西宝铁路客运专线沉降评估工作的实施与体会

2012-11-27赵满庆

铁道标准设计 2012年7期

关键词：路基观测变形

赵满庆

(西兰铁路客运专线陕西有限责任公司，西安 710043)

1 工程概况

1.1 工程范围

西宝铁路客运专线起点为郑西客运专线咸阳西站出站端DK500+130，终点为新建宝鸡南站出站端DK638+000，线路长度138 km。

1.2 主要技术标准

(1)铁路等级:客运专线。

(2)正线数目:双线、全线正线均为无砟轨道。

(3)设计行车速度:250 km/h及以上。

1.3 线下工程概况

桥梁18座/120143.23m，路基23段/16 924.65 m，黄土隧道1座/903 m(未包括箱涵)。桥梁梁体主要采用《无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》，跨度31.5 m，图号:通桥(2008)2322A－Ⅱ。施工方法为梁场制作、架桥机架设。部分桥梁采用连续梁设计方案，最大跨度136 m，施工方法为挂篮悬灌混凝土，另有少数采用支架法施工。桥梁桩采用φ1.0 m、φ1.2 m，桩长27～57 m的钻孔灌注桩，桩端位于中更新统冲积粉质黏土或砂圆砾层中。路基基底设计处理方案为:水泥土挤密桩、CFG桩、柱锤冲扩桩，其目的是消除黄土湿陷性、提高地基强度与减少地基沉降。路堤采用振动碾压水泥土。部分两桥连接段采用桩板结构。隧道Ⅴ级围岩采用CRD法施工，Ⅳ级围岩采用CD法和弧形导坑预留核心土法施工。

1.4 地基地质概况

西宝客运专线沿线所经地区地貌中西部以渭河一二级阶地为主部分为黄土台原，西部以黄土沟壑为主，部分为河谷阶地。地层均为第四系全新统、上更新统、中更新统地层，厚度大于300 m。主要地层依次为耕土、新黄土或冲、洪黏性土，黄土、风积、冲积黏质黄土夹古土壤，老黄土、粉质黏土、砂类土、碎石类土。不良地质主要为上部全新统、上更新统黄土，具湿陷性。

2 沉降评估工作模式与特点

2.1 评估工作的主要依据和标准

(1)铁建设［2006］158号文《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南》。

(2)铁道部工管技［2009］77号文《客运专线铁路变形观测评估技术手册》。

(3)《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)。

(4)西兰铁路客运专线陕西有限责任公司(以下简称公司)制定的《新建铁路西安至宝鸡客运专线线下工程沉降变形观测及评估实施细则》(以下简称《实施细则》)。

(5)西安至宝鸡铁路客运专线有关设计文件。

2.2 评估工作模式

2.2.1 组织机构

(1)公司成立线下工程沉降变形观测与评估领导小组，设计单位、施工单位、监理单位和评估单位等各方成立领导小组。

(2)人员要求

公司:公司总工程师任组长，工程部和安质部的部长任副组长，配置专职的管理人员。

设计单位:项目总体任组长，相关专业负责人任组员。

施工单位:局指挥长任组长，局总工任副组长，配置专职的管理人员。

监理单位:总监任组长，副总监任副组长，配置专职的管理人员。

评估单位:单位领导任组长，总评估师任副组长，配置专职的管理人员。

(3)工作分工与职责:根据铁道部有关规定明确各单位的工作内容与岗位责任。

(4)平行观测:监理单位负责平行观测工作。其工作量的确定，一般地段为施工单位总测量的10%，地质复杂、沉降变化大(由设计或公司确定)以及过渡段为施工单位总测量的20% ～50%，并编制《平行观测报告》。

(5)由桥涵、路基、岩土、线路、结构、测量专业专家组成专家小组，事前指导，解决技术难题，评审方案、评估报告。

2.2.2 严格的管理制度

在西兰公司领导下，由设计单位对施工单位、监理单位和评估单位进行技术交底，对有争议的技术问题提交专家组解决。在充分了解设计意图意见统一后、结合西宝客运专线黄土地区的工程特点、吸取郑西等客运专线的成熟经验教训，依据现有的行业标准，由公司制定颁发《实施细则》，各参建单位依据《实施细则》制定实施方案。

