蓉2號線有軌電車路基工后沉降變形預測研究

李凱甜，鄧榮貴 ,周其健，2, 張哲寧

(1. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610052； 3. 成都軌道交通集團，四川成都 610036)

現代有軌電車具有噪聲低、環境友好、客運能力大、速度高、靈活舒適[1-2]的特點，能有效緩解城市交通負荷、完善公共交通體系、踐行綠色出行的生態理念。在我國“十二五”規劃綱要中也提到有序推進有軌電車等城市軌道交通網絡建設。

有軌電車路基的穩定性對整個列車安全運行起到至關重要的作用，路基工后沉降分析預測多參照TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》[3]。軌道路基一旦發生沉降，無砟軌道將無法進行起道作業，只能通過調整扣件才能恢復軌道幾何形狀，但是由于扣件調整量有限，只能通過嚴格控制線下工程的沉降量來解決路基沉降的問題。因此，高速鐵路對路基、橋涵、隧道等線下工程工后沉降提出了嚴格要求，一般要求工后沉降不超過15 mm。現代有軌電車路基工后沉降一般采用不應大于50 mm的標準，該標準的確定與路基本體填料的選擇和厚度的確定、路基排水措施的有效性，施工工藝和方法選擇密切相關。該標準的確定與路基本體填料的種類以及厚度、路基排水措施、施工工藝和方法選擇密切相關。

地基工后沉降曲線通常呈“S”形，通過對工后地基沉降量進行預測，能夠有效控制路基的變形，提前采取相應的施工措施或技術措施。目前常用的預測地基沉降的方法有兩類[4-5]，一類是根據土體本構關系采用的數值計算方法，另一類是基于實測曲線的數學方法。對于地基工后沉降預測的數學模型常見的有指數模型、雙曲線模型、Asaoka模型、Usher模型等[6-11]。趙明華等人[10]通過對寧-杭高速軟土地基進行擬合，對比實測值與預測值之間的差異，證明了Usher模型預測得到的沉降后期值與實際測量值精度較高。徐曉宇[12]通過對不同類型的預測曲線進行對比，發現雙曲線模型以及指數曲線模型對6個月左右中期階段預測較精確。秦尚林等人[13]通過對指數曲線進行改進得到了拓展指數曲線模型，并得到了在路基沉降預測中拓展指數模型與實測資料相關系數比較高，預測誤差小的結論；王小剛等人[14]運用拓展雙曲線模型預測鐵路客運專線的路基沉降量，并將其結果與常用的雙曲線法、Asaoka法以及三點發進行比較，結合實際工程說明了拓展雙曲線法對路基沉降的預測結果更準確；劉寒冰等人[15]對MGM(1,n)模型進行優化克服了眾多預測模型分析中由于單點局部分析不足導致的預測精度低的缺點，建立的優化模型能夠實現整體預測多個監測點的效果。陳洪運等人[16]通過對比三種雙曲線擬合結果的差異發現TS雙曲線擬合得到的相關系數較高，適用范圍較廣，并分析了擬合起始點對計算結果的影響。雖然已有較多的學者對路基沉降預測模型進行研究改進修正[17-19]。雖然已經有較多學者對路基沉降的預測模型進行了研究和修正，但主要應用于對高速鐵路、公路的預測中，對于城市有軌電車路基沉降的預測還少有研究，本文結合蓉2號線某段監測點中的實測數據，對現場實測數據進行整理分析，擬合得到不同預測模型下路基沉降全過程時程曲線。

