黄土地区高速铁路高边坡路基帮宽沉降分析

杨学林

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

高速铁路设计规范对线路的平顺性要求极高，特别是对差异沉降要求非常严格。因此，路基沉降与变形控制是高速铁路设计施工中必须考虑的重要因素之一[1-3]。在国内，新建铁路下穿、上跨、并行高铁的工程项目屡见不鲜[4-13]，但是涉及高速铁路高边坡路基帮宽的工程并不多见。以某新建线引入既有高铁站场工程为例(见图1)，对既有线帮宽后的监测数据进行分析，以期得到一些有益的结论。

图1 工程项目现场

2 工程背景

2.1 工程概况

既有线路站场为6股道，分别为正线Ⅰ道、Ⅱ道，到发线3道、4道，到发线5道、6道，既有路基顶面宽44.35 m。新建线路紧邻既有线，北侧新建8道，南侧新建11道和Ⅸ道，平面位置关系如图2所示。新建工程涉及2处涵洞接长，3处路基帮宽。

图2 新建工程与既有线路平面位置关系(单位：m)

涵洞1既有结构类型为1-4.0 m肋板涵，线路法线与涵洞轴线的夹角为5.62°，北侧接长后涵顶最大填土高3.6 m，南侧接长后涵顶最大填土高14.05 m。涵洞2既有结构类型为1-4.0 m肋板涵，线路法线与涵洞轴线的夹角为25°，北侧接长后涵顶最大填土高12.9 m，南侧接长后涵顶最大填土高27.7 m。

帮宽区域1有效长度约为168.3 m，平均有效宽度约为21.8 m，最大高度为27.7 m，填方4.8×104m3。帮宽区域2长度约为86.8 m，平均有效宽度约为2.3 m，最大高度为16.9 m，填方3 300 m3。帮宽区域3长度约为33.9 m，平均有效宽度约为8.0 m，最大高度为8 m，填方2 200 m3。

涵洞1北侧接长涵洞布置如图3所示。

图3 涵洞1北侧接长涵洞布置(单位：cm；高程单位：m)

涵洞1南侧接长涵洞布置示意如图4所示。

图4 涵洞1南侧接长涵洞布置(单位：cm；高程单位：m)

涵洞2北侧接长涵洞布置如图5所示。

图5 涵洞2北侧接长涵洞布置(单位：cm；高程单位：m)

涵洞2南侧接长涵洞布置如图6所示。

图6 涵洞2南侧接长涵洞布置(单位：cm；高程单位：m)

2.2 线路技术标准

铁路等级：高速铁路；

线路类型：双线电气化、有砟轨道；

设计速度：250 km/h；

运营速度：200 km/h。

2.3 工程地质条件

本工程场地勘探深度范围内地层为第四系全新统冲积细圆砾土，第四系上更新统坡洪积新黄土，第四系中更新统洪积黄土、粗角砾土、细圆砾土，晚第三系上新统黏土；下伏奥陶系峰峰组角砾状灰岩、石灰岩。岩土施工工程分级及基本承载力如表1所示。

表1 岩土施工工程分级及基本承载力

土壤最大冻结深度为1.01 m，根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，地震动峰值加速度为0.10g(地震基本烈度为Ⅶ度)，地震动反应谱特征周期为三区。沿线土体对混凝土结构不具侵蚀性，路基工点勘探期间未见地下水。

3 监测方式方法及监测点布置情况

3.1 监测方式方法

长期以来，工程沉降变形观测方法以人工水准测量方法为主[15]，受人工、环境、气候、仪器精度、人为误差等因素影响，使得其采集频率低、连续性差、数据精度低、不能实时处理反馈、长期监测费用高。而自动化监测(静力水准监测)可以对邻近高铁施工进行无间断的连续性实时监测，且长期监测维护费用低。本项目采用了《高速铁路工程结构沉降及变形自动监测分析预警系统SMAIS》[16]。

采用几何水准测量方法(二等水准测量)建立水准测量监测网，各测点高程初始值在施工前测定，地表沉降监测点在工程施工前布设[17]。

3.2 测线总体布置情况

观测点的布置间距应根据地质条件、沉降发生的原因等综合确定，一般不超过50 m[14]。在既有高铁路基顶面共布置了4条静力水准测线。局部测点、测线的平面位置关系见图7，测点之间的间距见表2。

3.3 监测数据处理算法

依据铁路的运营特点，利用如图8所示的数据分析流程思路，以JDs(平滑-绝对沉降量)作为最终的相对累计沉降值，CYs(平滑-差异沉降量)作为最终的施工预警值。

图7 路基沉降监测平面布置示意(单位：m)

