運營高鐵車站黃土路基沉降特征及原因分析

杲 斐 李 碩 劉陽杰

(1.中鐵二十一局集團有限公司 甘肅蘭州 730070；2.南京師范大學 江蘇南京 210023)

1 引言

高速鐵路對軌道的精度要求高，路基作為軌道結構的直接載體，必須具有足夠的強度、剛度及抗變形能力[1]。從目前運營高鐵來看，路基變形主要發生在地基部分，其原因多為荷載和外部環境耦合作用下，地基土的物理力學指標發生變化，承載能力降低而導致路基本體變形，路基本體變形的反射作用引起了軌道結構的變形[2－3]。為此，要高度重視高鐵路基結構的變形監測，定期對路基變形段落進行評估，分析路基的變形原因，提出針對性的措施，以保障高速鐵路運營安全。

目前，運營鐵路路基變形監測方法還是依靠常規接觸式測量手段，常用高精度水準儀、全站儀、GPS等設備進行數據收集，其缺點為勞動強度大、觀測周期長、受營業線和光線影響大[4－7]。近幾年，興起的永久散射體干涉測量技術(PS-InSAR)已經用于部分交通工程的區域變形監測，該技術為非接觸式測量，可以監測到長期地表緩慢形變，具有全天時、范圍廣、受天氣影響小的特點，可以定期提取交通工程沿線區域沉降變形情況。雷朋濤[8]將InSAR和北斗監測及傳統水準測量相結合，對比分析了某高寒鐵路路基沉降情況，證明了InSAR技術的可行性。張兆旭[9]采用PS-InSAR技術對京滬高鐵靜海段上典型PS點進行沉降時序分析。張學東[10]基于PS-InSAR技術分析了京滬高速公路京－冀段變形情況。秦曉瓊[11]以上海軌道交通工程為例，采用PS-InSAR技術分析了沉降格局，探討了其形變特性及原因。總體看來，PS-InSAR技術用于交通工程的變形監測數據可靠，能夠滿足要求。

在高鐵路基病害原因分析方面，高超[12]針對運營高鐵某站場路堤軌道面沉降病害，分析成因并提出采用基底及路堤主體注漿加固技術治理病害。李尚飛[13]以大西高速鐵路高速綜合試驗段為例，對季節性凍土區路基凍害主要成因、整治措施及其效果進行研究。李壇[14]分析了滬昆高鐵某軟土區路基沉降變形原因，得出部分地段路基受到新增荷載影響造成土體偏壓，導致路基本體發生側向滑移變形等病害的結論。李金良[15]針對蘭新高鐵部分水泥土路基上拱病害，研究了路基上拱原因，指出路基填料中高含量的硫酸鹽和水泥在水的作用下發生化學反應，形成鈣礬石、硅灰石膏的過程中膨脹造成路基變形。從這些研究可以看出，路基病害與路基內水分分布關系緊密。

本文以某高鐵車站黃土路基沉降病害為例，基于永久散射體干涉測量技術(PS-InSRA)對高鐵路基范圍內地面進行變形監測，分析其沉降規律、發展趨勢對高速鐵路線路的影響。在現場鉆探取樣，分析地基土的干密度和含水率分布特征，尋找路基變形的原因，以便指導后續病害治理。

2 工程概況

某高鐵車站位于黃河的二級階地，緊鄰既有蘭新鐵路，區域地形開闊，城市道路交錯，交通極為便利，是利用舊的鐵路編組站而新建的大型客運樞紐，車站范圍內地層自上而下分別為:(1)砂質黃土，分布于黃土梁峁區邊緣，厚度8～12 m，Ⅱ級普通土，承載力為120 kPa，具有Ⅲ級濕陷性；(2)細圓礫土，成分以砂巖為主，Ⅱ級普通土，承載力為400 kPa；(3)粗圓礫土，Ⅲ級硬土，承載力為500 kPa；(4)卵石土(Q3al7)，Ⅳ級軟石，承載力為750 kPa。

軌道結構為有砟軌道，路基基床表層為60 cm厚的級配碎石，路基填高0.6～2 m，地基采用強夯、水泥土擠密樁和DDC樁處理。路基兩側設置矩形排水側溝，寬度0.6 m，溝深0.6～1.8 m。車站自2017年7月開通運營，2018年，觀察部分股道路基的排水側溝開裂，軌道出現下沉，影響了列車的運營安全。

