明祖濤，游振興，張 屆，阮汝偉

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074)

高速鐵路橋隧沉降預測模型的研究

明祖濤，游振興，張 屆，阮汝偉

(中國地質(zhì)大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074)

高速鐵路線下橋梁、隧道結(jié)構(gòu)不同，導致沉降規(guī)律差別很大，須分別進行研究。根據(jù)高速鐵路橋隧沉降小量級、大波動的數(shù)據(jù)特點，對各種沉降預測方法進行系統(tǒng)研究，并結(jié)合實例，探索出與橋隧沉降相適應(yīng)的高精度、高穩(wěn)定性的預測方法，為今后高速鐵路橋隧的沉降預測提供參考和借鑒。

高速鐵路;沉降預測;三點法;GM(1，1)模型

一、引 言

目前，我國高速鐵路的設(shè)計時速為 250～380 km/h，它具有高平順、高穩(wěn)定的特點。沉降變形預測方法中較為成熟的是基于實測的沉降-時間數(shù)據(jù)的推算法。具體可分為:屬于靜態(tài)預測的曲線擬合法，動態(tài)預測的灰色系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。對于高速鐵路小量級、大波動的沉降數(shù)據(jù)特點而言，缺乏相關(guān)經(jīng)驗。鑒于此，本文研究了基于實測的沉降-時間數(shù)據(jù)推算法的適用性。

二、高速鐵路橋隧的特點與沉降預測方法分析

1.高速鐵路橋隧的特點

橋梁是剛性構(gòu)筑物，具有高穩(wěn)定性的特征，而影響橋梁高平順性的因素很多，除了預應(yīng)力混凝土橋梁的徐變上拱、梁端轉(zhuǎn)角和不均勻溫差引起梁體結(jié)構(gòu)變形外，還應(yīng)考慮相鄰橋梁墩臺基礎(chǔ)的不均勻沉降。

隧道是藏于山體的連續(xù)剛性構(gòu)筑物，隧道內(nèi)基底的穩(wěn)定性是影響無碴軌道耐久性的重要因素。

2.沉降預測方法分析

目前，基于實測的沉降-時間數(shù)據(jù)的推算法，因其回避了理論計算的自身缺陷、計算參數(shù)值不準等因素，在各種工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對屬于靜態(tài)預測的規(guī)范雙曲線、修正雙曲線、三點法、Asaoka法和屬于動態(tài)預測的GM(1，1)等模型進行對比分析，指出適于橋隧沉降預測的方法。

三、橋隧沉降預測模型對比分析

本文選取某高速鐵路線下橋隧的觀測數(shù)據(jù)作為分析對象，對常用的沉降預測方法進行對比分析研究。模型的精度采用曲線回歸相關(guān)系數(shù)進行評定。

1.橋梁工程沉降預測模型對比分析

(1)橋梁沉降變形特征

橋梁地基處理方式一般為摩擦樁和柱樁，其表現(xiàn)形式為群樁，而群樁的基礎(chǔ)沉降變形性狀是樁-承臺-地基土之間相互作用的綜合影響結(jié)果，目前橋梁群樁基礎(chǔ)沉降的計算只局限于瞬時和最終沉降兩種情況，很少關(guān)注其沉降的時間效應(yīng)。通過大量的橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降觀測資料積累發(fā)現(xiàn)，隨著橋梁施工階段的不同，其沉降-時間曲線變化存在一定的規(guī)律。高速鐵路橋梁普遍采用預應(yīng)力混凝土簡支箱梁，其橋梁墩臺基礎(chǔ)的沉降變形特征表現(xiàn)為:隨著橋梁墩臺的澆筑，其沉降量隨荷載的增加近線性增減;墩臺施工完畢后至架梁期間，墩臺的沉降隨著簡支箱梁荷載的一次施加，其曲線出現(xiàn)明顯的拐點，沉降速率發(fā)生突變;架梁后一個月內(nèi)，由架梁荷載引起的沉降增量逐漸變小;架梁后兩個月以上，橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)預測模型對比分析

選取橋梁墩臺的兩個沉降變形觀測點作為研究對象，墩臺基礎(chǔ)為摩擦樁，變形觀測點里程為: DK0035+623、DK0039+487，對應(yīng)的沉降-時間曲線趨如圖1和圖2所示。

