运营高铁车站黄土路基沉降特征及原因分析

杲 斐 李 硕 刘阳杰

(1.中铁二十一局集团有限公司 甘肃兰州 730070；2.南京师范大学 江苏南京 210023)

1 引言

高速铁路对轨道的精度要求高，路基作为轨道结构的直接载体，必须具有足够的强度、刚度及抗变形能力[1]。从目前运营高铁来看，路基变形主要发生在地基部分，其原因多为荷载和外部环境耦合作用下，地基土的物理力学指标发生变化，承载能力降低而导致路基本体变形，路基本体变形的反射作用引起了轨道结构的变形[2－3]。为此，要高度重视高铁路基结构的变形监测，定期对路基变形段落进行评估，分析路基的变形原因，提出针对性的措施，以保障高速铁路运营安全。

目前，运营铁路路基变形监测方法还是依靠常规接触式测量手段，常用高精度水准仪、全站仪、GPS等设备进行数据收集，其缺点为劳动强度大、观测周期长、受营业线和光线影响大[4－7]。近几年，兴起的永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)已经用于部分交通工程的区域变形监测，该技术为非接触式测量，可以监测到长期地表缓慢形变，具有全天时、范围广、受天气影响小的特点，可以定期提取交通工程沿线区域沉降变形情况。雷朋涛[8]将InSAR和北斗监测及传统水准测量相结合，对比分析了某高寒铁路路基沉降情况，证明了InSAR技术的可行性。张兆旭[9]采用PS-InSAR技术对京沪高铁静海段上典型PS点进行沉降时序分析。张学东[10]基于PS-InSAR技术分析了京沪高速公路京－冀段变形情况。秦晓琼[11]以上海轨道交通工程为例，采用PS-InSAR技术分析了沉降格局，探讨了其形变特性及原因。总体看来，PS-InSAR技术用于交通工程的变形监测数据可靠，能够满足要求。

在高铁路基病害原因分析方面，高超[12]针对运营高铁某站场路堤轨道面沉降病害，分析成因并提出采用基底及路堤主体注浆加固技术治理病害。李尚飞[13]以大西高速铁路高速综合试验段为例，对季节性冻土区路基冻害主要成因、整治措施及其效果进行研究。李坛[14]分析了沪昆高铁某软土区路基沉降变形原因，得出部分地段路基受到新增荷载影响造成土体偏压，导致路基本体发生侧向滑移变形等病害的结论。李金良[15]针对兰新高铁部分水泥土路基上拱病害，研究了路基上拱原因，指出路基填料中高含量的硫酸盐和水泥在水的作用下发生化学反应，形成钙矾石、硅灰石膏的过程中膨胀造成路基变形。从这些研究可以看出，路基病害与路基内水分分布关系紧密。

本文以某高铁车站黄土路基沉降病害为例，基于永久散射体干涉测量技术(PS-InSRA)对高铁路基范围内地面进行变形监测，分析其沉降规律、发展趋势对高速铁路线路的影响。在现场钻探取样，分析地基土的干密度和含水率分布特征，寻找路基变形的原因，以便指导后续病害治理。

2 工程概况

某高铁车站位于黄河的二级阶地，紧邻既有兰新铁路，区域地形开阔，城市道路交错，交通极为便利，是利用旧的铁路编组站而新建的大型客运枢纽，车站范围内地层自上而下分别为:(1)砂质黄土，分布于黄土梁峁区边缘，厚度8～12 m，Ⅱ级普通土，承载力为120 kPa，具有Ⅲ级湿陷性；(2)细圆砾土，成分以砂岩为主，Ⅱ级普通土，承载力为400 kPa；(3)粗圆砾土，Ⅲ级硬土，承载力为500 kPa；(4)卵石土(Q3al7)，Ⅳ级软石，承载力为750 kPa。

轨道结构为有砟轨道，路基基床表层为60 cm厚的级配碎石，路基填高0.6～2 m，地基采用强夯、水泥土挤密桩和DDC桩处理。路基两侧设置矩形排水侧沟，宽度0.6 m，沟深0.6～1.8 m。车站自2017年7月开通运营，2018年，观察部分股道路基的排水侧沟开裂，轨道出现下沉，影响了列车的运营安全。