表2 测点间距 m

注：测线1对应到发线5，包含14个测点；测线2对应到发线3，包含10个测点；测线3对应正线Ⅱ，包含6个测点；测线4对应到发线6，包含5个测点。

图8 数据分析流程

4 沉降监测成果分析

4.1 线路纵断面数据监测成果分析

根据2年来的数据，分别绘制测线1～测线4的纵断面曲线(见图9、图11、图13、图15)和时程曲线(见图10、图12、图14、图16)，4条测线中沉降最大测点(1-10、2-06、3-05)的时程曲线见图17～图19。

图9 测线1测点沉降纵断面曲线(单位：mm)

由图9～图16可见，测线1中 1-09～1-12测点的最终沉降数值较大，沉降最大位置处(1-10测点)的沉降量为73.20 mm；测线2中2-06、2-07测点的最终沉降数值较大，沉降最大位置处(2-06测点)的沉降量为34.93 mm；测线3中沉降最大位置处(3-05测点)的沉降量为18.04 mm。除以上测点外，其余测点沉降变形数值均较小。

图10 测线1测点沉降时程曲线

图11 测线2测点沉降纵断面曲线

图12 测线2测点沉降时程曲线

图13 测线3测点沉降纵断面曲线

图14 测线3测点沉降时程曲线

图15 测线4测点沉降纵断面曲线

图16 测线4测点沉降时程曲线

图17 测点1-10沉降值最大测点时程曲线

图20 A-A～F-F截面测点断面曲线

图18 测点2-06沉降值最大测点时程曲线

图19 测点3-05沉降值最大测点时程曲线

由图10可知，开工以来，涵洞位置附近测线1中的1-09～1-12测点开始缓慢下沉；2017年2月8日～2017年5月30日，随着帮宽量不断加大，测点的沉降速率出现持续增大的趋势；2017年5月30日停工后，测点的沉降速率缓慢减小并趋于稳定。填土完成后，后续施工与雨水并未导致测点沉降速率加剧。由图16可以得出，帮宽区域对测线4几乎无影响。

由图10、图12、图14、图16得出，填方施工在总沉降中的影响比例与线路和帮宽区域1之间的距离成反比。

由图17～图19得出，1-10、2-06、3-05测点的沉降规律与其他测点基本一致，均呈现反S曲线，可见帮宽完成后，土体的沉降变形时程较长，土体呈蠕变特性[18]。测线与帮宽区域1的距离越大，则反S曲线反弯点出现得越早。

4.2 线路横断面数据监测成果分析

既有高速铁路路基横断面较宽，既有股道数量多，此监测范围内共有A-A～F-F6个截面(见图7)。相关曲线见图20。

由图20可知，涵洞1顶部截面A-A和无涵洞接长截面B-B、C-C监测数值变化较小，路基帮宽施工对高铁运营影响较小。在沉降数值上，有1-05>2-03>4-04，说明涵洞顶A-A截面南侧有微弱的下沉现象。从C-C、D-D、E-E、F-F四个截面中可以看出，在沉降数值上，有“0≈1-08<1-09>1-11>1-13≈0， 2-05<2-06>2-07>2-08”，说明越靠近帮宽区域1和涵洞2，沉降影响越大。1-09测点沉降较1-11测点大，说明堆土越高，沉降变形越大。

根据以上监测数据，统计出沉降区域、沉降速率、收敛时间、影响最大值的分布规律：测线1>测线2>测线3>测线4，沉降较明显的测点与帮宽区域1、涵洞2具有明显的相关性，测点3-05、2-06、2-07、1-09、1-10、1-11、1-12形成了一块喇叭口形状的沉降漏斗区域。以上现象说明，涵洞2和边坡帮宽区域1在变形影响因素中起主导作用。

5 沉降防治对策

5.1 主要防治手段

根据本工程项目的特点，制定了动态施工、动态监测、动态调整为主的防治对策。根据沉降变形速率控制施工进度，增加监测频次和轨面人工复核校准的次数。

根据预警值和《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(铁运[2013]29号)中的标准进行控制。

5.2 防治对策建议

(1)调查路基既有现状，根据既有路基工作状态，采取不同的设计、施工措施。

(2)对填土速度进行控制。

(3)采用自动化监测系统，实时分析监测数据。

(4)制定黄色和红色预警措施，形成原始数据核备报告、日报、月报、预警报告、监测成果报告5种报告形式。

(5)增加预警复测、动检和捣固作业等相关手段。

6 结论

(1)高边坡路基帮宽施工对高铁沉降变形影响较大。

(2)填土作业是沉降变形的主要影响因素；汛期，帮宽区域范围内既有路基沉降变形没有明显变化，该路基帮宽区域范围内，既有路基沉降变形最大值达到73.2 mm。

(3)帮宽工作对涵洞1附近地表区域沉降变形影响较小，对涵洞2附近地表区域沉降变形影响较大。

(4)帮宽区域越大，填土越深，距离帮宽区域越近，帮宽对既有路基的影响范围和影响数值就越大，拖拽作用也越明显。