川南城際高速鐵路路基變形監測設計探討

司文明

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速鐵路是國家的關鍵基礎設施，在我國經濟社會發展中有至關重要的地位和作用。高速鐵路運營列車速度高，行車時間間隔短，路基沉降、上拱等變形嚴重影響高速鐵路行車速度及行車安全。常規的路基變形監測措施不能完全滿足高速鐵路運營階段安全監控的需求[1-7]。基于此，川南城際高速鐵路在設計階段，針對基工點情況，針對本區域特定的紅層泥巖弱膨脹性水文地質條件，針對既有高速鐵路交叉影響的特點，著重考慮了路基自動變形監測的系統性措施，用以確定路基穩定狀況及其發展趨勢，及時做出災害預測預報，有效防控高速鐵路運營期間的安全風險。

川南城際鐵路內江至瀘州段為時速250 km的有砟高速鐵路，自貢至宜賓段為時速350 km的無砟高速鐵路。線路全長約210 km，其中路基長度約占總長度的40%。路基所占比重較大，工點類型較多。川南地區以低山丘陵區、低山區等地貌單元為主，區域內大面積分布侏羅系、白堊系軟質紅層泥巖。軟質紅層泥巖具有自身強度低、遇水易軟化、膨脹等特點，既有營運鐵路在軟質紅層泥巖深挖方路塹地段發生過局部幾毫米至數十毫米的上拱變形問題[8-9]。

本文針對川南城際鐵路代表性的采空區路基、紅層泥巖深挖方路基、既有高速鐵路交叉影響段路基等特殊工點路基的變形監測系統設計作詳細闡述。

1 采空區路基的變形監測系統設計

1.1 工程概況

川南城際鐵路橫穿螺觀山山脈及三疊系上統須家河組含煤地層，沿該山脈分布大小規模不等的煤礦采空區。其中DK 90+480～DK 90+720段路基區間最大填方為17.5 m，位于古佛煤礦采空區范圍內。古佛煤礦揭露為單一煤層，厚度約0.5 m，埋深約240 m。為小窯采空區，以人工巷道采掘為主。巷道寬度約為2 m，煤層采高為0.5 m，采厚比大于1∶250，屬于較安全開采深度，且采空區上覆巖層較完整。

1.2 采空區穩定性判斷

采空區路基示意如圖1所示。根據《工程地質手冊》，采空區頂板巖層保持自然平衡，臨界高度H0的計算如公式(1)所示：

(1)

式中:B——巷道寬度(m);

γ——巖層重度(kN/m3);

p0——基底附加壓力(kPa);

φ——巖層內摩擦角(°)。

圖1 采空區路基示意圖

按照公式(1)計算得到臨界高度H0=13 m。

H=240 m >1.5×H0=19.5 m

(2)

根據公式(2)，按照《工程地質手冊》的判斷標準，該采空區上部地基穩定。

古佛煤礦關閉時間均較長，根據相關規范，煤礦的沉降變形已基本穩定。地表調查亦未發現線路附近公路路面、房屋建筑等地表構筑物及坡地地表有下沉、開裂變形。故綜合判定此處采空區地基穩定，高速鐵路線位方案可行。

1.3 監測的必要性

在未處理的采空區范圍內修建高速鐵路，在國內高鐵建設歷史上實屬罕見。本段線位填方高度為17.5 m，從工程技術經濟合理性方面考慮，應設置橋梁工程，但為確保高速鐵路更加安全可靠，經各方慎重審查，科學決策，確定本段設置為路基工程。路基采用直接填方的形式，盡量不設置復雜的支擋加固措施。路基工程措施較為簡單，若后期發生沉降變形，相對橋梁結構，處理起來也較為簡單快捷，影響程度較小。

但路基工程要進行專項設計，且必須設置沉降變形自動監測系統，及時掌控可能發生的潛在沉降變形，在規劃設計階段確保高速鐵路百年工程的安全可靠。

路基工程的主要設計措施如下：

(1)路堤拉通鋪設高強土工格柵，路基底部設置2層高強土工布，以增強路堤的整體性并減少沉降的不均勻性。路堤邊坡坡率放緩一級，增加平臺寬度，增加路堤剛度和壓實度，減少沉降變形，增強路堤的安全性。