3 路基沉降特征分析

鑒于變形段高速鐵路在限速運營，采用傳統的接觸式測量進行路基沉降觀測費時、費力，同時列車運營也會影響測量數據的準確性和觀測人員的安全。為此，采用永久散射體干涉測量技術(PS-InSAR)進行路基變形觀測，分析路基沉降原因。

PS-InSAR技術是利用某一固定區域的長時間序列SAR影像，篩選出1幅主影像和N幅輔影像進行干涉分析，選出大氣影響小，且與時間和空間失相關的穩定的房屋、橋梁、裸露巖石等組成的永久性散射體，通過適當的數據處理和分析程序，將形變相位分量與其他相位分量分離，反演地表在固定時間段內的形變特性，然后使用SRTM90m DEM數據進行二次反演分析和干涉圖的二次差分處理，得到高精度的地表形變特征。

本項目采用歐空局Sentinel-1A衛星29景IW模式的VV極化方式SAR影像，影像的軌道號為62，入射角度約為44.6°，時間段為2017年2月19日至2019年6月9日，選取10 km鐵路路基200 m寬的范圍，共計65 km2進行干涉分析，總計選出12 846個永久散射體點(見圖1)。

圖1 觀測范圍內永久散射體分布

為了詳細了解沉降情況，在圖1所示車站范圍內路基中布設A、B兩個區域進行時序沉降精確分析，A區域位于車站東咽喉以東部分站線，B區域范圍為車站東西咽喉范圍內的部分，選取2017年2月19日至2019年6月19日時間段內DEM圖像進行干涉分析，在A區域選取a、b、c三段(見圖2)，B區域內選取d和e段(見圖3)進行累計變形分析，繪制時序累計變形分布圖(見圖4)。

圖2 A區域永久散射體分布

圖3 B區域永久散射體分布

圖4 車站內觀測點時序累計沉降量分布

由圖4可知，截止2019年6月9日，A區域a段高鐵路基平均累計沉降為－21.39 mm，b段的平均累計沉降為－14.28 mm，c段的平均累計沉降為－13.28 mm。B區域高鐵路基內d段的平均累計沉降為－9.67 mm，e段的平均累計沉降為－17.11 mm。a段的平均累計沉降最大，d段的累計沉降最小，b、c和e三段的累計沉降相近。從趨勢看，A和B區域內5段的高鐵路基的沉降趨勢相近。

從時序角度考慮，圖4中的5個監測段落在2017年5月至2017年9月、2018年4月至2018年7月兩個時序段內的平均累計沉降呈逐漸增加趨勢，時間與平均累計沉降呈線性關系，沉降較快；在2017年10月至2018年3月、2018年8月至2019年2月兩個時序段內，平均累計沉降較為緩慢，接近于無沉降狀態，特別是B區域的表現更為明顯。總體來看，2018年7月之后，沉降趨勢開始減緩。

4 地基土密度及含水率特征

2018 年9 月底，在 a、b、c、d、e五個段內布設5 個鉆孔，孔位編號依次為 ZTa、ZTb、ZTc、ZTd、ZTe，分析地基土的含水率和干密度分布特征，取樣深度為10 m，繪制含水率和干密度隨深度的分布圖(見圖5和圖6)。

圖5 地基土含水率隨深度分布曲線

圖6 地基土干密度隨深度分布曲線

4.1 地基土含水率分布特征

圖5為地基土樣含水率隨深度變化曲線，可以看出，地基土樣的含水率在12.9%～25.2%間，其中地下0.3 m處土樣的含水率分布在12.9%～16.7%之間，地下2 m處土樣的含水率分布在17.1%～21.9%之間，地下4～10 m范圍內土樣的含水率分布在17.9%～25.2%之間。從含水率分布趨勢看，自上而下呈增加趨勢，地下2 m和4 m處為含水量增加趨勢的拐點，其中地下0～2 m范圍內的含水率增加較明顯，定義為快速增加階段；地下2～4 m范圍內的含水率增加趨勢減緩，定義為緩慢增加階段；地面以下4～10 m范圍內的含水率幾乎不變，定義為穩定階段。在快速增加階段，單孔地基土樣的含水率隨地基深度增加了大約30%；在緩慢增加階段，單孔地基土樣的含水率隨地基深度增加約10%；穩定階段的含水率幾乎無增加。

