软基高铁TQI与路基沉降对比研究

路良恺，徐林荣

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



软基高铁TQI与路基沉降对比研究

路良恺，徐林荣

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要：TQI超限可反映轨道几何形态差异过大，由此可说明线路平顺性不足，高铁运营安全及舒适性面临威胁。现有研究未阐明软土路基沉降与TQI超限是否存在对应关系，导致无论采用控制TQI或沉降指导软基高铁养护维修，均存在模式难以统一的问题。为探究此问题，科学指导养护管理，采用数理统计的方法对沪宁城际高速铁路运营期间TQI与路基沉降数据进行对比研究。研究结果表明，路基沉降与TQI超限关联性较高，多数路基沉降超限区段被包含于动检TQI超限区段中；在TQI各类单项指标中，高低、三角坑及水平指标与路基沉降间相关性较为显著，并分别与之呈现出线性相关关系。经分析，建议工务部门在以TQI作为软基高铁养护维修主要参考标准的同时，强化单项指标的分析并对高低、水平、三角坑单项指标较大或超限的路基区段进行沉降观测，确定沉降量是否过大，以便结合两者最不利情况，合理制定维修计划。

关键词：软基；高速铁路；TQI；路基沉降

当前，随着我国高速铁路事业的快速发展，我国高速度、高密度的高铁运输组织方式与线路养护维修的矛盾日益突出。轨道作为直接与车轮接触的基础结构，其平顺状态会显著影响列车振动及轮轨作用力，对行车安全性与舒适性十分重要[1]。目前，我国通常采用轨检车对高速铁路轨道平顺状态进行检测，并根据检测结果对线路进行维护调整[2-4]。TQI(Track Quality Index)作为动态检测中评定轨道平顺状态的主要指标，能够反映检测区段轨道状态的改善和恶化程度，帮助工务部门了解线路平顺状态的变化情况，因此通常被作为线路宏观管理和质量控制的依据，指导养护维修作业[5-8]。近年来随着TQI预测研究的深入，已能通过数学模型有效预计轨道不平顺的发展与变化趋势，为制定养护维修周期，合理安排机械作业提供了相关依据[9-11]。对于软土地区的高速铁路，路基易由于地基变形而产生较大的沉降[12]。因此，在软土地基高速铁路的养护维修工作中，工务部门需要采用TQI控制与路基沉降控制并举的检修模式。然而现有研究并未阐释TQI与沉降间的关系，致使制定检测维修计划时需要分别从控制TQI与控制沉降的角度进行考量，未能将二者有效统一。以沪宁城际高速铁路为例，经检测发现TQI与路基沉降均存在超限问题，倘仅采用动检手段并根据TQI情况划定养护维修的区段，则路基沉降问题难以得到足够的考量，反之亦然；而若同时对全线进行动态检测与沉降观测并分别根据二者信息进行维修，则势必又会造成工作内容多、作业强度大的问题。为此，本文将以沪宁城际高速铁路轨检车动态检测数据以及沉降观测数据为依据，通过数据间的对比研究，探究TQI与路基沉降之间是否存在相关对应关系，为铁路部门日常养护维修提供相关参考。

1沪宁高铁运营期线路检测概况

1.1轨道平顺状态动态检测

沪宁城际高速铁路主要采用综合监测列车对线路平顺状态进行检测，并采用TQI(Track Quality Index)对200 m单元区段内高低(左右股)、轨向(左右股)、水平、轨距、三角坑共5类轨道不平顺进行整体评定，平均每个月对全线或局部线路检测1～2次。根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中的轨道不平顺均值管理规定[13]，沪宁城际高速铁路TQI限值为5 mm，具体参数如表1所示。

表1　250～350 km/h线路TQI管理值

1.2路基沉降监测

沪宁城际高速铁路主要采用精密水准测量的方式对全线路基轨道维护基点沉降情况进行监测，其中路基部分共设置监测断面1 894处。监测过程中水准测量采用矩形环单程水准网并按二等精度及技术要求观测，水准路线布设形式如图1所示。测量基准高程采用1985年国家基准高程。管理标准参照《高速铁路设计规范 TB 10621—2009》执行[14]，以15 mm作为沉降限值。

图1　水准路线布设示意图Fig.1 Schematic diagram of level line

2路基沉降与TQI超限统计

现根据沪宁高速铁路运营期间轨检车检测与沉降观测与情况，选取2011-09-01～2013-09-30间全线38期次动检TQI数据与路基累计沉降量进行整理统计，分析其各自超限情况，统计结果如图1，表2和表3所示。

经统计得出，沪宁高速铁路全线TQI值主要分布在2～5内，其中路基地段共有22.4 km检测段TQI超限，K166，K235和K236等部分地段则存在TQI值多次超限的情况；而路基沉降量则多集中在0～10 mm范围内，其中9处监测断面出沉降超限的情况，超限率为0.47%。

表2　沪宁高铁路基沉降超限断面统计

表3　沪宁高铁路基TQI主要超限区段

图2　沪宁高铁2011-09-01～2013-09-30全线沉降与TQI峰值对比图Fig.2 Comparison chart of settlement and TQI maximum value of the Shanghai Nanjing High-speed Railway between 2011-09-01 to 2013-09-30