圖1 DK0035+623觀測點沉降-時間曲線

圖2 DK0039+487觀測點沉降-時間曲線

由圖1、圖2看出，架梁時由于荷載的一次性施加，橋墩基礎(chǔ)在較短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的沉降，沉降-時間曲線圖出現(xiàn)較大的拐點。架梁后橋梁處于恒載期，其沉降趨勢發(fā)展比較平緩，在恒載3個月以后基本處于收斂狀態(tài)。

在此采用規(guī)范雙曲線、修正雙曲線、三點法、Asaoka法和GM(1，1)模型對橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降進行預測，其中規(guī)范雙曲線只對恒載后數(shù)據(jù)進行預測，其他模型預測時間段為觀測時間點到觀測時間終點。各斷面變形觀測點預測殘差對比圖如圖3、圖4所示。

圖3 DK0035+623觀測點預測殘差對比圖

圖4 DK0039+487觀測點預測殘差對比圖

分析圖3和圖4得出，由于架梁前觀測數(shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)平滑度較高，GM(1，1)模型對其預測誤差較小;而規(guī)范雙曲線法預測誤差最大，主要原因是由于橋梁荷載變化不均勻造成的;三點法和Asaoka法預測誤差在GM(1，1)模型和修正雙曲線之間，總體上三點法預測情況好于Asaoka法。而對于架梁后的觀測數(shù)據(jù)而言，由于架梁后橋梁處于恒載期間，沉降發(fā)展趨勢不明顯，數(shù)據(jù)的小波動對GM(1，1)模型預測精度產(chǎn)生較大的影響，預測誤差較大，而其他模型預測誤差基本處于同一級別上。為了進一步研究各模型在橋梁墩臺沉降變形預測中的適用性，表1給出了各模型曲線回歸相關(guān)系數(shù)。

表1 曲線回歸相關(guān)系數(shù)

通過表2比較各模型曲線回歸相關(guān)系數(shù)，從總體上看，規(guī)范雙曲線只采用恒載后的觀測數(shù)據(jù)進行預測，避免了因架梁產(chǎn)生的曲線大波動的影響，其相關(guān)系數(shù)最高，滿足大于0.92的要求;三點法采用恒載期的數(shù)據(jù)進行建模，在一定程度上避免了拐點對其預測的影響，其相關(guān)系數(shù)基本滿足要求;Asaoka法相關(guān)系數(shù)基本滿足大于0.92的要求;修正雙曲線預測采用恒載前的大波動數(shù)據(jù)，其相關(guān)系數(shù)受數(shù)據(jù)波動的影響，相關(guān)系數(shù)很難滿足規(guī)范要求;GM(1，1)模型對曲線平滑度要求很高，而架梁產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大波動影響了模型的預測，其相關(guān)系數(shù)也很難滿足要求。通過以上分析，對于代表觀測斷面，在橋梁墩臺基礎(chǔ)沉降曲線全程預測時，三點法和Asaoka法預測容易達到規(guī)范要求，修正雙曲線和GM(1，1)模型容易受到數(shù)據(jù)大波動的影響，曲線回歸相關(guān)系數(shù)很難達到要求。

由于橋梁基礎(chǔ)沉降-時間曲線出現(xiàn)較大的拐點，為了更準確、更合理地預測橋梁基礎(chǔ)沉降的趨勢，應(yīng)對橋梁基礎(chǔ)沉降作兩個階段的曲線回歸分析。根據(jù)沉降-時間曲線，以拐點為分界點，對橋梁作兩個階段的沉降預測分析:第一階段對橋梁基礎(chǔ)沉降作全程的預測分析，確定其沉降發(fā)展趨勢;第二階段對架梁后(恒載后)的觀測數(shù)據(jù)作預測分析。綜合兩個階段的預測結(jié)果來確定橋梁基礎(chǔ)沉降的發(fā)展趨勢。