2.2.3 委托专业沉降评估单位

为提高沉降评估工作质量，公司特委托两家专业沉降评估单位进行评估，评估单位除编写评估报告外，还协助公司对施工单位、平行观测单位的现场沉降观测、资料整理进行技术指导与检查。

2.2.4 合理的评估工作流程

依据现行行业标准制定了工作流程，主要内容如下。

(1)施工编制《自评报告》，监理编制《监理工作报告》和《平行观测报告》，评估单位编制《评估报告》。

(2)施工、监理、评估单位参加公司组织的线下工程沉降变形观测评估专家论证会。

(3)施工、监理、评估单位根据专家意见修改各自的报告交公司。

(4)继续按要求进行观测工作，积累资料，直至交付运营。

(5)按照竣工资料要求整理观测资料，移交运营单位(含观测网)。

另外，在整个过程中高度重视专家的作用与意见，坚持每个施工段的评估都召开专家论证会，根据专家意见下达评估结论

2.3 评估特点

2.3.1 事前指导

(1)施工单位、平行观测单位依据《实施细则》及设计要求编写各自沉降观测方案，报评估单位与公司审批后实施，评估单位编写评估大纲上报公司审批后实施。

(2)为了提高参建单位人员业务水平，公司组织沉降变形观测专业培训班，重点对评估软件的使用进行学习，请评估单位安排人员讲课，授课后考试、合格者取得上岗证。并邀请国内专家授课沉降评估知识。

2.3.2 加强观测过程的控制管理

对沉降变形观测的过程控制管理，公司主要抓了6个重要环节。

(1)人员资质与技能、测量仪器的精度、检验情况满足沉降观测要求。

(2)布设观测网:施工单位提报布设观测网方案，评估单位审查同意后实施。

(3)按标准埋设观测元器件:过渡段的观测元器件要按公司《实施细则》要求埋设，因施工破坏的观测元器件要及时修复及时转点，桥墩上埋设的观测元器件要牢固可靠和符合标准。

(4)观测频次:按部文要求和公司《实施细则》要求的频次进行观测。

(5)公司定期组织评估单位、监理单位对施工单位、平行观测单位的沉降变形观测工作进行全面检查。10项主要检查工作:测量成果进行实测抽测检查，对内业资料进行检查，对测量工作是否执行“五固定”进行检查，对人员配置是否符合要求进行检查，对仪器配置是否符合要求进行检查，对人员培训情况进行检查(持证上岗)，对观测数据和填报情况进行检查，对观测频次进行检查，对观测设备是否破坏或及时修补进行检查，对仪器鉴定进行检查。

(6)沉降变形评估专家论证会:认真审查施工、监理和评估单位的报告，不断提高报告内容的质量。设计单位相关专业人员参加评估会。公司及时将评估结果提交设计、施工、监理和评估单位。

2.3.3 管理技术措施

沉降观测数据真实准确、可靠是评估工作的首要条件与基础，为达到此目的在过程管理中采取如下技术措施。

(1)重视梁体徐变的观测，确保箱梁预应力张拉施工质量。设计规范要求“无砟桥面梁的徐变上拱值不应大于10 mm”。《客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估指南》要求:“1.终张拉完成时，梁体跨中弹性变形值不宜大于设计值的1.05倍。2.扣除各种弹性变形、终张拉60 d后，L≤50 m梁体跨中徐变实测值不应大于7 mm;L＞50 m梁体跨中徐变实测值不应大于L/7 000或14 mm”。西宝客运专线跨度31.5 m的简支箱梁制作时，预设反拱18 mm。选取梁体跨中弹性变形设计值，当二期恒载 120～140 kN/m时，查通桥(2008)23222A-Ⅱ为10.04～10.24 mm。采用数据时，注意不要把反拱值与弹性变形值混肴。通用图中的“扣除自重影响后预应力产生的上拱度值”实际是终张拉完成时的跨中弹性变形值，因名称不同，这一点也容易混肴。连续梁的二期恒载要查设计文件后确定跨中弹性变形值。实测时，终张拉后要及时进行测量，取跨中、1/4跨和3/4跨3处(双侧)数据进行观测分析。连续梁测点按要求加密。通过观测数据控制和检查梁体张拉施工质量，控制梁体徐变符合设计要求。

