牛海鵬，譚志祥，鄧喀中，侯永會(huì)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;2.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043)

無砟軌道要求線下工程沉降基本穩(wěn)定或達(dá)到無砟軌道鋪設(shè)條件后才能開始進(jìn)行無砟軌道的鋪設(shè)工作，這就要求在客運(yùn)專線建設(shè)中必須對(duì)線下工程進(jìn)行沉降變形觀測(cè)工作［1］。沉降觀測(cè)應(yīng)在墩臺(tái)建成后立即埋設(shè)沉降觀測(cè)標(biāo)志進(jìn)行不間斷的觀測(cè)，以得到墩臺(tái)的沉降曲線，并預(yù)測(cè)墩臺(tái)的最終沉降量，滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行無砟軌道的鋪設(shè)工作［2-3］。線下工程沉降變形觀測(cè)成為控制工程進(jìn)度的關(guān)鍵工序。為獲得有效的沉降數(shù)據(jù)，在對(duì)鐵路專用線沉降監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)進(jìn)行分析后，以河北某地鐵路專用線為例，對(duì)該線路的路基沉降情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。研究成果為無砟軌道鐵路專用線的沉降監(jiān)測(cè)提供了一種新的方法。

1 工程概況

客運(yùn)專線路基地基采用直徑50 cm的CFG樁加固，樁間距1.5 ～1.8 m，樁長(zhǎng)為7～12 m;CFG樁頂橋臺(tái)過渡段80 m采用樁板結(jié)構(gòu)，其余地段采用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu);基床表層為級(jí)配碎石，厚0.4 m;基床底層填筑物最大粒徑不大于10 cm，厚2.3 m，路堤本體填筑最大粒徑不大于15 cm。路堤基床底層填筑完成，基床表層填筑前填筑預(yù)壓土，預(yù)壓土高度3.0 m。

2 路基沉降觀測(cè)精度要求及監(jiān)測(cè)頻度

2.1 路基沉降觀測(cè)精度

根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)程》［4］，路基沉降觀測(cè)水準(zhǔn)測(cè)量的精度為±1.0 mm，讀數(shù)取位至0.1 mm;剖面沉降觀測(cè)的精度應(yīng)不低于8 mm/30 m，橫剖面沉降測(cè)試儀最小讀數(shù)不大于0.1 mm。

2.2 路基沉降觀測(cè)頻度(見表1)

表1 路基沉降觀測(cè)頻次

此客運(yùn)專線的路基沉降應(yīng)結(jié)合該工程的實(shí)際情況以及不同的階段確定其觀測(cè)頻度。其施工階段分為填筑或堆載階段、堆載預(yù)壓或路基施工完畢階段、無砟軌道鋪設(shè)后共三個(gè)階段。其各階段的觀測(cè)頻次應(yīng)不低于表1的規(guī)定。

3 路基沉降測(cè)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑沉降變形測(cè)量規(guī)程》［4］的規(guī)定在點(diǎn)位布設(shè)中各部位觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在同一橫斷面上，便于集中觀測(cè)，統(tǒng)一觀測(cè)頻率，更重要的是便于各觀測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的綜合分析。

沉降變形觀測(cè)水準(zhǔn)網(wǎng)的建立按照聯(lián)測(cè)和觀測(cè)方便的原則沿線左右進(jìn)行了布設(shè)，且該地視野廣闊，沒有遮擋，利于觀測(cè)。在保證滿足沉降觀測(cè)的精度要求的基礎(chǔ)上，該路基沉降測(cè)量點(diǎn)位的設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合施工方案與監(jiān)測(cè)主斷面的條件且應(yīng)盡量保證不浪費(fèi)資源。路基沉降監(jiān)測(cè)斷面根據(jù)不同的地基條件、不同的結(jié)構(gòu)部位等具體情況設(shè)置。沉降監(jiān)測(cè)斷面的間距不大于50 m，對(duì)于地勢(shì)平坦、地基條件均勻良好、高度＜5 m的路堤或路塹可放寬到100 m;對(duì)于地形、地質(zhì)條件變化較大地段適當(dāng)加密。路堤與不同結(jié)構(gòu)物的連接處應(yīng)設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)路橋過渡段在距離橋頭5，15，35 m處分別設(shè)置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)橫向結(jié)構(gòu)物每側(cè)各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

