高速鐵路線下結構沉降變形預警初探

厲東偉，陳冉麗，徐元坤

(1．中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116;2．石家莊鐵路職業技術學院測繪工程系，河北 石家莊050047)

一、引 言

目前，國內外對高鐵沉降變形的預警研究并不深入，多數基于“數據處理+判定規則”這一簡單的模式。沉降變形的預警核心問題在于判定規則的科學性與合理性。按照陳善雄等提出的理論，一般判定規則包括核心指標、控制性指標、一般指標3個方面［1］。3個指標重要性不同，預警系統采用的判別模式就要考慮到各方面的因素。

二、一般預警機制

參考《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)［2］、武廣客運專線、合福新建客運專線等規范，以及工程實際對沉降變形評估的有關要求、規定后，總結出一般高速鐵路線下結構沉降變形預警的幾個指標:

1)在路基和橋梁評估中，當主體工程完工后，觀測期大于3個月且沉降波動幅度在3．0 mm之內、沉降增量在±2 mm之內、最后4次(且觀測時間不少于一個月)觀測數據未出現連續下沉現象時，認為符合要求。

2)根據實際荷載情況及觀測數據，作回歸分析及預測，綜合確定沉降變形的趨勢，曲線回歸的相關系數不應低于0．92。

3)對于按前述標準評估仍不能通過的測點，在主體工程完工后，在觀測時間不小于3個月的時間范圍內，沉降曲線總體呈現為收斂狀水平發展趨勢，則認為該測點通過評估，不予曲線擬合，但必須繼續觀測驗證。

4)測點當前沉降量與預測最大沉降量比值大于75%。

5)靜定結構相鄰墩臺工后沉降量之差，對于無砟橋面橋梁不超過5 mm。

6)同一斷面的預測最終沉降值與設計沉降值之差不宜大于10 mm。

7)各斷面工后沉降不大于15 mm。

從以上幾個指標可以看出，對于高速鐵路線下結構沉降變形預警來說，應該從單點沉降變形預警和不均勻沉降變形預警兩個方面進行研究。

三、單點沉降預警

單點沉降變形的預警主要是指對任意觀測斷面的沉降觀測點發生的工后沉降的預警，從時間上來說包括了無砟軌道鋪設完成及運營期兩大時間段的預警。對于監測的時間來說，一般高速鐵路的運營期為100年，不過在預警時不可能直接采用這一時間段，可行的方法是按照自然年的周期進行監測和預警，同時要對已發生的沉降計入預警過程中去。

而對于單點沉降實際發生的形式來說可以分為兩種:一種是突發沉降，短時間之內可能造成比較大的有破壞性的沉降;另一種是緩慢的發生沉降，如按照其發展趨勢，在一定時間內將超過《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)要求的限度。

單點突發沉降在工程中是普遍存在的。如工程現場的地質構造比較差，如紅壤土、地下溶洞等不利的地質條件，或者是突發洪水、持續暴雨等因素可能會發生高速鐵路線下結構的工后的突發較大沉降。因此在洪水、持續暴雨時，預警自然要啟動，而對于那些不易觀測到的因素所引起的突發沉降將需要通過工后沉降監測來預警。按照路基沉降觀測頻次表，可以發現工后一年的正常觀測數為7次，見表1。而《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)對工后沉降的要求為不超過15 mm，因此按照自然年的周期來分析，工后沉降監測時，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應該小于2 mm。

表1 路基工后一年的正常沉降觀測數

相對于單點突發沉降，緩慢的工后沉降對高速鐵路運行的影響小得多，但是如果不對其進行監測預警，一旦達到一定的趨勢就會對高速鐵路造成嚴重的后果，因此其沉降發展趨勢需重點監測的。因此筆者采用15組沉降數據在恒載的情況下到達沉降穩定的沉降量，同時按照不同的時間周期，如日、周、月及年分別計算其沉降量，見表2。

從表2中可以發現1號、6號、8號、9號和13號年沉降量超過了15 mm，其沉降發展趨勢如圖1—圖5所示，其中虛線為沉降線性趨勢。

表2 恒載期到沉降穩定不同時間尺度下的沉降量

圖1 路基工后沉降超標趨勢1號圖

圖2 路基工后沉降超標趨勢6號圖

圖3 路基工后沉降超標趨勢8號圖

圖4 路基工后沉降超標趨勢9號圖

圖5 路基工后沉降超標趨勢13號圖

同時選取1組未超標的工后沉降趨勢圖，如圖6所示。從圖1—圖5與圖6的對比中，可以看到超標各組的線性趨勢是比較明顯的，如果進行量化指標可以將15 mm按表2的形式量化，見表3。由此可以得出當按周為周期來監測時其預警值應該為0．3 mm，如果按月為周期其監測預警值為1．2 mm。

圖6 路基工后沉降趨勢2號圖

表3 工后沉降一年期量化指標

四、不均勻沉降預警

工后的不均勻沉降不僅破壞了乘車的舒適性及行車的平順性，而且使車輛無法快速行駛，嚴重的甚至造成安全事故。然而目前不均勻沉降指標的研究比較少，其預警也很少有研究。

根據《客運專線無柞軌道鐵路設計指南》及《新建時速300-350公里客運專線鐵路設計暫行規定》，同時借鑒德國對于路基不均勻沉降限值的控制方法，我國無砟軌道路基工后不均勻沉降有如下要求:調整軌面高程后的豎曲線半徑應能滿足式(1)

式中，Ra為軌面圓順的豎曲線半徑，單位為m;VE為設計時速，單位為km/h。

由此可以得到不均勻沉降的第一個預警指標，如對于300 km/h的客運專線來說，軌面圓順的豎曲線半徑應大于36 000 m。

原鐵道部科技司在《新板式軌道線路的土工結構—實施的原則和建議》中認為，從保證舒適度出發，產生不均勻沉降形成的曲線要滿足式(1)的同時，另外其不均勻沉降量應滿足

式中，ΔS為不均勻沉降量;ΔL為豎曲線弦長。

由此可以得到對于300 km/h的客運專線來說，50 m長的軌道基線的最大不均勻沉降量為17 mm。同時采用上一節的預警方法可知相鄰沉降觀測點在當次觀測期內的沉降量的絕對值大于2．4 mm時，不均勻沉降預警應啟動;而相鄰觀測點持續性的不均勻沉降量預警閾值采用達到最大不均勻沉降量的75%，由此可以得到該預警值應該為13 mm。

五、結 論

通過《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)和工程現場的經驗總結，對高速鐵路線下結構工后沉降變形預警作了分析和研究，并得出了一些結果，具體來說有以下幾點:

1)沉降變形預警的核心指標為工后沉降不大于15 mm。

2)通過對恒載期沉降變形的趨勢研究，得出:對于獨立的沉降觀測點的緩慢的工后沉降預警值，當按周為周期來監測時其預警值應該為0．3 mm，如果按月為周期其監測預警值為1．2mm。

3)工后沉降監測時，對于線下結構的單獨沉降觀測點突發沉降來說，其前后兩次的沉降量差值的絕度值應該小于2 mm。

4)對于300 km/h的客運專線，其工后不均勻沉降中的軌面圓順的豎曲線半徑應大于36 000 m。

5)對于300 km/h的客運專線，50 m長的軌道基線的最大不均勻沉降量為17 mm。相鄰沉降觀測點在當次觀測期內的沉降量的預警值為絕對值大于2．4 mm;而相鄰觀測點持續性的不均勻沉降量預警值應為13 mm。

［1］ 陳善雄，宋劍，周全能，等．高速鐵路沉降變形觀測評估理論與實踐［M］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［2］ TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．