軟土地區無碴軌道線路橋梁樁基礎沉降規律和預測分析

邵 烈，楊龍才，王炳龍

（同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804）

鐵路線路的高平順性是客運專線列車高速、安全運行，保證乘客舒適性的前提條件。高速鐵路無碴軌道對沉降的要求較普通鐵路更高。《新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定》[1]指出：無碴軌道鋪設前，應對橋涵、路基、隧道工程變形做系統評估，評估標準應執行客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估要求的相關規定。《客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南》[2]（下文簡稱《指南》）指出:無碴軌道鋪設條件評估的重點應是線下工程的變形，評估應綜合考慮沿線路方向各種結構物間的變形關系。工程上通常的做法是對結構物施工階段長期的沉降變形數據進行曲線擬合，分析其沉降趨勢，進而預測工后沉降值。這要求有大量的實測數據作為分析擬合的基礎，擬合結果才是可信的。

我國客運專線建設相比于國外高速鐵路建設任務繁重、工期緊張。如我國的京滬高速鐵路總長度1 318 km，設計時速350 km，計劃工期4年時間。法國在1981年至2001年20年時間修建時速大于200 km的高速鐵路約1 600 km，包括TGU東南線、大西洋線、北方線和地中海線。地中海線Grenette預應力混凝土連續箱梁橋全長947 m，施工工期25個月；Garde-Adhemar大跨度系桿鋼拱橋全長325 m，施工工期28個月；Avignon Sud下式系桿鋼拱橋全長190 m，施工工期20個月。在線下工程沉降控制問題的處理上，國外高速鐵路建設工期長，施工節奏緩，允許地基基礎在合理的范圍內固結沉降，從而達到減小工后沉降的目的。國內高速鐵路任務重、工期緊，采取的是樁基礎、復合地基等提高地基基礎剛度，控制地基沉降。

因此，在緊急工期條件下，根據前期實測的沉降觀測值，合理分析結構物的沉降量，精確預測工后沉降及最終沉降量，對我國鐵路客運專線建設具有符合國情的現實意義。本文結合華東地區某在建鐵路客運專線線下工程沉降觀測與評估工程，針對某橋梁區段的沉降發展趨勢進行分析。

1 工程概況

1.1 地質條件及地基處理概況

某客運專線橋址分布有沖湖積平原區、剝蝕丘陵區、崗地及湖沼積平原區，地層為：上部為灰色、灰黃色黏土、粉質黏土，層厚0～4 m；淤泥、淤泥質粉質黏土，夾腐植質及貝殼，層厚4～35 m不等；下部灰黃色粉質黏土、粉土等，層厚10～20 m不等；局部地段分布有粉細砂、圓礫土、角礫土等。區內河溝縱橫、水塘密布，地下水較發育；地下水為孔隙潛水，埋深為0.5～2.0 m，與地表水聯系密切。

橋梁的特殊結構有大跨度的現澆連續梁、道岔連續梁和31.5 m的預應力混凝土箱梁，總共196個橋墩。橋梁基礎采用樁徑φ1 m鉆孔樁，樁長從22.11 m到72.64 m不等，鉆孔樁的持力情況有三種：一是打穿軟弱土層進入W2弱風化巖層的嵌巖端承樁，二是打穿軟弱土層僅進入W3強風化或W4全風化巖層的端承摩擦樁，三是未打穿軟弱土層的摩擦樁。

1.2 橋墩觀測點布置

每個橋墩均在承臺上設置2處觀測標，在墩身上設置2處觀測標，如圖1所示。承臺觀測標為臨時觀測標，當墩身觀測標正常使用后，承臺觀測標隨基坑回填將不再使用。

2《指南》對橋梁基礎沉降評估的有關要求及解讀

《指南》（鐵建[2006]158號文）關于橋梁工后沉降預測評估要求主要有3條：

1）關于觀測時間的規定：橋梁主體工程完工后，沉降觀測期一般應不少于6個月，巖石地基等良好地質區段的橋梁，沉降觀測期應不少于2個月，當觀測數據不足或工后沉降不能滿足設計要求時，應適當延長觀測期；

