客運專線路基試驗監測技術分析

閔 睿

按照我國所制定的《中長期鐵路網規劃》,到 2020年我國的鐵路營業總里程達到10萬 km并實現主要干線上的客貨分離,其中建設客運專線為1.2萬 km以上,形成我國的鐵路快速客運網[1]。

以客運專線為代表的鐵路建設是適應我國經濟和社會發展需要的重要手段。我國的客流具有量大、集中、行程長等特點,因此我國適宜發展客運專線;客運專線的建設為實現客貨分流提供了基本條件,為我國鐵路運輸能力的提升開辟了新途徑;客運專線相對于公路、航空等交通方式具有容量大、低能耗、占地少、適應性強等特點,因此也是實現和落實科學發展觀、實現可持續發展戰略的體現[2]。

路基作為一種土工結構物是軌道鋪設的基礎。為了保證列車安全、平穩運行,路基必須滿足強度高、剛度大、穩定性好、耐久性好等基本要求。客運專線的建設對傳統鐵路路基的設計施工帶來了挑戰,客運專線的技術標準要求高,應按照土工結構物的標準進行設計和施工,與普通鐵路路基相比客運專線路基具有如下特點:

1)客運專線路基的多層結構系統。對于高速鐵路線路結構而言已經突破了傳統的軌道、道床和土質路基這種結構形式而做成多層結構系統。

2)控制變形是路基設計的關鍵。對于普通鐵路路基而言是以強度作為路基設計的主要控制條件的,而對于客運專線路基而言,由散體材料組成的路徑是整個線路結構中軌道變形的主要來源,客運專線所需要的高速運營即對軌道變形提出了嚴格的要求,成為了客運專線路基設計的關鍵。

在客運專線的路基設計施工中,同時應注意如下兩點:

1)路基設計的不確定性。在工程實踐中,路基設計和施工依賴于土的重度、強度、模量等參數,而在土工試驗測試中,由于土體材料的不均勻性、取樣與實際條件之間的差異而使得試驗數據存在較大的變異性,從而直接影響了計算結果的可靠性,進而影響了路基的實際工程性能。

2)路基長期性能?？瓦\專線體現了我國鐵路建設的最新技術水平,采用了大量的新材料、新技術、新工藝。但同時也應看到我國高速鐵路建設與運營管理的經驗較少,能否保證路基的長期工程性能滿足要求必須要考慮如土質路基在列車重復荷載的作用下所可能產生的累積沉降變形問題等,因此應重視客運專線路基的長期工程性能。

由上述分析可見,在目前工程實踐中對客運專線路基問題尚未在理論、實際中得到足夠的研究分析,為保證其安全性、適用性,應通過采用試驗和監測技術的方法來予以解決。

1 試驗段和監測技術要求

1.1 設置目的

對客運專線路基工程通過相應的技術措施、儀器設置進行試驗監測的目的在于[3,4]:

1)檢驗設計方案、施工措施是否可行,能否確保工程質量。

2)通過試驗確定具體工程措施、施工工藝、質量控制標準等內容。

3)通過監測方案所收集的數據,有利于施工階段的動態調整,即實現信息化施工。

4)監測數據可反映工程的變化發展,評價不同工程方案的效果,對工程病害予以預警。

5)為設計、施工、管理和科學研究提供資料。

1.2 設置原則

在設置過程中應綜合考慮下述因素:

