滬杭高鐵運營期橋梁地基處理效果評價

雷文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

滬杭高鐵運營期橋梁地基處理效果評價

雷文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

滬杭高鐵跨越濱海平原、湖沼平原和杭嘉湖平原，各地貌單元內(nèi)均衡分布特大橋8座。為探討滬杭高鐵運營以來上部結(jié)構(gòu)的沉降變化規(guī)律，評價各特大橋地基的處理效果，評判各地貌單元地基土的壓縮特性，按照現(xiàn)行規(guī)范技術要求，建立了全線線下沉降監(jiān)測基準網(wǎng)。本文對各特大橋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明，滬杭高鐵運營期間大部分橋梁沉降已趨于穩(wěn)定，且沉降量遠小于規(guī)范限值。

滬杭高鐵 地貌單元 地基 壓縮特性 處理效果 沉降規(guī)律

高速鐵路設計過程中，為了保證軌道面的技術指標及使用要求。針對鐵路沿線不同地質(zhì)條件，分別采用多種地基處理方式。而不同地基處理方式對高鐵上部結(jié)構(gòu)的沉降控制效果尚沒有一個綜合性的比較。

柳墩利［1］基于非飽和土理論，研究了鄭西高鐵在濕陷性黃土區(qū)域的地基處理方式。張茵濤等［2］采用物理模型方法，研究了地裂縫不同活動量對橋墩樁端應力、橋上軌道變形、穩(wěn)定性等的影響。楊嘯等［3］研究了紅黏土地基的沉降特性，通過對比分析得到較為實用的紅黏土地基沉降計算方法及其沉降修正系數(shù)。肖漢等［4］指出兩種樁基沉降計算方法并不適用于樁板結(jié)構(gòu)的沉降計算。陳麟［5］基于哈大客運專線軟土分布較為廣泛的特點，討論了軟土流變、復合地基變形、荷載特性以及加固效果。徐林榮等［6］探討了復合樁基在路基荷載下的承載機制和變形特性。劉志明［7］指出客運專線的沉降變形主要由地基沉降確定，建議采用室內(nèi)固結(jié)試驗擬合結(jié)果進行沉降計算。李詩明［8］通過對滬杭高速鐵路金山北站過渡段施工方法和測量數(shù)據(jù)的研究，指出過渡段地基處理方式。杜立群［9］指出高速鐵路復合地基的工后沉降主要由下臥層引起。張建文等［10］指出非飽和土地基的瞬時沉降主要取決于地基土的飽和度，最終沉降基本相同。金海元等［11］通過對京滬高鐵沉降變形觀測的分析，指出水泥砂漿樁可以在較短時間內(nèi)滿足工后沉降要求。

既有研究從特定土體力學特性入手，評價相應土體的地基處理方式，很好地保證了工程質(zhì)量，卻無法從宏觀角度控制各種地基處理方式的經(jīng)濟性。

本文以滬杭高鐵為例，針對鐵路沿線典型地貌單元，分析評判各相應地基處理方式的工作原理及作用效果，結(jié)合現(xiàn)行技術規(guī)范，提出針對不同地貌單元最經(jīng)濟合理的地基處理方式，對設計人員進行同類型高鐵線路的基礎形式選擇、基礎參數(shù)確定、地基處理方式提供參考。

1 沿線地質(zhì)概況

滬杭高鐵由上海虹橋站出發(fā)，經(jīng)松江南、金山北進入浙江境內(nèi)，過嘉善南、嘉興南、桐鄉(xiāng)、海寧西等站，由余杭引入杭州東站。沿線主要經(jīng)過上海市與浙江省兩大區(qū)域。

1.1 上海段地質(zhì)情況

滬杭高鐵在上海區(qū)域內(nèi)依次經(jīng)過濱海平原、湖沼平原I2區(qū)、最后由湖沼平原I1區(qū)進入浙江境內(nèi)。

濱海平原由長江挾帶入海的泥砂經(jīng)波、潮、徑流作用沉積而成，沉積物主要由粉砂、粉砂質(zhì)黏土組成。湖沼平原屬太湖碟形洼地的東延部分。沉積物主要由黃褐色、灰色、灰黑色粉砂質(zhì)黏土組成。表層沉積物中富含陸相介形蟲、有殼變形蟲、輪藻、淡水軟體動物和植物碎屑等，表層土體有機質(zhì)含量高，土質(zhì)疏松，承載能力較差。

