哈大鐵路客運專線橋梁、路基沉降變形曲線收斂規律研究

王基全

(哈大鐵路客運專線有限公司,沈陽 110002)

1 工程概況

新建鐵路哈爾濱至大連客運專線起自既有大連站,途經3個省會城市(哈爾濱、長春、沈陽)、1個計劃單列市(大連)和6個地級市(營口、鞍山、遼陽、鐵嶺、四平、松原),止于既有哈爾濱站,線路全長904 km,其中橋梁長663 km,占全線73%；路基長231 km,占全線25%；開通速度200 km/h,主要基礎設施350 km/h；全線采用GRTSⅠ型板式無砟軌道結構,無砟軌道長 847 km。工程于2007年8月開工建設,計劃2012年7月中旬開通。

2 研究目的與內容

2.1 研究目的

高速鐵路線下工程是由橋梁、隧道、涵洞、路基等構筑物連接而成,它們相互作用、相互影響和依存,共同構成均勻的線路結構。線下工程沉降變形穩定是無砟軌道鋪設的必要條件, 進行線下工程變形的控制與研究具有重大的工程意義。

哈大鐵路客運專線是我國第一條嚴寒地區客運專線,氣候條件惡劣,施工時間短,在建設工程中,哈大鐵路客運專線在沉降變形觀測方面,嚴格執行了設計規范和部有關規定,觀測時間均為6個月以上,并請第三方進行了評估,后期對部分典型工點又進行了驗證,整個過程較為規范,同時又積累了大量的觀測原始資料,本文擬通過對全線橋梁和路基沉降觀測數據進行科學的分析,以了解東北地區鐵路橋梁和路基沉降變形曲線收斂規律,為該地區客運專線的設計和建設提供參考,對今后合理安排甚至節省工期、節約投資有一定的現實意義。

2.2 研究內容

通過建立沉降變形觀測系統,對橋梁、路基施工期及完成后一段時間內的沉降變形進行觀測,對約5萬個測點、200萬實測數據所表現出的變形規律,通過建立數學模型,進行回歸分析,對橋梁和路基3～6個月沉降變形曲線收斂規律、沉降量變化情況,以及路基堆載、超載沉降變化情況等進行研究。

3 橋梁、路基沉降變形曲線收斂規律研究

3.1 全線橋梁、路基沉降變形分析

3.1.1 橋梁沉降變形分析

哈大鐵路客運專線全線大小橋梁共162座,約663 km,各類橋墩超過18 500座。橋梁樁基形式以摩擦樁為主,部分為柱樁和明挖基礎。全線橋梁6個月實際沉降、預測沉降及工后沉降值分類統計數據及比較見表1。

從表1分類統計結果及實際沉降數據看,哈大鐵路客運專線橋梁沉降變形有以下幾個方面特點：

(1)各類基礎橋墩臺累積沉降變形均很小,全線小于5 mm的橋墩占總數的74.8%,大于10 mm的橋墩僅占總數的0.47%,最大沉降為12.3 mm；

(2)同一工點,除柱樁沉降量略偏小外,其他類型橋墩沉降大小沒有明顯差異,其大小主要取決于觀測條件和當地地質條件；

(3)從統計數據看,摩擦樁沉降量相對較大,柱樁沉降最小；

表1 橋梁墩臺沉降變形情況統計分析匯總

(4)100年預測最大值與6個月實測最大值相差約為4 mm,后期沉降不大。

圖1為TJ-3標1個斷面基礎施工至架梁后6個月實際沉降情況及擬合曲線圖,從圖中可看出,架梁前(70 d)已沉降2.5 mm,架梁后3個月(160 d)沉降量最大約3.1 mm,其后略有反彈,維持在2.7 mm。QDYTH05634回歸模型y=x/(x/a+b)+c。

