鲁南高速铁路接入京沪高速铁路路基变形监测

张海凤

鲁南高速铁路有限公司，济南 250102

新建鲁南高速铁路接入既有京沪高速铁路工程中，由于地基处理施工扰动、路基填筑产生的附加应力，导致京沪高速铁路路基变形，继而影响线路的安全平顺运行。受地层土性参数选取、地质不均匀、假设简化等影响，数值计算结果往往会和实际情况有一定差异，加上现场施工机具等不确定因素，计算结果不能完全指导既有京沪高速铁路路基变形的高精度控制。因此，在施工过程中，需根据线路变形控制要求与仿真计算规律，制定完善的监测方案，对地基处理、路基填筑、开通运营等不同阶段实时监测，保障既有京沪高速铁路的运营安全，加强新建鲁南高速铁路的施工质量控制。

邻近营业线施工监测往往聚焦于既有线路受力、变形中的某一方面。Massarch［1］通过对沉桩施工现场监测，提出不同土层深度其变形方向不同，近地表土体主要发生竖向变形并向上发展，而深层土体变形以水平方向为主。刘波［2］研究了基坑开挖施工邻近既有隧道变形分区，揭示了隧道受基坑开挖影响变形发展变化规律，通过实测数据开展了变形预测分析。魏焕卫等［3］根据现场实测数据，对比分析降水前后邻近建筑物地基的应力变化，研究了坑内降水导致CFG 桩基沉降的规律，并提出计算方法。孟长江等［4］对基坑降水后坑内水位下降引发邻近高速铁路桥梁桩基础变形及其承载力变化规律进行了研究。徐干成等［5］通过研究盾构下穿京津城际铁路过程中采用的注浆加固措施，对既有铁路横向和纵向变形进行了监测，论述了注浆加固的有效性。张鹏［6］结合地铁下穿高速铁路线路产生的地表沉降数据、高速铁路轨道平顺性要求以及高速铁路列车运营速度等因素，研究提出了地铁下穿高速铁路引起地表沉降的限制要求。左珅［7］考虑沪宁城际高速铁路邻近京沪高速铁路修建工程，对运营线路路基在路基基坑开挖、成桩、路基填筑等不同阶段的原有应力、位移状态扰动进行了监测，分析了不同阶段既有京沪高速铁路路基动、静力学响应。

面向运营线路轨道平顺性的高要求，已有研究成果不能有效指导施工，保证既有线路的运营安全。本文针对鲁南高速铁路近接京沪高速铁路施工过程中路基变形控制难题，提出运营条件下京沪高速铁路路基变形监测体系，形成京沪高速铁路变形监测控制标准。通过开展现场监测，研究分析不同施工阶段京沪高速铁路路基变形发展规律。

1 监测方法

为评估新建线路路基填筑施工对既有线路带来的沉降变形和横向位移，需针对高速铁路场接轨段K536+600—K537+420 正线Ⅰ、Ⅱ股道展开监测，共计820 m。

沉降监测的准确性与可靠性极大地依赖于基准点的合理选取。基准点需选择于远离施工扰动区域的稳定建筑物处，比如深桩基、桥台基础、涵洞等，对于运营线路可结合工务部门日常巡检数据分析基础点的稳定性，在监测的过程中加强对基准点的人工复核。测点的间距需要兼顾监测系统的工作性能与经济性。测点间距过大会导致液路排泡困难，影响测点芯片的工作状态，造成数据失真；测点间距过小会影响线路的运营，同时增大监测成本，故每隔20 m布设1个沉降监测点。

在监测范围内，按60 m 间距布设自动全向传感水平位移计。水平位移计布设于既有京沪高速铁路边坡坡脚外0.5 m 位置至路肩的坡面上。根据荷载变形机理和维护要求，结合运营线路的要求，测斜孔位置应尽量靠上，管口做好保护措施，以便于设备维护。水平位移计布设断面应与沉降观测点布设断面合并设置。在不影响京沪高速铁路运营安全的条件下，水平位移监测点布设尽量靠近京沪高速铁路。

施工过程中为避免机械、人员对基准点的扰动，应通过附近CPⅢ控制网对测量基准点进行变形数据修正，修正频次根据实际情况确定，宜为1 次/月。此外根据施工不同的阶段对监测数据的要求，远程设定监测系统的采集频率及时间点，提高供电系统的使用寿命。

2 变形控制标准

2.1 变形控制标准设置原则

变形监测控制标准的设置应遵循以下三原则。

第一原则：应充分考虑京沪高速铁路安全运营。以京沪高速铁路无砟轨道线路的可维护性为第一控制原则，始终确保既有京沪高速铁路线路平顺性处于扣件与垫片的调整能力范围之内，满足TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则》要求。