3 路基沉降特征分析

鉴于变形段高速铁路在限速运营，采用传统的接触式测量进行路基沉降观测费时、费力，同时列车运营也会影响测量数据的准确性和观测人员的安全。为此，采用永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)进行路基变形观测，分析路基沉降原因。

PS-InSAR技术是利用某一固定区域的长时间序列SAR影像，筛选出1幅主影像和N幅辅影像进行干涉分析，选出大气影响小，且与时间和空间失相关的稳定的房屋、桥梁、裸露岩石等组成的永久性散射体，通过适当的数据处理和分析程序，将形变相位分量与其他相位分量分离，反演地表在固定时间段内的形变特性，然后使用SRTM90m DEM数据进行二次反演分析和干涉图的二次差分处理，得到高精度的地表形变特征。

本项目采用欧空局Sentinel-1A卫星29景IW模式的VV极化方式SAR影像，影像的轨道号为62，入射角度约为44.6°，时间段为2017年2月19日至2019年6月9日，选取10 km铁路路基200 m宽的范围，共计65 km2进行干涉分析，总计选出12 846个永久散射体点(见图1)。

图1 观测范围内永久散射体分布

为了详细了解沉降情况，在图1所示车站范围内路基中布设A、B两个区域进行时序沉降精确分析，A区域位于车站东咽喉以东部分站线，B区域范围为车站东西咽喉范围内的部分，选取2017年2月19日至2019年6月19日时间段内DEM图像进行干涉分析，在A区域选取a、b、c三段(见图2)，B区域内选取d和e段(见图3)进行累计变形分析，绘制时序累计变形分布图(见图4)。

图2 A区域永久散射体分布

图3 B区域永久散射体分布

图4 车站内观测点时序累计沉降量分布

由图4可知，截止2019年6月9日，A区域a段高铁路基平均累计沉降为－21.39 mm，b段的平均累计沉降为－14.28 mm，c段的平均累计沉降为－13.28 mm。B区域高铁路基内d段的平均累计沉降为－9.67 mm，e段的平均累计沉降为－17.11 mm。a段的平均累计沉降最大，d段的累计沉降最小，b、c和e三段的累计沉降相近。从趋势看，A和B区域内5段的高铁路基的沉降趋势相近。

从时序角度考虑，图4中的5个监测段落在2017年5月至2017年9月、2018年4月至2018年7月两个时序段内的平均累计沉降呈逐渐增加趋势，时间与平均累计沉降呈线性关系，沉降较快；在2017年10月至2018年3月、2018年8月至2019年2月两个时序段内，平均累计沉降较为缓慢，接近于无沉降状态，特别是B区域的表现更为明显。总体来看，2018年7月之后，沉降趋势开始减缓。

4 地基土密度及含水率特征

2018 年9 月底，在 a、b、c、d、e五个段内布设5 个钻孔，孔位编号依次为 ZTa、ZTb、ZTc、ZTd、ZTe，分析地基土的含水率和干密度分布特征，取样深度为10 m，绘制含水率和干密度随深度的分布图(见图5和图6)。

图5 地基土含水率随深度分布曲线

图6 地基土干密度随深度分布曲线

4.1 地基土含水率分布特征

图5为地基土样含水率随深度变化曲线，可以看出，地基土样的含水率在12.9%～25.2%间，其中地下0.3 m处土样的含水率分布在12.9%～16.7%之间，地下2 m处土样的含水率分布在17.1%～21.9%之间，地下4～10 m范围内土样的含水率分布在17.9%～25.2%之间。从含水率分布趋势看，自上而下呈增加趋势，地下2 m和4 m处为含水量增加趋势的拐点，其中地下0～2 m范围内的含水率增加较明显，定义为快速增加阶段；地下2～4 m范围内的含水率增加趋势减缓，定义为缓慢增加阶段；地面以下4～10 m范围内的含水率几乎不变，定义为稳定阶段。在快速增加阶段，单孔地基土样的含水率随地基深度增加了大约30%；在缓慢增加阶段，单孔地基土样的含水率随地基深度增加约10%；稳定阶段的含水率几乎无增加。

