高速鐵路沉降與變形分析及對策

魏強

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

高速鐵路沉降與變形分析及對策

魏強

(中國鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

引起高速鐵路沉降與變形的原因主要有地質條件、復雜橋梁結構、線路外側施工或加載以及施工質量問題。高速鐵路建設期間以及后期運營期間的沉降觀測是區域地面沉降規律分析的關鍵，應重點關注漏斗邊緣或不均勻沉降地段;凍脹—時間曲線對線路運營管理極為重要，凍脹快速上揚和波動融沉兩個階段是線路運營的不穩定期，應加強凍脹觀測，目前采取的設計措施還需要進一步深化研究;橋梁結構變形主要包括相鄰橋墩大高差引起的變形和大跨度鋼結構橋梁變形，受地形條件限制這種變形難以避免，因此在軌道調整及養護方面應采取合理措施;目前線側施工和施工質量問題引起線路沉降和變形問題十分普遍，在設計和施工階段應進行控制。提出了加強地質勘察、系統性設計、施工質量控制和養護措施四個方面的對策與建議。

沉降變形 區域地面沉降 凍脹 橋梁結構變形 線側施工

在鐵路建設中經常出現線路沉降、變形等病害，須對基礎進行整治。輕則需調整軌道幾何尺寸，嚴重的要拆除軌道結構重新施工，從而造成工期延誤和成本增加。沉降與變形問題也是制約高速鐵路正常運行的重要因素，對運營安全影響巨大。線路限速的原因約有40% ～50% 是由于線路沉降、拱起、變形等引起的。我國目前正處在高速鐵路高速發展時期，目前已經建成投入運營的高速鐵路約16 000 km，在建10 000 km左右。深入分析高速鐵路沉降與變形產生的原因并研究預防措施十分必要。

1 高速鐵路沉降與變形產生的原因

據已有資料統計分析，線路發生沉降與變形主要有以下原因:①特殊的地質構造或環境。區域地面沉降、巖溶地基等會引起線路的沉降，地裂縫會引起線路變形，嚴寒地區路基凍脹會引起線路上拱。②軟弱地基。含豐富地下水的隧道基底巖層破碎、深厚軟土地基、膨脹性巖土地基等會引起線路沉降、上拱或變形。③復雜橋梁結構。我國高速鐵路建造水平日益提高，設計了一些跨越大江大河、深溝陡谷的新型大跨橋梁結構。其設計時須與軌道結構精確耦合計算，才能滿足平順性和動態指標控制要求。④外部因素。線路外側傾倒垃圾、施工樁基礎、填筑路基、施工涵洞及橋梁等都會引起線路變形或沉降。⑤施工質量不良。隧道仰拱底部虛砟清理不干凈導致混凝土與基巖面結合不緊密，路基過渡段填料質量不合格或者死角部位壓實不到位均會引起線路沉降。施工中還出現了路基采用了具有膨脹性碎石的填料和路基摻加未完全消解的生石灰，在后期遇水后產生膨脹引起路基上拱導致無砟軌道結構變形的質量問題。

具體線路產生沉降與變形的原因，有的是多方面的因素交織在一起，有的還不能準確地判明原因，要從地質、設計、施工、地理環境等多方面進行分析，查明原因后，才能制定針對性的處理措施。

2 區域地面沉降分析

區域地面沉降是世界性的難題，成因復雜，治理難度大。世界上多個國家如美國、日本等都有區域性地面沉降問題［1－2］。我國區域地面沉降主要分布在長三角平原區(上海、蘇錫常)、河北平原(滄州)、環渤海(天津)、東南沿海平原(寧波、嘉興)、河谷平原及山間盆地(西安、太原)等地區。可以看出，地面沉降一般都分布在有深厚軟土地層的平原地區，其形成原因有地質因素，如構造活動、軟弱土層固結沉降、地震等;也有人為因素，如開采地下水、煤、油氣、地熱水等。一般認為，目前產生區域地面沉降的主要因素是過量開采地下水［3］。一些地區通過采取限量開采地下水的措施，已經出現地面沉降速率明顯降低的趨勢。