橋梁主體完工至無碴軌道鋪設前，沉降觀測時間應滿足以下條件：

S（t）/S（t =∞ ）≥75%,S（t）為預測時的沉降觀測值；S（t =∞ ）為預測的最終沉降值。

2）關于曲線擬合的規定：曲線回歸相關系數應不低于0.92，首次回歸分析時，觀測期不應少于橋涵主體工程完工后3個月，對于巖石地基等良好地質的橋涵，不應少于1個月，利用兩次回歸結果預測最終沉降，其時間間隔一般不少于3個月，差值不應大于8 mm；

3）處于巖石地基等良好地質的橋涵，當墩臺沉降趨于穩定且設計及實測沉降總量不大于5 mm時，可判定滿足無碴軌道鋪設條件。

通過對《指南》的解讀，可以對指南提出的各類指標進行分類分析。首先沉降控制的根本指標是工后沉降，指南中所有指標都是為了保證工后沉降值不超限。其次圍繞這個根本指標，可以分析出要求曲線回歸相關系數不低于0.92是為保證沉降變形趨勢是可靠的；要求兩次預測值差值不大于8 mm是為保證預測結果是可靠的，但在工期緊張的大環境下，在主體完工后鋪設無碴軌道前很難有4-6個月的觀測數據提供2次預測，所以此項指標在目前大環境下很難有實際意義；要求S（t）/S（t =∞ ）≥75%，S（t）/S（t =∞ ）越大，說明觀測期內發生的沉降比例越大，后續沉降比例越小，從而評估風險也越小。

再次，往外擴延可以分析出觀測時間和觀測期次兩項指標，雖然長期的觀測數據和足夠的觀測期次有利于保證曲線擬合的基礎是可靠的，但這只是必要條件，觀測數據的收斂性和可靠性才是關鍵，緊張工期下特別是后施工的工程節點很難保證主體完工后2-6個月的觀測時間，而且國內高速鐵路沉降是以控制為主而非發展沉降的模式，所以在施工線上工程之前過長的觀測時間的工程意義相對于工期來說并不明顯。

3 實測沉降數據分析和沉降預測

在所有196個橋墩中，根據樁的持力層情況、上部橋梁結構、主體完工時間情況、觀測時間開始情況選取了具有代表性的8個橋墩，橋墩的具體情況見表1、表2，對此8個橋墩進行沉降數據分析和沉降預測。

表1 橋墩情況表Tab.1 The statement of bridge piers

表2 土層性質表Tab.2 The property of soillayer

3.1 端承樁實測沉降分析及評估

1#，2#橋墩的沉降時間曲線見圖2。1#，2#橋墩的沉降數據見表3。

表3 1#，2#橋墩沉降數據Tab.3 The settlement data of bridge piers 1#and 2#

由表2可見即使對于進入W2灰巖的嵌巖樁，設計提出的零沉降也是很難達到的。在嵌巖樁的施工過程中，孔底浮渣沉淀是難以避免的，橋涵施工規范對于端承樁樁底清孔的規定不超過5 cm。對于進入良好巖石基礎嵌巖樁的沉降主要原因在于樁底浮渣。1#，2#沉降穩定值分別為3.3，2.2 mm。