第二原则：应考虑新建高速铁路顺利施工。在不违背第一控制原则及一定的安全储备条件下，报警管理值的设置应避免给新建鲁南高速铁路施工带来不必要干扰，并动态指导新建鲁南高速铁路施工。

第三原则：应以京沪Ⅰ、Ⅱ股道变形为准进行报警。由于铺设的传感器较多，有些传感器距离运营京沪Ⅰ、Ⅱ股道距离较远，但离施工区域很近，其变形较大，若直接采用其值进行报警会造成较大施工干扰。

2.2 变形控制标准的确定

由于临时补修作业具有即时性要求，当天天窗未必能及时处理，造成处理措施的滞后。因此依据TG/GW 115—2012 相关规定，可将轨道高低和水平变形限制到经常保养级别对应的4 mm，设2、3、4 mm 三级，颜色分别对应黄、橙、红。

对于沉降限值，由于自动监测测点间距为20 m，只能大致相当于40 m 弦测量结果，且变形相当于绝对变形，若采用这一划分标准，则偏于严格，给运营和施工造成不必要的干扰。对于测斜监测，路基段自动全向传感水平位移计布设于路基坡角或挡墙外，桥梁区域布设在防护栅栏外侧，与京沪高速铁路正线Ⅰ、Ⅱ股道有一定距离，先于运营线路受施工影响。当全向水平位移测点最先发生变形，Ⅰ、Ⅱ股道可能未发生变形。按上述标准会过于严格。

本文共设置两级报警体系：一级预警以自动监测结果为基础，设置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级，其作用为预警提醒；二级报警以轨道检测结果为基础，设置黄、橙、红三级，其作用为各单位行动响应依据。

2.3 运营线路监测报警管理值设置

根据TG/GW 260—2015《运营高速铁路基础变形监测管理办法》，运营高速铁路基础沉降监测采用变形测量三等精度，水平位移监测采用变形测量二等精度，见表1。

表1 京沪高速铁路路基变形监测精度指标要求

根据沉降变形精度范围±0.5 mm 要求，其误差范围为1.0 mm。为减小误报率，最小等级划分跨度标准为误差范围+0.5 mm=1.5 mm。自动监测沉降预警等级划分见表2，轨道高低报警等级划分见表3。当自动监测报警值超过Ⅰ级之后，启动对Ⅰ、Ⅱ股道状态的检测，根据检测结果确定是否进行二级报警。

自动全向传感水平位移计误差范围为1.5 mm，为减小误报率，最小等级划分跨度标准= 误差范围+0.5 mm =2.0 mm。自动监测水平位移预警等级划分见表4，轨道状态水平报警等级划分见表5。当自动监测报警值超过Ⅰ级之后，启动对Ⅰ、Ⅱ股道状态的检测，根据检测结果确定是否进行二级报警。

表4 自动监测水平位移预警等级划分

表5 轨道水平位移报警等级划分

3 变形监测规律分析

3.1 沉降变形规律分析

接轨段京沪高速铁路路基Ⅰ、Ⅱ股道沉降监测结果见图1，监测时段由2018年9月1日—2020年7月29日。可知，接轨段路基Ⅰ股道K536+700—K537+400 出现沉降变形，最大值为4.63 mm，位于K537+000。接轨段路基Ⅱ股道在K536+750—K537+240出现沉降变形，最大值为4.62 mm，位于K536+960。在K537+000—K537+420 范围内，随接轨段路基逐渐远离京沪高速铁路正线路基，Ⅱ股道出现的沉降变形逐渐减小。

图1 接轨路基段京沪Ⅰ、Ⅱ股道沉降变形

整体分析来看，接轨段Ⅰ股道沉降变形整体小于Ⅱ股道沉降变形。由于地层软弱、不均匀等，在新建线接入工程施工扰动下，京沪高速铁路路基出现一定的不均匀沉降，但均在可控范围内。

接轨段咽喉区（K536+960—K537+020）位于接轨段路基地基处理施工扰动和邻近堆载最不利处，需重点关注其变形及发展趋势。软土地区沉降变形往往呈现出发生-发展-稳定-极限的过程。该工点所在区域地层层承载力较低，为评估新建路基填筑堆载后附加应力长期作用下京沪高速铁路路基变形演化规律，此处引入Boltzmann S 型成长曲线模型。由于S 型成长模型单点递增性、不过原点以及存在反弯点，可以比较准确描述既有京沪高速铁路路基沉降变形规律。其基本形式为

