魯南高速鐵路接入京滬高速鐵路路基變形監測

張海鳳

魯南高速鐵路有限公司，濟南 250102

新建魯南高速鐵路接入既有京滬高速鐵路工程中，由于地基處理施工擾動、路基填筑產生的附加應力，導致京滬高速鐵路路基變形，繼而影響線路的安全平順運行。受地層土性參數選取、地質不均勻、假設簡化等影響，數值計算結果往往會和實際情況有一定差異，加上現場施工機具等不確定因素，計算結果不能完全指導既有京滬高速鐵路路基變形的高精度控制。因此，在施工過程中，需根據線路變形控制要求與仿真計算規律，制定完善的監測方案，對地基處理、路基填筑、開通運營等不同階段實時監測，保障既有京滬高速鐵路的運營安全，加強新建魯南高速鐵路的施工質量控制。

鄰近營業線施工監測往往聚焦于既有線路受力、變形中的某一方面。Massarch［1］通過對沉樁施工現場監測，提出不同土層深度其變形方向不同，近地表土體主要發生豎向變形并向上發展，而深層土體變形以水平方向為主。劉波［2］研究了基坑開挖施工鄰近既有隧道變形分區，揭示了隧道受基坑開挖影響變形發展變化規律，通過實測數據開展了變形預測分析。魏煥衛等［3］根據現場實測數據，對比分析降水前后鄰近建筑物地基的應力變化，研究了坑內降水導致CFG 樁基沉降的規律，并提出計算方法。孟長江等［4］對基坑降水后坑內水位下降引發鄰近高速鐵路橋梁樁基礎變形及其承載力變化規律進行了研究。徐干成等［5］通過研究盾構下穿京津城際鐵路過程中采用的注漿加固措施，對既有鐵路橫向和縱向變形進行了監測，論述了注漿加固的有效性。張鵬［6］結合地鐵下穿高速鐵路線路產生的地表沉降數據、高速鐵路軌道平順性要求以及高速鐵路列車運營速度等因素，研究提出了地鐵下穿高速鐵路引起地表沉降的限制要求。左珅［7］考慮滬寧城際高速鐵路鄰近京滬高速鐵路修建工程，對運營線路路基在路基基坑開挖、成樁、路基填筑等不同階段的原有應力、位移狀態擾動進行了監測，分析了不同階段既有京滬高速鐵路路基動、靜力學響應。

面向運營線路軌道平順性的高要求，已有研究成果不能有效指導施工，保證既有線路的運營安全。本文針對魯南高速鐵路近接京滬高速鐵路施工過程中路基變形控制難題，提出運營條件下京滬高速鐵路路基變形監測體系，形成京滬高速鐵路變形監測控制標準。通過開展現場監測，研究分析不同施工階段京滬高速鐵路路基變形發展規律。

1 監測方法

為評估新建線路路基填筑施工對既有線路帶來的沉降變形和橫向位移，需針對高速鐵路場接軌段K536+600—K537+420 正線Ⅰ、Ⅱ股道展開監測，共計820 m。

沉降監測的準確性與可靠性極大地依賴于基準點的合理選取。基準點需選擇于遠離施工擾動區域的穩定建筑物處，比如深樁基、橋臺基礎、涵洞等，對于運營線路可結合工務部門日常巡檢數據分析基礎點的穩定性，在監測的過程中加強對基準點的人工復核。測點的間距需要兼顧監測系統的工作性能與經濟性。測點間距過大會導致液路排泡困難，影響測點芯片的工作狀態，造成數據失真；測點間距過小會影響線路的運營，同時增大監測成本，故每隔20 m布設1個沉降監測點。

在監測范圍內，按60 m 間距布設自動全向傳感水平位移計。水平位移計布設于既有京滬高速鐵路邊坡坡腳外0.5 m 位置至路肩的坡面上。根據荷載變形機理和維護要求，結合運營線路的要求，測斜孔位置應盡量靠上，管口做好保護措施，以便于設備維護。水平位移計布設斷面應與沉降觀測點布設斷面合并設置。在不影響京滬高速鐵路運營安全的條件下，水平位移監測點布設盡量靠近京滬高速鐵路。

施工過程中為避免機械、人員對基準點的擾動，應通過附近CPⅢ控制網對測量基準點進行變形數據修正，修正頻次根據實際情況確定，宜為1 次/月。此外根據施工不同的階段對監測數據的要求，遠程設定監測系統的采集頻率及時間點，提高供電系統的使用壽命。

2 變形控制標準

2.1 變形控制標準設置原則

變形監測控制標準的設置應遵循以下三原則。

第一原則：應充分考慮京滬高速鐵路安全運營。以京滬高速鐵路無砟軌道線路的可維護性為第一控制原則，始終確保既有京滬高速鐵路線路平順性處于扣件與墊片的調整能力范圍之內，滿足TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》要求。

