武廣鐵路客運專線無砟軌道路基變形控制設計關鍵技術

郭建湖,詹學啟,李小和

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

武廣鐵路客運專線線設計時速350 km、全線無砟軌道,要求路基工后沉降小于15 mm,臺后路基沉降差小于5 mm。由于沿線地形和地質條件千差萬別、土的變形理論不完善、現有的沉降計算方法不鍵全,且計算精度遠不能滿足武廣鐵路客運專線路基工后沉降控制要求。因此,要實現路基變形控制的要求,不僅要有準確的地質資料以及正確的土工參數,還涉及設計中沉降估算方法的正確選取、沉降控制措施的合理選擇,以及路基施工質量的控制、沉降監測系統與分析評估等各個方面的工作,客運專線無砟軌道路基變形控制必須按系統工程對待。

2 工后沉降產生因素

從無砟軌道路基結構特點分析,路基沉降可分為以下3部分。

(1)對于列車動荷載長期作用下產生的變形,主要通過提高路基基床材料的質量,提高壓實標準等措施加以控制,在規范要求的壓實標準及材質條件下,列車動荷載部分引起的變形一般在5 mm以內。

(2)路基填料在自重作用下的壓實沉降,隨填料的材質不同、填筑高度的不同,變形的大小也不一樣。該部分沉降一般為路基填筑高度的0.1%～0.55%,完成時間一般在填筑施工后1～2年。武廣鐵路客運專線根據部批施工組織計劃,路基填筑完成到鋪軌大多有超過12個月的擺放期,路基填料部分沉降變形可基本完成。

(3)支承路基的地基沉降變形。隨路基高度的不同、地基條件的不同,沉降也不一樣,為路基的主要沉降變形部分,且完成時間較長,為路基沉降變形和工后沉降考慮的重點。而且對于不同類型的地基土沉降完成的速度、時間不同,計算模式和方法亦不同。

因此,在路基設計中應主要針對地基沉降采取控制措施。

3 土體力學參數的合理獲取

準確合理的力學參數是沉降計算的前提保證。武廣鐵路客運專線分段、分工區進行了工程地質勘察,通過初勘、詳勘,結合工程地質鉆探、室內土工試驗、原位測試等資料,對沿線的地質條件進行了詳細的研究。具體體現在以下幾個方面。

(1)通過大量鉆探數據匯總分析,了解了沿線地質條件和地層分布情況。

(2)對一般飽和地基土,嚴格規范勘探取樣行為,獲取了原狀程度更接近土的原始狀態的土樣,并進行了相應的土工試驗,并與原位測試資料對比分析。由此獲取的土工試驗資料可信度高。

(3)對強度較高,易受取樣過程擾動的地基土,通過建立代表性對比勘探試驗點，采用對土層擾動小的三重管雙動取土器鉆探取樣室內試驗,結合現場載荷試驗、標準貫入、靜力觸探等原位測試等多手段獲取地基土的變形參數,進行對比分析研究。得到了武廣鐵路客運專線Q2黏性土變形模量為室內試驗壓縮模量的2～3倍；紅黏土壓縮模量ES與標貫擊數N相關的經驗公式(ES=0.79N-0.41(14.5≤N≤24))等成果,有效地取得了具有較高精度的地基土變形參數,為合理計算路基變形提供了前提和保障。

4 計算方法合理選取

在確定了合理的路基地基土力學參數后,沉降計算方法的選取至關重要。

4.1 無砟軌道工后沉降計算方法

路基的沉降主要包括以下方面：(1)地基沉降部分su(t)；(2)路基填筑部分沉降se(t)；(3)無砟軌道引起的沉降sst(t≥T0)；(4)列車荷載引起的沉降sv(t≥T2)。因此路基總沉降為：

sg(t)=su(t)+se(t)+sst(t)+sv(t)=

sg(tT0)

式中，T0為鋪設無砟軌道的時間點；T2為預計運營開始時間點。

4.2 無砟軌道上部荷載的確定

武廣鐵路客運專線根據軌道結構,考慮軌道間堆砟防護,加上單線列車荷載進行計算,軌道板支撐層作用在路基面上的單線總荷載為180.01 kN/m,雙線單荷載為235.02 kN/m,采用此值進行沉降計算。

