客運專線路基沉降變形控制技術(shù)探討

沈啟煒

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

為保證高速列車的行車安全、旅客舒適度和減少養(yǎng)護維修工作量，客運專線對路基工后沉降控制嚴格[1]。我國客運專線路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

施工工程中的路基沉降變形控制亦相當(dāng)重要。本文對客運專線路基施工過程中變形和沉降控制技術(shù)進行了探討，對客運專線路基工程施工有一定的借鑒作用。

1 觀測斷面和觀測點的布設(shè)

觀測斷面應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位、填方高度、地基條件、堆載預(yù)壓等具體情況來設(shè)置沉降變形觀測斷面。同時應(yīng)根據(jù)施工過程中掌握的地形、地質(zhì)變化情況調(diào)整或增設(shè)觀測斷面。

1.1 觀測斷面設(shè)置

沿線路方向的間距一般不大于50 m。對地勢平坦且地基條件均勻良好的路塹、填方高度<5 m且地基條件均勻良好的路堤，可放寬到100 m。對于地形、地質(zhì)條件變化大的地段應(yīng)適當(dāng)加密。路堤與不同結(jié)構(gòu)物的連接處，應(yīng)設(shè)置沉降觀測斷面。每個路橋過渡段在距離橋頭5 m、15 m、35 m處，分別設(shè)置一個沉降變形觀測斷面。每個橫向結(jié)構(gòu)物兩側(cè)，各設(shè)置一個檢測斷面。一個沉降觀測單元(連續(xù)路基沉降觀測區(qū)段為一單元)應(yīng)不少于2個觀測斷面。對地形橫向坡度大于1∶5或地層橫向厚度變化的地段，應(yīng)布設(shè)不少于1個橫向觀測斷面。

1.2 觀測點設(shè)置(見圖1)

為利于測點看護，集中觀測，統(tǒng)一觀測頻率，各觀測項目數(shù)據(jù)的綜合分析，各部位觀測點須設(shè)在同一橫斷面上;路堤地段采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型監(jiān)測斷面。Ⅱ型斷面僅在橋頭布置。一般路基地段，布置Ⅰ、Ⅱ型檢測斷面。一般情況下，每間隔3個Ⅰ型監(jiān)測斷面，設(shè)置一個Ⅲ型監(jiān)測斷面。路堤與橫向結(jié)構(gòu)物過渡段，于橫向結(jié)構(gòu)物頂部沿橫向結(jié)構(gòu)物的對角線方向鋪設(shè)剖面沉降管。橫向結(jié)構(gòu)物兩側(cè)外邊緣各2 m處，設(shè)置一個Ⅰ型觀測斷面，平面布置見Ⅳ型。路塹地段采用Ⅴ型監(jiān)測斷面。分別于路基中心，距兩側(cè)路肩1 m處，各設(shè)1根沉降監(jiān)測樁。路基中心設(shè)沉降板，底板置于基床底層頂面，觀測路基面的沉降。軟土、松軟土路堤地段，除設(shè)置沉降觀測設(shè)施外，還應(yīng)設(shè)置位移觀測樁。位移觀測樁設(shè)置于兩側(cè)坡腳外2 m、10 m處，并與沉降觀測樁、觀測板等位于同一斷面上。路基水準(zhǔn)路線觀測按國家二等水準(zhǔn)測量精度要求，形成附合水準(zhǔn)路線，布設(shè)沉降觀測點位及水準(zhǔn)路線。

圖1 各種沉降監(jiān)測剖面元件布置示意(單位:m)

2 觀測元件與埋設(shè)技術(shù)要求

2.1 沉降觀測樁(見圖2)

樁體選擇φ20 mm不銹鋼棒，頂部磨圓并刻畫十字線，底部焊接彎鉤，待基床表層級配碎石施工完成后，通過測量埋置在設(shè)計位置，埋置深度不小于0.3 m。樁周0.15 m用C20混凝土澆筑固定。完成埋設(shè)后，測量樁頂高程作為初始讀數(shù)。