第二原則：應考慮新建高速鐵路順利施工。在不違背第一控制原則及一定的安全儲備條件下，報警管理值的設置應避免給新建魯南高速鐵路施工帶來不必要干擾，并動態指導新建魯南高速鐵路施工。

第三原則：應以京滬Ⅰ、Ⅱ股道變形為準進行報警。由于鋪設的傳感器較多，有些傳感器距離運營京滬Ⅰ、Ⅱ股道距離較遠，但離施工區域很近，其變形較大，若直接采用其值進行報警會造成較大施工干擾。

2.2 變形控制標準的確定

由于臨時補修作業具有即時性要求，當天天窗未必能及時處理，造成處理措施的滯后。因此依據TG/GW 115—2012 相關規定，可將軌道高低和水平變形限制到經常保養級別對應的4 mm，設2、3、4 mm 三級，顏色分別對應黃、橙、紅。

對于沉降限值，由于自動監測測點間距為20 m，只能大致相當于40 m 弦測量結果，且變形相當于絕對變形，若采用這一劃分標準，則偏于嚴格，給運營和施工造成不必要的干擾。對于測斜監測，路基段自動全向傳感水平位移計布設于路基坡角或擋墻外，橋梁區域布設在防護柵欄外側，與京滬高速鐵路正線Ⅰ、Ⅱ股道有一定距離，先于運營線路受施工影響。當全向水平位移測點最先發生變形，Ⅰ、Ⅱ股道可能未發生變形。按上述標準會過于嚴格。

本文共設置兩級報警體系：一級預警以自動監測結果為基礎，設置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級，其作用為預警提醒；二級報警以軌道檢測結果為基礎，設置黃、橙、紅三級，其作用為各單位行動響應依據。

2.3 運營線路監測報警管理值設置

根據TG/GW 260—2015《運營高速鐵路基礎變形監測管理辦法》，運營高速鐵路基礎沉降監測采用變形測量三等精度，水平位移監測采用變形測量二等精度，見表1。

表1 京滬高速鐵路路基變形監測精度指標要求

根據沉降變形精度范圍±0.5 mm 要求，其誤差范圍為1.0 mm。為減小誤報率，最小等級劃分跨度標準為誤差范圍+0.5 mm=1.5 mm。自動監測沉降預警等級劃分見表2，軌道高低報警等級劃分見表3。當自動監測報警值超過Ⅰ級之后，啟動對Ⅰ、Ⅱ股道狀態的檢測，根據檢測結果確定是否進行二級報警。

自動全向傳感水平位移計誤差范圍為1.5 mm，為減小誤報率，最小等級劃分跨度標準= 誤差范圍+0.5 mm =2.0 mm。自動監測水平位移預警等級劃分見表4，軌道狀態水平報警等級劃分見表5。當自動監測報警值超過Ⅰ級之后，啟動對Ⅰ、Ⅱ股道狀態的檢測，根據檢測結果確定是否進行二級報警。

表4 自動監測水平位移預警等級劃分

表5 軌道水平位移報警等級劃分

3 變形監測規律分析

3.1 沉降變形規律分析

接軌段京滬高速鐵路路基Ⅰ、Ⅱ股道沉降監測結果見圖1，監測時段由2018年9月1日—2020年7月29日。可知，接軌段路基Ⅰ股道K536+700—K537+400 出現沉降變形，最大值為4.63 mm，位于K537+000。接軌段路基Ⅱ股道在K536+750—K537+240出現沉降變形，最大值為4.62 mm，位于K536+960。在K537+000—K537+420 范圍內，隨接軌段路基逐漸遠離京滬高速鐵路正線路基，Ⅱ股道出現的沉降變形逐漸減小。

圖1 接軌路基段京滬Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形

整體分析來看，接軌段Ⅰ股道沉降變形整體小于Ⅱ股道沉降變形。由于地層軟弱、不均勻等，在新建線接入工程施工擾動下，京滬高速鐵路路基出現一定的不均勻沉降，但均在可控范圍內。

接軌段咽喉區（K536+960—K537+020）位于接軌段路基地基處理施工擾動和鄰近堆載最不利處，需重點關注其變形及發展趨勢。軟土地區沉降變形往往呈現出發生-發展-穩定-極限的過程。該工點所在區域地層層承載力較低，為評估新建路基填筑堆載后附加應力長期作用下京滬高速鐵路路基變形演化規律，此處引入Boltzmann S 型成長曲線模型。由于S 型成長模型單點遞增性、不過原點以及存在反彎點，可以比較準確描述既有京滬高速鐵路路基沉降變形規律。其基本形式為