2.1 沉降觀測分析

建設期間以及后期運營期間的沉降觀測至關重要，《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》［4］和相關文件［5－6］對沉降觀測作出了具體要求。圖1是某高速鐵路所經過區域地面沉降區段在建設期間和運營階段的沉降觀測曲線。該鐵路開工之前進行了初值測量，并結合調查資料，對沉降趨勢進行了研判。K56—K63段存在漏斗區，預測10年后沉降產生的附加坡度為0.2‰，對工程影響較小，預測100年后沉降產生的附加坡度為4‰，調整后坡度滿足使用調高支座的要求。2年后進行了第1次測量，建設期間進行了7次測量，測量周期基本上在半年左右，圖1是部分測次的沉降觀測曲線，可以看出該沉降區有發展趨勢。根據測量成果，分別在架梁時對墊石標高，在無砟軌道底座施工前對底座頂面標高，在無砟軌道鋪設前對軌面標高，在正式運營前對軌面標高進行了修正，以消除此期間的沉降量。運營后1年(初值測量后第5年)內進行了第8次測量，并根據測量結果對線路進行安全評估，重點關注漏斗邊緣或不均勻沉降地段，通過調整軌面平順性來保持運營安全和舒適度。

圖1 某高速鐵路經過區域地面沉降觀測曲線

為了驗證橋梁結構與地面沉降的關系，依據最近一次測量結果分析了橋梁線下基準點至離其最近的橋墩監測點之間的高差變化情況，并與以前測量結果比較，發現橋墩沉降相對于地面基準點沉降有滯后現象，并且差值在逐年提高，最大達到30.6 mm。對橋梁結構沉降與地面沉降差異化機理有必要深入研究，這對高速鐵路通過地面沉降區域路橋方案選擇以及橋梁樁長設計意義重大。

2.2 處理措施

鐵路工程經過區域沉降地區時，需要認真分析沉降歷史、沉降幅度及沉降速率，才能確定線路走向及各結構設計的具體措施。一般情況下，區域地面沉降是過量開采地下水引起的，存在較大范圍的漏斗區，地表沉降趨于均勻、緩慢的下沉，對高速鐵路工程不會產生太大的影響。但是，漏斗區內不均勻沉降和漏斗邊緣段的沉降高差變化較大，對高速鐵路軌道結構會產生一定的影響。一般橋梁地段，當相鄰墩臺間發生15～35 mm的差異變形時，縱連底座板裂紋寬度可能超限，影響結構耐久性，進而影響結構安全。另外一些線路實測數據表明，在漏斗邊緣區CPⅢ點沿線路方向的高差變化及CPⅢ點間的高差變化比較明顯。

在處理措施上，首先考慮軌道系統調整措施，結合扣件調整量，依擬合曲線進行調整。按照規范規定的沉降區曲率半徑ra≥0.4v2c(vc為線路運營速度)，將沉降曲線圓順為一定半徑的豎曲線(圖2)，推算出沉降量限值ΔS≤2ra－。當沉降量超出允許范圍，需要采取特殊措施:對于橋梁結構，可采用可調高支座進行高程調整的措施，但需要考慮不均勻沉降引起的橋梁結構破壞和可調高支座的設計坡度限制［7］;更嚴重時，需要采取頂梁抬升的措施。對于路基地段，可通過壓注漿液抬升軌道，國內已經有在無砟軌道底座板與路基基床面之間通過壓注一種化學材料抬升軌道的工程實例［8－9］，最大抬升量達到了100 mm，但是需要考慮抬升量與軌道剛度匹配問題。

圖2 不均勻沉降豎曲線擬合示意

3 路基凍脹分析

目前國內外對路基凍脹機理、凍土性質及變化規律已經掌握得比較清楚。不同行業深入研究了凍害對工程的影響以及預防措施。我國鐵路對東北、西北等嚴寒地區凍脹問題進行了針對性的研究，采取了一些措施來預防或解決凍害問題。青藏鐵路在修建過程中，專題研究了凍害防治問題，取得了良好的效果［10］。高速鐵路高平順性對路基沉降和變形要求十分嚴格，凍脹問題對高速鐵路特別是無砟軌道的影響隨著嚴寒地區高速鐵路的修建和運營而顯現出來。