通過對(duì)該客運(yùn)專線的實(shí)地考察并結(jié)合觀測(cè)的精度要求與施工技術(shù)決定對(duì)該客運(yùn)專線路堤地段采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型監(jiān)測(cè)斷面，Ⅱ型斷面僅在橋頭布置，一般每間隔3個(gè)Ⅰ型監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置一個(gè)Ⅲ型監(jiān)測(cè)斷面。這樣既保證了觀測(cè)精度又避免了資源的浪費(fèi)，更重要的是便于各觀測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的綜合分析。

圖1所示Ⅰ型監(jiān)測(cè)斷面包括沉降監(jiān)測(cè)樁和沉降板。沉降監(jiān)測(cè)樁每斷面設(shè)置5個(gè)，施工完基床底層后，預(yù)壓土填筑前，距左、右線中心4.7 m處于基床底層頂面埋設(shè)2個(gè)沉降監(jiān)測(cè)樁，其余3個(gè)于基床表層施工完成后布置于雙線路基中心及距兩側(cè)路肩1 m處的基床表層頂面上;沉降板位于路堤中心，基底鋪設(shè)碎石墊層的地段埋設(shè)于墊層頂面，基底設(shè)混凝土板地段置于板頂面，隨填土增高而逐漸接高測(cè)桿及保護(hù)套管。

圖2所示Ⅱ型監(jiān)測(cè)斷面包括沉降監(jiān)測(cè)樁和定點(diǎn)式剖面沉降測(cè)試壓力計(jì)。沉降監(jiān)測(cè)樁每斷面設(shè)置5個(gè)，埋設(shè)方法同Ⅰ型監(jiān)測(cè)斷面;定點(diǎn)式剖面沉降測(cè)試壓力計(jì)位于路堤中心，基底鋪設(shè)碎石墊層的地段埋設(shè)于墊層頂面，基底設(shè)混凝土板地段置于板頂面。

圖3所示Ⅲ型監(jiān)測(cè)斷面包括沉降監(jiān)測(cè)樁、沉降板和剖面管。沉降監(jiān)測(cè)樁每斷面設(shè)置3個(gè)，布置于雙線路基中心及距兩側(cè)路肩1 m處的基床表層頂面上;沉降板位于路堤中心，底板埋設(shè)于基床底層頂面上，隨填土增高而逐漸接高測(cè)桿及保護(hù)套管，橫剖面管埋設(shè)于路堤基底碎石墊層頂面處。

圖1 路堤沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(Ⅰ型)(單位:m)

圖2 路堤沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(Ⅱ型)(單位:m)

圖3 路堤沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(Ⅲ型)(單位:m)

路堤與橫向結(jié)構(gòu)物過渡段，于橫向結(jié)構(gòu)物頂部沿橫向結(jié)構(gòu)物的對(duì)角線方向鋪設(shè)剖面沉降管。橫向結(jié)構(gòu)物兩側(cè)外邊緣各2 m處設(shè)置一個(gè)I型觀測(cè)斷面，平面布置見圖4(Ⅳ型)。

路塹地段均采用堆載預(yù)壓，見圖5采用Ⅴ型監(jiān)測(cè)斷面，分別于路基中心，距兩側(cè)路肩1 m處各設(shè)1根沉降監(jiān)測(cè)樁，路基中心設(shè)沉降板，底板置于基床底層頂面，觀測(cè)路基面的沉降。

圖4 路堤沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(Ⅳ型)(單位:m)

圖5 路堤沉降監(jiān)測(cè)剖面元件布置示意(Ⅴ型)(單位:m)