式中：A1、A2為模型兩條漸近線；x0為模型拐點；dx為模型時間常量。

最不利斷面K536+960 斷面的Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形時程曲線見圖2。可知：K536+960 沉降主要產生在擋墻開始至鋪軌完成，鋪軌結束后此處沉降速率隨時間逐漸減小。此斷面Ⅰ、Ⅱ股道沉降變形采用Boltzmann S 型成長曲線模型進行擬合，擬合得到R2分別為0.945 77、0.942 81，模型可以較好反應京滬高速鐵路沉降變形實測規律。目前該斷面Ⅰ、Ⅱ股道均到達極限階段，變形趨于穩定，最終收斂值為4.46、4.37 mm。

圖2 K536+960斷面沉降變形時程曲線

3.2 深層水平位移規律分析

選取上行聯絡線最不利斷面范圍內3處測點監測數據進行分析。其中高速鐵路上行聯絡線K536+900水平位移時程曲線見圖3，監測期為2019年2月2日—2019 年 5 月 14 日，圖中x方向為垂直于線路走向的方向，y方向為平行于線路走向的方向。可知，該位置施工期間主要變形發生在地基面至5 m 深度范圍內，且量值較小，x、y方向最大值分別為1.85、2.09 mm。

圖3 上行聯絡線K536+900斷面水平位移監測曲線

高速鐵路下行聯絡線K536+960 水平位移時程曲線見圖 4，監測期為 2019 年 2 月 2 日—2019 年 5 月 5日。可知，該位置施工期間x方向最大值4.98 mm，發生層位為27 m，原因可能為樁基施工過程中提鉆過快，導致該層位朝樁基打孔方向變形。y方向最大值為1.89 mm，發生層位為2.6 m。

圖4 下行聯絡線K536+960斷面水平位移監測曲線

上行聯絡線K537+020 水平位移時程曲線見圖5，監測期為 2019 年 2 月 22 日—2019 年 9 月 2 日。 可知，該位置施工期間主要變形發生在地基面至5 m 深度范圍內，且量值較小，x方向最大值2.06 mm，y方向最大值5.21 mm。5 ～30 m監測范圍內未見明顯變形。

圖5 上行聯絡線K537+020斷面水平位移監測曲線

選取下行聯絡線3處典型斷面數據進行分析。高速鐵路下行聯絡線K537+020 水平時程曲線見圖6，監測期為2019年1月5日—2019年4月1日。可知，該位置施工期間主要變形發生在地基面至5m 深度范圍內，且量值較小，x方向最大值4.74 mm，y方向最大值4.54 mm。5 ～30 m監測范圍內未見明顯變形。

圖6 下行聯絡線K537+020斷面水平位移監測曲線

高速鐵路下行聯絡線K537+080 水平時程曲線見圖 7，監測期為 2019 年 1 月 9 日—2019 年 5 月 12 日。可知，該位置監測深度內未見明顯變形。其中x方向變形小于1 mm，屬于傳感器監測誤差誤差范圍內；y方向最大值2.89 mm，發生層位為地下5 m 深度處，其余深度未見明顯變形。

圖7 下行聯絡線K537+080斷面水平位移監測曲線

高速鐵路下行聯絡線K537+140 水平時程曲線見圖 8，監測期為 2019 年 2 月 1 日—2019 年 8 月 12 日。可知，該位置變形主要集中在地面至地下5 m 范圍。其中，x方向變形最大為5.11 mm，發生在地表；y方向最大值4.28 mm，發生層位為地下3.5 m 深度處，其余深度未見明顯變形。

圖8 下行聯絡線K537+140斷面水平位移監測曲線

總體來看，受鄰近路基堆載填筑附加應力作用，上、下行聯絡線測點位置水平位移主要發生在地表0 ～5 m 內，總體維持在5 mm 以內；而其余層位土體穩定，未見明顯變形。

4 結論

1）結合高速鐵路安全運營的變形及預警要求，明確了近接工程既有高速鐵路路基變形監測要求，構建了由沉降變形監測、水平位移監測等項目構成的既有運營高速鐵路監測體系，提出了新建鐵路近接既有高速鐵路路基變形控制標準。

2）施工期間，接軌段Ⅰ股道沉降變形整體小于Ⅱ股道沉降變形。由于地層軟弱、不均勻等，在新建線接入過程的施工擾動下，京滬高速鐵路路基出現一定的不均勻沉降。引入Boltzmann S 型成長曲線模型對最不利斷面數據進行分析，結果表明目前變形已處于極限階段，路基狀態安全穩定。

3）新建高速鐵路上、下行聯絡線土體深層水平位移各測點變形基本發生在地表附近，原因為鄰近堆載產生附件的水平應力，導致地表附近產生少量變形。地面5 m 以下層位地基狀態穩定，基本未產生明顯變形。