(2)采空區范圍內設置自動沉降觀測系統，對沉降、水平位移進行自動監測，建立施工及運營期間的沉降變形監測系統，進一步降低鐵路運營風險。

1.4 自動監測系統設計

采空區里程范圍DK 90+480～DK 90+720設置了地基沉降、路基表層變形、路基坡腳水平位移3項自動監測系統。

自動監測系統由自動監測物位計、基準點安裝件、基準點保護箱、定位裝載箱、傳輸總線、工控設備箱組成。自動監測物位計的精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm。設計選取的自動監測系統相關硬件，具有國家制造計量器具許可證，相關軟件系統具有多個高速鐵路連續沉降變形自動監測的應用業績。

在采空區影響范圍外側設置系統基準點，本段系統基準點設置里程為DK 90+430。在施工過程中通過CPⅠ和CPⅡ對系統基準點進行變形數據修正，將觀測數據輸入軟件進行系統修正，修正頻次根據實際情況確定，一般為每月1次。

(1)地基沉降自動監測系統

DK 90+430設置系統基準點，向大里程每隔約40 m布設一個自動監測斷面，合計設置8個斷面。監測斷面于路堤基底中心、左右線路肩中心對應地基位置埋設自動監測物位計，在路基坡腳外側埋設基準點物位計、定位裝載箱及工控設備箱。在監測斷面基準點上設置基準點修正測點物位計，所有修正物位計與系統基準點相連接，通過系統基準點物位計和基準點修正物位計對各斷面進行測量與修正。

(2)路基表層變形自動監測系統

DK 90+430設置系統基準點，向大里程每隔約20 m于路肩位置設置一個自動監測斷面，合計約38個測點。

(3)坡腳水平位移自動監測系統

DK 90+430設置系統基準點，向大里程每隔約40 m于路肩位置設置一個自動監測斷面，合計8個斷面，水平位移監測系統合計32套，水平位移計合計128個。每個監測斷面布設4套水平位移自動監測系統，分別位于路基斷面兩側坡腳外側2 m、10 m位置。監測系統布設圖如圖2所示。

圖2 采空區路基自動監測系統布設圖(m)

地基沉降、路基表層變形、坡腳水平位移的自動監測數據，每24 h測量和采集傳輸一次。通過工控設備箱內的數據傳輸模組實時無線傳送到數據處理平臺，通過系統軟件實時發布，通過專用的監測軟件，訪問數據平臺的數據庫，實時觀測本次沉降、累計沉降和沉降速率等數據。

2 紅層泥巖路基變形監測系統設計

2.1 工程概況

川南城際鐵路DK 69+600～DK 70+000段，長度400 m，為深挖方路塹，最大挖方高度約40 m。本工點屬丘陵地貌區，地形起伏較大。地表上覆坡殘積層粉質黏土，下伏侏羅系下統珍珠沖組泥巖夾砂巖，泥巖為紫紅色、紅褐色，泥質結構，鈣-泥質膠結，具有巖質較軟，易風化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

2.2 監測的必要性

本段路基最大挖方高度約40 m，地層巖性、挖方高度十分類似于川南地區既有成渝高速鐵路內江北站，其部分段落發生了無砟軌道的上拱病害，最大上拱變形10～14 mm。

結合既有運營鐵路的經驗教訓，紅層泥巖地區無砟軌道高速鐵路一旦發生上拱變形，很難查找并分析出具體原因。且上拱變形監測數據收斂的歷時較長，對高速鐵路運營帶來較大的風險隱患，而運營期間的病害整治代價很高。

本段紅層泥巖深挖方路塹需進行專項的變形自動監測系統設計，在工程建設過程中，及時掌控可能發生的潛在上拱變形，才能及早提出相關解決措施，減少高速鐵路運營期間的病害整治。