3.1 凍脹規律分析［11－12］

根據對東北地區客運專線建設及運營期間凍脹季節路基觀測數據的分析，凍脹變形隨時間發展變化過程可劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發展、低速穩定持續發展、波動融沉、變形穩定五個階段。如圖3所示，凍脹—時間曲線的特點有:①凍脹上揚期凍脹量急速增長，達到最大值僅用了10 d左右;凍脹融化期經歷了25 d左右，時間較短。②凍脹穩定期凍脹量基本穩定。③凍脹變形包括上漲及回落兩個階段，與溫度變化相比存在一定的滯后現象;④經過凍融循環后，回落幅度與凍脹高度產生了凍脹殘余變形，其值不大。因此，建設期間路基施工應根據當地氣候條件，按照“盡量提前施作、適當縮短施工單元、當年全部完成主體和附屬”的原則進行施工組織設計安排。凍脹—時間曲線對線路運營管理十分重要，凍脹快速上揚和波動融沉兩個階段是線路運營的不穩定期，應加強凍脹觀測，加強軌檢車動態檢測和軌檢小車對軌道結構靜態幾何尺寸的檢查。檢測資料顯示，軌道發生短波不平順性的概率明顯小于長波不平順性，可以通過調整扣件系統來及時調整線路的平順性。變形穩定階段持續時間較長，經過水分反復遷移，路基穩定狀態會產生輕微變化，應加強對路基特別是防水層的檢查，及時對產生的缺陷進行修復。

圖3 凍脹—時間曲線

根據凍脹觀測資料建立不同階段的凍脹分布曲線并進行長期觀測分析，能夠找出凍脹變化較大的區段，以重點維護。

3.2 設計措施

凍脹產生的主要因素包括土質(填料)礦物成分及顆粒組成、負溫總量、土(填料)中水的含量以及水的補給、外部施加荷載等，針對這些因素，設計采取了強化路基結構、優化路基填料和“上封下排”防排水措施。目前建成的沈丹、吉暉等線路通過采取這些措施，凍脹基本得到了控制。

對設計措施還需要進一步深化研究，分述如下。

1)防排水措施。凍脹的核心是水，一個凍融期實際上是地下(路基面下)水的一次循環過程。理論上，不斷的循環將導致路基本體或地基內細粒土被帶走，路基強度會降低甚至產生變形。路基在最優含水率條件下被壓實后，應保持路基以及地基含水率在一定范圍之內。涉及到的問題為:①路基層的封閉問題。表層各種結構縫的防水措施，混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫、纖維混凝土與底座板間的接縫均會在寒季收縮開裂，而目前采用的纖維混凝土防水層也存在開裂問題，需研究在路基表面鋪一種新型的復合防水層，如高速公路的瀝青混凝土+封層的方案。②應重新確定盲溝的功能。高速公路在黃土地基地段在路基兩側設置了盲溝，但在盲溝內路基側設置了一層防水板，目的是在一定深度范圍內隔斷地基與外部水的相互滲透，同時將外界補給的水及時通過盲溝排走。鐵路盲溝設置目的與原理應與此相同。③為了避免路基內部由于上部凍結而對水的吸附，可在基床底面設置保溫層。

2)路基填料的凍脹性問題。以往研究表明，路基凍脹與路基填料的級配和土體含水率密切相關［13－15］，同時與線路通過地區的凍深關系也十分密切，所以路基勘察設計中，選取凍結深度應細致考慮工程現場實際的地理位置(包括城市還是郊外、陰陽坡)，選擇合適的凍結系數來確定凍結深度。要認真調查填料來源，考慮級配、天然含水率等因素，模擬當地條件進行凍脹條件下的土工試驗。當填料生產困難或經濟性較差時，可考慮橋梁方案。結構物之間的短小路基應考慮采用橋梁方案。