4.2 地基土干密度分布特征

圖6為地基土樣干密度隨深度變化曲線，可以看出，地基土樣的干密度在1.5～1.77 g/cm3之間，其中地下0.3 m處土樣的干密度分布在1.5～1.64 g/cm3之間，地下2 m處土樣的干密度分布在1.65～1.68 g/cm3之間，地下4～10 m范圍內土樣的干密度分布在1.6～1.77 g/cm3之間。從總體趨勢看，干密度自上而下逐漸增加，地下4 m處為拐點，在地下0～4 m范圍內干密度增加較明顯；地面以下4～10 m范圍內土體干密度增加較少。對比各點的干密度，ZTa點在地下0～8 m范圍內的干密度小于其他點位，對應的a段累計沉降較大；ZTd點的干密度自始至終大于其他點位，對應的d段累計沉降也較小。

根據地勘資料，該段地基黃土的天然干密度為1.5～1.67 g/cm3，土樣的干密度絕大多數分布在地基土天然干密度區間內。這說明地基處理范圍有限，對路基側溝外側地基土影響較小，干密度偏小，土壤滲透系數較大，地表積水容易下滲。

5 路基沉降原因分析

從氣候特征考慮，研究區域降雨主要集中在5月～9月，11月至次年4月為凍結期，主要以降雪為主，而PS-InSAR觀測數據提示，2017年5月至9月、2018年4月至8月兩個時間段內平均累計沉降速率較快，這段時間對應春夏季，降雨量較大；在2017年10月至2018年3月、2018年9月至2019年3月兩個期間內，平均累計沉降較為緩慢，這段時間對應秋冬季，降水較少，多數時間地表封凍，地表水入滲較為困難。路基的沉降與氣候和降水關系較為密切，但是總體而言，沉降速率有所減緩。

從地基土的含水率分布特征分析，地面以下0.3～4 m間的地基土樣含水率處于增加階段，地面以下4～10 m間的土樣含水率基本保持不變，結合文獻[16]研究結論，認為地表水入滲引起地基含水率增加。

從地基土的干密度分布特征分析，地基處理范圍有限，并沒有影響到側溝外側地基土，側溝外側地基土樣密實度偏小，土壤滲透系數較大，地表積水容易下滲。

綜合分析認為，該段路基位于車站內，地勢平坦，路基間的場坪匯水面積較大，橫坡較小，地表匯水通過路基兩側的側溝排水，而場坪地表為砂礫石，沒有采用合理的防水措施，造成雨水及融化后的雪水滲入地基下臥層，造成黃土路基下臥層濕化變形。另一方面，新建路基的側溝為C30混凝土結構，雨水和雪水從側溝邊滲入溝底黃土層，高含水率黃土的凍脹作用引起了側溝的開裂，而側溝的縱坡較小，排水不暢，溝內積水從裂縫中滲入黃土地基，進一步引起了地基的濕化沉降。

6 結論

通過采用PS-InSAR技術和現場勘查相結合的方法，研究了依托工程黃土路基的沉降特征和原因，得出以下結論:

(1)該段路基沉降主要發生在2017年5月至9月和2018年4月至8月兩個時間段，春夏季沉降速率較大，秋冬季相對平穩，總體沉降趨勢有所減緩。

(2)車站地基土的含水率沒有線性變化特征，在地下0.3～2 m范圍內土體含水率增加較快，2～4 m范圍內含水率增加速率減緩，4～10 m范圍內含水率基本穩定，地下2 m和4 m為含水率增加速率的臨界深度。

(3)路基部位地基處理影響范圍有限，路基側溝外側地基土干密度偏小，滲透系數偏大。

(4)車站場坪的匯水面積較大，排水系統不完善，地表為透水性較強的卵石土，且沒有采取防水措施，造成大氣降水滲入地基引起黃土層濕化變形。

(5)整治措施為需完善車站股道間場坪地表的防排水系統，做好地表卵石土層的防水措施和C30混凝土排水側溝防凍和防水措施。