高速鐵路沉降與變形分析及對策

邢玉科

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100142）

1 工程概況

某工程是已投入運營的一條設計時速350 km的客運專線，其全長116.55 km，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構，且具有穩定性好、剛度大、變形小的特點，全線共6段路基，累計長16.25 km，占線路長的14.0%，路基表面主要為素土、雜填土，以下為淤泥質黏土等軟土，為確定無砟軌道鋪設條件、為今后運營維修提供依據，需對路基工程沉降變形進行分析。

2 高速鐵路沉降與變形產生的原因

（1） 地質構造或者自然環境較為復雜。鐵路區域地面產生沉降，或者位于巖溶性地基上面等，都會導致高鐵線路產生沉降，地裂縫會讓高鐵線路產生變形，位于嚴寒地帶的高鐵路基由于凍脹會使鐵路產生向上拱起的問題。

（2） 軟弱地基。地下水較為充足區域的隧道基底的巖石層產生破碎、深厚軟土地面、膨脹性巖土性質的鐵路地基等會使鐵路線路產生沉降、向上拱起或者發生變形。

（3） 復雜橋梁結構。高鐵設計施工能力不斷增強，設計施工了一些跨越寬度較大的江河、峽谷的新型式的橋梁。設計的參數必須和軌道結構實現精準的耦合計算，才能達到平順性以及動態指標的要求。

（4） 外部的因素。鐵路沿線大量傾倒垃圾、施工廢棄樁基礎、對路基進行填筑、對涵洞和橋梁進行施工作業等都會引起鐵路產生變形和沉降。

（5） 施工質量達不到要求。隧道仰拱底部位置的虛砟沒有進行徹底清除，會引起混凝土和基巖接觸面缺乏有效的結合，路基過渡部分施工所需的填料質量達不到要求，或者死角區域的壓實程度不夠都會導致線路產生沉降。施工作業過程中，如果路基利用具有膨脹性碎石的填充料，以及添加了沒有實現完全消解的生石灰材料，在與水分進行接觸后會形成膨脹導致路基向上拱起，引起無砟軌道結構產生一定變形。

引起高鐵線路產生沉降和變形的原因有多種因素，不能單獨地判定是由單一因素引起的，應該從地質構造、施工設計、地理環境等多個角度進行分析，確定出原因之后方可以制定出科學合理的解決辦法。

3 高速鐵路沉降變形分析

3.1 區域地面沉降分析

區域地面沉降在世界范圍內都是難于處理的問題，形成的原因較為繁雜，整治難度比較高。世界上的很多國家，比如美國、日本等都存在著區域性的地面沉降。我國產生地面沉降的主要區域為長三角地區、河北平原、環渤海地區、東南沿海一帶的平原地區和山區盆地等。從中可以得知，產生地面沉降的地區多分布在地質較為深厚的平原地帶，地面沉降的成因有地質方面的原因，比如，地層板塊活動、軟弱土層產生固結沉降、地震等。也有人為方面的原因，比如，對地下水進行大量的開采應用，對油氣、煤礦和地熱資源進行開發等。普遍認為，地下水資源的過度開采是導致地面沉降的主要原因，應該制定出相應的管理措施來治理地面沉降，通過利用對地下水的限量開采，很多區域地面沉降有著減緩的趨勢。

3.2 路基凍脹分析

當前，世界上對于路基凍脹的形成機理、凍土的性質和變化規律研究的較為深入，凍害對于工程產生的影響和采取的防止措施都掌握的比較清楚，國內對于東北、西北嚴寒區域鐵路凍脹進行了分析，并制定了相應策略來處理凍害。在對青藏鐵路進行施工過程中，專門對凍害防治問題進行了專項論證，并在應用中取得了良好的效果。高速鐵路的高速性、平順性對路基產生的沉降和變形提出了十分嚴格的要求，凍脹問題對于高鐵，尤其是對無砟軌道產生影響會隨著高寒地區鐵路的施工和運行不斷顯現出來。

依據對東北區域內的高鐵客專施工建設和冬季運行期間凍脹對路基的影響數據進行分析，鐵路產生的凍脹變形會根據時間的不同分為凍脹初始波動階段、凍脹快速形成階段、低速穩定保持階段、波動融沉階段和充數形穩定階段，凍脹和時間的關系曲線的特點主要有：（1）凍脹上揚時期中，凍脹量會快速的提升，達到最高值所需要的時間為10 d左右。凍脹融化期持續時間會達到25 d左右，所需的時間并不是很長。（2）凍脹穩定時期內，凍脹量處于穩定狀況。（3）凍脹變形分為上漲和回落兩個時期，與溫度產生的變化情況進行比較來看，存在著時間滯后現象。（4）經過一次凍融循環周期以后，回落的幅度和凍脹高度都形成了不同程度的凍膜殘余變形，其變形的數值并不大。所以，高速鐵路在施工建設時期，路基的施工應該結合所在區域的氣候條件，應該盡可能提前進行施工、合理縮短施工單元區段、在一年時間內完成主體施工以及附屬設施，按著上述原則進行施工組織設計，科學合理安排施工。

