新建高速鐵路路基沉降速率提醒閾值確定方法與異常處置

劉俊飛

中國國家鐵路集團有限公司科技和信息化部，北京 100844

工后沉降能否控制在限值范圍內是高速鐵路路基設計和施工成敗的關鍵，而沉降觀測與沉降評估是沉降控制的重要工作環節［1］。沉降評估工作的基礎是完整、可靠的沉降觀測數據。高速鐵路路基工程的沉降觀測工作自路堤填筑初期開始，伴隨著路堤各層填筑、預壓土填筑、預壓土卸除以及靜置的整個過程，歷時往往一年乃至兩年有余，一個測點累計觀測期次常常有上百期。

相對而言，沉降評估是一種被動的事后檢驗。如果在路基施工和沉降觀測過程中，通過沉降觀測數據的變動，盡早捕捉和分析到異常變形，及時采取相應的工程補強或糾正措施，變被動的事后檢驗為主動的過程控制，就能更加充分地發揮沉降觀測的作用。

Q/CR 9230—2016《鐵路工程沉降變形觀測與評估技術規程》規定，沉降變形速率出現異常、沉降變形超過限值、無砟軌道路基連續兩次觀測的沉降差大于4 mm、沉降發生突變等異常情況時應分析原因采取對策［2］。但是，工程實踐中的沉降觀測一般由測量人員負責實施，測量人員更多地關注的是測量數據是否正確、測量線路閉合差超限與否等測量自身的相關工作，對測量結果是否異常關注較少。Q/CR 9230—2016 中提到的種種沉降變形異常需要依靠設計信息、施工信息并結合工程經驗進行綜合研判，測量人員很難獨立完成。Q/CR 9230—2016 中對這些異常描述較為籠統，其中的定量標準也往往失之于寬，不同人員把握的尺度常常不同，實施效果難以控制。

本文根據理論分析和實測結果，探討高速鐵路路基沉降發展特征，提出以沉降速率為核心參數的高速鐵路路基沉降觀測異常數據判識方法，為測量人員在沉降觀測過程中快速識別異常數據并進行處置提供參考。

1 高速鐵路路基沉降發展特征

對路基沉降發展過程的定量分析方法總體上可以分為兩類：①以固結理論為基礎的計算分析；②以沉降觀測數據為基礎的曲線擬合分析。

在設計階段常采用固結理論計算沉降過程曲線。對天然地基按照Terzaghi 一維固結理論，t時刻地基沉降St為

式中：S∞為固結完成后的最終沉降；Ut為t時刻的固結度；cv為土層的固結系數；H為土層的單向排水厚度。

更廣泛地，對于用不同地基處理方式處理的人工地基，可采用式（2）擬合路基固結變形曲線［3］。

式中：a、b為與地基土層性質、地基處理方式等相關的參數。

式（2）也常用于對沉降觀測結果的S?t曲線擬合，文獻［2］中的固結度對數配合法和指數曲線法均以該式為基礎。根據式（2），t時刻的沉降速率vt為

t時刻的剩余沉降Sr為

結合式（3）與式（4），t時刻沉降速率vt與剩余沉降的關系為

除式（2）之外，雙曲線法也是沉降觀測結果S?t曲線的常用擬合方法。按照雙曲線法，t時刻地基沉降St為

式中：S0為初始沉降；m、n為回歸系數。

由式（6）可得，最終總沉降為

t時刻的沉降速率為

t時刻的剩余沉降為

結合式（8）與式（9），t時刻沉降速率與剩余沉降的關系為

由于天然地層和人工地基形態和固結變形性質的復雜性，無論是式（1）還是式（6）都是對地基沉降發展規律的近似，因此式（5）與式（10）所表現出的定量關系不盡相同。雖然如此，二式都反映了地基沉降發展過程中任一時刻的沉降速率與剩余沉降之間的正相關關系。這說明，無論地層或地基處理方式怎樣，沉降速率與剩余沉降正相關是一個普遍性的規律。在路基填筑中或填筑后的同一階段，地基的沉降速率大，其后續沉降也會比較大，相應地也預示著其工后沉降超限風險的增高。因此，可以針對不同發展階段設置相應的沉降速率提醒閾值，以在路基施工過程中及時發現異常并及早處置，最終實現路基沉降控制目標。

