范劍雄王海峰陜耀

1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，南京 210042；2.中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海 200071；3.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092

隨著高速鐵路線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不可避免出現(xiàn)大量新建線路與既有高速鐵路線路的并軌、并線需求，涉及一系列軌道結(jié)構(gòu)改造、既有高速鐵路路基幫寬、地基處置和站場改造工程，同時(shí)要滿足高速鐵路嚴(yán)苛的變形控制要求，如何有效控制接軌工程施工對既有高速鐵路線路結(jié)構(gòu)及行車安全的影響已成為高速鐵路建設(shè)中必須面對的新問題［1-5］。接軌工程面臨兩大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：施工期變形控制和運(yùn)營期路基長期變形控制，后者關(guān)系到新舊線路長期服役性能，具有重要意義。

針對線路周邊加載、卸載引發(fā)既有高速鐵路線下基礎(chǔ)變形問題以及路基幫寬工程的研究較多［6-10］。孫明超［6］依托工程實(shí)際，運(yùn)用有限元仿真技術(shù)和簡化復(fù)合模量法對既有無砟鐵路路基處理方案進(jìn)行研究。胡潤乾［7］利用有限元軟件MIDAS GTS-NX模擬路基填筑普通填料和輕質(zhì)混凝土情況下旋噴樁、鋼管微型樁的加固效果，提出了高速鐵路無砟軌道幫寬后既有路基的沉降控制方案。國內(nèi)外關(guān)于接軌工程施工對既有高速鐵路影響的研究較少。廖進(jìn)星［11］對張吉懷鐵路引入滬昆場方案（簡單接入方案、無砟軌道方案、增加一條到發(fā)線方案）及對滬昆高速鐵路既有路基的影響進(jìn)行了研究。李井元等［12］以魯南高速鐵路引入京滬高速鐵路曲阜東站為背景，針對接軌段路基的臨界距離、路基填料、地基處理、施工安全等技術(shù)進(jìn)行了分析。李帆等［13］基于魯南高速鐵路曲阜東站聯(lián)絡(luò)線接軌工程，采用ABAQUS軟件建立有限元模型對既有路基附加沉降隔離效果的影響進(jìn)行了研究。左坤［14］采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁加固滬寧鐵路軟土地基并進(jìn)行路基穩(wěn)定性監(jiān)測，減少了新建滬寧城際鐵路對鄰近既有京滬普速鐵路路基的影響。

本文依托連鎮(zhèn)鐵路鎮(zhèn)江站接軌滬寧城際鐵路工程，針對現(xiàn)場監(jiān)測布置及主要施工步驟流程進(jìn)行了介紹，利用自動(dòng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)對地層分層沉降以及樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測分析，以期為類似接軌工程施工對既有高速鐵路線路結(jié)構(gòu)的變形控制提供參考。

1 工程概述

新建連鎮(zhèn)鐵路地處我國東部沿海軟土地區(qū)，位于江蘇省南北縱向中軸線上，正線全長304.537 km，設(shè)計(jì)區(qū)段列車速度為250 km/h。鎮(zhèn)江站是鎮(zhèn)江市的主要高速鐵路車站，車站自南向北依次為滬寧城際客專場、京滬鐵路普速場。本工程涉及的連鎮(zhèn)鐵路鎮(zhèn)江聯(lián)絡(luò)線位于鎮(zhèn)江站接軌滬寧城際客專場。鎮(zhèn)江聯(lián)絡(luò)線正線線間距4.2 m，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，采用有砟軌道。接軌工程現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 接軌工程實(shí)景

接軌段既有滬寧城際鐵路地基主體區(qū)域采用水泥粉煤灰碎石樁（Cement Fly-ash Gravel，CFG）加固，樁徑0.5 m，樁間距1.6～1.8 m，樁長5～28 m（樁長嵌入粉質(zhì)黏土③層內(nèi)不小于1 m），按正方形布置。新建連鎮(zhèn)鐵路地基主體區(qū)域采用樁板結(jié)構(gòu)加固，樁徑1.0 m，樁長16～35 m，按矩形布置，橫向樁間距3～4 m，縱向樁間距5 m，筏板厚度1.0 m，縱向長度每節(jié)14.98 m?，F(xiàn)場主要地層參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)

