京滬高速鐵路施工過程中結構物不均勻沉降原因分析及調整措施

劉向云

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

京滬高速鐵路施工過程中結構物不均勻沉降原因分析及調整措施

劉向云

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

結合京滬高速鐵路京濟段施工過程中路基、橋梁等沉降不均勻的情況,對地質條件、人為抽吸地下氣和液體、施工組織計劃、外界客觀因素、結構物類型不同等因素進行原因分析,并根據施工過程中實際的精密測量數據具體分析。按照高速鐵路無砟軌道鋪設精度的要求,研究應對調整措施,經過分析研究借鑒既有線放大縱斷面依據軌面高程值進行坡度模擬,及時調整設計坡度,調整無砟軌道底座板厚度,滿足高速鐵路運營安全、舒適度的要求。

高速鐵路;工程施工;不均勻沉降;實施措施

1 京滬高速鐵路北京至濟南段工程概況

京滬高速鐵路北京至濟南段,線路自北京南站(DK0+000)西端引出,并行西黃線至黃村后沿京山線經北京市、廊坊市、天津市、滄州市、德州市至黃河北岸(DK406+918.87),線路長393.51 km。本段含北京南、廊坊、天津南、滄州西、德州東5個車站,路基長22.92 km(含車站),橋梁占線路長度比例為94.2%。

2 施工過程中結構物沉降量不均勻產生的原因分析

京滬高速鐵路于2008年4月18日開工建設, 2010年6月開始鋪設無砟軌道。結構物沉降量不均勻產生的原因很多,如:沿線地質條件較差,軟土地段較多;人為抽吸地下氣、液體引起的地面沉降;施工組織計劃,需要不同時間修建路基及橋梁等工程;受外界客觀因素影響不能按時施工的結構物工點的部分路基及橋墩;結構物類型不同;施工測量影響等原因。結構物沉降量不均勻產生的原因分析如下。

2.1 地質條件因素

京滬高速鐵路北京至濟南段地質條件較差,廣泛分布新生界第四系松散堆積層,厚度可達70～600 m,地層主要為第四系沖積層、沖洪積層、海積層,一般以黏性土、粉土、砂類土為主,特別是第四系全新統沖海積層(軟土層)厚度8～40 m。由于軟土的厚度不同,當建筑路基或橋梁、涵洞時,不同的工點會產生差異性的沉降量,產生不均勻沉降值。

2.2 人為抽吸地下氣、液體因素

影響地面沉降的因素主要為人為抽吸地下氣、液體引起的地面沉降。其中開采地下水、地下熱水、油氣而引起的地面沉降,是地面沉降現象中發育最普遍、危害性最嚴重的一類,其次是大面積地面堆載引起的地面沉降。

設計單位對京濟段進行過沉降問題的專題研究,沿線地面沉降主要發生在北京市東部及南部,廊坊市,天津市的武清、西青、靜海及濱海地帶,滄州市,德州市等地區及附近地區。各個地面沉降區內的沉降、沉降幅度及沉降速率均有所不同。根據收集各地區地面沉降測量觀測數據進行統計,自有觀測記錄以來,北京大興地面沉降區最大累計沉降量達到0.791 m,天津地區主要沉降中心為市區、武清、西清和靜海,市區和武清中心最大累計沉降量分別為2.913、2.898 m;河北地區主要沉降中心為滄州、廊坊,最大累計沉降量分別為2.457、0.48 m;山東德州沉降區,最大累計沉降量達0.936 m。不同區域的沉降中心仍在不斷發展,并且有連成一片的趨勢。

京滬高速鐵路北京至徐州段2007年5月建成二等水準網,自2008年開工建設以來,多次對京濟段的水準網進行復測。分別于2009年3月進行京徐段水準復測、2009年8月進行京濟段水準復測、2009年11月進行京濟段水準復測、2010年4月進行京濟段水準復測。根據每次復測的結果與2007年5月水準成果分析,北京至濟南段累計共有32.1%的測段復測高差超過允許的限制標準,個別水準點或個別段落內水準點存在不同程度的沉降,而且不均勻沉降趨勢比較明顯。由于人為抽吸地下氣、液體分布沿線不同的地段,并且不是均勻分布,對工程工點會產生不同的影響;因此不同的工點會產生不同的沉降值。

2.3 施工組織計劃因素

京滬高速鐵路建設標準高,特別是京濟段處于平原地區,高程控制點較少,全線平均坡段長度為1 875 m,最長坡段為9 200 m,該坡段在天津靜海附近設計里程為DK152+100～DK161+300。