4 路基沉降監(jiān)測(cè)方法

路堤沉降觀測(cè)首先應(yīng)滿足精度要求，根據(jù)《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》［6］有關(guān)規(guī)定要求，其限差規(guī)定及精度要求見表2。

表2 沉降觀測(cè)的各項(xiàng)限差規(guī)定及精度要求

每測(cè)站高差中誤差≤±0.5 mm;每測(cè)段往返較差或附合路線允許閉合差或(n為測(cè)站數(shù);L為水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度，以km計(jì));沉降觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于水準(zhǔn)基點(diǎn)高差中誤差≤±1.0 mm。

根據(jù)路堤沉降監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位布置，為滿足精度要求確定在整個(gè)沉降監(jiān)測(cè)過程中采用橫剖儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行橫剖面沉降觀測(cè)。每次觀測(cè)時(shí)，首先用水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)精度測(cè)出橫剖面管一側(cè)的觀測(cè)樁頂高程，再把橫剖儀放置于觀測(cè)樁頂測(cè)量初值，然后將橫剖儀放入橫剖管內(nèi)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)。

其水準(zhǔn)測(cè)量方法，按測(cè)量精度要求和頻次定期觀測(cè)沉降板測(cè)桿頂面測(cè)點(diǎn)高程。沉降板觀測(cè)時(shí)在測(cè)桿頭上套一個(gè)專用的測(cè)量帽。測(cè)量帽下部剛好套入測(cè)桿，測(cè)量帽上部中心為球型的測(cè)點(diǎn)。在沉降板測(cè)桿接高時(shí)，同時(shí)測(cè)量接高前后的測(cè)桿高程。按測(cè)量精度要求和頻次定期觀測(cè)路肩觀測(cè)樁頂面測(cè)點(diǎn)水準(zhǔn)高程。定點(diǎn)式剖面沉降測(cè)試壓力計(jì)直接采用便攜式工程測(cè)試儀讀取數(shù)據(jù)［5］。

在測(cè)量過程中，應(yīng)使用測(cè)量精度不低于±1.0 mm(每千米往返測(cè)高差中數(shù)的偶然中誤差)的自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，直接讀數(shù)精度為0.1 mm，估讀精度為0.01 mm。水準(zhǔn)標(biāo)尺應(yīng)采用與之配套的線條式銦瓦合金標(biāo)尺(尺長(zhǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可選擇1，2 m或3 m)，應(yīng)滿足《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》［6］有關(guān)規(guī)定要求，在沉降觀測(cè)前和沉降觀測(cè)過程中的規(guī)定時(shí)間段應(yīng)對(duì)儀器和標(biāo)尺進(jìn)行檢定，成果合格才可以進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量;每次觀測(cè)采用相同的觀測(cè)路線和觀測(cè)方法;使用同一儀器和設(shè)備;固定觀測(cè)人員;在基本相同的環(huán)境和條件下進(jìn)行作業(yè)。

沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程測(cè)量采用從鄰近水準(zhǔn)基點(diǎn)測(cè)至沉降觀測(cè)點(diǎn)，再閉合至鄰近另一水準(zhǔn)基點(diǎn)的附合水準(zhǔn)路線法。附合水準(zhǔn)路線法往返測(cè)的高差之差及附合路線閉合差均小于(L為兩相鄰水準(zhǔn)基點(diǎn)間的水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度，單位 km)，當(dāng)高差之差或閉合差超限時(shí)，必須分析原因，且進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，直至滿足要求［7］。

5 觀測(cè)結(jié)果及預(yù)測(cè)

通過對(duì)該鐵路線多次觀測(cè)，獲得了大量有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)鐵路線的后續(xù)沉降量對(duì)鐵路路線的施工和運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。該客運(yùn)專線施工已經(jīng)完成，經(jīng)過不同階段的觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可以階段性地了解路基的變形情況和總結(jié)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降變化情況。由于變形觀測(cè)點(diǎn)比較多，故只選取其中變形最大的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)測(cè)觀測(cè)沉降量推算最終沉降量方法主要有規(guī)范雙曲線法、修正雙曲線法、固結(jié)度對(duì)數(shù)配合法(三點(diǎn)法)、指數(shù)曲線法、Asaoka等八種方法［8］。目前常用三點(diǎn)法。