2 監(jiān)測方案

由于新舊路基強(qiáng)度差異、列車動(dòng)荷載、降雨、地下水等原因，接軌工程在長期運(yùn)營中容易產(chǎn)生新舊路基差異性沉降、路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞等問題，危及線路運(yùn)行安全，因此需進(jìn)行長期變形及內(nèi)力監(jiān)測。本工程監(jiān)測內(nèi)容包括地層沉降及樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

2.1 地層沉降監(jiān)測

地層沉降測點(diǎn)位于新建樁板結(jié)構(gòu)筏板中央，用于測量新建線路路基長期沉降變形，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 地層水平位移及沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置示意（單位：m）

監(jiān)測依托自動(dòng)光纖監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)由光纖沉降管、解調(diào)儀、無線傳輸模塊、云端平臺(tái)和在線軟件模塊組成。光纖沉降管由長標(biāo)距光纖光柵位移計(jì)首尾相連串聯(lián)組成，每支傳感器標(biāo)距3 m，即可實(shí)現(xiàn)鉆孔中每3 m布置1個(gè)測點(diǎn)。光纖光柵位移計(jì)采用光纖光柵作為位移敏感元件，測量精度不受光纖傳輸距離及電磁干擾的影響，滿足長期監(jiān)測要求。在傳感器內(nèi)部安裝了1個(gè)光纖光柵溫度傳感器，用以補(bǔ)償溫度對測量的影響。

在選定位置鉆孔埋設(shè)光纖光柵沉降管，測量不同深度的地層水平位移，所測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場的光纖解調(diào)儀采集后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端平臺(tái)。在線軟件模塊為用戶提供項(xiàng)目的監(jiān)測內(nèi)容信息、整體布設(shè)信息以及報(bào)警統(tǒng)計(jì)信息、各監(jiān)測內(nèi)容的傳感器布設(shè)點(diǎn)位信息、實(shí)時(shí)更新監(jiān)測數(shù)據(jù)并顯示傳感器的測量狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率可自由設(shè)定，運(yùn)營期長期監(jiān)測時(shí)可設(shè)定為每天一次。

地層沉降監(jiān)測方案的現(xiàn)場實(shí)施主要包括管線整理、鉆孔、下放管線、回填密實(shí)、測點(diǎn)保護(hù)等。所有的光纖傳感器件布設(shè)完畢后，通過線路引入就近建立的監(jiān)測站內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)測單元的網(wǎng)絡(luò)化控制。配合相關(guān)軟件系統(tǒng)開發(fā)，進(jìn)行自動(dòng)化測量、儲(chǔ)存和分析，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)及客戶端軟件可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、查看監(jiān)測結(jié)果，最終達(dá)到自動(dòng)化監(jiān)測的目的。

2.2 樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測

樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)包括筏板溫度、筏板軸力、樁端軸力，用于監(jiān)控新建樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的長期結(jié)構(gòu)安全。

測量傳感器采用光纖光柵鋼筋傳感器及溫度計(jì)，如圖3所示。在承載板上下表面布置鋼筋應(yīng)力計(jì)及溫度計(jì)，鋼筋應(yīng)力計(jì)沿承載板寬度方向間隔為1.5 m，鋼筋應(yīng)力計(jì)方向平行于承載板走向。每層合計(jì)需要4支鋼筋應(yīng)力計(jì)和2支溫度計(jì)。在樁頂和樁底測量其樁端應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力計(jì)方向平行于樁基方向，布置如圖4所示。每根樁需要8支鋼筋計(jì)2支溫度計(jì)。