4.3 估算路基沉降完成時間的設計依據

本線路基設計控制沉降完成時間,根據部批復的“武廣鐵路客運專線路基指導性施工組織計劃”,計算出各工點通過的架梁時間、軌道板施工時間、鋪軌時間,估算出路基的擺放時間、預壓時間以及軌道板荷載的擺放時間,來確定路基施工期沉降完成時間,并以此作為路基各工點設計沉降控制的設計依據。

4.4 沉降計算方法選取

在設計中針對天然地基土體的不同類型和特點,選取了不同沉降計算模式。

(1)對于砂類土和碎石類土地基,壓縮沉降較快完成,工后沉降按100%的沉降完成率(或固結度)計算。當軌道板施工完成后到鋪設鋼軌間還有超過2個月的時間,則路基工后沉降計算至鋪設鋼軌前。

(2)對于飽和黏性土地基,采用分層總和法分別計算有荷(考慮列車及軌道荷載)和無荷載條件下的固結沉降值,為確保安全,沉降一般計算至軌道板施工之前。

(3)對于非飽和土地基,其沉降計算理論目前不夠成熟,設計參照固結沉降理論,結合應力歷史進行沉降估算。

(4)對于復合地基,沉降計算方法主要有復合模量法、應力修正法和樁身壓縮模量法等,根據復合地基加固的類型及特點選用不同的計算方法。

5 設計控制措施

5.1 沉降控制原則

由于武廣鐵路客運專線工期緊,為降低投資,滿足沉降控制要求,保障工期,采取預壓措施時遵循了以下原則。

(1)根據施工組織計劃,不通過架梁車地段,有條件預壓時采用了預壓措施；

(2)低填淺挖路基地段,檢算工后沉降值接近控制要求時,結合施工組織,有條件時優先考慮了超載預壓措施；

(3)低矮路基由列車軌道荷載引起的沉降大,強夯及復合地基加固(或不宜采用時)難以滿足要求時,而預壓控制沉降明顯時,則采用了預壓措施。

5.2 沉降控制措施

設計根據各工點的地基條件、填土高度,對工后沉降值不能滿足要求的地段,按下列原則采取了相應的地基加固措施。

(1)表層軟土、松軟土、軟黏土厚度不大于1.5 m的地段,原則上采用挖除換填措施。

(2)厚層黏性土、粉土和松軟土地基,特別是當具有較厚的硬殼或硬層夾軟弱層地基,主要采取CFG樁復合地基加固,這是本線的主要加固措施。

(3)含較多碎石黏性土和砂性土、填土、碎石土的地基,采取旋噴樁復合地基加固。

(4)對于正常固結的淤泥、淤泥質土和軟黏土,以及地基承載力標準值小于120 kPa的黏性土和粉性土地層,采用攪拌樁復合地基加固。

(5)深厚層軟弱地基,對于地基沉降要求高或存在側向應力作用的(如橋路、隧路過渡段、溶溝溶槽地段等)地段,以及不均勻沉降大的地段,采用剛性樁樁-網復合地基加固。

5.3 不均勻沉降控制措施

5.3.1 縱向不均勻沉降

武廣鐵路客運專線路基設計中進行了整體變形分析,以控制不均勻沉降的出現。具體設計中,根據壓縮層的厚度變化情況、路基的填筑高度、地層軟硬均勻性等條件選擇檢算橫斷面,并保證了一定的檢算密度；如果地表縱坡變化大、壓縮層的厚度變化、地層相變大,則必須檢算變化處的相鄰2個橫斷面的工后沉降,建立整體變形分析表,使相鄰斷面工后沉降差控制在軌道可圓順范圍內。此外,對于有復合地基加固與無復合地基加固的相鄰橫斷面、地層變化大的地段、路基高度變化地段、巖溶溶溝、溶槽區等,必須檢算相鄰斷面或按每50 m進行工后沉降的檢算。

5.3.2 橫向不均勻沉降

陡坡路堤地段,當路堤基底無法通過挖臺階使基底水平時,應進行橫向不均勻沉降差的檢算。計算時路堤高度分別按左線左側2 m、以及右線右側2 m處路基面至原地面的高度進行計算。沉降差控制在5 mm內。