(2)高度重视路基和过渡段的施工质量，确保路基工后沉降达标。因为已运营的客运专线路基设备发生过沉降问题，所以公司高度重视路基施工质量并采取多项措施加强路基设备。首先是在设计标准上只升不降，选择高标准的设计方案。二是在路基施工中，加强路基填料管理、加强路基工艺管理、加强路基施工过程监管(监理旁站、公司派员现场包保)、加强路基加载工程质量管理、加强路基观测设备的保护和检查(若有损坏及时修复、及时转标、及时做好内业资料)、加强沉降观测数据管理，严格执行不少于6个月观测期的标准和召开专家论证会评估的程序。过渡段和路基也是监理平行观测加密和重点监理地段。

(3)沉降观测期间，若桥梁基础沉降实测值超过设计值20%及以上时，应及时组织设计、监理、施工和施工图审核单位共同查明原因，采取措施。

(4)沉降观测过程中应注意的问题。

①测点号混乱不能进行自动处理或批处理。注意观测点号的唯一性，按《规范》、《实施细则》要求编制观测点号，每个观测点按《观测记录表》内容填写唯一的属性。

②观测点选择或埋设不妥，造成数据上升或下沉过大。《实施细则》要求:每个区段设单独的基准网，基准点(工作基点)间距不大于1 km。区段长度不宜大于2 km，以保证观测网最弱点的精度。基准网初测时，选择一个基准点作为算点。沉降观测到下一个基准网复测期间，保持基准点数据不变。如发现基准点不稳，及时检测和更换基准点。

③观测质量差，数据波动较大。这种问题主要检查人员、仪器配置是否符合要求，技术培训是否到位，有无责任心问题。

④数据处理不及时，造成数据积累，这是一种严重错误的做法，要严格控制。《实施细则》要求施工单位每月向评估单位传递1次观测数据，异常数据每周传递1次。传递的数据必须有监理签字。

⑤提交数据格式未按《规范》或《实施细则》要求形成统一的固定格式，不符合标准化管理要求。

(5)沉降曲线在首次观测后发生大幅回升，一般都是初测精度不高，使观测成果存在较大的误差引起的。在处理这种情况时，如果曲线回升过大，超过相应的预判值，应将第一次成果作废，采用第二次观测成果作为初测成果，如果曲线回升在一定范围内，则可以调整初测高程与第二次高程一致。

(6)沉降曲线在中间某点突然回升，发生这种情况应检查水准点和观测点有无碰动或表面有无砂浆未清理干净并做好相关处理。沉降曲线自某点渐渐回升，这种现象一般是水准点下沉所致。处理措施:测出水准点的下沉量进行数据修正或重新设置水准点。沉降曲线的波浪起伏现象，这种现象一般是测量误差引起的。波浪现象一般前期观测出现少，是因为建筑物沉降量大于测量误差，但到后期，由于建筑物下沉极微或趋于稳定，因此曲线上会出现测量误差波浪比较突出的现象。为了尽量减少这种测量误差的不定性，使所测的结果有统一的趋向性，在沉降测量中应自始至终遵循沉降测量“五固定”的原则。曲线中断现象，一般高铁线下工程中观测点因铺轨移点或观测点被毁，后设置的点绝对高程不一致，会使曲线中断。为了使中断的曲线连接起来，可将新设置的沉降点不计绝对高程，而只取其沉降量，一并加在原有沉降点的累计沉降量中。

3 沉降评估关键技术

3.1 对现行技术标准与已完成的客运专线的总结

评估基础理论:国内外预估沉降的两大思路，一是通过实测的沉降数据进行处理以获得沉降规律，从而预测沉降量。二是通过对路基的土样做实验来获得参数，根据固结理论，结合各种路基土的本构模型，计算路基的最终沉降量，如考虑非线性弹性模型及弹塑性模型的有限元法及大变形固结有限元法等。限于岩土介质的复杂性与高速铁路对线下沉降苛刻的要求，第二种方法难于满足精度要求，为此西宝客运专线采用第一种方法，属于经验方法。即采用与观测曲线相似的曲线进行配合，然后外延求出最终沉降量(工后沉降量)。常用的有双曲线法、三点法、抛物线法、指数曲线法、泊松曲线法、灰色理论、人工神经网络法、遗传算法、星野法、Asaoka法和修正双曲线法等。

