高速铁路沉降与变形分析及对策

邢玉科

（中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100142）

1 工程概况

某工程是已投入运营的一条设计时速350 km的客运专线，其全长116.55 km，采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构，且具有稳定性好、刚度大、变形小的特点，全线共6段路基，累计长16.25 km，占线路长的14.0%，路基表面主要为素土、杂填土，以下为淤泥质黏土等软土，为确定无砟轨道铺设条件、为今后运营维修提供依据，需对路基工程沉降变形进行分析。

2 高速铁路沉降与变形产生的原因

（1） 地质构造或者自然环境较为复杂。铁路区域地面产生沉降，或者位于岩溶性地基上面等，都会导致高铁线路产生沉降，地裂缝会让高铁线路产生变形，位于严寒地带的高铁路基由于冻胀会使铁路产生向上拱起的问题。

（2） 软弱地基。地下水较为充足区域的隧道基底的岩石层产生破碎、深厚软土地面、膨胀性岩土性质的铁路地基等会使铁路线路产生沉降、向上拱起或者发生变形。

（3） 复杂桥梁结构。高铁设计施工能力不断增强，设计施工了一些跨越宽度较大的江河、峡谷的新型式的桥梁。设计的参数必须和轨道结构实现精准的耦合计算，才能达到平顺性以及动态指标的要求。

（4） 外部的因素。铁路沿线大量倾倒垃圾、施工废弃桩基础、对路基进行填筑、对涵洞和桥梁进行施工作业等都会引起铁路产生变形和沉降。

（5） 施工质量达不到要求。隧道仰拱底部位置的虚砟没有进行彻底清除，会引起混凝土和基岩接触面缺乏有效的结合，路基过渡部分施工所需的填料质量达不到要求，或者死角区域的压实程度不够都会导致线路产生沉降。施工作业过程中，如果路基利用具有膨胀性碎石的填充料，以及添加了没有实现完全消解的生石灰材料，在与水分进行接触后会形成膨胀导致路基向上拱起，引起无砟轨道结构产生一定变形。

引起高铁线路产生沉降和变形的原因有多种因素，不能单独地判定是由单一因素引起的，应该从地质构造、施工设计、地理环境等多个角度进行分析，确定出原因之后方可以制定出科学合理的解决办法。

3 高速铁路沉降变形分析

3.1 区域地面沉降分析

区域地面沉降在世界范围内都是难于处理的问题，形成的原因较为繁杂，整治难度比较高。世界上的很多国家，比如美国、日本等都存在着区域性的地面沉降。我国产生地面沉降的主要区域为长三角地区、河北平原、环渤海地区、东南沿海一带的平原地区和山区盆地等。从中可以得知，产生地面沉降的地区多分布在地质较为深厚的平原地带，地面沉降的成因有地质方面的原因，比如，地层板块活动、软弱土层产生固结沉降、地震等。也有人为方面的原因，比如，对地下水进行大量的开采应用，对油气、煤矿和地热资源进行开发等。普遍认为，地下水资源的过度开采是导致地面沉降的主要原因，应该制定出相应的管理措施来治理地面沉降，通过利用对地下水的限量开采，很多区域地面沉降有着减缓的趋势。

3.2 路基冻胀分析

当前，世界上对于路基冻胀的形成机理、冻土的性质和变化规律研究的较为深入，冻害对于工程产生的影响和采取的防止措施都掌握的比较清楚，国内对于东北、西北严寒区域铁路冻胀进行了分析，并制定了相应策略来处理冻害。在对青藏铁路进行施工过程中，专门对冻害防治问题进行了专项论证，并在应用中取得了良好的效果。高速铁路的高速性、平顺性对路基产生的沉降和变形提出了十分严格的要求，冻胀问题对于高铁，尤其是对无砟轨道产生影响会随着高寒地区铁路的施工和运行不断显现出来。

依据对东北区域内的高铁客专施工建设和冬季运行期间冻胀对路基的影响数据进行分析，铁路产生的冻胀变形会根据时间的不同分为冻胀初始波动阶段、冻胀快速形成阶段、低速稳定保持阶段、波动融沉阶段和充数形稳定阶段，冻胀和时间的关系曲线的特点主要有：（1）冻胀上扬时期中，冻胀量会快速的提升，达到最高值所需要的时间为10 d左右。冻胀融化期持续时间会达到25 d左右，所需的时间并不是很长。（2）冻胀稳定时期内，冻胀量处于稳定状况。（3）冻胀变形分为上涨和回落两个时期，与温度产生的变化情况进行比较来看，存在着时间滞后现象。（4）经过一次冻融循环周期以后，回落的幅度和冻胀高度都形成了不同程度的冻膜残余变形，其变形的数值并不大。所以，高速铁路在施工建设时期，路基的施工应该结合所在区域的气候条件，应该尽可能提前进行施工、合理缩短施工单元区段、在一年时间内完成主体施工以及附属设施，按着上述原则进行施工组织设计，科学合理安排施工。

