客运专线路基试验监测技术分析

闵 睿

按照我国所制定的《中长期铁路网规划》,到 2020年我国的铁路营业总里程达到10万 km并实现主要干线上的客货分离,其中建设客运专线为1.2万 km以上,形成我国的铁路快速客运网[1]。

以客运专线为代表的铁路建设是适应我国经济和社会发展需要的重要手段。我国的客流具有量大、集中、行程长等特点,因此我国适宜发展客运专线;客运专线的建设为实现客货分流提供了基本条件,为我国铁路运输能力的提升开辟了新途径;客运专线相对于公路、航空等交通方式具有容量大、低能耗、占地少、适应性强等特点,因此也是实现和落实科学发展观、实现可持续发展战略的体现[2]。

路基作为一种土工结构物是轨道铺设的基础。为了保证列车安全、平稳运行,路基必须满足强度高、刚度大、稳定性好、耐久性好等基本要求。客运专线的建设对传统铁路路基的设计施工带来了挑战,客运专线的技术标准要求高,应按照土工结构物的标准进行设计和施工,与普通铁路路基相比客运专线路基具有如下特点:

1)客运专线路基的多层结构系统。对于高速铁路线路结构而言已经突破了传统的轨道、道床和土质路基这种结构形式而做成多层结构系统。

2)控制变形是路基设计的关键。对于普通铁路路基而言是以强度作为路基设计的主要控制条件的,而对于客运专线路基而言,由散体材料组成的路径是整个线路结构中轨道变形的主要来源,客运专线所需要的高速运营即对轨道变形提出了严格的要求,成为了客运专线路基设计的关键。

在客运专线的路基设计施工中,同时应注意如下两点:

1)路基设计的不确定性。在工程实践中,路基设计和施工依赖于土的重度、强度、模量等参数,而在土工试验测试中,由于土体材料的不均匀性、取样与实际条件之间的差异而使得试验数据存在较大的变异性,从而直接影响了计算结果的可靠性,进而影响了路基的实际工程性能。

2)路基长期性能。客运专线体现了我国铁路建设的最新技术水平,采用了大量的新材料、新技术、新工艺。但同时也应看到我国高速铁路建设与运营管理的经验较少,能否保证路基的长期工程性能满足要求必须要考虑如土质路基在列车重复荷载的作用下所可能产生的累积沉降变形问题等,因此应重视客运专线路基的长期工程性能。

由上述分析可见,在目前工程实践中对客运专线路基问题尚未在理论、实际中得到足够的研究分析,为保证其安全性、适用性,应通过采用试验和监测技术的方法来予以解决。

1 试验段和监测技术要求

1.1 设置目的

对客运专线路基工程通过相应的技术措施、仪器设置进行试验监测的目的在于[3,4]:

1)检验设计方案、施工措施是否可行,能否确保工程质量。

2)通过试验确定具体工程措施、施工工艺、质量控制标准等内容。

3)通过监测方案所收集的数据,有利于施工阶段的动态调整,即实现信息化施工。

4)监测数据可反映工程的变化发展,评价不同工程方案的效果,对工程病害予以预警。

5)为设计、施工、管理和科学研究提供资料。

1.2 设置原则

在设置过程中应综合考虑下述因素:

