地質斷層處高速鐵路橋梁不均勻沉降控制研究

王學剛

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地質斷層處高速鐵路橋梁不均勻沉降控制研究

王學剛

（中鐵十八局集團有限公司勘察設計院，天津 河西 300222）

通過對烏馬河大橋處于地質斷層處的②號墩、③號墩樁基礎進行計算分析，得出該兩橋墩基礎存在沉降差，并提出成橋預壓沉降、選用大調高量支座等控制沉降差的措施，對位于地質性狀突變或地質變化劇烈的地基基礎不均勻沉降控制具有一定參考價值．

高速鐵路；橋梁；地質斷層；沉降；預壓；大調高量支座

高速鐵路具有高舒適性、高密度快速連續運營等特點，對軌道線路平順性具有較高的要求．為有效控制線下工程變形，線路中橋梁占比往往較大．因此橋梁基礎的工后沉降，尤其不均勻沉降直接危害鐵路線路平順性．控制橋梁相鄰基礎的沉降差，已成為高速鐵路橋梁設計的關鍵問題之一．地質斷層是巖層或巖體順破裂面發生明顯位移的構造．破裂面兩側地質性狀常常存在較大差異，有時候甚至存在一側為硬質巖層另一側為軟土的極端情況．由于地層性狀的突變，易引起基礎沉降的較大差異，因此控制斷層處基礎的不均勻沉降是一個控制性設計難點．

1 工程概況

新建太原至焦作鐵路項目(太焦城際鐵路)是國家快速鐵路網的重要組成部分，為新建雙線客運專線，線路北起山西省太原市，向南依次經晉中市、長治市、晉城市3個地級市，穿越太行山后接軌于河南省焦作市鄭焦城際鐵路焦作站，線路全長358.761 km．

白北村烏馬河大橋位于山西省晉中市榆社縣西馬鄉白北村附近，低山丘陵區與沖溝發育，橋址小里程地形切割嚴重，山壁陡峭，基巖出露；橋址大里程地形較平坦，坡地多辟為耕地及林地，植被較發育．該橋為跨越烏馬河及S319省道而設．小里程接榆社隧道，為無砟軌道橋梁，采用支架現澆施工．

根據橋位地質勘察報告，該橋太方臺至②號墩地質為弱風化砂巖，③號墩至焦方臺地質為密實粉砂與粉質黏土互層．②號墩、③號墩分別位于地質斷層兩側，根據橋位地質勘察報告，②號墩、③號墩承臺底以下土層自上而下分布情況分別如表1、表2所示．

表1 2號墩土層分布

表2 3號墩土層分布

2 沉降計算

2.1 沉降計算方法

對于摩擦樁采用分層總和法進行計算[2]：

2.2 ②號墩沉降分析

2.3 ③號墩沉降分析

表3 ③號墩樁底地基土壓縮變形分層計算表

壓縮層厚度確定，由于基礎外力作用于地基，在理論上地基的應力與變形延伸到無限深．但在實際中由于土體不是線彈性體，而是非連續松散體，粘性土粒間還存在著粘結力，實際上在一定深度以下的土層沒有變形．因此，樁基沉降的計算深度不是無限的，而是達到樁端以下某一厚度后終止．常用“應力控制法”或“應變控制法”確定．鐵路規范采用“應變控制法”確定[2]；《樁基規范》采用“應力控制法”，由計算深度處的附加應力為該處自重應力的0.2倍來確定[3]；《上海地基基礎設計規范》采用計算深度處的附加應力為該處自重應力的0.1倍來確定．

由表2可知，采用0.1應力比確定的壓縮層深為群樁樁底平面以下12.7 m，沉降經驗修正系數取s= 0.200[2]，群樁樁底平面以下地基的壓縮變形h=s·∑S=0.200×28.3=5.66(mm)；采用應變控制法，在群樁樁底平面以下25.5 m時=0.613≤0.025∑S=0.956，沉降經驗修正系數取s= 0.200[2]，群樁樁底平面以下地基的壓縮變形h=s·∑S=0.200× 38.2=7.64(mm)．

3 不均勻沉降控制

3.1 工后沉降分析

3.2 不均勻沉降控制措施

3.2.1 成橋預壓

由于沉降在隨著時間的推移不斷發展，理論上講沉降的實測值是得不到的．沉降觀測值僅僅是在某一時刻的沉降發生情況，在時間和空間上是有限的．因此，當沉降發展到一定程度時，利用已發生的沉降就可以預測出總沉降和工后沉降，已發生的沉降時間越長，則預測值越接近實際值，預測總沉降值和工后沉降值越精確．

采用成橋預壓沉降法，即在成橋后加載二期恒載和與活載等同的堆載進行靜載預壓．其優點在于，采用等同活載的堆載預壓可以模擬運營環境使基礎平穩沉降；同時通過預壓可延長沉降觀測期，提高預測總沉降值精度，進而確定工后沉降值．