1 工程概況及路基施工工藝

1.1 工程概況

1.2 施工工藝

蓉2號線現代有軌電車，軌道結構采用整體道床配槽型軌形式，主要采用60R2槽型軌，軌距為標準鐵路軌距1 435 mm。軌道板一般采用高強度混凝土現澆結構，厚度約200～300 mm。蓉2號線有軌電車路基填方選取1#監測點(工藝一)，2#監測點(工藝二)，3#監測點(工藝一)作為試驗段，結構及主要參數詳見表1。施工工藝流程為施工放樣→設立排水措施→填料運輸→填料攤鋪→碾壓→檢驗→合格→進行下層施工工序，其中，工藝一，碾壓采用LSS2301型壓路機，以4～4.5 km/h的速度按照靜壓-弱振-強振-弱振-靜壓的順序，碾壓完成后用環刀法測定壓實度。水穩層采用XS262J壓路機，以 1.5～3 km/h行走速度按照靜壓-弱振-強振-靜壓的壓實順序；工藝二碾壓采用徐工LSS2301壓路機 ，以1.2～1.5 km/h的行走速度，按照靜壓-弱振-強振-弱振-靜壓的壓實順序，水穩層采用徐工XS202J壓路機，以1.5～2.5 km/h的行走速度，按照靜壓-弱振-強振-弱振-靜壓的壓實順序，碾壓完成后用灌砂法測定壓實度。兩種施工工藝的參數見表1。

表1 壓實工藝選擇

2 路基工后沉降監測

2.1 監測方案及監測數據整理

選取三個監測點對路基的沉降量進行監測，沉降觀測從填土開始，路基填筑完成或施加預壓荷載后有至少3個月的觀測期和調整期，沉降變形監測以二等水準進行，采用閉合或附合水準路線奇偶站交替的方法。外業觀測應保證足夠的準確性，防止由于操作以及人為因素導致的誤差。外業觀測完成后，進行內業數據處理，由高程數據減去初始高程值得到監測點的累積沉降量。

2.2 監測結果分析

選取蓉有軌電車2號線路基段斷面1#監測點采用工藝一進行路基填筑，該斷面地層主要由粘性土、卵石層等組成，采用開挖換填地基加固，2016年5月31日開始填土，2016年8月15日，填土完畢，填土層厚為1.59 m，沉降觀測從填土開始監測，沉降板測得的總沉降4.36 mm，監測曲線見圖1。2#監測點采用工藝二，該斷面地層情況與1#監測點相同，采用開挖換填地基加固，2016 年8月11 日開始填土，2016年8 月29日，填土完畢，填土層厚為1.30 m，沉降觀測從填土開始監測，沉降板測得的總沉降16.8 mm，監測曲線見圖2。3#監測點采用工藝一，該斷層地層情況與1#監測點相同，采用開挖換填地基加固，從2016年8月22日開始填土，2016年10月6日填筑完畢，填土厚度為1.3 m，沉降板測得的總沉降量為8.43 mm，監測曲線見圖3。按照既有施工工藝填筑壓實后對路基進行預壓，并用沉降板測得沉降量，得到如下曲線。

圖1 1#檢測點時態曲線

圖2 2#檢測點時態曲線

圖3 3#檢測點時態曲線

3 路基工后沉降預測分析

路基沉降變形一般包括彈性變形、塑性變形、填土以及地基的壓縮變形[20]。蓉2號線有軌電車基底為卵石層承載力較高，路基沉降包括一部分基底卸荷再壓縮的瞬時沉降，一部分填料的固結沉降及次固結沉降，以及后期動力響應導致的沉降。根據Boussinesq彈性理論公式和Odemark的模量與層厚當量假定，換填填料達到一定的密實度后，換填層沉降的量級應不大于20 mm。考慮列車行駛速度影響，根據基底砂卵石主要模態波的頻域動態響應，擬靜力考慮，沉降量不超過15 mm，預測路基的總沉降不超過35 mm，滿足現代有軌電車路基工后沉降一般采用不應大于50 mm的標準。

路基施工沉降預測主要有兩種類型的數學模型。一種是數學模型來預測工后沉降，包括建設模型和指數模型。另一種方法是預測整個生長曲線模型的過程，通常包括Pearl、Gompertz和Weibull模型。鑒于有軌電車沉降預測模型尚未建立，本文通過下面3種模型進行預測。

3.1 預測模型分析

3.1.1 雙曲線預測模型

這種方法主要是假定路基沉降量滿足雙曲線遞減規律，并探討沉降值擬合點和時間的曲線,曲線形式為：

(1)