3.3 桥梁结构变形分析

随着对山区铁速高路的施工建设，桥梁结构产生变形问题较为突出，直接影响着轨道的平顺性，产生该问题的主要原因有：

（1） 相邻两座桥墩高度差较大，会使轨道引起高低不平顺现象。

（2） 跨度较大的新型式钢结构或者钢混结构桥梁产生的变形，会导致铁路轨道形成水平或者高低方位的不平顺。这两种轨道变形都是由于温度产生变化而引发的。

3.4 线侧施工及施工质量引起的线路变形分析

3.4.1 线侧施工

线侧施工导致的铁路沉降以及变形现象十分常见，很多铁路线路的地质情况都不理想，大多都为厚层软土，且地下水位高度较大，使路基产生变形的状况有：

（1） 线侧施工建设提高了地基荷载，比如，帮填路基、在线侧区域内堆存垃圾等，会使地基形成挤压，引起轨道形成横向或者竖向的变形。

（2） 线侧开挖施工基坑进行抽排地下水，会使高铁线路产生沉降或者变形。除此之外，在施工建设过程中，对桥墩部位进行旋喷注浆会引起桥墩产生偏移。

3.4.2 施工质量问题

施工建设过程中产生各种质量问题，都会对轨道结构产生变形，或者使轨道的几何尺寸超出设计标准。常见的问题主要有：

（1） 对地基处理达不到施工要求。主要有：软土路基桩数量不够或者较长，会导致路基产生沉降。膨胀性岩土地基处理达不到要求，当水分进入会导致路基向上拱起。

（2） 路基填料质量管控不严。加入膨胀性岩石材料之后，当水分进入之后会产生膨胀引起路基向上拱起。通过添加石灰材料改良之后的土质进行路基填筑，生石灰如果没有完全消解或者没有对其进行充分的搅拌，会使路基产生向上拱起的问题。

（3） 无砟轨道施工质量没有进行有效的控制。

4 对策与建议

4.1 加强地质情况的勘探调查

进行详细的地质勘探调查对于保证高铁线路的安全应用起到了非常关键的作用。当前，高铁线路进行施工建设时，推行的是地质勘察监理以及项目管理制度。勘探调查的深度、管理水平和监理的力度都没有发挥出应用的作用。所以，应该保证好勘探调查质量，提高监督管理力度，防止勘探调查达不到要求。对于特别容易产生沉降、冻胀的地区，应该应用先进的勘察手段，细化勘探的内容，加强室内的试验分析，为设计单位提供详尽可靠的地质数据。

4.2 加强对路基填筑质量的控制

（1） 填筑工艺性试验。针对不同地区的填料，需要分别开展压实工艺试验，以取得更好的压实效果，比如某车站路基本体和填土厚度为36 cm，松铺系数为1.22，含水量为4.0%～5.7%；采用20 t的压路机破压，先按1遍静压、1遍弱振、2遍强振进行控制，当检测不达标时再增加碾压遍数。状壁及墙背1 m内用冲击夯夯实6～7遍，然后再用小型压路机碾压2遍。

（2） 路基检测。需要对路基的刚度和相应的弹性变形进行控制。要严格按照相关工程质量标准实施，如表1所示。

表1 路基基床及基床以下部分压实标准表

4.3 提高设计的系统性

在进行高铁线路设计时，应该结合所经区域的地质状况，深入研究分析线路的走向和轨道结构的关系，确定出运营速度和安全值之间的相互关系，设计出符合实际应用要求的平顺曲线，便于对轨道进行后期的调节和维修保养。

4.4 施工质量控制

在进行施工建设时，应该控制好施工工艺流程，组建高水平的技术团队，加强监督管理力度，对于关键的工序和部位进行现场监督。比如，在路堤高度大于5.0 m地段两侧，均设置扶壁式挡土墙和加强路基侧向约束，增加路基刚度减少了路堤荷载，从而有效提高沉降控制效果。