2.2 沉降板(見圖3)

應(yīng)嚴格按設(shè)計要求進行埋設(shè)。一般情況下，它由底板、金屬測桿(φ40 mm鍍鋅鐵管)及保護套管(φ49 mm PVC管)組成。鋼筋混凝土底板尺寸為50 cm×50 cm，厚5 cm。

圖2 路基沉降觀測樁埋設(shè)布置(單位:mm)

圖3 路基沉降板埋設(shè)布置

沉降板埋設(shè)位置處可墊10 cm砂墊層找平，埋設(shè)時，確保底板的水平與垂直度，確保測桿與地面垂直。放好沉降板后，回填一定厚度的墊層，再套上保護套管。保護套管略低于沉降板測桿，上口加蓋，封住管口，并在其周圍填筑相應(yīng)填料，穩(wěn)定套管，完成沉降板的埋設(shè)工作。按二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測量埋設(shè)就位的沉降板測桿，桿頂高程讀數(shù)作為初始讀數(shù)。隨著路基填筑施工逐漸接高沉降板測桿和保護套管，每次接長高度以0.5 m為宜。接長前后，測量桿頂高程變化量，確定接高量。金屬測桿用內(nèi)接頭連接。保護套管用PVC管外接頭連接。接長套管時，應(yīng)確保垂直，避免機械施工等因素導(dǎo)致套管傾斜。

2.3 定點式剖面沉降測試壓力計

定點式剖面沉降測試壓力計底板采用沉降板底板。埋設(shè)位置應(yīng)按設(shè)計測量確定。埋設(shè)位置處可墊10 cm砂墊層找平。埋設(shè)時，確保底板水平，填土至0.6 m，高度碾壓密實后開一小凹坑，將壓力計放入坑內(nèi)，用細粒土將坑填平后，繼續(xù)施工路基填土。埋設(shè)完成后，將壓力計監(jiān)測線沿水平方向甩到坡腳后，在坡腳處設(shè)C20素混凝土保護墩(0.50 m×0.50 m×0.95 m)。墩內(nèi)預(yù)埋剖面管管材，監(jiān)測線從管內(nèi)穿出。墩旁設(shè)監(jiān)測樁，監(jiān)測樁采用C20素混凝土灌注，斷面采用0.5 m×0.5 m×1.6 m，并在樁頂預(yù)埋半圓形不銹鋼耐磨測頭。監(jiān)測樁用鋼筋混凝土保護盒保護。待上部一層填料壓實穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測數(shù)日，取穩(wěn)定讀數(shù)。

2.4 剖面沉降管

采用專用塑料硬管，其抗彎剛度應(yīng)適應(yīng)被測土體的豎向位移要求。導(dǎo)管內(nèi)十字導(dǎo)槽應(yīng)順直，管端接口密合。剖面沉降測量是將剖面沉降儀探頭預(yù)埋在剖面沉降管十字導(dǎo)槽內(nèi)，從一端按一定間距依次讀數(shù)(見圖4)。

圖4 路基剖面沉降管埋設(shè)布置

路基基底剖面沉降管在地基加固及墊層施工完畢后，填土至0.6 m，高度碾壓密實后開槽埋設(shè)。開槽寬度20～30 cm。開槽深度至地基加固墊層頂面。槽底回填0.2 m厚的中粗砂。在槽內(nèi)敷設(shè)沉降管(沉降管內(nèi)穿入用于拉動測頭的鍍鋅鋼絲繩)，其上夯填中粗砂至與碾壓面平齊。Ⅳ型斷面中，剖面管在涵頂填土厚0.6 m處開槽埋設(shè)，原則同基底剖面管埋設(shè)方法。沉降管埋設(shè)位置擋土墻處應(yīng)預(yù)留孔洞。沉降管敷設(shè)完成后，在兩頭設(shè)置0.50 m×0.50 m×0.95 m C20素混凝土保護墩，并于一側(cè)管口處設(shè)置監(jiān)測樁。監(jiān)測樁采用C20素混凝土灌注，斷面采用0.5 m×0.5 m×1.6 m，并在樁頂預(yù)埋半圓形不銹鋼耐磨測頭。監(jiān)測樁用鋼筋混凝土保護盒保護。待上部一層填料壓實穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測數(shù)日，取穩(wěn)定讀數(shù)作為初始讀數(shù)。