Q/CR 9230—2016 中所列舉的幾種路基變形異常，都會在沉降速率上有所體現。因此以沉降速率為核心參數進行異常判識也更具應用價值。

理論與實測均表明，典型的路基沉降變形發展過程可以分為三個階段［4］：①快速發展階段。這一時段也是路基填筑或預壓土填筑，荷載逐漸增加的階段，在此期間，地基所承受的荷載隨著時間而增加，地基沉降隨著上部荷載的加大也快速增大。②發展階段。路基填筑完成，上部荷載穩定后的一段時間內（一般持續1個月至幾個月），地基沉降變形仍在以較快的速率發展，但沉降速率逐漸減小。③穩定發展階段。此時沉降趨于穩定。

上述三個階段也可稱為路基沉降變形發展的前期、中期和后期。實際工程中，路基高度、地層條件和地基處理方式各不相同，具體的沉降發展過程也會有明顯差異。根據式（1）、式（5）所表示的固結理論，沉降速率與剩余沉降之間的具體數值關系主要由兩方面決定。①地基的總沉降。沉降速率與剩余沉降均與總沉降正相關。②地基的排水固結性質。固結速度快的地基，比如地基壓縮變形主要發生于砂性土層或地基處理方式有利于地層排水時，其前期沉降速率大，但中、后期沉降速率會快速減小。從控制工后沉降的角度，真正需要早發現早處置的是變形大且固結速度慢的地基，這種地基沉降速率減緩的速度較低，具有前期沉降速率可能不算太高，但后期沉降速率仍居高不下的特征。

2 沉降速率提醒閾值的確定

地基排水固結速度決定了路基沉降變形前、后期沉降速率相對大小的差異。因此，可以得出沉降速率提醒閾值的確定原則：前期沉降速率提醒閾值由填筑后瞬時沉降較大且沉降發展速度較快的地基確定，此時的提醒應以控制路基填筑速度、保證地基承載力穩定為主要目的；中后期沉降速率提醒的閾值應由沉降較大且固結排水速度較慢的黏性土地基確定，這一階段的提醒以控制路基工后沉降為核心目標。

此外，與實際測量得到的S?t曲線并非理想的平滑曲線，還會受到測量誤差的影響。一般情況下，同一測點即使在水準線路、人員、儀器相同的條件下平行觀測得到的兩次沉降也可能有不足1 mm 的測量誤差。沉降速率閾值的確定應考慮到測量誤差的影響，不應設置得過低，以減少測量誤差引起的誤報。在數據處理方面，可以采用含本期觀測在內的連續3期，即時間總跨度為2 個觀測周期的沉降觀測結果得到的3期平均沉降速率作為該時刻的沉降速率，也能夠在一定程度上減小測量誤差所帶來的沉降速率波動。

為實際了解新建高速鐵路路基沉降速率情況，對兩條正在施工中的高速鐵路線路3 個標段共500 余個路基測點的沉降觀測結果進行統計。以處于路基填筑完成第4～6 個月工況的測點為例，其3 期平均沉降速率概率分布見圖1。

圖1 填筑完成后第4～6個月路基沉降速率概率分布

由圖1 可知：該階段路基沉降速率絕大多數已低于0.08 mm/d。考慮到這一觀測期限內正常觀測頻次為每2周1次，若按3期累計2 mm 的觀測誤差估算，則觀測誤差引起的沉降速率變化為0.048 mm/d。該速率及以下測點數量占總數量的94%，說明多數路基在這一階段已基本處于變形穩定的狀態。個別路基斷面沉降速率在0.11～0.16 mm/d，經過綜合判定該路基也處于正常變形且工后沉降可控的狀態。