式中：t0為任意點的預加載時間；s0為t0時刻的沉降；st為t時間的沉降；a,b為參數。

(2)

其中：a為截距；b為直線的斜率。

3.1.2 Asaoka 預測模型

使用現有的沉降觀測數據反算未知參數，然后根據這些參數估計未來沉降量。Asaoka認為，固結微分方程可以近似表示為微分方程的級數形式：

(3)

在一維固結條件下，其微分方程表示為：

(4)

即：

(5)

式中：α、β、γ是待定參數，Asaoka沉降預測模型選擇不同的時間間隔時，最后得到的預測結果會有一定的差異。

3.1.3 指數曲線預測模型

根據太沙基固結理論，地基沉降變形是由于超孔隙水壓力隨時間的變化，并結合地基排水固結條件，綜合得到分級加載條件下地基沉降量與時間之間變化的時間曲線關系，其表達式為：

st=s-(s

(6)

式中：s0為t0時刻的沉降量；0st為t時刻的沉降量；s∞為最終沉降量；η為待定常數。

3.2 預測模型參數分析

根據前期監測數據處理得到的路基累積沉降量，建立沉降量與時間之間的曲線關系，由于現有觀測技術水平的限制，加之現場條件復雜，干擾因素較多，考慮到各個因素的影響，現場觀測不可避免地會造成各類誤差，從而引起觀測數據出現較大的波動，但其整體趨勢還是比較明顯的，能夠反映整個路基的沉降規律。通過對數據進行整理分析，用3種類型的預測模型進行擬合，得到以下各擬合模型的待定參數，擬合結果見表2。

表2 預測模型參數

3.3 沉降預測結果

根據擬合得到的各曲線參數值，選取擬合曲線上的點，比較實測路基沉降值與預測值之間的差異，并計算誤差百分比， 得到計算結果見表3。

表3 實測沉降與預測沉降比較

從得到的預測模型進行分析，對于1#監測點，三種預測模型對其最終的沉降量的預測值都穩定在4.2 mm左右，與實測數據的沉降趨勢相吻合；對于2#監測點，三種預測模型預測得到的最終沉降量有一定的差距，但是雙曲線模型與實測沉降量前期吻合度較高，最終預測得到的沉降量在17.0 mm左右；對于3#監測點，三種預測模型中指數模型與實測曲線吻合度較高，得到的最終預測沉降量在9.0 mm左右。

兩種施工工藝下的沉降測試值存在一定的差異性，2#監測點沉降量較大，其預測模型中指數模型預測得到的最終沉降量與實際沉降量吻合度較高；而對于1#監測點以及3#監測點，沉降量相差不大，且兩個監測點三個預測模型與實測沉降量均有較好的吻合度。由于三個監測點的沉降監測數據有限，對后期沉降量的預測有待深入研究。

4 結論

對于運行速度較高的列車而言，路基的沉降變形嚴重影響著列車的運行速度以及運行安全，控制路基的沉降量也是一個亟待解決的問題，本文根據不同的施工工藝對現場的實測數據進行不同模型下的預測，得到了如下結論：

(1)在本文蓉2號線有軌電車路基填筑采用的兩種施工工藝中，在控制兩者的壓實系數基本一致的情況下，工藝二的填筑時間較短，其沉降量相對較大。而工藝一的填筑時間較長，沉降量較小，從一定程度上表明了沉降量與填筑時間長短有一定的關系，即填筑時間長沉降量小。

(2)在工藝一的施工方法下，路基沉降量較工藝二小。在對路基沉降量要求比較嚴格的情況下可考慮采用工藝一的路基填筑施工方法，從施工工藝上減小路基的沉降量。

(3)對于兩種不同施工工藝下填筑的路基，指數模型對路基沉降量預測具有較好的吻合性，在以后有軌電車路基沉降預測中可以考慮采用該模型對路基沉降量進行預測，得到最終沉降量。

(4)通過對路基的沉降量進行有效的預測，能夠為施工工藝以及后期的沉降變形治理提供一個有效的參考，對實際工程的施工指導和后期路基維護有一定的實際意義。