采用橫剖儀和水準(zhǔn)儀進行橫剖面沉降觀測。每次觀測時，首先用水準(zhǔn)儀測出橫剖面管一側(cè)的觀測樁頂高程，再把橫剖儀放置于觀測樁頂測量初值，然后用橫剖儀測量各測點。區(qū)間每2.0 m測量一點。車站內(nèi)測點間距可為3.0 m。

2.5 位移邊樁

采用C15鋼筋混凝土預(yù)制，斷面為15 cm×15 cm正方形，長度不小于1.5 m。在樁頂預(yù)埋 φ20 mm鋼筋，頂部磨圓并刻畫十字線。

邊樁埋置深度在地表以下不小于1.0 m，樁頂露出地面不應(yīng)大于10 cm。埋置方法采用洛陽鏟或開挖埋設(shè)。樁周以C15混凝土澆筑固定，確保邊樁埋置穩(wěn)定。完成埋設(shè)后，采用全站儀測量邊樁高程及距基樁的距離，作為初始讀數(shù)。

2.6 單點沉降計

單點沉降計是一種埋入式電感調(diào)頻類智能型位移傳感器，由電測位移傳感器、測桿、錨頭、錨板及金屬軟管和塑料波紋管等組成。采用鉆孔引孔埋設(shè)，鉆孔孔徑φ108 mm或φ127 mm，鉆孔垂直，孔深應(yīng)達到硬質(zhì)穩(wěn)定層(最好為基巖)，并與沉降儀總長一致?？卓趹?yīng)平整密實。安裝前，先在孔底灌漿，以便固定底端錨板。安裝時，錨桿朝下，法蘭沉降板朝上，要注意用拉繩保護，以防止元件自行掉落，采用合適方法將底端錨板壓至設(shè)計深度。每個測試斷面埋設(shè)完成后，位移計引出導(dǎo)線，用鋼絲波紋管進行保護，并挖槽集中從一側(cè)引出路基，引入坡腳觀測箱內(nèi)。一般在埋設(shè)完成后3～5 d，待縮孔完成后，測試零點。觀測路塹換填基底沉降或隆起變形埋設(shè)在換填基底面，表面應(yīng)平整密實。觀測路基本體變形，按設(shè)計斷面圖埋設(shè)。

3 觀測技術(shù)要求

路堤地段，從路基填土開始進行沉降觀測。路塹地段，從級配碎石頂面施工完成開始觀測。路基填筑完成或施加預(yù)壓荷載后，應(yīng)有不少于6個月的觀測期。觀測數(shù)據(jù)不足以評估或工后沉降評估不能滿足設(shè)計要求時，應(yīng)延長觀測時間或采取必要的加速或控制沉降的措施。沉降觀測設(shè)備的埋設(shè)是在施工過程中進行的，施工單位的填筑施工要與設(shè)備的埋設(shè)協(xié)調(diào)，做到互不干擾、影響。觀測設(shè)施的埋設(shè)及沉降觀測工作應(yīng)按要求進行，不能影響路基填筑質(zhì)量。路基施工不能影響到觀測設(shè)備。路基填筑過程中，應(yīng)及時整理路堤中心沉降觀測點的沉降與邊樁的位移量。當(dāng)中心地基處沉降觀測點沉降量>10 mm/d或邊樁水平位移>5 mm/d、豎向位移>10 mm/d時，應(yīng)及時通知項目部，并要求停止填筑施工，待沉降穩(wěn)定后再恢復(fù)填土，必要時采用卸載措施。觀測精度要求:路基沉降觀測水準(zhǔn)測量的精度為±1.0 mm，讀數(shù)取位至0.1 mm;剖面沉降觀測的精度應(yīng)不低于8 mm/30 m;位移觀測測距誤差±3 mm;方向觀測水平角誤差為 ±2.5″。觀測頻次依照路基沉降觀測的頻次規(guī)范規(guī)定。

