高速鐵路沉降預測方法分析研究

趙 萌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

?

高速鐵路沉降預測方法分析研究

趙 萌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

以某客運專線沉降評估為背景，選取較有代表性的監測斷面，研究和對比各沉降預測分析方法的適用性。可以看出，雙曲線法更適合于沉降前期與后期速率相差不大的實例；指數曲線法在一次性加載完成且沉降明顯的情況下表現優越；Asaoka法適用于預測小波動的沉降曲線；三點法在沉降處于基本收斂的情況可靠性較高。各個沉降預測方法各有其優缺點，在不同的案例中計算結果各有差異，實際工作中應充分考慮地質條件、設計理念等，結合各種預測方法對比分析，以保證客運專線運營的平順性。

沉降觀測 預測方法 沉降評估 雙曲線法 指數曲線法 三點法

在高速鐵路無砟軌道鋪設條件評估中，沉降預測方法一般有三大類：第一類是根據現有規范推薦或分層總和法計算最終沉降，并通過計算固結度預測沉降，確定其發展規律，這是理論公式的方法。第二類也是基于固結理論，使用不同的本構模型，通過有限差分和有限元邊界元法計算沉降，確定其發展規律，此為數值計算方法。第三類是觀測數據回歸分析方法，該方法是基于測量數據，通過回歸分析預測沉降。由于各種各樣的土壤和復雜的工程性質，隨著外部環境的變化，其狀態隨時發生著重大變化，難以準確確定其中許多參數。因此，利用實測沉降數據進行沉降變形預測顯得尤為重要，這類方法主要有遺傳算法、曲線擬合法、神經網絡法、灰色系統法等。對目前使用較為廣泛的雙曲線法、指數曲線法、Asaoka法、三點法等預測方法進行對比分析，研究各沉降預測方法的適用性。

1 沉降預測方法數學模型

1.1 雙曲線法

雙曲線法方程表達式為

(1)

(2)

式中St——時間t時的沉降量；

S0——初始沉降量(t=0)；

S∞——最終沉降量(t=∞)；

a、b——荷載穩定后的實測數據經過回歸求得的系數。

雙曲線法是假定沉降平均速率以雙曲線式減少的經驗推導，要求恒載開始后的沉降實測時間至少6個月以上。

1.2 指數曲線法

指數曲線法方程表達式為

(3)

式中St——時間t時的沉降量；

Sm——最終沉降量；

A、B——荷載穩定后的實測數據經過回歸求得的系數。

指數曲線法和雙曲線法簡單實用，其前提是假定荷載是一次施加或實然施加的。

1.3 Asaoka算法

Asaoka算法方程表達式為

(4)

式中Sj——時間j時的沉降量；

Sj-1——時間j-1時的沉降量；

β0、β1——時間j、j-1時的參數。

Asaoka法由于選取的時間段不同，對應沉降差值不同，計算結果存在差異，因此該方法在沉降波動小的情況較為適用。

1.4 三點法

三點法方程表達式為

(5)

式中 St——時間t時的沉降量；

Sd——瞬時沉降量；

S∞——最終沉降量；

α、β——實測計算值或理論值。

為減少推算誤差提高預測的精度，要求選取三點的時間間隔相等并且盡可能大，一般要求數據觀測時間較長，取最后幾個時間段的平均沉降值作為最終沉降值。

2 路基沉降預測實例分析

2.1 管樁基礎路基

選取某客運專線DK105+840路基沉降板觀測數據實例。本段為松軟土地區，采用管樁加固，路基分層填筑，至2015年10月10日填筑完成；從2015年8月7日開始沉降觀測，至2016年3月6日，共計213天。其沉降板沉降見圖1，采用雙曲線法、指數曲線法、Asaoka法、三點法四種預測方法進行計算，其對比結果見表1。

表1 DK105+840預測沉降結果對比

由圖1及表1可以看出，測量數據波動較大，沉降暫未出現收斂狀態，仍表現為下沉趨勢，且前期與后期沉降速率相差不大，這較為符合雙曲線法的特征。從計算結果來看，雙曲線的各項數據明顯優于其他三種方法，其相關系數、沉降發生量等均滿足規范要求，且預測工后沉降量與實測曲線趨勢相符，結果可靠性較強。

