哈大铁路客运专线桥梁、路基沉降变形曲线收敛规律研究

王基全

(哈大铁路客运专线有限公司,沈阳 110002)

1 工程概况

新建铁路哈尔滨至大连客运专线起自既有大连站,途经3个省会城市(哈尔滨、长春、沈阳)、1个计划单列市(大连)和6个地级市(营口、鞍山、辽阳、铁岭、四平、松原),止于既有哈尔滨站,线路全长904 km,其中桥梁长663 km,占全线73%；路基长231 km,占全线25%；开通速度200 km/h,主要基础设施350 km/h；全线采用GRTSⅠ型板式无砟轨道结构,无砟轨道长 847 km。工程于2007年8月开工建设,计划2012年7月中旬开通。

2 研究目的与内容

2.1 研究目的

高速铁路线下工程是由桥梁、隧道、涵洞、路基等构筑物连接而成,它们相互作用、相互影响和依存,共同构成均匀的线路结构。线下工程沉降变形稳定是无砟轨道铺设的必要条件, 进行线下工程变形的控制与研究具有重大的工程意义。

哈大铁路客运专线是我国第一条严寒地区客运专线,气候条件恶劣,施工时间短,在建设工程中,哈大铁路客运专线在沉降变形观测方面,严格执行了设计规范和部有关规定,观测时间均为6个月以上,并请第三方进行了评估,后期对部分典型工点又进行了验证,整个过程较为规范,同时又积累了大量的观测原始资料,本文拟通过对全线桥梁和路基沉降观测数据进行科学的分析,以了解东北地区铁路桥梁和路基沉降变形曲线收敛规律,为该地区客运专线的设计和建设提供参考,对今后合理安排甚至节省工期、节约投资有一定的现实意义。

2.2 研究内容

通过建立沉降变形观测系统,对桥梁、路基施工期及完成后一段时间内的沉降变形进行观测,对约5万个测点、200万实测数据所表现出的变形规律,通过建立数学模型,进行回归分析,对桥梁和路基3～6个月沉降变形曲线收敛规律、沉降量变化情况,以及路基堆载、超载沉降变化情况等进行研究。

3 桥梁、路基沉降变形曲线收敛规律研究

3.1 全线桥梁、路基沉降变形分析

3.1.1 桥梁沉降变形分析

哈大铁路客运专线全线大小桥梁共162座,约663 km,各类桥墩超过18 500座。桥梁桩基形式以摩擦桩为主,部分为柱桩和明挖基础。全线桥梁6个月实际沉降、预测沉降及工后沉降值分类统计数据及比较见表1。

从表1分类统计结果及实际沉降数据看,哈大铁路客运专线桥梁沉降变形有以下几个方面特点：

(1)各类基础桥墩台累积沉降变形均很小,全线小于5 mm的桥墩占总数的74.8%,大于10 mm的桥墩仅占总数的0.47%,最大沉降为12.3 mm；

(2)同一工点,除柱桩沉降量略偏小外,其他类型桥墩沉降大小没有明显差异,其大小主要取决于观测条件和当地地质条件；

(3)从统计数据看,摩擦桩沉降量相对较大,柱桩沉降最小；

表1 桥梁墩台沉降变形情况统计分析汇总

(4)100年预测最大值与6个月实测最大值相差约为4 mm,后期沉降不大。

图1为TJ-3标1个断面基础施工至架梁后6个月实际沉降情况及拟合曲线图,从图中可看出,架梁前(70 d)已沉降2.5 mm,架梁后3个月(160 d)沉降量最大约3.1 mm,其后略有反弹,维持在2.7 mm。QDYTH05634回归模型y=x/(x/a+b)+c。

图1 TJ-3标DK711+675.31断面拟合曲线

3.1.2 路基沉降变形分析

哈大铁路客运专线全线路基长约231 km,路基形式主要为路堤和路堑两类,根据地质条件部分路堤地段考虑堆载预压。路基沉降观测以路基面沉降和地基沉降观测为主,路基本体沉降一般较小,主要为地基沉降。 全线路基6个月实际沉降、预测沉降及工后沉降值分类统计数据及比较见表2。