式中：A1、A2为模型两条渐近线；x0为模型拐点；dx为模型时间常量。

最不利断面K536+960 断面的Ⅰ、Ⅱ股道沉降变形时程曲线见图2。可知：K536+960 沉降主要产生在挡墙开始至铺轨完成，铺轨结束后此处沉降速率随时间逐渐减小。此断面Ⅰ、Ⅱ股道沉降变形采用Boltzmann S 型成长曲线模型进行拟合，拟合得到R2分别为0.945 77、0.942 81，模型可以较好反应京沪高速铁路沉降变形实测规律。目前该断面Ⅰ、Ⅱ股道均到达极限阶段，变形趋于稳定，最终收敛值为4.46、4.37 mm。

图2 K536+960断面沉降变形时程曲线

3.2 深层水平位移规律分析

选取上行联络线最不利断面范围内3处测点监测数据进行分析。其中高速铁路上行联络线K536+900水平位移时程曲线见图3，监测期为2019年2月2日—2019 年 5 月 14 日，图中x方向为垂直于线路走向的方向，y方向为平行于线路走向的方向。可知，该位置施工期间主要变形发生在地基面至5 m 深度范围内，且量值较小，x、y方向最大值分别为1.85、2.09 mm。

图3 上行联络线K536+900断面水平位移监测曲线

高速铁路下行联络线K536+960 水平位移时程曲线见图 4，监测期为 2019 年 2 月 2 日—2019 年 5 月 5日。可知，该位置施工期间x方向最大值4.98 mm，发生层位为27 m，原因可能为桩基施工过程中提钻过快，导致该层位朝桩基打孔方向变形。y方向最大值为1.89 mm，发生层位为2.6 m。

图4 下行联络线K536+960断面水平位移监测曲线

上行联络线K537+020 水平位移时程曲线见图5，监测期为 2019 年 2 月 22 日—2019 年 9 月 2 日。 可知，该位置施工期间主要变形发生在地基面至5 m 深度范围内，且量值较小，x方向最大值2.06 mm，y方向最大值5.21 mm。5 ～30 m监测范围内未见明显变形。

图5 上行联络线K537+020断面水平位移监测曲线

选取下行联络线3处典型断面数据进行分析。高速铁路下行联络线K537+020 水平时程曲线见图6，监测期为2019年1月5日—2019年4月1日。可知，该位置施工期间主要变形发生在地基面至5m 深度范围内，且量值较小，x方向最大值4.74 mm，y方向最大值4.54 mm。5 ～30 m监测范围内未见明显变形。

图6 下行联络线K537+020断面水平位移监测曲线

高速铁路下行联络线K537+080 水平时程曲线见图 7，监测期为 2019 年 1 月 9 日—2019 年 5 月 12 日。可知，该位置监测深度内未见明显变形。其中x方向变形小于1 mm，属于传感器监测误差误差范围内；y方向最大值2.89 mm，发生层位为地下5 m 深度处，其余深度未见明显变形。

图7 下行联络线K537+080断面水平位移监测曲线

高速铁路下行联络线K537+140 水平时程曲线见图 8，监测期为 2019 年 2 月 1 日—2019 年 8 月 12 日。可知，该位置变形主要集中在地面至地下5 m 范围。其中，x方向变形最大为5.11 mm，发生在地表；y方向最大值4.28 mm，发生层位为地下3.5 m 深度处，其余深度未见明显变形。

图8 下行联络线K537+140断面水平位移监测曲线

总体来看，受邻近路基堆载填筑附加应力作用，上、下行联络线测点位置水平位移主要发生在地表0 ～5 m 内，总体维持在5 mm 以内；而其余层位土体稳定，未见明显变形。

4 结论

1）结合高速铁路安全运营的变形及预警要求，明确了近接工程既有高速铁路路基变形监测要求，构建了由沉降变形监测、水平位移监测等项目构成的既有运营高速铁路监测体系，提出了新建铁路近接既有高速铁路路基变形控制标准。

2）施工期间，接轨段Ⅰ股道沉降变形整体小于Ⅱ股道沉降变形。由于地层软弱、不均匀等，在新建线接入过程的施工扰动下，京沪高速铁路路基出现一定的不均匀沉降。引入Boltzmann S 型成长曲线模型对最不利断面数据进行分析，结果表明目前变形已处于极限阶段，路基状态安全稳定。

3）新建高速铁路上、下行联络线土体深层水平位移各测点变形基本发生在地表附近，原因为邻近堆载产生附件的水平应力，导致地表附近产生少量变形。地面5 m 以下层位地基状态稳定，基本未产生明显变形。