圖1 TJ-3標DK711+675.31斷面擬合曲線

3.1.2 路基沉降變形分析

哈大鐵路客運專線全線路基長約231 km,路基形式主要為路堤和路塹兩類,根據地質條件部分路堤地段考慮堆載預壓。路基沉降觀測以路基面沉降和地基沉降觀測為主,路基本體沉降一般較小,主要為地基沉降。 全線路基6個月實際沉降、預測沉降及工后沉降值分類統計數據及比較見表2。

實際沉降預測沉降情況分類統計比較詳見表2。

從分類統計及實際觀測數據看,路基沉降變形有以下幾個方面特點。

(1)總體來看,路基沉降變形比橋梁要大；大小分布主要與工程結構和路基地基地質情況相關,一般松軟土、軟土路基處沉降變形相對較大。

表2 路基沉降變形情況統計分析匯總

(2)堆載預壓路基較非堆載路基沉降大。堆載預壓路基最大沉降為48.84 mm,累積沉降超過30 mm的斷面共46處,占3.45%；非堆載路基沉降較小,最大為14.3 mm,小于5 mm的占76.93%。

(3)采取堆載或超載(3.5～4 m)預壓等工程措施,從變形過程看,變形主要隨路基填筑施工進展,荷載增加沉降變形不斷增大,堆載預壓對沉降變形有一個明顯加速過程,荷載恒定后,加速沉降過程大致持續1個月左右,此后,變形迅速趨于穩定。

圖2為TJ-2標3個斷面堆載預壓路基變形過程,從圖中可看出2009年12月4日堆載完成,恒載前已沉降25 mm左右,荷載恒定后,加速沉降,持續1個月左右,變形趨于穩定。

圖2 TJ-2標堆載預壓路基沉降變形過程

(4)同一區段非堆載路基沉降變形較堆載路基相對要小,從統計結果看,小于5 mm的斷面,堆載路基占28.12%,小于15 mm,共占78.21%；非堆載路基小于5 mm的點占76.93%,小于15 mm,共占100%,沒有大于15 mm的斷面。

3.2 沉降變形曲線收斂規律研究

3.2.1 橋梁變形曲線收斂規律研究

為研究橋梁沉降變形曲線收斂規律,根據哈大鐵路客運專線線下工程沉降變形特點,按摩擦樁、明挖、柱樁、挖井等基礎形式,對累積沉降變形大于5 mm且具有一定代表性區段的橋墩(占總數的25.2%)變形過程進行了統計分析,其中主要為摩擦樁。

具體統計時段為恒載期(6個月)及恒載后3個月、4個月、5個月、6個月時累積沉降變形完成的比率,并對2個參數進行比較,一個是6個月實測累積沉降變形,另一個是預測的總變形,統計結果見表3。

表3 哈大鐵路客運專線橋墩臺沉降變形(大于5 mm)完成率統計

從上面統計結果分析,有以下幾方面的特點。

(1)對于明挖基礎,根據表1,全線6個月最大沉降為8.8 mm,按最不利考慮,3個月已沉降6.9 mm,剩余1.9 mm,后期變化不大；100年預測最大值11.54 mm,3個月沉降6.76 mm,剩余4.77 mm,完成比率雖未達到規范75%的要求,但與6個月相比變化不大,考慮其基礎已嵌入基巖,主要是其理論趨勢與實際的差異。

(2)對于摩擦樁基礎,根據表1,全線6個月最大沉降為12.3 mm,按最不利考慮,3個月已沉降10.66 mm,剩余1.67 mm,后期變化不大；100年預測最大值17.78 mm,3個月沉降12.81 mm,剩余4.97 mm,完成比率已達72%,與規范要求的75%相差不大。

(3)橋墩穩定過程相對較短,對于摩擦樁基礎在架梁3 個月后,除個別墩外,沉降平均變形完成率大多已滿足了規范要求；從數據上看,除摩擦樁外的其他類基礎類型似乎變形緩慢,趨于穩定的時間相對較長,在恒載6個月后,仍不完全滿足要求；但從具體分析看,此類墩總體變形比摩擦樁小且迅速趨于穩定,大于5 mm的墩不多,造成此現象可能是因施工不便觀測不及時所致,代表性不強。