4.2 地基土干密度分布特征

图6为地基土样干密度随深度变化曲线，可以看出，地基土样的干密度在1.5～1.77 g/cm3之间，其中地下0.3 m处土样的干密度分布在1.5～1.64 g/cm3之间，地下2 m处土样的干密度分布在1.65～1.68 g/cm3之间，地下4～10 m范围内土样的干密度分布在1.6～1.77 g/cm3之间。从总体趋势看，干密度自上而下逐渐增加，地下4 m处为拐点，在地下0～4 m范围内干密度增加较明显；地面以下4～10 m范围内土体干密度增加较少。对比各点的干密度，ZTa点在地下0～8 m范围内的干密度小于其他点位，对应的a段累计沉降较大；ZTd点的干密度自始至终大于其他点位，对应的d段累计沉降也较小。

根据地勘资料，该段地基黄土的天然干密度为1.5～1.67 g/cm3，土样的干密度绝大多数分布在地基土天然干密度区间内。这说明地基处理范围有限，对路基侧沟外侧地基土影响较小，干密度偏小，土壤渗透系数较大，地表积水容易下渗。

5 路基沉降原因分析

从气候特征考虑，研究区域降雨主要集中在5月～9月，11月至次年4月为冻结期，主要以降雪为主，而PS-InSAR观测数据提示，2017年5月至9月、2018年4月至8月两个时间段内平均累计沉降速率较快，这段时间对应春夏季，降雨量较大；在2017年10月至2018年3月、2018年9月至2019年3月两个期间内，平均累计沉降较为缓慢，这段时间对应秋冬季，降水较少，多数时间地表封冻，地表水入渗较为困难。路基的沉降与气候和降水关系较为密切，但是总体而言，沉降速率有所减缓。

从地基土的含水率分布特征分析，地面以下0.3～4 m间的地基土样含水率处于增加阶段，地面以下4～10 m间的土样含水率基本保持不变，结合文献[16]研究结论，认为地表水入渗引起地基含水率增加。

从地基土的干密度分布特征分析，地基处理范围有限，并没有影响到侧沟外侧地基土，侧沟外侧地基土样密实度偏小，土壤渗透系数较大，地表积水容易下渗。

综合分析认为，该段路基位于车站内，地势平坦，路基间的场坪汇水面积较大，横坡较小，地表汇水通过路基两侧的侧沟排水，而场坪地表为砂砾石，没有采用合理的防水措施，造成雨水及融化后的雪水渗入地基下卧层，造成黄土路基下卧层湿化变形。另一方面，新建路基的侧沟为C30混凝土结构，雨水和雪水从侧沟边渗入沟底黄土层，高含水率黄土的冻胀作用引起了侧沟的开裂，而侧沟的纵坡较小，排水不畅，沟内积水从裂缝中渗入黄土地基，进一步引起了地基的湿化沉降。

6 结论

通过采用PS-InSAR技术和现场勘查相结合的方法，研究了依托工程黄土路基的沉降特征和原因，得出以下结论:

(1)该段路基沉降主要发生在2017年5月至9月和2018年4月至8月两个时间段，春夏季沉降速率较大，秋冬季相对平稳，总体沉降趋势有所减缓。

(2)车站地基土的含水率没有线性变化特征，在地下0.3～2 m范围内土体含水率增加较快，2～4 m范围内含水率增加速率减缓，4～10 m范围内含水率基本稳定，地下2 m和4 m为含水率增加速率的临界深度。

(3)路基部位地基处理影响范围有限，路基侧沟外侧地基土干密度偏小，渗透系数偏大。

(4)车站场坪的汇水面积较大，排水系统不完善，地表为透水性较强的卵石土，且没有采取防水措施，造成大气降水渗入地基引起黄土层湿化变形。

(5)整治措施为需完善车站股道间场坪地表的防排水系统，做好地表卵石土层的防水措施和C30混凝土排水侧沟防冻和防水措施。