3)路基基床厚度與凍結深度的關系。設計采取了基床表層采用級配碎石加5% 水泥的措施。級配碎石加水泥具有混凝土干燥收縮和溫度收縮的性質［16］，在溫度變化以及反復荷載作用下容易開裂，一旦破壞具有不可復原性，因此對于該層結構的耐久性要持續觀察。

4 橋梁結構變形分析

隨著山區高鐵的修建，橋梁結構變形比較突出甚至影響軌道平順性，主要有兩種情況:①相鄰橋墩高差較大引起軌道高低不平順;②大跨度新型鋼結構(鋼混結構)橋梁變形引起軌道高低或水平不平順。這兩種類型的變形都是溫度變化造成的。

4.1 相鄰橋墩大高差變形觀測及分析

高速鐵路橋梁在跨越深谷等地形起伏比較大的地段時，容易出現相鄰橋墩大高差的情況。對某鐵路多座橋梁基礎和橋面高程進行了豎向變形觀測，發現基礎沉降已經穩定，但橋面高程隨著溫度的變化而發生了變化。除去前期混凝土徐變和測量誤差的影響，理論計算與實測值基本吻合。某1－72 m+72 m T形剛構+1－24m橋梁，1號墩墩高48.5 m，與0號橋臺最大高差47 m。對實測工后2個月基礎沉降與橋面升溫20℃理論計算變形曲線進行比較，兩者變化較大，如圖4所示。在環境溫度28℃和10℃兩次實測橋面高差為8.8 mm，理論計算值為8.7 mm，結果吻合較好。這證明了溫度變化使得不同墩高的伸長量不同，從而引起橋面或者軌面高差變化。

圖4 大高差橋墩溫度變形曲線

測量結果分析表明，豎向較大變形多發生在簡支梁處。為了方便分析，將橋墩簡化成頂端受力(F)、底部固結的拉壓桿件(長度為l)。根據力—變形公式Δl =Fl/EA和溫度變形公式Δl=αlΔt(α為溫度線膨脹系數，Δt為溫差)，可以得出:當溫度升高時，溫度力T =αEAΔt，橋墩絕對位移量Δl=αlΔt。若50 m墩高溫升20℃時，溫度力約為(1.4～2.1)×105kN，是墩頂豎向荷載(約1.7×104kN)的10倍左右。此時橋墩向上發生位移，位移量為10 mm。相鄰墩在溫差變化20℃時豎向變形量差約0.2 mm/m，對32 m簡支梁梁端轉角貢獻0.12/1 000，對24 m簡支梁梁端轉角貢獻0.17/1 000。所以設計時應針對相鄰墩高差較大情況進行仿真計算，計算結果要滿足:①軌面高程變化允許值;②軌道平順性特別是長波不平順限值要求;③橋梁梁端轉角限值要求。

4.2 大跨度鋼結構橋梁變形

大跨度鋼結構橋梁受溫度變化的影響變形較大，其中日溫差引起的變形影響最大，在軌道精調階段調整軌道困難，難以達到要求。下面以某橋為例進行分析。

1)橋梁概況

該橋全長618.3 m，橋跨布置為(41.2+486.0+ 49.1)m+1－32 m，主橋采用中承式鋼箱提籃拱橋，計算跨徑450 m，拱肋為鋼箱結構，橋面采用鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板的組合結構。大橋范圍內采用有砟軌道結構，橋梁兩側分別設置兩組鋼軌溫度調節器，距離梁縫分別為82，57 m。在軌道精調及聯調聯試期間，線路高程變化較為頻繁，存在三角坑、短波高低、長波高低、垂向加速度、脫軌系數、平穩性等指標超標現象。采用電子水準儀對軌面相對高程進行觀測，發現最大高程差位于橋梁跨中，最大高差達到了17 mm(圖5)。由于CPⅢ網設置在橋面上，隨橋面同步變化，難以利用精測網得到軌道病害的準確數據。