1)技術指標要求:質量直接關系到工程正常使用乃至生命安全,因此試驗設置應考慮以達到所要求的技術指標為主。

2)經濟指標:設置試驗段的另一個重要目的是考核具體工程措施的經濟指標,是否能夠在滿足質量、工期要求的前提下節約投資。

3)可行性分析:工程實施需結合實際施工管理、機械、人員素質、工程經驗來考慮,在試驗段工程中新工藝、材料的實施應綜合考慮上述因素而不能過于超越現有的施工技術水平。

2 試驗和監測內容

試驗和監測主要圍繞路基變形、土中應力變化等內容而展開。

2.1 變形監測技術

路基變形表現為發生在路基內外部的水平側移及豎向沉降[5]。

由于土體的固結及外部荷載的作用均需經歷一段時間后才能達到穩定,因此對邊坡的變形觀測具有長期性的特點。

2.1.1 地表沉降觀測

地表沉降包括超設計沉降、不均勻沉降,具體表現為橫向、縱向開裂等現象。

1)觀測點布置:在滿足觀測要求的前提下,充分考慮觀測長期性所可能對施工、運營產生的不利影響及可能的損壞。

2)應設置固定沉降觀測點,采用水準儀、全站儀等設備予以觀測。

3)工后沉降值大小和發展過程直接影響工程的正常使用,反映工程質量,因此應予以重點關注。

2.1.2 路基內部及地基沉降觀測

地基在荷載作用下產生沉降;路基邊坡自身在自重及外界荷載作用下也產生相應的壓縮沉降,在設計規范中缺乏相應的內容,而對于高填方工程該沉降不能忽略。

1)沉降板法。在沉降觀測的部位埋設沉降板并連接觀測管,通過測定觀測管頂部的高程變化即可求出相應沉降值。

2)沉降水杯法。在路基內相應測試位置埋設儀器水杯并連接到路基外觀測水杯上,則內外水杯的液面在大氣壓作用下應處于同一水平高度,因此外部水杯的液面高度即反映了內部沉降變化。

3)電磁式分層沉降儀。由探測和預埋兩部分組成,在探測器內設置有電磁振蕩線圈,當探測器沿埋設的沉降管接近路基體內預埋的沉降鐵環時,鐵環可吸收大量的電磁振蕩能量而產生信號,由此信號即可標定此時鐵環所處位置,反映相應沉降變化情況。

4)剖面沉降儀?？梢杂^測某一斷面上的連續沉降變化,需在觀測斷面上埋設沉降觀測管(為內部有導槽的專用導管),觀測時將沉降儀放入導管內,拉動導線移動至相應位置,通過沉降儀外接的讀數記可顯示出相對管口位置的沉降值,再利用全站儀、水準儀等設備測定管口的位置變化即可得到測試斷面的沉降變化。

2.1.3 路基邊坡水平側移觀測

路基邊坡由于易受外界降雨蒸發、荷載以及自身碾壓不密實、開挖后應力釋放等因素的影響而產生水平側移。因此應采取措施對邊坡的水平側移予以觀測。

1)表層位移觀測法。可通過在邊坡及附近埋設邊樁、觀測點,采用經緯儀、全站儀等設備即可對其水平側移情況予以跟蹤觀測。

該方法簡單實用、便于操作掌握、測點布置靈活,但無法反映內部位移變化。

2)水平測斜儀法。預埋豎直的水平側移觀測導管,當測斜儀探頭及其導輪沿導管的導槽緩緩移動,探頭內的傳感器可以測出在某一處的傾角,輸出一個電壓信號,由讀數計面板上顯示的數據即可換算為相應的水平側移值。

該方法可反映路基體內的側移大小。

2.2 路基體內土中應力測定

地基中的應力分布仍為基于布辛納斯克解的應用推廣,孔隙水壓力的產生消散基于太沙基有效應力原理。上述土體中應力計算方法基于彈性假定等理想化模式進行,與實際情況之間存在較大的差異,因此應通過采用監測措施予以保證。

2.2.1 土壓力測定

土壓力測定包括:某深度處沿垂向的豎直土壓力和作用在擋土結構上的水平土壓力。

土壓力測試一般采用振弦式土壓力盒予以測定,具有體積小、便于埋設、可自動測試記錄數據的特點,其工作原理為:當土壓力作用在壓力盒承壓膜上時,承壓膜發生微小的變動而使土壓力盒的體積發生變化,帶動內部傳感器產生相應的變化信號,通過接收儀的轉換即可反映實際的土中應力的變化。

2.2.2 孔隙水壓力測定

孔隙水壓力變化與土體強度、沉降發展直接相關,同時也是判定地基處理效果的重要依據,對控制路基填筑速率、確定預壓時間和采取地基處理措施具有明顯的意義。

孔隙水壓的測定采用在測試部位埋設孔隙水壓力傳感器的方法來實現,埋設時注意在傳感器周圍用膨脹土泥丸予以封閉。

3 結語

在客運專線路基工程中合理設置試驗和監測措施是確保工程質量、正常使用的必要措施。本文對此進行了歸納總結,可供工程設計、施工人員參考使用。

[1] 李向國.高速鐵路技術[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 楊廣慶.路基工程[M].第 2版.北京:中國鐵道出版社, 2010.

[3] 中華人民共和國鐵道部.新建 200公里客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[4] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路設計規范(試行)[S].

[5] 羅 競.路基工程現場施工技術[M].北京:人民交通出版社,2004.