5.3.3 過渡段不均勻沉降的控制

過渡段范圍,橋臺臺尾路基應進行工后沉降的分析,且與橋臺后路基工后沉降差不超過5 mm,同時還應考慮相鄰斷面的不均勻沉降的檢算。而對于橋橋、橋隧、橋塹之間小于60 m的過渡段,在具體設計時基本按5～8 mm的工后沉降控制進行設計。

6 施工控制措施

由于武廣鐵路客運專線路基沉降控制標準高,要求路基工后沉降一般不大于15 mm,近乎零沉降。基于此,路基工后沉降的控制,除了勘察設計控制外,更要重視并切實加強路基施工各個環節的質量控制。施工環節的質量控制主要體現在以下幾個方面。

(1)地基條件的核查；

(2)地基加固處理施工的控制與檢測；

(3)無復合地基加固地段清基回填的施工控制與檢測；

(4)路基基底褥墊層的施工控制與檢測；

(5)路基填筑施工控制與檢測。

7 變形監測措施

7.1 變形監測的重要性

由于路基沉降的復雜性,通過計算得到的往往是路基沉降的估算值,與路基實際的沉降量之間存在差別,這種差別可能不能滿足高速鐵路無砟軌道對路基沉降的要求。目前,采用路基沉降監測是控制路基沉降和不均勻沉降最可靠的方法。為滿足武廣鐵路客運專線無砟軌道對路基沉降的高標準、嚴要求,建立全路段路基沉降監測網絡監控路基沉降和不均勻沉降,以滿足路基沉降的技術要求是非常必要的。路基沉降監測通過在路基面或地基中埋設儀器元件,精確的測量路基的豎向和橫向變形,通過大量監測數據整理分析路基沉降的大小、速率,以及與施工填土高度的關系和沉降趨勢,分析與評估路基沉降數值,預測沉降完成時間,確定無砟軌道施工時間并指導無砟軌道的施工。

7.2 變形監測項目和原則

路基沉降變形監測的主要內容有：路基面沉降監測、路堤本體沉降監測、基底沉降監測,其中路基面的沉降監測為重點。

沉降觀測斷面及監測點的設置、元件布設應根據地質條件、地基處理方法、路堤高度、地面起伏情況、堆載預壓等具體情況,結合沉降預測方法和工期要求具體確定,同時還應根據施工核對的地質、地形等情況調整或增設。

7.3 監測元件和精度

針對不同監測項目,設計有沉降板、單點沉降計、剖面沉降管、路面觀測樁等元件。各元件的監測精度如下。

(1)路基觀測樁、沉降板及橋涵、隧道觀測樁(標)均按二等變形測量(即國家一等水準測量)方法進行測量,精度宜達到±0.1 mm,讀數保留0.01 mm。

(2)單點沉降計采用振頻弦頻率檢測儀或自動采集系統進行測量,精度達到測量值的1%,靈敏度不低于0.02 mm。

(3)剖面沉降管采用剖面沉降儀進行測試,測量精度為8 mm/30 m,靈敏度為0.01 mm。

7.4 信息反饋機制

建立數據信息庫,全線使用統一Excel表格形式,將觀測數據按照編制的《沉降觀測數據錄入與管理細則》的要求錄入數據庫信息系統。

觀測單位將每個觀測斷面的觀測數據形成填土-時間-沉降量的變化過程曲線,及時了解沉降變形的發展態勢；對觀測數據出現異常情況和沉降發展加速區段,及時進行分析并查找原因記錄在案,必要時反饋設計單位進行設計修正,并采取措施指導施工,從而實現施工監測信息化。

8 結論

按照武廣鐵路客運專線無砟軌道路基沉降標準,在變形控制措施設計中,綜合考慮了地質資料的準確獲取、土工參數的合理性、沉降估算方法的正確選取、沉降控制措施的選擇、路基施工質量的控制、沉降監測和評估系統的建立與反饋等各個方面,為武廣鐵路客運專線順利建設提供了技術保障,達到了預期的目的。

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