1.2 浙江段地質(zhì)情況

滬杭高鐵浙江段主要位于杭嘉湖平原內(nèi)。

杭嘉湖平原是浙江最大的堆積平原，表層沉積物以細顆粒泥砂(細粉砂、黏土)為主，屬河流湖泊堆積物，其南緣屬潮灘相沉積物，土質(zhì)粗而疏松，水系變稀，地形相對較高。地面形成東南高西北低，以太湖為中心的淺碟形洼地。根據(jù)浙江省地質(zhì)環(huán)境公報，截至2012年，杭嘉湖平原地面累計沉降量＞50 mm的沉降面積約4 200 km2，2012年沉降呈減緩趨勢，局部區(qū)域出現(xiàn)地面回升，年沉降＞10 mm的面積約15 km2，比2011年減少88% 。

1.3 沿線地貌單元

滬杭高鐵沿線各特大橋所屬的地貌單元見表1。各橋均采用鉆孔灌注樁進行地基處理。

表1 滬杭高鐵沿線各特大橋工程地質(zhì)概況

2 各特大橋沉降監(jiān)測

為評價滬杭高鐵運營期橋梁地基的處理效果，于2011年4月—2011年7月完成了全線的線下沉降監(jiān)測基準網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)的建立，按照規(guī)范要求首期監(jiān)測網(wǎng)連續(xù)進行2次觀測，并以平均值作為首期觀測值;測量系統(tǒng)采用1985國家高程基準，國家點信息采用2001年國家測繪局復測成果。沉降監(jiān)測時間見表2。

表2 沉降監(jiān)測時間

8期監(jiān)測中，共完成6 891個監(jiān)測點位的測量工作，測量采用的精度等級、方法、路線全部一致。全線監(jiān)測成果按照橋梁劃分區(qū)段，共分為松江特大橋、洞涇港橋、橫潦徑特大橋、跨滬杭高速特大橋、步云特大橋、嘉桐特大橋、桐海特大橋、海杭特大橋8個橋段。

3 沉降結(jié)果與分析

3.1 各大橋沉降監(jiān)測結(jié)果分析

由于線路左、右側(cè)橋墩的監(jiān)測成果是分開處理的，為了綜合評判各地貌單元的沉降特性，下表中各項參數(shù)中沉降量、累積沉積量和沉積速率取左、右側(cè)橋墩相應參數(shù)的最大值，平均沉降量和平均沉降速率取絕對值的最大值。

1)松江特大橋

表3 松江特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表3可以看出:第7期監(jiān)測點沉降量最大值為2.7 mm，累積沉降量最大值為6.4 mm，平均沉降量0.1 mm，沉降速率最大值為0.37 mm/月，平均沉降速率0.01 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。

2)洞涇港橋

表4 洞涇港橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表4可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.4 mm，累積沉降量最大值為3.8 mm，平均沉降量0.1 mm，沉降速率最大值為0.16 mm/月，平均沉降速率0.01 mm/月。較第6期監(jiān)測點無明顯變化，橋墩沉降量、沉降速率已趨于穩(wěn)定，建議洞涇港橋線下按照原周期監(jiān)測即可。

3)橫潦徑特大橋

由表5可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.3 mm，累積沉降量的最大值為6.1 mm，平均沉降量為0，沉降速率最大值為0.37 mm/月，平均沉降速率為0.01 mm/月。較第6期監(jiān)測點無明顯變化，橋墩沉降量、沉降速率已趨于穩(wěn)定，建議橫潦徑特大橋線下按照原周期監(jiān)測即可。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應當加強關注。

4)跨滬杭高速特大橋

表5 橫潦徑特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

表6 跨滬杭高速特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表6可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.3 mm，累積沉降量最大值為7.6 mm，平均沉降量－0.1 mm，沉降速率最大值為0.23 mm/月，平均沉降速率－0.01 mm/月。與第6期監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，沉降有收斂跡象，按照原周期監(jiān)測即可。

5)步云特大橋

表7 步云特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表7可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.5 mm，累積沉降量最大值為5.8 mm，平均沉降量－0.2 mm，沉降速率最大值為0.15 mm/月，平均沉降速率－0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應當加強關注。

6)嘉桐特大橋

由表8可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.6 mm，累積沉降量的最大值為7.7 mm，平均沉降量為0，沉降速率最大值為0.21 mm/月，平均沉降速率為0，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。對于累積沉降量超過5.0 mm的地段，在后續(xù)測量中應當加強關注。

