季節性降雨變化對長三角高速鐵路路基工后沉降影響分析

崔書珍 ，周金國

(1.重慶工程職業技術學院 地質與測繪工程學院，重慶 402260；2.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015)

季節性降雨變化對長三角高速鐵路路基工后沉降影響分析

崔書珍1，周金國2

(1.重慶工程職業技術學院 地質與測繪工程學院，重慶 402260；2.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015)

首先對高速鐵路路基不均勻沉降影響因素進行了列述分析。利用長三角高速鐵路典型路基段沉降監測成果數據及相應監測區域年度降雨時間變化數據，分析了高速鐵路路基不均勻沉降形成與路基含水量及年度降雨量變化之間內在聯系機理。研究表明：年度季節性降雨導致監測區路堤與地基中含水量增加，從而改變了其內部力學特性引起沉降，使高速鐵路監測區路基工后沉降隨年降雨變化呈現季節性特征，該結論為鐵路路基整治等線路維護工作提供了有益的參考。

鐵道工程；高速鐵路；工后沉降；季節性降雨；維護監測

0 引 言

截止2013年，我國高速鐵路運營里程達1.1萬km，居世界首位，大批新的城際鐵路或客運專線也正在施工之中。由此帶來的高速鐵路沉降監測特別是運營期工后維護沉降監測問題已擺在我們面前。2010年，原鐵道部運輸局下發了“關于發布《高速鐵路運營沉降監測管理辦法》的通知”文件，要求對高速鐵路運營期沉降監測進行規范管理，各高速鐵路運營線路維護部門也相繼開展了線下沉降監測和精密網復測等相關工作[1]。

目前，國內很多高速鐵路修建在經濟較發達的華北平原、長三角和珠三角地區。這些地區也是全國區域地面沉降較嚴重地區，地表降水與地下水位變化會對區域內建(構)筑物的沉降產生一定的影響。相關研究表明，鐵路路基不均勻沉降的發生是多種因素綜合作用的結果。其中，內因在于路基本身，外因是車載、地下水及自重作用。鐵路路基中地下水的動態特征及地表降雨對路基不均勻沉降影響很大。路基中地下水主要補給來源有3種類型，即地下水縱向補給、降雨實給和地表水側向補給。其動態變化及潛蝕作用影響到土體中的有效應力分布、土體的結構特征和土體強度，從而導致路基的不均勻沉降[2]。長三角地區是目前中國經濟最發達地區，也是高鐵網最密集地區。地區年度地表降雨呈現季節性特征，其降雨量變化勢必影響區域內運營高鐵路基的工后沉降。以長三角高鐵網運營期典型路基沉降監測為例，通過分析監測區域年度降雨分布與路基工后沉降監測特征，得出了長三角地區高速鐵路路基運營工后沉降，隨年度降雨呈現季節性變化的結論，為鐵路運營維護提供了有益的參考。

1 路基工后沉降限值

高速鐵路路基作為無碴軌道結構的基礎，對沉降變形非常敏感，要求控制在非常小的范圍之內。我國建設的高速鐵路在汲取國外沉降控制經驗的基礎上，圍繞線路運營、結構允許變形，從路基竣工后扣件可調整量、20 m結構長度范圍內的不均勻沉降、路基與橋涵之間錯臺差異沉降，以及軌道結構單元之間形成的折角等多方面對路基變形做出了嚴格規定[3]，見表1。

表1 無碴軌道路基工后沉降控制標準

2 高速鐵路路基工后沉降監測

以長三角高鐵網滬杭客專金山北車站路基段為研究對象，滬杭客專高鐵采用無碴軌道，設計時速350 km/h，橋梁工程占87%，在通過動檢車檢測和CPⅢ復測后確定沉降路段，開展運營期的沉降監測。