圖5 日溫度差引起的晝夜高程差變化曲線

2)軌道調整及養護措施

對橋梁和軌道結構建立模型進行了仿真計算，結果表明結構本身符合規范要求。據此提出了軌道調整和養護方面的應對措施。

軌道調整方面。軌道調整以相對測量為主、絕對測量為輔、滿足平順性指標為原則。根據橋梁溫度變形計算結果，給出中幅溫度下軌道高程為基準高程，按照單位溫度(1℃)變化的軌面高程變化量推算出精調作業溫度時的軌面高程從而進行控制。每次軌道測量前，根據橋梁兩側穩定的CPⅢ點對橋上CPⅢ網進行復測并更新，然后(第2 d)根據更新的CPⅢ網成果，在相同的氣象條件下(溫度、濕度)采用軌檢小車進行軌道測量、調整。測量作業時間段一般選在溫度變化范圍不大的夜間。

軌道維護方面。對鋼軌位移和鋼軌溫度調節器進行觀測，發現鋼軌爬行量超出限值，推測鎖定軌溫超標或者伸縮調節器軌道狀態出現異常，對此，及時對無縫線路進行了應力放散。位移觀測樁宜與健康檢測樁合設或設在拱肋固定的位置，在溫度交替變化季節應加強觀測。當鋼軌平順性等指標出現超出扣件調整量的情況時，可分季節分別確定中幅溫度并擬合軌面豎曲線進行軌道調整，必要時分季節調整運行速度。

5 線側施工及施工質量引起的線路變形分析

5.1 線側施工

線側施工引起的線路沉降和變形問題十分普遍。一般線路地質條件較差，多為厚層軟土并且地下水位較高。引起路基變形的情況主要有:①線側施工增加了地基荷載，如幫填路基、線側一定范圍內堆垃圾等，容易對線路地基產生擠壓導致其產生橫向或者豎向變形。②線側開挖基坑抽排地下水引起線路沉降或變形。另外在實際工程建設中還發生過在橋墩一側進行旋噴注漿施工導致橋墩偏移的情況。

一般采取措施為:①設計階段對線側施工可能遇到的情況進行仿真檢算，預測地基沉降量及其對線路運營安全的影響;②采取有效的設計措施。在既有路基受影響范圍內采取隔離防護加固措施，一般采用1 ～3排雙向水泥攪拌樁。其目的是保護路基基礎內的水量，避免流失，抵抗線側開挖或加載產生的土壓力。線側地基處理以少擾動為原則，一般采用水泥攪拌樁或靜壓管樁。盡量減少地面上的荷載，如采取輕質填料，或者采用混凝土結構代替路基。如某一運營站對側計劃修建一新站房，需要填筑5～6 m高的地基，為此，進行了落地站和高架站不同結構方案的比較分析。③施工階段要制訂周密的沉降觀測計劃，對既有路基工程進行沉降及水平變形監測，出現異常時應立即停工分析原因;嚴格控制施工質量，特別是隔離防護加固樁的質量，樁徑、咬合搭接寬度、樁間距、齡期強度須符合設計要求;控制填土速率。

5.2 施工質量問題

各種施工質量問題最終都反映在軌道結構變形或者軌道幾何尺寸超標。比較典型的情況主要有:①地基處理不符合要求。包括:軟土路基樁長或者數量不足引起路基沉降;膨脹性巖土地基處理措施不到位，遇水后膨脹使路基上拱。②路基填料控制不嚴。摻加膨脹性巖石填料，遇水后膨脹使路基上拱;摻加石灰改良土填筑的路基，生石灰消解不徹底或者填料攪拌不均勻，會引起路基上拱變形。③無砟軌道施工質量控制不嚴。如板式無砟軌道充填層質量差引起軌道板離縫變形;CRTSⅡ型板式無砟軌道鎖定溫度控制不嚴或者張拉鎖件失效引起軌道拱起;連續無砟軌道結構出現裂紋，低溫封堵可能引起軌道結構漲拱。④測量出現偏差。測量周期過長、控制網基準點坐標或高程出現變化沒有及時調整，引起軌道幾何尺寸施工錯誤;不同施工標段之間測量搭接出現偏差，也導致一定搭接范圍內軌道幾何尺寸超標。