預壓時間的確定．由于②號墩工后沉降趨于0 mm，③號墩工后沉降須控制在5 mm以下，因此預壓時間在滿足客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件[7]同時，須滿足設計預測的最終沉降量與預測時的沉降觀測值之差不大于5 mm，以確保預測工后沉降差滿足設計要求．

3.2.2 選用大調高量支座

國內外采用的支座調高主要有墊板調高、螺桿調高、楔塊調高和液壓調高等4種技術方案．目前最常用也是最簡便實用的主要是墊板調高和液壓調高方案．

液壓調高是用高壓注射設備向密閉的支座空腔內注入液態彈性材料，使支座上構抬高，類似液壓千斤頂．再利用材料可“液固”轉化原理使支座調高后達到穩定．具有構造簡單、可實現無級持荷調高、施工方便等優點，已成功應用于武廣客運專線、京滬客運專線等高速鐵路．但也存在可調高頻次有限，1個注射孔只能注1次，可調高量有限，一般為0~20 mm等缺點．

墊板調高是在支座頂部或底部加墊鋼板調高方案，構造最簡單，只需增加相應厚度的鋼板即可．且可實現多次調高，廣泛應用于高速鐵路橋梁中．

根據工程特點，存在多次、累計大調高量的可能，選用可調高量為0~60 mm大調高量墊板調高支座，通過調高支座能夠快捷方便的補償基礎超限沉降，為線路的平順多一項措施，為安全運營多一道保障．

4 結語

地質斷層處橋梁樁基不均勻沉降是橋梁設計難點，如果對沉降的構成及工后沉降的確定沒有一個詳細而準確的認識，可能出現設計過于保守而造成工程浪費；也可能采取的工程措施不足給鐵路運營埋下隱患．通過上述斷層處樁基沉降研究，得出以下結論：

(1)樁頂軸向變形主要由樁身材料的彈性壓縮變形、樁側摩擦力傳至樁底平面的彈性壓縮變形以及樁底平面以下地基的壓縮變形3部分組成．但樁側摩擦力傳至樁底平面的彈性壓縮變形很小，可以忽略不計．而樁身材料的彈性壓縮變形占總沉降比重較大，②號墩為75.56%，③號墩47.64%，不可忽略．

(2)采用成橋預壓沉降可以有效減少工后沉降，讓大部分沉降在鋪軌前完成．同時通過預壓可以延長沉降觀測期，可以有效提高預測工后沉降的精度．

(3)選用大調高量墊板調高支座作為的冗余技術儲備措施，可有效降低工后沉降風險，通過運營監測數據，及時通過支座調整到設計高程，補償基礎超限沉降．確保線路的平順和運營安全．

(4)采用成橋預壓和選用大可調高量支座等措施，對于位于地質性狀突變或地質變化劇烈的地基基礎不均勻沉降控制具有很好的參考價值．

[1]鐵道第三勘察設計院. 橋涵地基和基礎[K]. 北京: 中國鐵道出版社, 2002.

[2] TB10002.5-2005, 鐵路橋涵地基核基礎設計規范[S].

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[4]田萬俊, 馬建林. 黏性土地區高速鐵路橋梁樁基礎沉降計算方法研究[J]. 鐵道標準設計, 2013(4): 55-59.

[5]楊奇. 高速鐵路橋梁樁基礎變形性狀實驗與工后沉降研究[D]. 長沙: 中南大學, 2011.

[6]程琴輝. 高速鐵路橋梁長樁基礎樁底壓縮層厚度的研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2011.

[7]鐵建設[2006]158號, 客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南[S].

[8]TB10621-2014, 高速鐵路設計規范[S].

[9]肖漢, 郭永春. 樁板結構下樁基沉降計算方法適用性探討[J]. 鐵道建筑, 2012(1): 96-98.

[10]張茵濤, 張晨, 黃強兵. 地裂縫對高速鐵路橋梁的破壞機理研究[J]. 鐵道建筑, 2014(6): 24-26.

(責任編校：陳健瓊)

Study on Uneven Settlement Control of High - speed Railway Bridge in Geological Fault

WANG Xuegang

（China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd. Survey and Design Institute, Hexi, Tianjin 300222, China）

Based on the calculation and analysis of the No.2 and No.3 Pile Foundation of Pier at the geological fault of the Uma River Bridge, it is concluded that there is a settlement difference between the two piers.The use of bridge preloading settlement, high adjustable support and other measures are proposed to control the settlement difference.The result has a certain reference value for the uneven settlement of the foundation based on the abrupt change of geological traits or the geological changes.

high - speed railway; bridge; geological fault; settlement; preload; high adjustable support

U442.5+9

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0005

1672–7304(2017)04–0022–04

2017-06-10

王學剛(1984-)，男，內蒙古鄂爾多斯人，工程師，主要從事鐵路橋梁設計研究．E-mail: 2830537744@qq.com