7)桐海特大橋

表8 嘉桐特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

表9 桐海特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表9可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為2.8 mm，累積沉降量最大值為6.4 mm，平均沉降量0.2 mm，沉降速率最大值為0.29 mm/月，平均沉降速率0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。

8)海杭特大橋

表10 海杭特大橋監(jiān)測點第7期沉降情況

由表10可以看出，第7期監(jiān)測點沉降量最大值為1.5 mm，累積沉降量最大值為1.5 mm，平均沉降量－0.2 mm，沉降速率最大值為0.20 mm/月，平均沉降速率－0.02 mm/月，可以判定本區(qū)段橋墩沒有發(fā)生明顯沉降。建議暫不調(diào)整觀測頻次，正常監(jiān)測即可，如遇環(huán)境條件發(fā)生變化或數(shù)據(jù)異常時增加觀測頻次。

3.2 監(jiān)測成果對比分析

1)各特大橋平均沉降速率對比

由圖1可以看出:

圖1 各特大橋平均沉降速率對比曲線

①沉降監(jiān)測初期，由于地基土孔隙比較大，孔隙水連通性較好，因此各特大橋的主固結(jié)沉降均在此階段完成，隨著時間的增加，平均沉降速率也達到最大值，之后隨著時間的增長，沉降速率越來越小直至達到最低值，此階段地基土主要發(fā)生彈性變形。隨著地基土變形量的繼續(xù)增加，達到了抗壓屈服強度，土體進入塑性變形階段，由于土體所受應力狀態(tài)發(fā)生改變，導致沉降速率有輕微的增長，隨即短期內(nèi)繼續(xù)降低，直至沉降穩(wěn)定。

②濱海平原松江特大橋，湖沼平原區(qū)I2區(qū)、I1區(qū)的洞涇港橋、橫潦徑特大橋、跨滬杭高速特大橋以及杭嘉湖平原的步云特大橋，均是在第5期即監(jiān)測基準網(wǎng)建立后16個月時平均沉降速率有所回升，20個月時開始下降。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋，亦是在第5期開始回升、在第6期達到最大值后開始下降。杭嘉湖平原的桐海特大橋、海杭特大橋則是在第6期開始回升，第7期亦有增大趨勢。可以此作為沿線沉降分區(qū)的初步劃分依據(jù)。

③濱海平原松江特大橋、湖沼平原I2區(qū)、I1區(qū)的洞涇港橋和橫潦徑特大橋沉降速率曲線的變化趨勢相近，在沉降監(jiān)測網(wǎng)建立后2個月左右，沉降速率均達到最大值，分別為0.006，0.003和0.005 mm/d。湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速特大橋和杭嘉湖平原的步云特大橋，是在7個月左右達到平均沉降速率的最大值，分別為0.008，0.002 mm/d。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋、海杭特大橋，同樣在7個月左右達到平均沉降速率的最大值，分別為0.006 mm/d和0.003 mm/d。同一地貌單元內(nèi)的桐海特大橋，在10個月左右達到平均沉降速率的最大值0.004 mm/d。

2)全線平均沉降速率變化

滬杭高鐵沿線不同地貌單元沉積土層多為黏性土、粉土和砂類土，雖然土層沉積類型及沉積順序有差異，但各特大橋均采用鉆孔灌注樁進行地基處理，選用承載力較好的砂類土作為樁基持力層。由于地基處理方式相同，不同地貌單元內(nèi)各特大橋基礎結(jié)構(gòu)受力原理在差異中存在共性。故各特大橋平均沉降速率的平均值變化曲線，對于宏觀評價鉆孔灌注樁地基處理效果十分必要。

圖2為各觀測時期內(nèi)，沿線各特大橋平均沉降速率的平均值，通過Matlab數(shù)據(jù)處理軟件擬合，得出擬合曲線，各地貌單元內(nèi)地基土的沉降變化數(shù)據(jù)符合指數(shù)函數(shù)組合多項式分布。

圖2 全線各特大橋平均沉降速率的平均值變化曲線

假設以基準網(wǎng)建立之日為時間原點，后期監(jiān)測月數(shù)為x，相應監(jiān)測期各特大橋平均沉降速率的平均值為y，則x，y相互關系為

對式(1)求極限得

可見，隨著x的增加，y呈收斂狀態(tài)。由圖2可得，隨著時間的增長，在基準監(jiān)測網(wǎng)建立起5個月后，沿線橋梁沉降速率最大，10個月后逐漸降低，15個月后，沉降速率趨于0。由公式(2)可得，隨著時間的增加，沿線橋梁沉降量最終將達到穩(wěn)定。