实际沉降预测沉降情况分类统计比较详见表2。

从分类统计及实际观测数据看,路基沉降变形有以下几个方面特点。

(1)总体来看,路基沉降变形比桥梁要大；大小分布主要与工程结构和路基地基地质情况相关,一般松软土、软土路基处沉降变形相对较大。

表2 路基沉降变形情况统计分析汇总

(2)堆载预压路基较非堆载路基沉降大。堆载预压路基最大沉降为48.84 mm,累积沉降超过30 mm的断面共46处,占3.45%；非堆载路基沉降较小,最大为14.3 mm,小于5 mm的占76.93%。

(3)采取堆载或超载(3.5～4 m)预压等工程措施,从变形过程看,变形主要随路基填筑施工进展,荷载增加沉降变形不断增大,堆载预压对沉降变形有一个明显加速过程,荷载恒定后,加速沉降过程大致持续1个月左右,此后,变形迅速趋于稳定。

图2为TJ-2标3个断面堆载预压路基变形过程,从图中可看出2009年12月4日堆载完成,恒载前已沉降25 mm左右,荷载恒定后,加速沉降,持续1个月左右,变形趋于稳定。

图2 TJ-2标堆载预压路基沉降变形过程

(4)同一区段非堆载路基沉降变形较堆载路基相对要小,从统计结果看,小于5 mm的断面,堆载路基占28.12%,小于15 mm,共占78.21%；非堆载路基小于5 mm的点占76.93%,小于15 mm,共占100%,没有大于15 mm的断面。

3.2 沉降变形曲线收敛规律研究

3.2.1 桥梁变形曲线收敛规律研究

为研究桥梁沉降变形曲线收敛规律,根据哈大铁路客运专线线下工程沉降变形特点,按摩擦桩、明挖、柱桩、挖井等基础形式,对累积沉降变形大于5 mm且具有一定代表性区段的桥墩(占总数的25.2%)变形过程进行了统计分析,其中主要为摩擦桩。

具体统计时段为恒载期(6个月)及恒载后3个月、4个月、5个月、6个月时累积沉降变形完成的比率,并对2个参数进行比较,一个是6个月实测累积沉降变形,另一个是预测的总变形,统计结果见表3。

表3 哈大铁路客运专线桥墩台沉降变形(大于5 mm)完成率统计

从上面统计结果分析,有以下几方面的特点。

(1)对于明挖基础,根据表1,全线6个月最大沉降为8.8 mm,按最不利考虑,3个月已沉降6.9 mm,剩余1.9 mm,后期变化不大；100年预测最大值11.54 mm,3个月沉降6.76 mm,剩余4.77 mm,完成比率虽未达到规范75%的要求,但与6个月相比变化不大,考虑其基础已嵌入基岩,主要是其理论趋势与实际的差异。

(2)对于摩擦桩基础,根据表1,全线6个月最大沉降为12.3 mm,按最不利考虑,3个月已沉降10.66 mm,剩余1.67 mm,后期变化不大；100年预测最大值17.78 mm,3个月沉降12.81 mm,剩余4.97 mm,完成比率已达72%,与规范要求的75%相差不大。

(3)桥墩稳定过程相对较短,对于摩擦桩基础在架梁3 个月后,除个别墩外,沉降平均变形完成率大多已满足了规范要求；从数据上看,除摩擦桩外的其他类基础类型似乎变形缓慢,趋于稳定的时间相对较长,在恒载6个月后,仍不完全满足要求；但从具体分析看,此类墩总体变形比摩擦桩小且迅速趋于稳定,大于5 mm的墩不多,造成此现象可能是因施工不便观测不及时所致,代表性不强。