1)技术指标要求:质量直接关系到工程正常使用乃至生命安全,因此试验设置应考虑以达到所要求的技术指标为主。

2)经济指标:设置试验段的另一个重要目的是考核具体工程措施的经济指标,是否能够在满足质量、工期要求的前提下节约投资。

3)可行性分析:工程实施需结合实际施工管理、机械、人员素质、工程经验来考虑,在试验段工程中新工艺、材料的实施应综合考虑上述因素而不能过于超越现有的施工技术水平。

2 试验和监测内容

试验和监测主要围绕路基变形、土中应力变化等内容而展开。

2.1 变形监测技术

路基变形表现为发生在路基内外部的水平侧移及竖向沉降[5]。

由于土体的固结及外部荷载的作用均需经历一段时间后才能达到稳定,因此对边坡的变形观测具有长期性的特点。

2.1.1 地表沉降观测

地表沉降包括超设计沉降、不均匀沉降,具体表现为横向、纵向开裂等现象。

1)观测点布置:在满足观测要求的前提下,充分考虑观测长期性所可能对施工、运营产生的不利影响及可能的损坏。

2)应设置固定沉降观测点,采用水准仪、全站仪等设备予以观测。

3)工后沉降值大小和发展过程直接影响工程的正常使用,反映工程质量,因此应予以重点关注。

2.1.2 路基内部及地基沉降观测

地基在荷载作用下产生沉降;路基边坡自身在自重及外界荷载作用下也产生相应的压缩沉降,在设计规范中缺乏相应的内容,而对于高填方工程该沉降不能忽略。

1)沉降板法。在沉降观测的部位埋设沉降板并连接观测管,通过测定观测管顶部的高程变化即可求出相应沉降值。

2)沉降水杯法。在路基内相应测试位置埋设仪器水杯并连接到路基外观测水杯上,则内外水杯的液面在大气压作用下应处于同一水平高度,因此外部水杯的液面高度即反映了内部沉降变化。

3)电磁式分层沉降仪。由探测和预埋两部分组成,在探测器内设置有电磁振荡线圈,当探测器沿埋设的沉降管接近路基体内预埋的沉降铁环时,铁环可吸收大量的电磁振荡能量而产生信号,由此信号即可标定此时铁环所处位置,反映相应沉降变化情况。

4)剖面沉降仪。可以观测某一断面上的连续沉降变化,需在观测断面上埋设沉降观测管(为内部有导槽的专用导管),观测时将沉降仪放入导管内,拉动导线移动至相应位置,通过沉降仪外接的读数记可显示出相对管口位置的沉降值,再利用全站仪、水准仪等设备测定管口的位置变化即可得到测试断面的沉降变化。

2.1.3 路基边坡水平侧移观测

路基边坡由于易受外界降雨蒸发、荷载以及自身碾压不密实、开挖后应力释放等因素的影响而产生水平侧移。因此应采取措施对边坡的水平侧移予以观测。

1)表层位移观测法。可通过在边坡及附近埋设边桩、观测点,采用经纬仪、全站仪等设备即可对其水平侧移情况予以跟踪观测。

该方法简单实用、便于操作掌握、测点布置灵活,但无法反映内部位移变化。

2)水平测斜仪法。预埋竖直的水平侧移观测导管,当测斜仪探头及其导轮沿导管的导槽缓缓移动,探头内的传感器可以测出在某一处的倾角,输出一个电压信号,由读数计面板上显示的数据即可换算为相应的水平侧移值。

该方法可反映路基体内的侧移大小。

2.2 路基体内土中应力测定

地基中的应力分布仍为基于布辛纳斯克解的应用推广,孔隙水压力的产生消散基于太沙基有效应力原理。上述土体中应力计算方法基于弹性假定等理想化模式进行,与实际情况之间存在较大的差异,因此应通过采用监测措施予以保证。

2.2.1 土压力测定

土压力测定包括:某深度处沿垂向的竖直土压力和作用在挡土结构上的水平土压力。

土压力测试一般采用振弦式土压力盒予以测定,具有体积小、便于埋设、可自动测试记录数据的特点,其工作原理为:当土压力作用在压力盒承压膜上时,承压膜发生微小的变动而使土压力盒的体积发生变化,带动内部传感器产生相应的变化信号,通过接收仪的转换即可反映实际的土中应力的变化。

2.2.2 孔隙水压力测定

孔隙水压力变化与土体强度、沉降发展直接相关,同时也是判定地基处理效果的重要依据,对控制路基填筑速率、确定预压时间和采取地基处理措施具有明显的意义。

孔隙水压的测定采用在测试部位埋设孔隙水压力传感器的方法来实现,埋设时注意在传感器周围用膨胀土泥丸予以封闭。

3 结语

在客运专线路基工程中合理设置试验和监测措施是确保工程质量、正常使用的必要措施。本文对此进行了归纳总结,可供工程设计、施工人员参考使用。

[1] 李向国.高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2] 杨广庆.路基工程[M].第 2版.北京:中国铁道出版社, 2010.

[3] 中华人民共和国铁道部.新建 200公里客货共线铁路设计暂行规定[S].

[4] 中华人民共和国铁道部.高速铁路设计规范(试行)[S].

[5] 罗 竞.路基工程现场施工技术[M].北京:人民交通出版社,2004.