能发生冻害的地区，基床还有防冻等特殊作用。

2.2.2 区域地面沉降变形

地面区域沉降是指在自然因素或人为因素影响下发生的幅度较大、速率较大的地表高程垂直下降的现象。由于长期超量开采地下水，使得区域地下水位持续下降，并产生等效附加应力效果，导致土层有效应力增加。此时，一方面造成孔隙水压力转嫁于含水层骨架，加大了含水颗粒间的有效应力，使含水层本身排水压密产生弹性变形另一方面，含水层顶底板的粘性土中的结合水产生向含水层的渗流，导致粘性土固结，出现程度不同的塑性变形或永久变形。这便是区域地面沉降变形的基本原理。

3 完善高速铁路路基沉降变形分析

3.1 路基沉降病害整治方案

当路基处于变形的持续发展阶段，需要对路基沉降的根源部位进行强化加固，控制其变形的发展，然后再对轨道结构进行调整，保证线路的平顺性。因此需要对沉降病害进行研究分析，根据其病害特点制定修复方案。 高速铁路路基沉降病害的整治包括两个方面，一是沉降病害产生部位的加固处理，针对地基的加固处理国内外已有比较成熟的技术，本文通过比选选择钻孔注浆加固处理技术；二是路基沉降引起的轨道板标高变化的修复。针对轨道高程变形过大的病害。

3.2 路基沉降整治前期工作

(1)分析勘察、设计、施工资料 详细分析已有的工程勘察资料，掌握沉降区段的地层分布、各土层物理力学性质、地下水位等，查清周边是否有新的可能产生沉降的人为及自然环境条件的变化。必要时分析设计及施工过程中的记录资料，综合分析是否在设计及施工过程存在缺陷而导致进一步存在沉降的可能。(2)调查路基状态及周围环境的实际情况 掌握在运营期间的路基维护情况，是否进行过维修，路基上部结构是否出现破损，是否存在地表水下渗或周边集中降水等导致沉降产生的因素。掌握周边边境的变化情况，包括临近线路的加载、减载，地面排水条件的变迁、气温变化，临近线路的振动施工等。(3)查阅沉降监测资料 掌握线路沉降和不均匀沉降的发展过程，根据监测数据，分析评估沉降变形的变化趋势。

3.3 路基沉降病害整治工艺流程

本章通过对高速铁路路基段 CRTS-II 型无砟轨道和路基结构进行分析，通过模拟基床表层与支撑层的脱空状态，进行列车荷载对上部轨道结构影响的分析。

为了消除路基沉降的根本因素，需要对造成沉降的路基部位进行加固处理，本文的方案是对路基沉降区域的软弱土体进行加固处理，运用花管注浆施工技术。钻孔注浆是借助注浆管向路基沉降部位压入注浆浆液，通过与沉降部位软弱土体的化学胶结作用对路基地基进行加固，同时改善其受力状态，从而提高路基地基部位的承载力。

针对轨道板结构的变形恢复技术，根据现有的技术条件，本文制定了机械抬升与注浆填充相结合的沉降病害整治方案。本文针对高速铁路路基沉降的病害，根据沉降产生的成因制定相适应的技术方案，主要是路基的深层沉降部位加固方案以及恢复轨道结构的变形技术方案。

综上所述，目前国内外对于路基沉降的病害整治还缺乏相对成熟工艺技术，在此背景下本文开展了路基沉降病害整治及其质量检控技术的研究，选定了高速铁路无砟轨道路基沉降病害的整治材料、配套施工设备，设计了符合现场实际应用的病害整治技术方案，制定了相应的施工工艺流程。

[1] 虞先溢. 高速铁路路基沉降变形分析方法与评估实践[D]. 西南交通大学，2011.

[2] 张达生. 高速铁路高填方路基沉降及桥台稳定性分析[D]. 沈阳工业大学，2012.

[3] 徐向春. 高速铁路运营阶段路基沉降变形规律研究[D]. 华东交通大学，2014.