经验总结:经过公司组织参建单位进行技术经验总结制定了一些切实可行的规定，如西宝客运专线主要工程是桥梁，按《评估指南》要求主体工程完工后，沉降观测期一般不少于6个月，岩石地基等良好地质区段的桥梁，沉降观测期不少于2个月。其规定时间跨度较大，结合西宝客运专线的实际地质情况，规定对桩端位于残积的砂砾、圆砾、卵石土区段沉降观测期不少于4个月，桩端位于黏性土区段不少于6个月。采用桩板结构的过渡段如何进行评估，《评估指南》等技术标准未给出明确的评估方法和判断标准，为此，结合郑西客运专线评判方法，制定了评判标准。

3.2 具有针对性的评估标准

沉降观测数据真实准确、可靠，是指其结果能真实反映所量测的目标客观沉降情况与规律，这样才能保证预测结果可靠，真实反映铺轨后的路基沉降情况。沉降观测数据真实准确、可靠就是评估工作的首要条件与基础。

根据有关沉降预测与评估的行业要求与西宝客运专线实际工程情况，具体评估主要从以下几个方面进行分析。

(1)工后沉降:容许工后沉降不大于15 mm(桥梁均匀工后沉降不大于20 mm，不均匀工后沉降不大于15 mm)。该指标为核心指标，严禁突破。

(2)稳定性:沉降速率是否逐步减小，后期沉降趋势应趋于稳定。

(3)相关系数:相关系数R≥0.92时认为预测是可靠的。

(4)观察期:路基、过渡段不少于6个月;桥梁架梁后摩擦桩观测期不少于6个月、嵌岩桩观测期不少于2个月，桩端为砂砾土不少于4个月;隧道一般不少于3个月。这是取得较完整的沉降过程曲线，即足够的可利用的过程数据的基本保证。

(5)可靠性:路基、过渡段、桥架梁后摩擦桩观测时间间隔不少于3个月(隧道、桥梁架梁后嵌岩桩时间间隔不少于1个月)，两次预测最终沉降量的差值小于8 mm。

(6)s(t)/s(∞)≥75%，沉降预测时间内预测时的沉降观测值与预测时的最终沉降值之比大于75%的要求。要求线下工程基础沉降大部分在铺轨前完成。

(7)观测频次:满足评估指南与设计要求。

(8)最终沉降量:同一观测断面不同观测方法要基本一致。如，沉降板与路肩桩。

(9)观测数据的合理性:同一观测断面左右观测点所反映的桥梁沉降变化趋势是否一致。

(10)设计沉降量与预测总沉降量的吻合性:二者差值不宜大于10 mm。

(11)处于岩石地基等良好地质条件的桥涵，当墩台沉降值趋于稳定且设计值及实测沉降值总量不大于5 mm时，可判断沉降满足无砟轨道铺设条件。

(12)对隧道地质条件较好，沉降趋于稳定且设计值及实测沉降值总量不大于5 mm时，可判断沉降满足无砟轨道铺设条件。

(13)过渡段不同结构物间预测差异沉降不应大于5 mm，沉降引起沿线路方向的折角不应大于1/1 000。

(14)梁体徐变评价:按评估指南5.3.5条进行外尚要注意观察数据的合理性，即观察数据是否出现大的跳跃或者直线发展趋势。

其中(1)～(3)项为核心指标，要求严格，任何一个指标不满足要求，不能通过评估;(4)～(6)项为基本指标，要求整体满足，个别指标超限不大时，可以基本通过评估，同时提出完善意见;(7)～(10)项为一般性指标，对于一般性指标要求基本满足;(11)～(13)项是特定条件的评估与要求。

3.3 特殊情况的评估处理

西宝客运专线对于两桥间、桥隧间长度较小的过渡段，设计上为了使过渡段整体沉降与桥隧一致，为此设计了桩板结构形式，第一次评估时其结构荷载仅有0.4 m的笩板，桩基几乎没有沉降量，无法进行拟合分析。如何进行评估，《评估指南》等技术标准未给出明确的评估方法和判断标准，为此，结合郑西客运专线评判方法，制定了如下评判标准。