2.2 CFG樁基礎路基

選取某客運專線DK319+825路基沉降監測板觀測數據實例。本段為軟土地基，采用CFG樁加固，路基分層填筑，至2015-10-15填筑完成；從2015年8月10日開始沉降觀測，至2016年2月14日，共計188天。其沉降板沉降見圖2，采用雙曲線法、指數曲線法、Asaoka法、三點法四種預測方法進行計算，其對比結果見表2。

圖2 DK319+825路基沉降板沉降

由圖2及表2可以看出，測量數據波動較小，沉降明顯趨于緩和狀態，前期與后期沉降速率有較大差異。從數據上分析，雙曲線法、Asaoka法均能滿足相關系數、沉降發生量等指標要求，但Asaoka法在對比預測中差值較小，說明通過計算不同時期的沉降量得到的結果相差不大，結果可靠性較高，本例中優先選用Asaoka法。

表2 DK319+825預測沉降結果對比

在路基的沉降預測分析中，由于路基填筑是分階段完成的，前期沉降較大，且隨著分階段的填筑，沉降也隨之變化，這與指數曲線適用于一次性加載完成的理論不符，也與三點法需要基本收斂的沉降趨勢要求有較大出入。從以上路基實例也可以看出，兩種方法得出的結果欠佳，可靠性較差。

3 橋梁沉降預測實例分析

3.1 摩擦樁基礎橋墩

選取某客運專線DK328+229墩身沉降監測點觀測數據。本段為松軟土地基，采用摩擦樁設計，至2014年10月8日架梁完成；從2014年8月17日開始沉降觀測，至2015年9月13日，共計393天。其墩身監測點沉降見圖3，采用雙曲線法、指數曲線法、Asaoka法、三點法四種預測方法進行計算，其對比結果見表3。

圖3 DK328+229墩身監測點沉降

表3 DK328+229預測沉降結果對比

由圖3和表3可以看出，架梁的荷載為一次性完成，摩擦樁實例中可以很好的反應出這一特征：沉降在加載的作用下突然變化，隨后沉降趨于緩和。在本例中指數曲線法顯現出較大的優越性，相關系數遠高于其他三種預測方法；Asaoka法并不適用于此類波動較大的實例，可以看出其計算結果指標較低；雙曲線法、三點法雖然相關系數指標等同樣滿足規范要求，但就可靠性而言，應優先選用指數曲線法。

3.2 嵌巖柱樁基礎橋墩

選取某客運專線DK359+421墩身沉降監測點觀測數據。本段為溶巖地區，采用嵌巖柱樁設計，至2015年6月29日架梁完成；從2015年1月3日開始沉降觀測，至2016年3月13日，共計436天。其墩身監測點沉降見圖4，采用雙曲線法、指數曲線法、

圖4 DK359+421墩身監測點沉降

Asaoka法、三點法四種預測方法進行計算，其對比結果見表4。

表4 DK359+421預測沉降結果對比

由圖4、表4可以看出，嵌巖柱樁設計的墩身基礎，附加荷載時對沉降的影響不明顯，整體表現為收斂狀態，且沉降曲線波動和沉降總量較小。在沉降預測計算中，各種方法計算結果均能滿足規范要求，但經過細致比較，三點法在各項指標中略有優勢。

[1] 鐵建設函[2006]158號客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南[S]

[2] 工管技[2009]77號客運專線鐵路變形觀測評估技術手冊[S]

[3] TB10601—2009高速鐵路工程測量規范[S]

[4] GB50026—2007工程測量規范[S]

[5] 王登浩.武廣鐵路客運專線沉降觀測與預測技術[J].鐵道科學與工程學報，2008，5(3)：60-64

[6] 李明領.客運專線無砟軌道鐵路線下結構沉降變形觀測與評估技術[J].鐵道建筑技術，2009(2)：48-59

[7] 張獻州，等.高速鐵路沉降觀測評估預測系統設計與實現[J].鐵道勘察，2010(5)：1-4

[8] 周興華，管宏業，黃長軍.雙曲線模型在高速鐵路路基沉降預測中的應用研究[J].浙江水利科技，2014，42(4)：73-75

[9] 張欣.沉降預測的方法和適用性研究[J].交通建設與管理月刊，2015(10)：81-84

[10]王星運.鐵路客運專線路基沉降預測方法研究[D].武漢：中國科學院研究生院(武漢巖土力學研究所)，2009

Analysis of Settlement Prediction in High-speed Railway

ZHAO Meng

2016-06-08

趙 萌(1984—)，男，2007年畢業于解放軍信息工程大學測繪工程專業，工程師。

1672-7479(2016)05-0068-03

TU433

A