圖3 樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測傳感器布置（單位：m）

圖4 光纖光柵鋼筋傳感器安裝過程

在樁基鋼筋籠綁扎過程中，用電焊機(jī)將一段主筋端切割下來，將光纖光柵鋼筋應(yīng)力計(jì)放在原主筋切割段的位置，用焊接的方式將鋼筋應(yīng)力計(jì)取代原鋼筋籠的一段主筋，隨鋼筋籠一同澆筑在混凝土梁中。安裝時(shí)注意用濕毛巾將鋼筋應(yīng)力計(jì)包裹住，且在焊接過程中應(yīng)頻繁更換濕毛巾，防止因溫度過高而損壞傳感器。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 地層沉降監(jiān)測

地層沉降監(jiān)測結(jié)果見圖5。可知：在監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試期，路基上部無列車荷載，沉降很??；進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試期后，受測試列車荷載作用，沉降逐漸增大；進(jìn)入正式運(yùn)營期后，地層總沉降進(jìn)一步發(fā)展，在正式運(yùn)營9個(gè)月后約達(dá)7 mm，結(jié)果表明在軟土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)路基長期沉降主要受列車運(yùn)行荷載影響，沉降在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展。

圖5 沉降測點(diǎn)地層總沉降變化情況

根據(jù)測點(diǎn)所處地層自然分層為分界點(diǎn)提取了不同深度處的沉降，各項(xiàng)數(shù)值表示該深度區(qū)間內(nèi)的總地層沉降，見圖6?？芍焊鞯貙映两悼傮w呈現(xiàn)上部大下部小的規(guī)律，這是由于地層沉降主要受列車荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響，而附加應(yīng)力隨深度不斷衰減；較為特殊的9～13 m區(qū)間地層沉降較大，這是因?yàn)樵撋疃确秶鸀橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土層②1（參見表1），該類土的壓縮模量及抗剪強(qiáng)度參數(shù)顯著小于區(qū)域內(nèi)的其他土體，因而產(chǎn)生了相對較大的沉降變形；0～6 m區(qū)間地層沉降較小，這是因?yàn)樵摰貙訛槿斯ぬ钔粒?jīng)過壓密壓實(shí)處理，其工后變形較小。

圖6 沉降測點(diǎn)不同深度處的分層沉降變化情況

3.2 樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測

3.2.1 筏板溫度

樁板結(jié)構(gòu)路基中筏板內(nèi)力與溫度關(guān)系密切，因此對筏板溫度進(jìn)行分析。筏板溫度隨當(dāng)?shù)貧鉁刈兓闆r，見圖7?？芍悍ぐ鍦囟扰c當(dāng)?shù)貧鉁乜傮w成正相關(guān)，且筏板溫度的變化相對于當(dāng)?shù)貧鉁刈兓?~2 d滯后?？傮w而言，筏板溫度略高于當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?，這是因?yàn)槲挥诜ぐ逑虏康穆坊帘葻崛葺^大，其在一天中氣溫較高時(shí)吸收環(huán)境熱輻射存儲(chǔ)熱量，在氣溫較低時(shí)通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給筏板，使得筏板溫度高于環(huán)境的平均氣溫。筏板底板溫度比頂板溫度高2~3℃，同樣是由于路基土對環(huán)境熱輻射進(jìn)行吸收存儲(chǔ)后傳導(dǎo)至筏板，使得直接與路基土接觸的底板的溫度略高于頂板。