三點(diǎn)法是根據(jù)地基加固時(shí)觀測(cè)到的地面沉降或地基土分層沉降時(shí)間過程線推算地基的最終沉降量［9］并畫出評(píng)估曲線圖的方法之一，筆者根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)采用三點(diǎn)法進(jìn)行沉降分析與預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得到時(shí)間—沉降實(shí)測(cè)曲線及沉降變形評(píng)估曲線。

5.1 三點(diǎn)法基本原理

假定t時(shí)刻的沉降量st隨時(shí)間的發(fā)展過程可用下式進(jìn)行描述

式中 sd——瞬時(shí)沉降;

s∞——最終沉降量;

α、β——實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線回歸求得的系數(shù)。

從實(shí)測(cè)的s-t曲線上選擇停止加荷后的三個(gè)等時(shí)間間隔點(diǎn) t1、t2、t3，其點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降量為 S1、S2、S3，即 t2－t1=t3－t2，并且 t2－t1和 t3－t2盡可能大，同時(shí)，t3應(yīng)盡可能取在s—t曲線的末端，如圖6所示。

由式(1)可得

圖6 三點(diǎn)法推算沉降示意

推導(dǎo)可得最終沉降量為

另外可求得

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定 α，β，s∞和 sd后，可以利用式(1)計(jì)算任意時(shí)刻的st值。

5.2 最大沉降點(diǎn)分析

由于沉降觀測(cè)點(diǎn)比較多，選取區(qū)段中最大沉降點(diǎn)，該最大沉降發(fā)生于I型斷面上，實(shí)測(cè)沉降量為14.160 mm，預(yù)測(cè)最終沉降量為14.598 mm。對(duì)該點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，列出該點(diǎn)的時(shí)間—沉降實(shí)測(cè)曲線圖與三點(diǎn)法沉降評(píng)估曲線圖(圖7和圖8)。并選取該點(diǎn)大部分的沉降數(shù)據(jù)列于表3中。

表3 最大沉降點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)

從圖7中可以看出在填筑階段下沉速度均勻增加，在堆載預(yù)壓或路基施工完畢后下沉速度趨于穩(wěn)定，在每次有下沉速度突然增大均為路基施工或是頂板填土?xí)r，但是在該階段施工完成后下沉速度趨于穩(wěn)定。從圖8中可以看出，采用三點(diǎn)法進(jìn)行沉降評(píng)估在填筑堆砌階段由于沉降很不穩(wěn)定，預(yù)計(jì)不太準(zhǔn)確，但是用于預(yù)計(jì)該點(diǎn)的最終沉降量所得結(jié)果與觀測(cè)值相差較小。筆者編制了三點(diǎn)法沉降評(píng)估的通用計(jì)算程序，經(jīng)計(jì)算該點(diǎn)最終沉降量與預(yù)計(jì)沉降量相差0.438 mm。路基填筑完成后，預(yù)測(cè)時(shí)的沉降值與預(yù)測(cè)的最終沉降量(不包含結(jié)構(gòu)層引起的沉降量)之比大于75%，滿足《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南》［10］對(duì)沉降預(yù)測(cè)時(shí)間的要求。

圖7 時(shí)間—沉降實(shí)測(cè)曲線

圖8 三點(diǎn)法沉降評(píng)估曲線

5.3 路基沉降特征

路基沉降是由外荷載作用下路基本體的壓密沉降和基底以下地層的壓密沉降兩部分組成［11］。由于路基面沉降觀測(cè)樁一般在路基填筑完成后埋設(shè)，路基面沉降觀測(cè)樁所記錄的是自觀測(cè)樁埋設(shè)觀測(cè)起，路基面沉降隨時(shí)間的發(fā)展歷程，它只包括地基沉降和地基本體壓縮變形的一部分。