利用改進的幾何水準測量斷面監測法，在車站路基段兩端橋梁上選擇了穩定的CPⅢ點作為監測附合線路的起、終基準點。根據路基結構特征，布設了上行CPⅢ點、上行底座板監測點、上行軌道板監測點、上行軌面監測點、下行軌面監測點、下行軌道板監測點、下行底座板監測點和下行CPⅢ點8條縱斷面。金山北車站路基段首期觀測在2011年9月18日，以后每月監測一次，筆者截取了2012年1月—12月第8期—19期共12期觀測進行分析研究，各期監測數據結果精度統計見表2。

表2 各期沉降監測成果精度統計

從表2可以看出，該監測數據可以滿足《高速鐵路工程測量規范》“三等變形測量”技術要求，能夠真實反映出高速鐵路路基沉降情況。圖1展示了該路基段第8～19期下行底座板監測點縱斷面變化態勢。

圖1 路基維護沉降監測縱斷面變化態勢Fig.1 Change trend of longitudinal section of subgrade maintenance settlement

從圖1中可以看出，截止到2012年12月7日，該路基段個別地區累計沉降量已超過21 mm(長路基限值30 mm)，且有持續沉降趨勢，需引起鐵路線路維護部門重視。同時，該段路基不均勻沉降小于20 mm/20 m，線路平順性尚不影響列車正常運營。

3 季節性降雨變化對高速鐵路路基工后沉降影響分析

長三角作為中國第一經濟區，屬于亞熱帶季風氣候，冬季低溫少雨，夏季高溫多雨，且具有特色的梅雨季節。筆者對長三角高鐵網運營期路基工后沉降及鐵路線路路基維護隨著季節性降雨的變化而變化的規律進行了分析。

對第2節中采用的金山北車站路基段沉降監測數據成果進行分析，計算出66個下行底座板監測點2012年度的月沉降速率，并對各監測點的沉降速率分布區間進行統計，統計結果如表3。從表3中可以看出，金山北車站路基段在2012年2—3月和6—7月有兩次較大的沉降變化過程，且在10—11月有回彈變化，其他月份相對穩定或變化較小。

表3 監測點月沉降速率分布區間(金山北)

經查閱上海市氣象局相關氣象信息發現，上海市2012年2月1日—3月8日出現連陰雨低溫天氣，總降雨量(153.1 mm)較常年同期(84.0 mm)異常偏多69.1 mm，位列1951年以來第4多;總雨日為25 d，較常年同期偏多近12 d，位列1951年以來第2多。期間，上海平均氣溫為5.3 ℃，較常年同期偏低1.4 ℃；2012年6月17日，上海進入梅雨季節，7月4日出梅，梅雨期17 d，梅雨量介于78.5～323.2 mm之間，且南北分布嚴重不均，南部金山、奉賢、浦南和浦北都在210 mm以上，北部嘉定、寶山、崇明都不足95 mm。梅雨期結束后，1209號臺風“蘇拉”，1210號臺風“達維”，1211號臺風“海葵”和1215號臺風“布拉萬” 4個臺風都是在8月影響上海，其中臺風“蘇拉”于8月2日開始影響上海，臺風“布拉萬”于8月27日開始影響上海，單月影響上海的臺風數并列歷史(1949年以來)同期第一位。

結合金山北車站路基段沉降速率和其年度氣象信息發現，金山北車站路基段沉降與該地區年度氣象變化相吻合，降雨是影響路基沉降的重要因素：2—3月的連續陰雨低溫和6—7月的梅雨天氣導致了路基段該期間的沉降速率較大變化，隨著9月份臺風多雨天氣的結束，路基段(10—11月)出現了輕微的回彈現象。在距離金山北站36 km外的滬杭客專嘉興南車站路基段，其2012年季節性氣象變化與上海金山地區相類似，其沉降情況也與金山北車站路基段相仿，在冬春交替期間和梅雨季節均出現較大的沉降變化，在雨季結束之后，又出現了輕微回彈。嘉興南車站路基段監測點月沉降速率區間分布見表4。

表4 監測點月沉降速率分布區間(嘉興南)

