季节性降雨变化对长三角高速铁路路基工后沉降影响分析

崔书珍 ，周金国

(1.重庆工程职业技术学院 地质与测绘工程学院，重庆 402260；2.国家测绘地理信息局重庆测绘院，重庆 400015)

季节性降雨变化对长三角高速铁路路基工后沉降影响分析

崔书珍1，周金国2

(1.重庆工程职业技术学院 地质与测绘工程学院，重庆 402260；2.国家测绘地理信息局重庆测绘院，重庆 400015)

首先对高速铁路路基不均匀沉降影响因素进行了列述分析。利用长三角高速铁路典型路基段沉降监测成果数据及相应监测区域年度降雨时间变化数据，分析了高速铁路路基不均匀沉降形成与路基含水量及年度降雨量变化之间内在联系机理。研究表明：年度季节性降雨导致监测区路堤与地基中含水量增加，从而改变了其内部力学特性引起沉降，使高速铁路监测区路基工后沉降随年降雨变化呈现季节性特征，该结论为铁路路基整治等线路维护工作提供了有益的参考。

铁道工程；高速铁路；工后沉降；季节性降雨；维护监测

0 引 言

截止2013年，我国高速铁路运营里程达1.1万km，居世界首位，大批新的城际铁路或客运专线也正在施工之中。由此带来的高速铁路沉降监测特别是运营期工后维护沉降监测问题已摆在我们面前。2010年，原铁道部运输局下发了“关于发布《高速铁路运营沉降监测管理办法》的通知”文件，要求对高速铁路运营期沉降监测进行规范管理，各高速铁路运营线路维护部门也相继开展了线下沉降监测和精密网复测等相关工作[1]。

目前，国内很多高速铁路修建在经济较发达的华北平原、长三角和珠三角地区。这些地区也是全国区域地面沉降较严重地区，地表降水与地下水位变化会对区域内建(构)筑物的沉降产生一定的影响。相关研究表明，铁路路基不均匀沉降的发生是多种因素综合作用的结果。其中，内因在于路基本身，外因是车载、地下水及自重作用。铁路路基中地下水的动态特征及地表降雨对路基不均匀沉降影响很大。路基中地下水主要补给来源有3种类型，即地下水纵向补给、降雨实给和地表水侧向补给。其动态变化及潜蚀作用影响到土体中的有效应力分布、土体的结构特征和土体强度，从而导致路基的不均匀沉降[2]。长三角地区是目前中国经济最发达地区，也是高铁网最密集地区。地区年度地表降雨呈现季节性特征，其降雨量变化势必影响区域内运营高铁路基的工后沉降。以长三角高铁网运营期典型路基沉降监测为例，通过分析监测区域年度降雨分布与路基工后沉降监测特征，得出了长三角地区高速铁路路基运营工后沉降，随年度降雨呈现季节性变化的结论，为铁路运营维护提供了有益的参考。

1 路基工后沉降限值

高速铁路路基作为无碴轨道结构的基础，对沉降变形非常敏感，要求控制在非常小的范围之内。我国建设的高速铁路在汲取国外沉降控制经验的基础上，围绕线路运营、结构允许变形，从路基竣工后扣件可调整量、20 m结构长度范围内的不均匀沉降、路基与桥涵之间错台差异沉降，以及轨道结构单元之间形成的折角等多方面对路基变形做出了严格规定[3]，见表1。

表1 无碴轨道路基工后沉降控制标准

2 高速铁路路基工后沉降监测

以长三角高铁网沪杭客专金山北车站路基段为研究对象，沪杭客专高铁采用无碴轨道，设计时速350 km/h，桥梁工程占87%，在通过动检车检测和CPⅢ复测后确定沉降路段，开展运营期的沉降监测。

利用改进的几何水准测量断面监测法，在车站路基段两端桥梁上选择了稳定的CPⅢ点作为监测附合线路的起、终基准点。根据路基结构特征，布设了上行CPⅢ点、上行底座板监测点、上行轨道板监测点、上行轨面监测点、下行轨面监测点、下行轨道板监测点、下行底座板监测点和下行CPⅢ点8条纵断面。金山北车站路基段首期观测在2011年9月18日，以后每月监测一次，笔者截取了2012年1月—12月第8期—19期共12期观测进行分析研究，各期监测数据结果精度统计见表2。

表2 各期沉降监测成果精度统计

从表2可以看出，该监测数据可以满足《高速铁路工程测量规范》“三等变形测量”技术要求，能够真实反映出高速铁路路基沉降情况。图1展示了该路基段第8～19期下行底座板监测点纵断面变化态势。