在2年多的土建施工過程中,按照施工組織要求,路基、橋梁、涵洞、隧道、無砟軌道等按照施工計劃進行有序先后的施工。由于京滬高速鐵路坡段設計較長,通常一個坡段長縱貫不同的重點工點、多個橋墩臺及路基等工點,各個工點工程內容、種類、施工工序等要求不同。根據施工組織計劃安排,會出現先期施工地段與后期施工地段。因此,各個結構物建成及增加荷載時間不同,結構物產生的沉降量也不相同。根據現場測量情況,在同一個坡段長上如:DK152+100～DK161+300坡段長為9 200 m,本坡段約285個橋墩,施工組織計劃先后需要半年完成;由于同一坡段上285個橋墩不能同時施工,各個橋墩建成后對地面產生荷載的時間長短不同,產生了不同的沉降值。

2.4 受外界因素影響不能按時施工因素

京濟段經過北京、廊坊、天津、滄州、德州等大城市,需要跨越的重點工點較多,先后跨越4條鐵路、4條高速公路、60多條等級公路和規劃路、多條河流、下鉆多處高壓電力走廊。橋梁工程長度占線路長度比例為94.2%。每處橋梁跨越工點的設計施工方案,必須向產權所屬單位及相關部門進行匯報,經產權所屬單位同意,才能發放各種施工許可證,才能夠進行工程實施。

在實施過程中,如:跨越北京局所屬京滬、京九、津霸鐵路和朔黃公司所屬朔黃鐵路的橋跨方案及施工方案,經過了多次和長時間的匯報及專家審查,才最后批準工程實施方案;控制工點的墩臺與相鄰的一般的墩臺建成時間相差近6個月之多。跨越北京市、廊坊市、天津市、滄州市、德州市的現有等級公路和規劃道路的橋跨方案及施工方案,更是經過多次向多部門的匯報、專家審查才獲得通過;控制工點的墩臺與相鄰的一般的墩臺建成時間相差近8個月之多。另外,高速鐵路下鉆多處電力高壓走廊,由于原有高壓線距地面的高度較低,高壓電力線的抬高遷改更是橋梁建設的控制點。由于結構物的建成時間相差較長,對地面產生荷載的時間長短不同,部分地段結構物產生的沉降量不同,形成了局部不均勻沉降。線路經過廊坊市區地段,路基長度12 km其中含廊坊車站路基2.2 km;在施工過程中,廊坊站兩端區間9.8 km路基按照施工計劃完成工程施工,并進行路基預壓工程;但廊坊車站段受拆遷工程遲遲不能完成的影響,廊坊車站段路基無法施工,待拆遷完成后,原有的路基施工方案已無法按原施工計劃完成。變更施工方案后,由于采用打樁方案進行地基處理,施工產生噪聲較大,又招致附近居民的阻工行為,以至于本段路基未按設計進行預壓施工,導致廊坊車站段路基與其他段路基產生不同的沉降值。

2.5 結構物類型不同

按照工程設計原則,考慮車站設置的需要、工程投資節省要求、跨越河流、跨越交通設施和穿越山區的需求,設計上會考慮車站、路基、橋梁、涵洞、隧道等工程相結合,如:車站與路基結合段、路橋過渡段、路涵過渡段、路隧過渡段等;由于各類結構物工程的設計要求及剛度不同,各類工程之間需要采用過渡段進行連接,以消除各類結構物剛度不同對線路平順性的影響。但由于各類結構物設計的要求不同,基礎處理措施不同,建成的時間不同;因此,在建設過程中,橋梁、涵洞、隧道等產生的沉降量小,而路基的沉降量大,并且建成后對地面產生荷載時間不同、地基處理要求也不同,不同的結構物產生不同沉降值。

2.6 施工測量因素

由于測量儀器、測量精度以及操作人員的影響,對結構物的實際高程值測量會有一定的影響,測量結果會與實際高程值有一點的偏差,使分析結果體現結構物的沉降量產生不均勻沉降值。

3 調整措施研究

3.1 調整不均勻沉降量的措施

由于北京至濟南段地面區域結構物產生沉降量不同的影響,使原施工圖線路縱斷面設計軌面高程與現場實測值不符,產生起伏頻繁、坡段長非常小的線路縱斷面。為保證高速鐵路無砟軌道鋪設軌道板標準要求,在施工過程橋梁鋪架完成后,根據沿線水準點高程值變化,對梁面高程進行實際精密測量。經過實測數值的分析研究,借鑒既有線放大縱斷面依據軌面高程值進行坡度模擬的原理,及時根據測量數據進行坡度模擬,推算軌面高程值,并對原設計坡度進行調整,推算軌面高程,重新調整線路縱斷面坡度和軌面設計高程,滿足無砟軌道鋪設軌道板標準要求。