3.3 橋梁結構變形分析

隨著對山區鐵速高路的施工建設，橋梁結構產生變形問題較為突出，直接影響著軌道的平順性，產生該問題的主要原因有：

（1） 相鄰兩座橋墩高度差較大，會使軌道引起高低不平順現象。

（2） 跨度較大的新型式鋼結構或者鋼混結構橋梁產生的變形，會導致鐵路軌道形成水平或者高低方位的不平順。這兩種軌道變形都是由于溫度產生變化而引發的。

3.4 線側施工及施工質量引起的線路變形分析

3.4.1 線側施工

線側施工導致的鐵路沉降以及變形現象十分常見，很多鐵路線路的地質情況都不理想，大多都為厚層軟土，且地下水位高度較大，使路基產生變形的狀況有：

（1） 線側施工建設提高了地基荷載，比如，幫填路基、在線側區域內堆存垃圾等，會使地基形成擠壓，引起軌道形成橫向或者豎向的變形。

（2） 線側開挖施工基坑進行抽排地下水，會使高鐵線路產生沉降或者變形。除此之外，在施工建設過程中，對橋墩部位進行旋噴注漿會引起橋墩產生偏移。

3.4.2 施工質量問題

施工建設過程中產生各種質量問題，都會對軌道結構產生變形，或者使軌道的幾何尺寸超出設計標準。常見的問題主要有：

（1） 對地基處理達不到施工要求。主要有：軟土路基樁數量不夠或者較長，會導致路基產生沉降。膨脹性巖土地基處理達不到要求，當水分進入會導致路基向上拱起。

（2） 路基填料質量管控不嚴。加入膨脹性巖石材料之后，當水分進入之后會產生膨脹引起路基向上拱起。通過添加石灰材料改良之后的土質進行路基填筑，生石灰如果沒有完全消解或者沒有對其進行充分的攪拌，會使路基產生向上拱起的問題。

（3） 無砟軌道施工質量沒有進行有效的控制。

4 對策與建議

4.1 加強地質情況的勘探調查

進行詳細的地質勘探調查對于保證高鐵線路的安全應用起到了非常關鍵的作用。當前，高鐵線路進行施工建設時，推行的是地質勘察監理以及項目管理制度。勘探調查的深度、管理水平和監理的力度都沒有發揮出應用的作用。所以，應該保證好勘探調查質量，提高監督管理力度，防止勘探調查達不到要求。對于特別容易產生沉降、凍脹的地區，應該應用先進的勘察手段，細化勘探的內容，加強室內的試驗分析，為設計單位提供詳盡可靠的地質數據。

4.2 加強對路基填筑質量的控制

（1） 填筑工藝性試驗。針對不同地區的填料，需要分別開展壓實工藝試驗，以取得更好的壓實效果，比如某車站路基本體和填土厚度為36 cm，松鋪系數為1.22，含水量為4.0%～5.7%；采用20 t的壓路機破壓，先按1遍靜壓、1遍弱振、2遍強振進行控制，當檢測不達標時再增加碾壓遍數。狀壁及墻背1 m內用沖擊夯夯實6～7遍，然后再用小型壓路機碾壓2遍。

（2） 路基檢測。需要對路基的剛度和相應的彈性變形進行控制。要嚴格按照相關工程質量標準實施，如表1所示。

表1 路基基床及基床以下部分壓實標準表

4.3 提高設計的系統性

在進行高鐵線路設計時，應該結合所經區域的地質狀況，深入研究分析線路的走向和軌道結構的關系，確定出運營速度和安全值之間的相互關系，設計出符合實際應用要求的平順曲線，便于對軌道進行后期的調節和維修保養。

4.4 施工質量控制

在進行施工建設時，應該控制好施工工藝流程，組建高水平的技術團隊，加強監督管理力度，對于關鍵的工序和部位進行現場監督。比如，在路堤高度大于5.0 m地段兩側，均設置扶壁式擋土墻和加強路基側向約束，增加路基剛度減少了路堤荷載，從而有效提高沉降控制效果。