3.2.2 路基沉降变形曲线收敛趋势研究

路基设计中,结合地质情况,部分路堤地段进行了堆载预压,以加快路基沉降。另外,路基在施工完成前,即恒载前沉降量较大,因此,统计时段除考虑恒载后3个月、4个月、5个月、6个月时累积沉降变形完成的比率,也对恒载前的变化量进行了统计,统计结果见表4。

从统计结果看,无论是堆载还是非堆载路基,恒载前,即施工期产生的变形平均分别为57.8%、46.1%；恒载后3个月内,产生了较明显的变形,沉降完成率分别达到85.7%、87.4%,仅从完成率看,后期沉降主要发生在前3个月,3个月已基本满足了规范要求,此后已基本趋于稳定,变形量变化不大。

表4 哈大铁路客运专线路基沉降变形(大于10 mm点)完成率统计 %

4 评估后沉降变化情况分析

为验证评估预测结果和掌握后期沉降变化情况,对部分典型工点6个月以后沉降观测数据进行了分析和评估,并按以下原则进行：

(1)在各标段随机挑选一部分单元,评估完成后继续观测时间超过2个月以上；

(2)在原数据序列的基础上,追加评估通过的后续观测资料,用同样的模型重新进行回归分析；

(3)结合新旧评估结果进行分析,比较两次回归预测总沉降之差,和后续实测沉降量与评估时的预测沉降量之差以及2次预测值之差加以验证。

按以上原则,选取了约150个典型断面,进行验证分析计算,得出的结论基本是一致的,即总体上,两次回归分析预测值之差小于8 mm；工后沉降未发生明显变化最后实测沉降与正式评估预测值之差大多在1 mm以内,表5为几个典型工点的验证数据。

表5 TJ-1标典型工点部分沉降预测值后验证统计 mm

5 结语

通过对全线桥梁和路基沉降观测数据、预测值及加恒载前后3～6个月沉降完成比率进行统计、计算、评估和分析,以及后期对沉降结果的进一步验证,对哈大铁路客运专线桥梁和路基沉降变形曲线收敛趋势和规律,可初步得出以下结论。

(1)哈大铁路客运专线桥梁、路基恒载后6个月,沉降已基本稳定,相关指标也满足规范要求,后期对个别代表性断面又进行了验证,无明显变化。

(2)桥梁摩擦桩基础,总的沉降量不大,3个月实际沉降量完成比率已达86.1%,与6个月相差不大；100年预测值,3个月完成比率已达72%,与规范要求的75%也相差不大。也就是说3个月沉降已基本稳定,曲线已开始收敛。

(3)路基无论是堆载还是非堆载路基,恒载前变形较大,恒载后3个月内,产生路基沉降完成率分别达到85.7%、87.4%,基本满足了规范75%的要求。也就是说恒载后3个月沉降已基本稳定,曲线已开始收敛。

(4)哈大铁路客运专线建设过程中,个别工点由于工期原因,架梁后3个月、路基堆载后5个月后,开始下道工序施工,即铺板工作,通过后期继续观测和验证,沉降变化不大,均在规范允许的范围。

根据以上分析及哈大铁路客运专线建设实际经验,建议今后东北地区客运专线建设,相同工程措施、类似地质条件下,个别工点,确因工期紧张,通过增加观测频次,并经沉降分析,如沉降曲线趋于收敛,桥梁地段架梁3个月后可进行下道工序施工；路基堆载预压地段,虽然恒载3个月后沉降已基本稳定,但考虑路基基础及本体施工影响因素较多,因此恒载5个月后,进行下道工序施工为好。

[1] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]158号 客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2006]189号 客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定[S].北京：中国铁道出版社,2006.

[3] 周洪顺.低山丘陵区客运专线路基沉降变形控制技术研究[J].铁道标准设计，2008(9).

[4] 周全能，姜领发.客运专线路基沉降特征及影响因素分析[J].铁道标准设计，2010(2).

[5] 余飞，乐红，韩卓，等.铁路客运专线超载预压路基变形特征与卸载时间确定方法[J].铁道标准设计，2010(2).