3.2.2 路基沉降變形曲線收斂趨勢研究

路基設計中,結合地質情況,部分路堤地段進行了堆載預壓,以加快路基沉降。另外,路基在施工完成前,即恒載前沉降量較大,因此,統計時段除考慮恒載后3個月、4個月、5個月、6個月時累積沉降變形完成的比率,也對恒載前的變化量進行了統計,統計結果見表4。

從統計結果看,無論是堆載還是非堆載路基,恒載前,即施工期產生的變形平均分別為57.8%、46.1%；恒載后3個月內,產生了較明顯的變形,沉降完成率分別達到85.7%、87.4%,僅從完成率看,后期沉降主要發生在前3個月,3個月已基本滿足了規范要求,此后已基本趨于穩定,變形量變化不大。

表4 哈大鐵路客運專線路基沉降變形(大于10 mm點)完成率統計 %

4 評估后沉降變化情況分析

為驗證評估預測結果和掌握后期沉降變化情況,對部分典型工點6個月以后沉降觀測數據進行了分析和評估,并按以下原則進行：

(1)在各標段隨機挑選一部分單元,評估完成后繼續觀測時間超過2個月以上；

(2)在原數據序列的基礎上,追加評估通過的后續觀測資料,用同樣的模型重新進行回歸分析；

(3)結合新舊評估結果進行分析,比較兩次回歸預測總沉降之差,和后續實測沉降量與評估時的預測沉降量之差以及2次預測值之差加以驗證。

按以上原則,選取了約150個典型斷面,進行驗證分析計算,得出的結論基本是一致的,即總體上,兩次回歸分析預測值之差小于8 mm；工后沉降未發生明顯變化最后實測沉降與正式評估預測值之差大多在1 mm以內,表5為幾個典型工點的驗證數據。

表5 TJ-1標典型工點部分沉降預測值后驗證統計 mm

5 結語

通過對全線橋梁和路基沉降觀測數據、預測值及加恒載前后3～6個月沉降完成比率進行統計、計算、評估和分析,以及后期對沉降結果的進一步驗證,對哈大鐵路客運專線橋梁和路基沉降變形曲線收斂趨勢和規律,可初步得出以下結論。

(1)哈大鐵路客運專線橋梁、路基恒載后6個月,沉降已基本穩定,相關指標也滿足規范要求,后期對個別代表性斷面又進行了驗證,無明顯變化。

(2)橋梁摩擦樁基礎,總的沉降量不大,3個月實際沉降量完成比率已達86.1%,與6個月相差不大；100年預測值,3個月完成比率已達72%,與規范要求的75%也相差不大。也就是說3個月沉降已基本穩定,曲線已開始收斂。

(3)路基無論是堆載還是非堆載路基,恒載前變形較大,恒載后3個月內,產生路基沉降完成率分別達到85.7%、87.4%,基本滿足了規范75%的要求。也就是說恒載后3個月沉降已基本穩定,曲線已開始收斂。

(4)哈大鐵路客運專線建設過程中,個別工點由于工期原因,架梁后3個月、路基堆載后5個月后,開始下道工序施工,即鋪板工作,通過后期繼續觀測和驗證,沉降變化不大,均在規范允許的范圍。

根據以上分析及哈大鐵路客運專線建設實際經驗,建議今后東北地區客運專線建設,相同工程措施、類似地質條件下,個別工點,確因工期緊張,通過增加觀測頻次,并經沉降分析,如沉降曲線趨于收斂,橋梁地段架梁3個月后可進行下道工序施工；路基堆載預壓地段,雖然恒載3個月后沉降已基本穩定,但考慮路基基礎及本體施工影響因素較多,因此恒載5個月后,進行下道工序施工為好。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2006]158號 客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2006]189號 客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社,2006.

[3] 周洪順.低山丘陵區客運專線路基沉降變形控制技術研究[J].鐵道標準設計，2008(9).

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[5] 余飛，樂紅，韓卓，等.鐵路客運專線超載預壓路基變形特征與卸載時間確定方法[J].鐵道標準設計，2010(2).