3)各特大橋最大累積沉降量對比

通過對各特大橋平均沉降速率及平均沉降速率平均值的分析，了解了橋梁地基土的宏觀沉降變化趨勢。為了統(tǒng)籌分析各地貌單元內(nèi)不同橋梁的沉降特性，繪制了各特大橋最大累積沉降量對比圖(圖3)。

圖3 各特大橋最大累積沉降量對比

由圖3可以看出:湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋初期沉降完成最快，至第7期(觀測29個月后)最大累積沉降量最小，為3.8 mm。可見湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋的地基處理效果最佳。嘉桐特大橋和跨滬杭高速鐵路特大橋的最大累積沉降量相當，分別為7.7 mm 和7.6 mm。結(jié)合圖1可得，雖然二者最大累積沉降量數(shù)值相當，但與嘉桐特大橋相比，跨滬杭高速特大橋的最大平均沉降速率呈現(xiàn)前期略高、后期略低的分布規(guī)律，二者最終于29個月后趨于相等。可見湖沼平原I1區(qū)與杭嘉湖平原的土體力學特性相似，土體孔隙比和含水率等級相當。然二地區(qū)土體固結(jié)系數(shù)差異較大，湖沼平原I1區(qū)土體排水條件較好，沉降速率較快，所以在觀測前期同一時刻的固結(jié)度大于杭嘉湖平原區(qū)土體，即前者的固結(jié)系數(shù)較大，后者的固結(jié)系數(shù)較小。

步云特大橋、嘉桐特大橋、桐海特大橋和海杭特大橋均位于杭嘉湖平原區(qū)。因土體沉降量由土體壓縮性、孔隙比、含水率等指標確定。故由圖3可得:步云特大橋、桐海特大橋、海杭特大橋所在區(qū)域地基土固結(jié)系數(shù)相當，均小于嘉桐特大橋，且觀測期最大累積沉降量亦小于嘉桐特大橋，可見嘉桐特大橋區(qū)域地基土的壓縮性較強，孔隙比較大、含水率較高。

濱海平原的松江特大橋，最大累積沉降量大于湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋，小于湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速特大橋，可見濱海平原的地基土壓縮特性優(yōu)于湖沼平原I1區(qū)，劣于湖沼平原I2區(qū)。而由于橫潦徑特大橋同時位于湖沼平原I1區(qū)、湖沼平原I2區(qū)兩地貌單元內(nèi)，因此其地基土壓縮特性位于洞涇港橋和跨滬杭高速特大橋之間。從圖3可以看出，松江特大橋與橫潦徑特大橋的地基土壓縮特性相當，然由于前者的平均沉降速率較大，故濱海平原區(qū)的地基土固結(jié)系數(shù)大于湖沼平原I1區(qū)和I2區(qū)。

4 結(jié)語

1)湖沼平原I2區(qū)的洞涇港橋地基土壓縮特性最好。其次為杭嘉湖平原的步云特大橋、桐海特大橋和海杭特大橋地基土。杭嘉湖平原的嘉桐特大橋地基土壓縮特性劣于湖沼平原I1區(qū)的跨滬杭高速鐵路特大橋地基土。濱海平原地基土的沉降特性優(yōu)于湖沼平原I1區(qū)，劣于湖沼平原I2區(qū)地基土。

2)滬杭高鐵各特大橋地基處理效果良好，地基土沉降趨于穩(wěn)定，最大累積沉降量均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3)文中所用沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)僅限于建立沉降監(jiān)測網(wǎng)3年以內(nèi)，隨著監(jiān)測周期的增加，需對各變化曲線的收斂特性做進一步研究。

4)杭嘉湖平原內(nèi)存在三個沉降分區(qū)，各分區(qū)內(nèi)分別有步云特大橋、嘉桐特大橋和桐海特大橋，需做進一步研究。

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(責任審編 葛全紅)

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《鐵道建筑》編輯部

TU472

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.19

1003－1995(2015)10－0090－05

2015－01－21;

2015－08－28

中鐵上海設計院集團有限公司科研項目(集14－20)

雷文(1988—)，男，助理工程師，碩士。