通過1#，2#的對比可以看出：兩橋墩在架梁前后在架梁荷載（架梁機504 T+運梁車120 T+31.5 m預應力混凝土箱梁梁體900 T）下均發生了明顯的沉降，此沉降由施工荷載引起（遠大于運營期荷載），在墩身總沉降中所占比例大（50%以上），經歷時間短（架梁后1到2周時間），之后沉降趨于穩定，本文中定義該沉降為主沉降。1#在架梁前有4個月的觀測時間，架梁后至評估時有近6個月的觀測時間，2#在架梁前有5個月的觀測時間，架梁后至評估時有2個多月的觀測時間。由圖3和表2可見1#架梁后至評估前208天沉降增量為0.7 mm，2#架梁后至評估前78天沉降增量為1.3 mm，沉降增量多分布在架梁后的一個月內，在橋梁主體完成一個月后沉降數值的特點是小沉降，小波動。根據評估標準“處于巖石地基等良好地質的橋涵，當墩臺沉降趨于穩定且設計及實測沉降總量不大于5 mm時，可判定滿足無碴軌道鋪設條件”通過評估。此外，雖然2#架梁后至評估時雖然觀測時間較短，但1#線路里程至2#線路里程范圍類地質情況相似，可以根據1#，2#已測數據進行水平范圍內類比比較，從而進一步支持2#符合評估標準。由圖3和表2可見評估后的后續觀測1#沉降增量為0.5 mm，2#沉降增量為0.1 mm，評估后的后續觀測數據進一步證明上述結論。

通過上述分析，在緊張工期下，對于持力層條件良好的橋梁，在主體完工后1-2個月沉降數據穩定收斂，可以合理判定符合評估條件，以進行后續工程施工。過長評估觀測時間實際意義并不突出。但通過評估后應繼續測量以驗證評估結論。

3.2 端承摩擦樁實測沉降分析及評估

3#－6#橋墩的沉降時間曲線見圖3。3#－6#橋墩的沉降數據見表4。

表4 3#，4#，5#，6#橋墩橋墩沉降數據Tab.4 The settlement data of bridge piers 3#，4#，5#and 6#

3#－6#橋墩樁基打穿軟弱土層持力在5（2）W3泥質粉砂巖，從受力上分析屬于端承摩擦樁。3#－6#沉降穩定值分別為2.6，2.4，2.9，1.7 mm，遠遠小于設計值的8.0，7.4，13.7，10.6 mm。分析實際沉降量與設計沉降量相差較大原因在于：一方面設計單位出于安全考慮，對相關地質條件、荷載情況及安全系數等計算參數取保守值，得出設計沉降量偏大；另一方面在施工過程中，施工單位為保證工程質量盡可能地按較高標準實施，使得實測沉降值較小。此外巖土自身特性的復雜性、目前沉降設計計算的理論與工程實踐的差距、施工過程中各種復雜因素都會導致沉降設置值和實際觀測值之間的不同。對于實際工程，主要以足夠的安全系數作為安全儲備。

比較圖3的3#－6#可以看出：橋墩在架梁前后在架梁荷載下均發生明顯的主沉降。3#－6#在架梁前分別有約3，7，7，4個月的觀測時間，架梁后至評估時分別有約9，2，2，2個月的觀測時間。

由表4和圖3，通過3#與4#－6#之間的比較，可知主體工程完工前時間越長主體完工后沉降值所占比例越小，趨于穩定的速率越快，這可部分歸結為鉆孔樁施工過程中樁間土受到擾動，施工結束后在樁基和樁間土自重條件下重新壓實的結果，此外，根據復合地基理論，樁基可提供樁間土固結的排水通道，促進固結作用，樁間軟土在樁土界面和樁間土自重條件下的孔隙水壓力進一步消散，從而提高土的承載力，減小沉降量。主體完工后觀測時間的長短對沉降穩定的貢獻不大，由表4中3#－6#的ΔS2可見在主體完工后2個月時沉降穩定，沉降值體現“小沉降，小波動”的特點。4#－6#以主體完工后2個月的數據判定通過評估，可以根據3#－6#已測數據做水平范圍內類比比較，支持該判定。由表4各樁基評估后的后續觀測數據ΔS3進一步證明上述結論。