綜合圖8與表3可看出沉降實(shí)測(cè)曲線符合地基沉降發(fā)展的一般規(guī)律，路基填筑完成后，沉降隨時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)發(fā)展，但沉降速率遞減，并逐步趨于穩(wěn)定。

從實(shí)測(cè)得出，累積沉降和累積填土高度之間存在著一定線性關(guān)系，隨著頂板填土高度的增加，觀測(cè)點(diǎn)的總沉降值逐漸增加。在頂板填土后觀測(cè)點(diǎn)的沉降速率呈現(xiàn)由小到大增加達(dá)到某個(gè)值后速率逐漸減小的趨勢(shì)，其沉降速率的初值約等于零。截止2009年4月3日已觀測(cè)356 d。通過對(duì)2009年4月3日前的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為:沉降趨于穩(wěn)定，根據(jù)目前觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析、計(jì)算出的工后沉降量小于容許工后沉降量。因此，本段路基沉降變形滿足評(píng)估條件及可以提前卸載的各項(xiàng)要求。

6 結(jié)語

1)地基沉降是鐵路客運(yùn)專線沉降變形觀測(cè)評(píng)估的基本內(nèi)容，但由于對(duì)地基沉降的規(guī)律及其工程意義認(rèn)識(shí)不足，觀測(cè)成果的運(yùn)用存在一些不足之處。本文結(jié)合實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分析了地基沉降的規(guī)律。

2)在對(duì)客運(yùn)專線沉降變形觀測(cè)特點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例詳述了客運(yùn)專線路基沉降測(cè)量的布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法，這對(duì)今后的施工具有指導(dǎo)作用。

3)編制了三點(diǎn)法沉降評(píng)估的通用程序，作出了三點(diǎn)法沉降評(píng)估曲線，并與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比。得出了三點(diǎn)法沉降評(píng)估曲線與實(shí)測(cè)曲線的差異。

4)采用三點(diǎn)法進(jìn)行沉降評(píng)估，計(jì)算出了該點(diǎn)最終沉降量與預(yù)計(jì)沉降量的差值，得出了該點(diǎn)預(yù)測(cè)時(shí)的沉降觀測(cè)值與預(yù)測(cè)的最終沉降量之比大于75%的結(jié)論，這對(duì)今后的施工進(jìn)程具有指導(dǎo)作用。

［1］丁建華.高速鐵路工程測(cè)量特點(diǎn)［J］.鐵道勘察，2009，5(4):1-4.

［2］王磊，謝欣.淺談高速鐵路路基沉降測(cè)量控制［J］.山西建筑，2007，33(34):297-298.

［3］郭磊.高速鐵路站場(chǎng)路基觀測(cè)實(shí)施及評(píng)估方法［J］.巖土工程，2010，5(27):63-64.

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ/T8—2007 建筑沉降變形測(cè)量規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［5］門學(xué)剛.高速鐵路沉降變形觀測(cè)精度控制實(shí)踐與分析［J］.建筑與工程，2009(35):737-738.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2005］754號(hào) 客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［7］張鵬翔.京滬高速鐵路路基沉降變形觀測(cè)與分析［J］.山西建筑，2010，36(26):279-280.

［8］全敏，黃恒禹.鐵路客運(yùn)專線路基沉降觀測(cè)及沉降估算［J］.大眾科技，2010(5):86-88.

［9］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2006］158號(hào) 客運(yùn)專線鐵路無砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［10］李明領(lǐng).武廣鐵路客運(yùn)專線路基工程設(shè)計(jì)與施工綜述［J］.鐵道建筑，2010(1):102-105.

［11］陳善雄，王小剛，姜領(lǐng)發(fā)，等.鐵路客運(yùn)專線路基面沉降特征與工程意義［J］.巖土力學(xué)，2010，31(3):702-726.