實際工作進行時，觀測時間的間隔還要看地基的沉降值和沉降速率。當(dāng)兩次連續(xù)觀測的沉降差值>4 mm時，應(yīng)加密觀測頻次;當(dāng)出現(xiàn)沉降突變、地下水變化及降雨等外部環(huán)境變化時，應(yīng)增加觀測頻次。觀測應(yīng)持續(xù)到工程驗收，交由運營管理部門繼續(xù)觀測。

4 效果及評估結(jié)果

以DK956+381.51—DK959+906.27段路基區(qū)段為例，采用上述方法觀測后進行沉降評估分析如下。

4.1 統(tǒng)計分析

1)運梁車通過后，路基(包括涵洞、過渡段)沉降波動幅度統(tǒng)計分析如下:根據(jù)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，沉降板沉降波動范圍為0.27～2.76 mm，涵洞觀測標(biāo)波動范圍為0.28～3.42 mm。

2)運梁車通過后，路基(包括涵洞、過渡段)沉降增量統(tǒng)計分析如下:沉降板沉降增量為－0.82～3.19 mm，涵洞觀測標(biāo)沉降增量為－0.07～3.03 mm。

3)最后四期沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析:統(tǒng)計顯示該區(qū)段所有測點最后四期(且觀測時間不少于1個月)沉降觀測數(shù)據(jù)未見持續(xù)下沉的情況，滿足路基評估標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，該路基區(qū)段96個測點滿足路基評估標(biāo)準(zhǔn)2，直接判斷其處于穩(wěn)定階段，占89.72%，代表性曲線(見圖5)，不滿足評估標(biāo)準(zhǔn)的共計 11個測點，占10.28%，對其進行曲線回歸預(yù)測。

圖5 沉降曲線

4.2 工后沉降回歸預(yù)測

針對不滿足穩(wěn)定評估標(biāo)準(zhǔn)的，采用了遺傳算法雙曲線、GM(1，1)法及Asaoka法。路基選擇運梁車通過后的沉降觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，見圖6。

圖6 沉降預(yù)測曲線

1)采用三種預(yù)測方法預(yù)測得到的最小相關(guān)系數(shù)為0.92，滿足《評估技術(shù)指南》要求;

2)三種方法預(yù)測得到的工后沉降均為0，均滿足《評估技術(shù)指南》<15 mm的要求;

3)當(dāng)前沉降量與預(yù)測最終沉降量比值最小為84.84%，滿足《評估技術(shù)指南》不小于75%的要求。

5 結(jié)語

在石武客運專線建設(shè)過程中，通過精心管理與實施，嚴格按照設(shè)計原則和規(guī)范執(zhí)行路基各項質(zhì)量控制指標(biāo)，施工中確保路基沉降與變形控制符合要求，為路基工后沉降控制準(zhǔn)備了良好的客觀條件。在2010年3月由建設(shè)單位組織的評估中，路基沉降評估順利通過，為無砟軌道鋪設(shè)創(chuàng)造了條件，也確保了高速列車的運行安全和旅客舒適度，減小了將來養(yǎng)護維修的工作量。文中的路基沉降和變形控制措施尚需在以后的工程建設(shè)過程中不斷完善與改進，期待同行補充與發(fā)展。

[1] 韓志霞，崔俊杰.客運專線鐵路路基沉降控制的若干問題［J］.鐵道工程學(xué)報.2009(2):25-26.

[2] 中鐵二院工程集團責(zé)任有限公司.石武客運專線土建工程八標(biāo)線下工程沉降變形評估報告［R］.成都:中鐵二院工程集團責(zé)任有限公司，2010.