選取華北平原已竣工的一高速鐵路路基中填筑高度較高、沉降較大的路基段，根據沉降觀測結果得到其沉降速率中值。該區段為黏土、粉質黏土和粉土交互、韻律狀沉積的深厚松軟土地基，采用水泥粉煤灰碎石（Cement Fly?ash Gravel，CFG）樁復合地基加固，可以作為沉降較大且固結速度較慢的路基典型段。以此為基礎，結合Q/CR 9230—2016 規定的觀測階段劃分，適當放寬填筑期沉降速率，并考慮測量誤差的影響，確定沉降速率提醒閾值，見表1。

表1 路基沉降速率提醒閾值

3 沉降數據異常的應對措施

除了路基沉降速率過大，即后續沉降過大的真異常之外，實際沉降觀測中還經常不可避免地遇到測量本身問題造成的假異常，例如測量錯誤、沉降板或沉降觀測標在施工中被擠壓或碰撞變形破壞、水準線路采用的基準點不穩定或被碰撞等原因都會造成觀測數據失真。這兩類異常都表現為沉降觀測數據的變動。在對現場觀測標保護不嚴格等條件下，這些假異常甚至會占據異常數據的大多數，對有效捕捉真異常帶來較大的困擾。

一般情況下，測量錯誤可以通過本次數據與歷史測量數據的對比、本測點數據與周圍測點數據的對比發現，并可以通過重新測量消除失真。基準點碰撞變形會使水準路線上各測點沉降出現系統性偏差，對基準點的外觀檢查和基準點間聯測可以驗證基準點變形。基準點出現變形后，可以通過基準點修復和標高修正，并在重新測量后消除失真。測點碰撞變形也可以通過數據檢查、測點外觀檢查和相鄰測點變形關系分析發現。出現測點碰撞變形后，可以通過測點重新布設并補充測量進行修正。由于測量錯誤、測點或基準點被碰變形的變形有較大的不確定性，大量的沉降觀測結果顯示，大多數假變形引起的變形速率通常會明顯高于表1 所列的正常沉降速率水平，或表現出異常隆起。

經過去偽存真，排除失真變形，才能真正有效地發現真變形，并進一步查明原因，制定對策，消除隱患。對異常數據進行分析的故障樹模型以及對異常數據的處置措施如圖2所示。

圖2 異常數據故障樹

鐵路工程建設中采用鐵路沉降觀測信息系統對沉降觀測予以信息化管理，測量結果實時上傳平臺，統一管理［5］。該系統采用本文提出的方法，在采集到每日沉降觀測數據后，實時進行異常數據判識和分級提醒。如果出現提醒，首先應由測量工程師檢查是否出現了測點被碰、基準點被碰變形、測量錯誤等測量問題，排除假變形。若確認是真變形，應會同路基專業工程師，綜合地質情況、施工過程、周圍環境變化等信息，根據異常數據的空間、時間特征，進行綜合分析，查明變形源頭，采取相應的處置措施。

4 結語

1）多數路基變形異常都會在沉降速率上有所顯現，且地基沉降發展過程中任一時刻的沉降速率與剩余沉降之間為正相關，可以針對路基沉降不同發展階段設置相應的沉降速率提醒閾值，以在路基施工過程中及時發現異常并及早處置，最終實現路基沉降控制目標。

2）路基沉降速率與剩余沉降之間的具體數值關系主要受地基排水固結性質和總沉降影響。從控制工后沉降的角度，需要特別關注的是變形大且固結速度慢的地基，這種地基的沉降速率可能在沉降變形發展的中后期仍居高不下。本文根據不同條件下路基沉降發展的特點，提出了沉降速率提醒閾值。

3）路基沉降觀測結果異常不僅包含路基實體結構發生的異常變形，還包含測量錯誤、測點或基準點被碰撞變形等測量自身問題導致的假變形。出現異常提醒時，應綜合分析、妥善處置。