調整采用的數據為2009年11月實測梁面高程數據和部分2010年4月補充實測梁面高程數據,進行線路縱斷面坡度擬合設計。

3.1.1 橋梁地段線路斷面坡度擬合調整方法

橋面高程測量水準點采用引測的高程點或CPⅢ高程作為基準點,采用精密電子水準儀測量。

在需要測量的位置標識油漆點,測點作為中視點測量,儀器架設在相鄰CPⅢ點中間,水準路線采用CPⅢ高程控制點閉合檢核。

每片梁橋面高程測量測點布置14個,均在左右線路中心線上,其中兩端1.5 m凹槽處各布設4個測點,梁面凸臺上布設6個點,跨度較大連續梁可在1/4跨增加2個測點。如圖1所示。

橋梁地段,盡量考慮大范圍的平行調整,不改變原設計坡度或少量改動原設計坡度;調坡前后,原設計的變坡點里程及豎曲線半徑不能變化。

圖1 高程測量測點布置(單位:cm)

根據測量數據進行縱斷面坡度模擬時,為減少軌道結構高度的調整,減少橋梁梁面的打磨工作量,并滿足橋梁鋼筋保護層的要求,縱斷面調整值按-15～40 mm進行控制,通過調整CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板的厚度來實現。具體根據橋梁梁面高程測點精密測量數據,并參照原有線路縱斷面設計坡度進行坡度模擬。通過模擬坡度設計高程值與實測高程高差進行分析比較,確定合理的模擬線路縱斷面,最后確定每個測點軌道底座板的抬降值。

調坡后需要對相關數據進行分析,若對打磨后的軌道板產生較大影響時,需要重新進行調整設計,滿足無砟軌道規范要求。局部橋梁地段調整線路縱斷面,如圖2所示。

3.1.2 路基地段線路斷面坡度擬合調整方法

路基高程測量標準和擬合調整措施同橋梁地段。在路基地段每隔50 m和各個路涵、路橋過渡段的起終點,在左右線路中心線路基面上各標注1個測點,同橋梁地段相同方法對各個測點進行精密測量。

圖2 局部橋梁地段調整線路縱斷面

路基地段根據路基面的高程,路橋過渡段、路涵過渡段的測量數值進行模擬分析;路基與橋梁相接地段應以橋梁地段為主進行調整,路基地段與橋梁地段協調一致進行調整。橋梁相接地段及相接的路基局部地段模擬調整原則與橋梁地段相同;全部路基地段,在滿足與橋梁相接地段要求的前提下,可進行局部調整,調整措施為補填路基面填料,滿足調整縱斷面后的高程要求。

調坡后需要對相關數據進行分析,路基地段按照調整的設計坡度重新調整軌道板的設計,對軌道板需要重新進行布置,滿足無砟軌道規范要求。局部路基地段調整線路縱斷面,如圖3所示。

圖3 局部路基地段調整線路縱斷面

3.2 軌道工程調整方式

(1)根據調整后的軌面高程,對底座板厚度進行調整,具體調整通過布板軟件控制底座板上表面高程來實現,底座板厚度根據梁面高程情況進行變化,軌道結構高度按-15～40 mm進行調整,通過調整CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板的厚度來實現。對于底座板厚度變化在-15～20 mm的,需要根據實際情況調整混凝土墊塊的高度,以滿足鋼筋保護層的要求。對于底座板厚度變化在-20～40 mm,需要進行結構檢算,必要時需要增加配筋,同時調整橫向箍筋尺寸,滿足鋼筋保護層的要求。對于底座板厚度變化大于40 mm范圍的,調整底座板設計,增加配筋,調整橫向箍筋尺寸。

(2)采用調整后的線路數據對軌道布板軟件的系統文件進行更新,用于底座板的放樣。

4 結語

結合京滬高速鐵路北京至濟南段施工過程中路基、橋梁等沉降不均勻的情況,對地質條件、人為抽吸地下氣和液體、施工組織計劃、外界客觀因素、結構物類型不同等因素進行原因分析。按照施工過程中的實際情況,對橋梁、路基等地段進行測點布置并進行精密測量,依據測量數據的成果進行線路縱斷面坡度模擬,并計算完成每個測點模擬設計高程與實測高程的差值,研究應對調整措施,對無砟軌道底座板厚度調整,滿足高速鐵路無砟軌道鋪設的精度和安全運營、旅客舒適度的要求。不均勻沉降量產生的原因分析得當,調整措施可行,可供其他客運專線鋪設無砟軌道時借鑒。

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2014-03-20

劉向云(1962—),男,高級工程師,1988年畢業于北京交通大學鐵道工程專業大學本科(函授)。