4 沉降影響因素分析

滬杭客專金山北站路基與時下采用較多的無砟軌道軟土地基處理方案相同，采用樁板(筏)結構，影響樁板結構路基沉降的因素主要有路基所受荷載、樁體模量、樁的長度、路堤土模量與路堤土黏聚力及摩擦角、地基土模量與地基土黏聚力及摩擦角和樁土間摩擦系數[4]。

滬杭客專自2010年10月通車至沉降觀測首期已有1年之久，且其路基工程在設計之初已進行相關巖土實驗，所以其沉降影響在本文中不再討論路基所受荷載、樁體模量、樁的長度因素(當然也不排除路基設計不合理及施工質量問題引起沉降)。相關研究表明：土體含水率增加會引起非飽和壓實土體模量的降低，且在試驗含水率范圍內非飽和壓實土體模量隨含水率呈指數規律變化[5]；壓實土體的黏聚力和摩擦角也可能會隨土體中含水率的增加而降低[6-7]；同時，樁土間摩擦系數在土含水量超過“最優含水量”時，也會隨含水量的增加而減小[8]。根據文獻[4]的結論，路堤與地基土模量、黏聚力、摩擦角及樁土間摩擦系數的降低都會引起樁板結構路基的沉降，而實例中路堤與地基的含水量受季節降雨的影響，由此解釋了金山北站路基沉降現象并隨年降水呈季節性變化特征。除自然降雨引起含水率變化從而導致路基沉降外，其他因素導致的地下水位的變化也可能會引起路基沉降現象。

5 結 語

利用改進的幾何水準沉降監測方法對長三角運營期高速鐵路路基進行沉降維護監測，實例證明該改進的方法完全能夠滿足《高速鐵路工程測量規范》關于路基沉降監測的技術要求。實例分析了長三角典型高速鐵路路基工后沉降年監測成果及對應的年降雨情況，發現監測區高速鐵路路基工后沉降隨年降雨變化呈現季節性特征。季節性降雨導致路堤與地基中含水量增加，從而改變了其內部力學特性引起沉降。該結論為鐵路線路維護提供了有益的參考。針對滬杭客專路基沉降問題，相關鐵路維護部門已通過在路基兩側加打旋噴樁加固路基的方法進行治理，且效果良好，也印證了筆者分析的沉降形成機理因素，相關路基沉降整治成果將在其他文章中進一步闡述。未能從監測區地下水位變化情況分析其對高速鐵路路基工后沉降影響，這也將是高速鐵路路基工后沉降監測又一待研究課題。

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Influence of Seasonal Rainfall Changes on Subgrade Settlement during Operation of High-Speed Railway in the Yangtze River Delta

CUI Shuzhe1, ZHOU Jinguo2

(1. School of Geology and Surveying and Mapping Engineering, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, P.R.China; 2. Chongqing Institute of Surveying and Mapping, NASG, Chongqing 400015, P.R.China)

Firstly, the influence factors of the inhomogeneous subgrade settlement of high-speed railway were listed and analyzed. With the monitoring data of typical subgrade settlement of high-speed railway in the Yangtze River Delta and the time variation data of seasonal rainfall at the correspondingly monitoring region, the internal relation between the inhomogeneous subgrade settlement of high speed railway and the changes of subgrade moisture content and seasonal rainfall was analyzed. The studies show that seasonal rainfall results in the water content increase of embankment and subgrade in monitoring area, which changes the internal mechanical properties and causes the settlement. Therefore, the settlement during operation of high-speed railway subgrade in monitoring area presents seasonal characteristics with the annual rainfall variation. The above conclusion provides a useful reference for railway subgrade treatment and other rail maintenance.

railway engineering; high-speed railway; settlement during operation; seasonal rainfall; maintenance monitoring

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.13

2015-03-03；

2015-09-07

重慶工程職業技術學院科學技術類課題項目(KJC201336)

崔書珍(1979—),女，湖北襄陽人，工程師，主要從事大地測量數據處理與分析方面的研究。E-mail：shuzhen303@163.com。

U213.1；P258

A

1674-0696(2016)03-058-03