圖7 筏板溫度隨當(dāng)?shù)貧鉁刈兓闆r

3.2.2 筏板軸力

筏板斷面頂板處軸力見圖8?？芍悍ぐ遄鳛槌袎航Y(jié)構(gòu)，與梁結(jié)構(gòu)類似，頂板處總體是受壓的，在監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試期，筏板軸力基本穩(wěn)定，而進(jìn)入正式運(yùn)營期后，筏板頂板壓力先減小后增大。這是因?yàn)榉ぐ遢S力受上部荷載和結(jié)構(gòu)溫度共同影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度降低時(shí)，根據(jù)熱脹冷縮原理，筏板產(chǎn)生收縮趨勢，但由于外部結(jié)構(gòu)約束，筏板無法自由收縮變形，故在外部結(jié)構(gòu)的約束下產(chǎn)生拉伸，從而使得板內(nèi)的壓應(yīng)力減小。反之，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度升高時(shí)板內(nèi)壓應(yīng)力增大。另一方面，在上部荷載作用下筏板受壓向下彎曲，筏板頂板受壓、底板受拉，上部荷載越大則應(yīng)力越大。聯(lián)調(diào)聯(lián)試期與監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試期相比，筏板上部荷載增加，但受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊?，筏板結(jié)構(gòu)溫度降低，筏板軸力總體變化不大；進(jìn)入正式運(yùn)營期后，上部荷載基本不變但筏板溫度進(jìn)一步降低，筏板受壓軸力顯著降低，在當(dāng)?shù)貧鉁刈畹腿崭浇_(dá)到最小值；此后，隨著氣溫回暖，筏板溫度升高，筏板受壓軸力相應(yīng)增大。

圖8 筏板斷面頂板處軸力變化情況

3.2.3 樁端軸力

現(xiàn)場樁頂和樁底軸力的變化情況見圖9。可知：從監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試期開始，樁底軸力逐漸增大，進(jìn)入正式運(yùn)營期后達(dá)到穩(wěn)定，約為85 kN；樁頂軸力先是逐漸增大，在正式運(yùn)營一段時(shí)間后達(dá)到峰值533 kN，然后逐漸降低。樁端軸力主要受樁板結(jié)構(gòu)體系、上部荷載、樁板結(jié)構(gòu)樁土分擔(dān)比、樁側(cè)摩阻力等因素影響。初期樁板結(jié)構(gòu)尚未完全成型，樁的承載能力不足，上部荷載主要由土承擔(dān)，故此時(shí)樁端軸力較小。隨著樁板結(jié)構(gòu)逐漸成型，原先由板下土體承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移到了樁上，由樁承擔(dān)的荷載比例逐漸增大，樁端軸力隨之增大，同時(shí)樁頂軸力增大但樁底軸力不變，說明樁側(cè)摩阻力在發(fā)揮作用，承擔(dān)了更多的豎向荷載；正式運(yùn)營一段時(shí)間后，隨著樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步下沉，板下土體被壓密，其承載能力進(jìn)一步提高，土承擔(dān)了更多上部荷載，樁土分擔(dān)比逐漸減小，樁端軸力隨之逐漸減小。

圖9 樁頂、樁底軸力變化情況

4 結(jié)論

1）軟土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)路基長期沉降主要受列車運(yùn)行荷載影響，沉降在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展，在正式運(yùn)營9個(gè)月后約達(dá)7 mm。各地層分層沉降大小主要受土體物理力學(xué)參數(shù)和列車荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響。

2）樁板結(jié)構(gòu)筏板溫度受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊戯@著，二者成正相關(guān)。總體而言，筏板結(jié)構(gòu)溫度比當(dāng)?shù)貧鉁馗?~5℃，筏板底板溫度比頂板溫度高2~3℃。筏板軸力受上部荷載及結(jié)構(gòu)溫度共同影響。在上部荷載穩(wěn)定之后，筏板軸力仍將隨當(dāng)?shù)貧鉁刈兓l(fā)生顯著變化。以本工程結(jié)構(gòu)為例，筏板受壓軸力隨溫度變化幅度超過600 kN。

3）軟土地區(qū)樁板結(jié)構(gòu)樁底軸力先逐漸增大后保持穩(wěn)定，樁頂軸力先增大后減小。樁端軸力主要受樁板結(jié)構(gòu)體系、上部荷載、樁板結(jié)構(gòu)樁土分擔(dān)比、樁側(cè)摩阻力等因素影響。以本工程結(jié)構(gòu)為例，樁底軸力穩(wěn)定值約為85 kN；樁頂軸力在正式通車運(yùn)營3個(gè)月后到達(dá)峰值533 kN，之后逐漸減低。