2.3 自動監測系統設計

DK 69+600～DK 70+000段，每間隔50 m設置一個監測斷面，表層測量元件分別布置于線路中心、兩側路肩邊緣內1 m的位置，基準點設置在坡腳。為保證基準點的穩定，基準點位置向下鉆孔，孔深為15 m，孔內放置基準桿，基準桿底端錨固長度為2～3 m，孔壁與基準桿之間使用護套管進行隔離，護套管外壁與孔壁之間使用細砂填充，最后將基準點固定在基準桿上。在股道中心位置，分別在地基面、地基下2 m、地基下4 m、地基下6 m、地基下8 m、地基下13 m共6個位置分層監測，布設位置為左右側線路中心的位置，左側線路中心位置按沿線路方向深度逐漸遞增的方式進行布設，右側軌道中心位置按沿線路方向逐漸遞減的方式布設。分層監測鉆孔間距為1 m，孔鉆至指定深度后，在孔內安放基準桿，基準桿錨固長度為30～50 cm，基準桿與孔壁之間采用護套管進行隔離，護套管外壁與孔壁之間使用細砂填充。監測系統布設如圖3所示。

圖3 紅層泥巖自動監測系統布設圖(m)

自動化監測物位計精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測量和采集傳輸一次。自動監測系統通過工控設備箱內的數據傳輸模組實時無線傳送到數據處理平臺，通過系統軟件實時發布，通過專用監測軟件，訪問數據平臺的數據庫，實時觀測數據。

3 臨近既有線路基的自動監測系統設計

3.1 工程概況

川南城際鐵路在IDK 6+555～IDK 6+585段以路基形式下穿運營中的成渝高速鐵路。其平面和橫斷面位置關系如圖4、圖5所示。本工點地面橫坡平緩，地表上覆土層為第四系全新統坡殘積層硬塑狀粉質黏土，下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組泥巖夾砂巖，泥巖為紅褐色，巖質較軟，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

交叉位置川南城際鐵路為淺填淺挖路基，路基采用樁板式U型槽結構，共2跨。U型槽側壁及底板厚均為1.0 m，采用C35鋼筋混凝土一次性連續立模澆筑。U型槽內表層及底層填料均采用級配碎石摻7%水泥。全段基底設置C35鋼筋混凝土圓形挖孔樁，樁直徑1.2 m，共18根，樁長7.5～8.5 m，樁基采用非爆破人工+小型機械的方式進行施工。

3.2 監測的必要性

交叉位置成渝高速鐵路為32 m簡支橋梁，川南城際鐵路U型槽結構距離既有成渝鐵路墩臺最近距離僅 0.33 m。U型槽施工及運營期間是否對正在運營的成渝高速鐵路產生不利影響，需要設置沉降變形自動監測系統，對臨近的橋梁墩臺進行全天候安全監控。自動監測系統可及時掌控橋墩變形情況，及早預警，是施工期間既有線運營行車安全保障的技術措施之一。

3.3 自動監測系統設計

IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽工程施工期間，設置沉降變形自動監測系統，對緊鄰的成渝高速鐵路兩處墩臺進行實時自動變形監測。自動監測系統的基準點布設在兩測量橋墩外側的臨近橋墩，在監測橋墩的四角布設物位計監測點，物位計通過安裝件剛性連接在橋墩表面。

橋梁變形自動監測物位計精度為0.2 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測量和采集傳輸一次。自動監測數據實時無線傳送到數據處理平臺，通過系統軟件實時發布，通過專用的監測軟件，訪問數據平臺的數據庫， 通過管理軟件實時發布數據、實時預警，以保障施工期間既有線運的行車安全。

圖4 IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽與既有橋墩平面布置圖(m)

圖5 IDK 6+555～IDK 6+585段U型槽斷面圖(m)

4 結論

本文對川南城際鐵路代表性特殊工點路基的變形監測系統設計進行研究，得出以下主要結論：

(1)采空區路基的變形監測設計包含了地基沉降、路基表層變形和路基坡腳水平位移自動監測系統。對未處理采空區進行全方位的自動監測，能提前預知建設及運營過程中可能出現的變形風險，并及時提出處理方案。

(2)對紅層泥巖無砟軌道深挖方路塹進行專項的自動變形監測系統設計，可在后續施工過程中，及時掌握可能發生的潛在上拱變形，及早解決上拱變形問題。

(3)U型槽路基自動監測設計的重點是對緊鄰既有高速鐵路橋墩的變形自動監測，及時掌控橋墩的變形情況，可為既有線正常運營提供技術保障。