图1 路基维护沉降监测纵断面变化态势Fig.1 Change trend of longitudinal section of subgrade maintenance settlement

从图1中可以看出，截止到2012年12月7日，该路基段个别地区累计沉降量已超过21 mm(长路基限值30 mm)，且有持续沉降趋势，需引起铁路线路维护部门重视。同时，该段路基不均匀沉降小于20 mm/20 m，线路平顺性尚不影响列车正常运营。

3 季节性降雨变化对高速铁路路基工后沉降影响分析

长三角作为中国第一经济区，属于亚热带季风气候，冬季低温少雨，夏季高温多雨，且具有特色的梅雨季节。笔者对长三角高铁网运营期路基工后沉降及铁路线路路基维护随着季节性降雨的变化而变化的规律进行了分析。

对第2节中采用的金山北车站路基段沉降监测数据成果进行分析，计算出66个下行底座板监测点2012年度的月沉降速率，并对各监测点的沉降速率分布区间进行统计，统计结果如表3。从表3中可以看出，金山北车站路基段在2012年2—3月和6—7月有两次较大的沉降变化过程，且在10—11月有回弹变化，其他月份相对稳定或变化较小。

表3 监测点月沉降速率分布区间(金山北)

经查阅上海市气象局相关气象信息发现，上海市2012年2月1日—3月8日出现连阴雨低温天气，总降雨量(153.1 mm)较常年同期(84.0 mm)异常偏多69.1 mm，位列1951年以来第4多;总雨日为25 d，较常年同期偏多近12 d，位列1951年以来第2多。期间，上海平均气温为5.3 ℃，较常年同期偏低1.4 ℃；2012年6月17日，上海进入梅雨季节，7月4日出梅，梅雨期17 d，梅雨量介于78.5～323.2 mm之间，且南北分布严重不均，南部金山、奉贤、浦南和浦北都在210 mm以上，北部嘉定、宝山、崇明都不足95 mm。梅雨期结束后，1209号台风“苏拉”，1210号台风“达维”，1211号台风“海葵”和1215号台风“布拉万” 4个台风都是在8月影响上海，其中台风“苏拉”于8月2日开始影响上海，台风“布拉万”于8月27日开始影响上海，单月影响上海的台风数并列历史(1949年以来)同期第一位。

结合金山北车站路基段沉降速率和其年度气象信息发现，金山北车站路基段沉降与该地区年度气象变化相吻合，降雨是影响路基沉降的重要因素：2—3月的连续阴雨低温和6—7月的梅雨天气导致了路基段该期间的沉降速率较大变化，随着9月份台风多雨天气的结束，路基段(10—11月)出现了轻微的回弹现象。在距离金山北站36 km外的沪杭客专嘉兴南车站路基段，其2012年季节性气象变化与上海金山地区相类似，其沉降情况也与金山北车站路基段相仿，在冬春交替期间和梅雨季节均出现较大的沉降变化，在雨季结束之后，又出现了轻微回弹。嘉兴南车站路基段监测点月沉降速率区间分布见表4。

表4 监测点月沉降速率分布区间(嘉兴南)

4 沉降影响因素分析

沪杭客专金山北站路基与时下采用较多的无砟轨道软土地基处理方案相同，采用桩板(筏)结构，影响桩板结构路基沉降的因素主要有路基所受荷载、桩体模量、桩的长度、路堤土模量与路堤土黏聚力及摩擦角、地基土模量与地基土黏聚力及摩擦角和桩土间摩擦系数[4]。

沪杭客专自2010年10月通车至沉降观测首期已有1年之久，且其路基工程在设计之初已进行相关岩土实验，所以其沉降影响在本文中不再讨论路基所受荷载、桩体模量、桩的长度因素(当然也不排除路基设计不合理及施工质量问题引起沉降)。相关研究表明：土体含水率增加会引起非饱和压实土体模量的降低，且在试验含水率范围内非饱和压实土体模量随含水率呈指数规律变化[5]；压实土体的黏聚力和摩擦角也可能会随土体中含水率的增加而降低[6-7]；同时，桩土间摩擦系数在土含水量超过“最优含水量”时，也会随含水量的增加而减小[8]。根据文献[4]的结论，路堤与地基土模量、黏聚力、摩擦角及桩土间摩擦系数的降低都会引起桩板结构路基的沉降，而实例中路堤与地基的含水量受季节降雨的影响，由此解释了金山北站路基沉降现象并随年降水呈季节性变化特征。除自然降雨引起含水率变化从而导致路基沉降外，其他因素导致的地下水位的变化也可能会引起路基沉降现象。