(1)沉降观测时间不作硬性规定，但要求沉降速率是否逐步减小，后期沉降趋势应趋于稳定。

(2)累积沉降量要比较小，近于观测误差累积值。

(3)满足以上条件时可以判断满足评估要求，但须在桩板上碎石层与道床板施工完成后二次评估时重点验证。

图1、图2是西宝客运专线 DK610+660.54～DK610+755.74段对桩板结构段第一次评估时的观测点沉降历程曲线。

图1 DK610+663－G663－1－桩板结构观测桩

图2 DK610+753－G753－2－桩板结构观测桩

该段6个沉降观测点，观测140 d，其累计沉降量介于0.46～1.07 mm，各监测点累积沉降量很小，且沉降趋势趋于收敛。第一次评估判断满足评估要求。

3.4 提高沉降评估精度技术措施

(1)过程进行动态评估:根据施工安排划分评估单元，当该单元主题完工后，沉降观测达到2个月由施工单位、平行观测单位、专业评估单位进行沉降分析，预测并将结果上报公司。

(2)对整条线路进行2次评估:铺轨前按评估单元进行评估，铺轨后在轨道锁定前进行二次评估。

(3)评估过程中进行验证评估精度:对第一次评估通过的段落，过一段时间后随机抽检部分沉降观测点进行验证分析。伐鱼河特大桥(DK614+349.22～DK619+387.90)墩台沉降评估数据见表1。

表1 伐鱼河特大桥(DK614+349.22～DK619+387.90)墩台沉降评估数据

从表1可以看出，相差超过6个月的2次预测的差值在0.41～0.69 mm，说明2次预测结果一致，上次预测结果可靠，此段落后期沉降已趋于稳定，变化幅度小于测量误差。

4 结语与建议

(1)我国客运专线所经地质情况复杂，寻找国外相同地质条件的线下工程沉降变形评估经验借鉴比较困难，国内可以借鉴的黄土地质客运专线线下工程沉降变形评估经验比较少。西宝客运专线经过黄土地质条件，主要以桥梁形式通过，桥梁的沉降变形评估非常重要。总结西宝桥梁评估经验，建议如下:在满足核心指标和基本指标的情况下，桩尖端位于卵石层、圆砾、砂砾土层中时，评估期可以定为不少于4个月。

(2)为确保线下工程沉降变形评估的数据真实、可靠，加强沉降变形评估工作的管理是十分重要的。文中总结了西宝客运专线强调过程控制管理，提出了6个重要环节和10项检查工作。这些认识和管理措施为保证西宝客运专线线下工程沉降变形评估工作质量起到了非常重要的作用。

(3)总结了沉降观测和梁体徐变观测中容易发生的一些问题、原因以及解决方法。

(4)桩板结构的评估标准问题。在《评估指南》尚无明确标准的情况下，根据西宝客运专线的情况，文中提出了建议性的标准，有待进一步总结提高。

西宝客运专线沉降预测与评估通过吸取已建成的郑西客运专线等成功经验，依据现行技术标准，采用了科学和规范的评估模式。从已完成的评估段落结果看，评估分析是符合工程实际的。结合工程实际情况制定的一些沉降评估办法、标准及一些特殊情况的处理标准，较好地解决了西宝客运专线工程沉降评估中遇到的问题。

［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，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.工管技［2009］77号客运专线铁路变形观测评估技术手册［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］西兰铁路客运专线陕西有限责任公司.新建铁路西安至宝鸡客运专线线下工程沉降变形观测及评估实施细则［Z］.西安:西兰铁路客运专线陕西有限责任公司，2010.

［4］西兰铁路客运专线陕西有限责任公司.新建铁路西安至宝鸡客运专线工程指导性施工组织措施［Z］.西安:西兰铁路客运专线陕西有限责任公司，2009.

［5］中铁二院集团有限责任公司.TB10601—2009 高速铁路工程测量规范［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［6］中铁工程设计咨询集团有限公司.通桥(2008)2322A-Ⅱ.无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁［S］.北京:铁道部经济规划研究院，2008.

［7］机械工业勘察设计研究院.新建铁路郑州至西安客运专线湿陷性黄土区基础工程沉降观测与评估技术研究［R］.北京:机械工业勘察设计研究院，2009.

［8］兰州交通大学.新建铁路西安至宝鸡客运专线精密工程测量网咨询评估报告［R］.兰州:兰州交通大学，2010.