由表4和圖3，通過4#－6#之間的比較，可見上部結構的不同（預制箱梁、現澆連續梁、變寬道岔梁）在樁基進入地層情況近似的條件下對實測沉降的影響不大。不同的是現澆連續梁和變寬道岔梁由于梁體荷載是逐步施加的，沉降時間曲線上主沉降表現的是暖和變化的過程，預制箱梁由于梁體荷載是突加的，沉降時間曲線上主沉降表現為突然變化的過程。

3.3 摩擦樁實測沉降分析及評估

7#，8#橋墩的沉降時間曲線、擬合曲線見圖4，7#，8#橋墩的沉降數據見表5。

表5 7#，8#橋墩沉降數據Tab.5 The settlement data of bridge piers 7#and 8#

7#，8#橋墩樁基未打穿軟弱土層持力在粉質粘土，從受力上分析屬于摩擦樁。7#，8#沉降穩定值分別為4.1，3.4 mm，預測沉降值分別為4.19，3.49 mm，遠遠小于設計值的11.5，8.1 mm。

比較圖4的7#，8#：在架梁前分別有約5，10個月的觀測時間，架梁后至評估時分別有約5，2個月的觀測時間。7#橋墩在架梁前后在架梁荷載下發生明顯的主沉降，8#橋墩在架梁前后在架梁荷載下主沉降并不明顯。

通過表5和圖4的7#，8#的比較可以看出7#的沉降架梁前和架梁所占的比例相當，8#的沉降主要發生在架梁前。原因部分歸結為鉆孔樁施工過程中樁間土受到擾動，施工結束后在樁土界面和樁間土自重條件下應力重新分布。8#樁基施工結束距架梁時間長，這一過程得以充分發展，從而在架梁前后沉降不明顯，而且在架梁后出現小數量級的彈性變形然后趨于穩定。

根據評估時的數據分別對7#，8#進行預測，預測方法為固結度對數配合法（三點法）。預測沉降分別為4.19，3.49 mm，評估后續測量值分別為4.1，3.4 mm，由表5中7#，8#的ΔS4可驗證預測結果可信。

8#由于工期原因難滿足《指南》關于“橋涵主體工程完工后，沉降觀測期一般應不少于6個月”的要求，但通過上述分析，對于軟土地基中摩擦樁施工后觀測時間久（至少10個月）的條件下，主體完工后觀測滿2個月且沉降穩定，是可以判定通過評估的。通過7#，8#之間的對比證明該判定是安全的。

4 結論

1）即使對于進入W2巖石的端承樁，設計提出的零沉降也是很難達到的，橋梁主體施工時發生主沉降，主體完成后一個月左右能迅速沉降穩定，總的沉降量較小；

2）對于未進入巖層的摩擦樁，樁基礎施工會對周圍土發生擾動，之后擾動土在樁和自重作用下重新壓實，這個過程伴隨著樁和樁間土的沉降；此外，在施工橋梁主體時會發生主沉降。樁基施工時間的早晚對架梁時主沉降和架梁前后的沉降發展有較大影響，樁基礎盡早施工對于減小橋梁主體完工后沉降量和加快沉降穩定過程有利；

3）端承摩擦樁的沉降特性介于端承樁和摩擦樁之間，上部不同構造的橋梁主體對沉降影響不大，但樁基礎施工早晚對架梁時主沉降和架梁前后的沉降發展有較大影響；

4）《指南》要求對于巖石地基等良好地質區段的橋梁沉降預測，沉降觀測期應不小于2個月，經分析，在緊張工期當有合理的依據時可以建議壓縮到1個月。樁基礎的盡早施工有利于沉降的發展控制；

5）緊張工期下，對于持力層在軟土上的橋梁，后期施工的橋梁主體往往很難滿足6個月的觀測時間，這種情況，對施工進度全局掌控，軟土地基樁基先行施工，加快樁間土擾動后重新自壓實，往往能夠在橋梁主體施工前已沉降充分發展，主體完工后2-3個月沉降收斂，也可進行預測分析。

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