对全线路基TQI与沉降超限情况进行对比统计后发现，在TQI超限的区段中，共有12.3%的区段出现路基沉降超限的情况，说明路基沉降对轨道的平顺状态有着明显的影响；而在沉降超限的9个断面中，共有7个断面所处区段存在TQI超限的情况，占沉降超限断面总数的77.8%，而余下2个断面位置所对应的TQI值均达到4以上，可见路基沉降与TQI间存在一定的正相关性。就二者超限区段的对应性而言，虽然两种超限区段并不存在绝对的包含关系，但多数沉降超限区段被囊括在TQI超限区段中。

3路基沉降与TQI单项指标对比

为进一步探究沉降与TQI各单项指标间的对应关系，特选择沉降较大(沉降量超过10 mm)的路段，对其TQI单项指标超限情况进行统计分析，其整理结果如图3所示。

图3　TQI单项指标超限统计Fig.3 Statistics for TQI single index overrun tatio

从图中可以发现，左右高低以及三角坑指标的超限率明显高于其他指标，各自超限率均超过70%；轨距指标的超限率则不足20%，在7项指标中最低。从统计结果不难看出，不同类型的轨道不平顺与路基沉降间的相关程度明显不同。

现采用相关分析的方法对数据整理计算，深入探讨沉降与TQI各单项指标的关系。由于TQI数据呈现指数正态分布[15]，沉降数据分布情况尚不明确，因此统计过程中采用Spearman相关性检验，其分析结果如表4所示。根据假设检验的原理，以P<0.05作为显著性检验标准，可以判断沉降与左轨向、右轨向及轨距指标缺乏显著的相关关系。为此，在随后的回归分析中仅围绕余下的左高低、右高低、水平和三角坑共4项指标进行计算讨论，数据拟合结果如图3所示。从数据拟合结果中可以看出，左高低、右高低、水平和三角坑4项指标与沉降间呈现出线性正相关关系。依据回归系数的大小可以判定，路基沉降与高低指标间的正相关程度最高，而后则依次为三角坑指标与水平指标。

表4　Spearman相关分析结果统计表

图4　路基沉降与TQI单项指标拟合曲线Fig.4 Fitting curve of the subgrade TQI single index and settlement

结合上述分析，路基沉降与TQI的相关性主要集中在高低、水平、三角坑方面上，并且沉降量较大时相应单项指标易出现超限情况，而其余的TQI单项指标则与沉降关联性较小，因此诸如K147等路基沉降超限区段会存在左右高低、水平和三角坑单项指标超限而TQI值未超限的情况。为此，工务部门若以TQI作为衡量软基高铁各路段是否需要维修养护的主要参考标准，则需要在TQI的分析过程中加强对高低、水平和三角坑单项指标的幅值分析，一旦发现动态检测过程中存在左右高低、水平、三角坑TQI单项指标偏大甚至超限的区段，则需要考虑通过水准观测等方法确定是否存在路基沉降过大甚至超限问题，以便充分考量二者最不利情况，合理制定维修养护计划，确保线路安全平稳。

4结论

1)路基沉降与TQI超限关联性较高，12.3%的TQI超限区段存在沉降超限情况，77.8%的路基沉降超限区段存在TQI超限情况；

2)路基沉降与高低、三角坑和水平共3类TQI单项指标间存在明显的相关性，并分别与之呈线性正相关，其中高低指标与路基沉降间正相关程度最高;

3)工务部门若以TQI作为线路养护维修主要参考标准，需要强化单项指标的分析，并考虑对高低、水平和三角坑单项指标较大的区段进行沉降观测，确定路基沉降是否过大，以便结合二者最不利情况，合理制定维修养护计划。

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(编辑蒋学东)

Comparative study on the TQI and subgrade settlement of the high-speed railway in soft soil foundation

LU Liangkai, XU Linrong

(Schools of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:The TQI overrun can reflect the great difference of track geometry. The high speed railway operation safety and comfort are threatened because of the track irregularity. The existing research has not clarified whether there is a corresponding relationship between soft soil subgrade settlement overrun and TQI overrun. Thus, there are two inconsistent railway maintenance method, which causes trouble for the maintenance department. In order to explore this issue and provide scientific guidance for track management and maintenances, the TQI data and the subgrade settlement data of Shanghai Nanjing Intercity High-speed Railway during operating period were compared and analyzed based on the method of mathematical statistics in this paper. The results show that, there is a certain correlation between the TQI and the subgrade settlement, and the TQI overrun sections contain most of the subgrade settlement overrun sections. Among all TQI single indexes, longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index and twist irregularity index are significantly correlated with subgrade settlement. Furthermore, there is a linear positive correlation between longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index, twist irregularity index and subgrade settlement. After analysis, if the TQI was used as major reference standards of for maintenance, the maintenance department needs to strengthen the analysis of TQI single index. When the data of longitudinal level irregularity index, horizontal level irregularity index and twist irregularity index is too large or even exceed the management value in a determination section. Maintenance department should conduct settlement observation in order to determine whether there is a settlement overrun section, and unify the most unfavorable situation of subgrade settlement and TQI to make reasonable maintenance plan.

Key words：soft soil foundation; high-speed railway; TQI; subgrade settlement

中图分类号：U238

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0430-05

通讯作者：徐林荣(1964—)，男，浙江嘉兴人，教授，博士，从事地质灾害防治与预警预报、特殊土路基设计与施工，地基处理和土工合成材料应用研究；E-mail: lrxu@mail.csu.edu.cn

基金项目：铁道部科技研究开发计划资助项目(2012G009-C)

收稿日期：2015-08-02