6 對策與建議

1)加強地質勘察

地質勘察對項目運營期使用安全以及養護維修成本起到關鍵作用。目前鐵路建設中實行地質勘察監理和項目管理制。勘察的深度、精細化管理水平和監理的作用發揮得還不夠。在高速鐵路后期運營階段出現較大的沉降變形問題多數與地質因素有關系，因此，有效控制高速鐵路沉降變形問題，首先要解決勘察質量管理和勘察技術問題，強化監理作用，切實避免出現勘察深度不夠、質量粗劣的情況。對于區域沉降、凍脹、膨脹巖土等地段，應細化地質勘察的內容、技術手段，增加勘察的廣度和深度，特別是要加強室內試驗分析，為設計方案提供詳細的地質資料。

2)提高設計的系統性

施工圖設計中存在專業條塊分割、缺乏系統性的問題。高速鐵路車輛系統對軌道平順性的要求高，進而引起不同軌道結構對選線、基礎工程沉降變形等提出更高的要求，因此在設計中應突出不同專業系統設計的原則。根據線路經過的特殊地質條件，仔細分析不同線路走向與軌道結構選型的關系。對設計中不可避免出現的特殊結構橋梁、特殊地基處理等，應進行線(橋)—軌—車的耦合計算分析，統一計算的邊界條件，分析可能發生的實際工況下運營速度和安全值的對應關系，確定軌道適中的平順曲線，用于指導軌道調整和線路維護。

3)施工質量控制

如前文所述，高速鐵路建設中因施工質量引起沉降與變形問題造成工程補救、拆除重做等，既延誤工期，也會造成較大的經濟損失。施工中，應強化施工工藝流程的控制，以過程控制保證質量;加強有技術管理經驗的工程師隊伍的建設，能夠預判可能出現的技術質量問題，從而采取措施予以避免;加強監理工程師的監督作用，對關鍵工序、關鍵部位進行全過程旁站監理。

4)基于建設項目全生命周期的養護措施

突出“客戶需求導向”的建設理念。對特殊不良地質、特殊結構工程等地段，設計階段進行運營安全保障性分析，提出施工(軌道調整)指導意見和特殊的維護措施;使用階段制定精細化的維護細則，保證軌道結構的平順性，必要時適當調整運輸組織;測量觀測對制定合理的維護措施十分關鍵，對大跨度橋梁結構、凍脹區段以及區域沉降地段，采取自動化監測手段，做到實時監測、連續監測。

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Analysis of subsidence and deformation of high speed railway and its countermeasures

WEI Qiang
(Engineering Management Center of China Railway Corporation，Beijing 100038，China)

The factors affecting subsidence in high speed railway include geological conditions，complex bridge structure，adjacentconstructionorloading，andconstructionquality.Subsidenceobservationduringrailway construction and operation is very important.The edge of subsidence funnels and the uneven settlement shall be paid more attention to.The heaving－time curves show that there are two unstable stages.One is the fast development of frost heaving，and the other is the fluctuation change of thawing subsidence.Observation and further investigation of frost heaving during these two stages are required.T wo structural deformation in bridge are significant:One is related to the height difference between adjacent piers，and the other is the deformation in large span steel bridge. Such deformation is inevitable due to topographical limit.T hus，it is necessary to take special measures of track adjustment and maintenance.In addition，in order to control the deformations caused by adjacent construction and the unfavorable construction quality，quality control measures shall be taken in design and construction from four aspects:geological survey，systematic design，construction quality control and maintenance.

Subsidence and deformation;Regional land subsidence;Frost heaving;Bridge structural deformation; Adjacent construction

U238;U213.1;U441+.7

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.03

(責任審編 李付軍)

1003－1995(2015)10－0013－06

2015－07－20;

2015－07－30

魏強(1973—)，男，高級工程師，博士。