5 结 语

利用改进的几何水准沉降监测方法对长三角运营期高速铁路路基进行沉降维护监测，实例证明该改进的方法完全能够满足《高速铁路工程测量规范》关于路基沉降监测的技术要求。实例分析了长三角典型高速铁路路基工后沉降年监测成果及对应的年降雨情况，发现监测区高速铁路路基工后沉降随年降雨变化呈现季节性特征。季节性降雨导致路堤与地基中含水量增加，从而改变了其内部力学特性引起沉降。该结论为铁路线路维护提供了有益的参考。针对沪杭客专路基沉降问题，相关铁路维护部门已通过在路基两侧加打旋喷桩加固路基的方法进行治理，且效果良好，也印证了笔者分析的沉降形成机理因素，相关路基沉降整治成果将在其他文章中进一步阐述。未能从监测区地下水位变化情况分析其对高速铁路路基工后沉降影响，这也将是高速铁路路基工后沉降监测又一待研究课题。

[1] 罗庄.高速铁路运营期沉降监测技术及管理探讨[J].上海铁道科技,2013(2):82-84. LUO Zhuang. Discussion on monitoring technique and management during operation of high speed railway[J].ShanghaiRailwayScience&Technology, 2013(2):82-84.

[2] 颜春.填方路基不均匀沉降原因分析及处治措施[J].重庆交通学院学报,2003,22(1):63-68. YAN Chun. The analysis for filled subgrade works’ inhomogeneous settlement and the disposal measures[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity, 2003,22(1):63-78.

[3] 铁道第三勘察设计院集团有限公司. 高速铁路设计规范(试行):TB 10621—2009[S].北京：中国铁道出版社,2010. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation.CodeforDesignofHighSpeedRailway:TB 10621—2009[S]. Beijing: China Railway Publishing House,2010.

[4] 詹永祥.桩板结构路基沉降影响因素的有限元分析[J].路基工程,2007(3):12-14. ZHAN Yongxiang. Finite element analysis of the affecting factors on pile-board subgrade settlement[J].SubgradeEngineering, 2007(3): 12-14.

[5] ZHANG Dingwen. Water content and modulus relationship of a compacted unsaturated soil[J].JournalofSoutheastUniversity(EnglishEdition), 2012,28(2):209-214.

[6] 袁俊平.含水率和压实度对路基填土力学特性的影响[J].水利与建筑工程学报,2013, 11(2):98-102. YUAN Junping. Effects of water content and compaction degree on mechanical characteristics of roadbed[J].JournalofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,2013,11(2):98-102.

[7] 李金明.气温升高对多年冻土地区路基稳定性影响[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(2):83-85. LI Jinming. Impact of climate warming on subgrade stabilization in permafrost areas[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2011,30(2):83-85.

[8] 刘建峰.桩土界面摩擦特性试验研究[D].天津：天津大学,2008. LIU Jianfeng.ExperimentalStudyonFrictionCharacteristicsofPileandSoil[D]. Tianjin: Tianjin University,2008.

Influence of Seasonal Rainfall Changes on Subgrade Settlement during Operation of High-Speed Railway in the Yangtze River Delta

CUI Shuzhe1, ZHOU Jinguo2

(1. School of Geology and Surveying and Mapping Engineering, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, P.R.China; 2. Chongqing Institute of Surveying and Mapping, NASG, Chongqing 400015, P.R.China)

Firstly, the influence factors of the inhomogeneous subgrade settlement of high-speed railway were listed and analyzed. With the monitoring data of typical subgrade settlement of high-speed railway in the Yangtze River Delta and the time variation data of seasonal rainfall at the correspondingly monitoring region, the internal relation between the inhomogeneous subgrade settlement of high speed railway and the changes of subgrade moisture content and seasonal rainfall was analyzed. The studies show that seasonal rainfall results in the water content increase of embankment and subgrade in monitoring area, which changes the internal mechanical properties and causes the settlement. Therefore, the settlement during operation of high-speed railway subgrade in monitoring area presents seasonal characteristics with the annual rainfall variation. The above conclusion provides a useful reference for railway subgrade treatment and other rail maintenance.

railway engineering; high-speed railway; settlement during operation; seasonal rainfall; maintenance monitoring

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.13

2015-03-03；

2015-09-07

重庆工程职业技术学院科学技术类课题项目(KJC201336)

崔书珍(1979—),女，湖北襄阳人，工程师，主要从事大地测量数据处理与分析方面的研究。E-mail：shuzhen303@163.com。

U213.1；P258

A

1674-0696(2016)03-058-03