研究得出，對于橋梁基礎(chǔ)沉降的第一階段預測中，因其沉降-時間曲線出現(xiàn)較大的拐點，GM(1，1)模型要求觀測數(shù)據(jù)平滑度較高而不適用，修正雙曲線因橋梁荷載的不均勻變化造成其曲線回歸相關(guān)系數(shù)很難達到規(guī)范要求。三點法由于只采用了恒載期的觀測數(shù)據(jù)進行預測，在一定程度上避免了拐點對曲線回歸相關(guān)系數(shù)的影響，其曲線回歸相關(guān)系數(shù)基本能滿足規(guī)范要求，Asaoka算法的曲線回歸相關(guān)系數(shù)基本能滿足大于0.92的要求。因此，在橋梁沉降預測的第一階段，首選三點法，其次為Asaoka算法。在橋梁沉降預測的第二階段，即評測時間起點為恒載后，因其沉降發(fā)展趨勢較為平緩，而數(shù)據(jù)波動較大，所以規(guī)范雙曲線對此情況不適用。根據(jù)對路基的預測模型對比分析情況，預測時間起點對相關(guān)系數(shù)的影響規(guī)律，對橋梁的第二階段的預測同樣適用，因此，在橋梁的第二階段的預測中，三點法作為優(yōu)選預測方法，同時兼顧修正雙曲線和Asaoka算法來修正。

2.隧道工程沉降預測模型對比分析

(1)隧道沉降變形特征

隧道開挖后，由于圍巖應(yīng)力得到釋放，隧道底板基礎(chǔ)巖體呈隆起趨勢。隨著隧道施工的進一步開展，隧道底板的回彈變形慢慢趨于穩(wěn)定。當隧道施工進行到二次襯砌時，隨著襯砌荷載的一次性施加，隧道線下結(jié)構(gòu)開始沉降，達到一定時間后沉降趨于穩(wěn)定。

(2)預測模型對比分析

選取某高速鐵路一處隧道2個變形觀測點作為研究對象，圍巖級別均為V級，變形觀測點的斷面里程為:DK0034+568、DK0034+653，沉降變形觀測點沉降-時間曲線如圖5和圖6所示。

圖5 DK0034+568(左)觀測點沉降-時間曲線

圖6 DK0034+653(左)觀測點沉降-時間曲線

結(jié)合圖5、圖6可以看出，觀測點的沉降變形根據(jù)隧道施工階段可劃分為兩個階段:隧道二次襯砌前，線下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形，沉降-時間曲線呈隆起狀態(tài);二次襯砌完成后，隧道線下結(jié)構(gòu)開始下沉。因此，在進行預測時，需要指定預測的分界點，運用不同的預測方法分別對兩段曲線進行擬合。此處選取的分界點為隧道線下結(jié)構(gòu)開始下沉之日，各觀測點預測殘差對比如圖7和圖8所示。

圖7 DK0034+568(左)觀測點預測殘差對比圖

圖8 DK0034+653(左)觀測點預測殘差對比圖

綜合分析圖7和圖8，從整體上看，三點法預測情況較好，預測誤差較小，其次為修正雙曲線，對后期數(shù)據(jù)預測精度與三點法處于同一級別，Asaoka法預測精度不穩(wěn)定，主要是受到了預測計算前對原始數(shù)據(jù)的平滑處理的影響。同樣，GM(1，1)模型受到了數(shù)據(jù)平滑度的影響，預測精度的穩(wěn)定性較差。為了進一步研究各模型在隧道線下結(jié)構(gòu)沉降變形預測中的適用性，表2給出了各模型的曲線回歸相關(guān)系數(shù)。

表2 曲線回歸相關(guān)系數(shù)

從表2分析得出，對于選取的兩個斷面，三點法整體預測情況較好，預測精度的穩(wěn)定性高，曲線回歸相關(guān)系數(shù)較高;其次是修正雙曲線，雖然其在負沉降數(shù)據(jù)期間預測誤差偏大，但后續(xù)預測情況較好，曲線回歸相關(guān)系數(shù)能滿足要求;規(guī)范雙曲線在數(shù)據(jù)較好的情況下預測良好，曲線回歸相關(guān)系數(shù)也能達到規(guī)范要求。而Asaoka算法和GM(1，1)模型容易受到數(shù)據(jù)平滑度的影響，預測精度的穩(wěn)定性欠佳，再次證明了此前的研究成果可靠。綜合以上的研究得出:對于隧道第二階段的沉降預測，本文首選三點法，修正雙曲線作為次選方法;當三點法預測結(jié)果發(fā)生較大偏差時，用修正雙曲線進行修正。

四、結(jié)束語

本文通過結(jié)合某高速鐵路橋隧的沉降變形觀測數(shù)據(jù)，分別用規(guī)范雙曲線、修正雙曲線、三點法、Asaoka法和GM(1，1)模型進行預測分析，研究各模型在橋隧沉降變形預測中的適用性、準確性和穩(wěn)定性。最后得出:

1)對于橋梁而言，應(yīng)對其分兩個階段進行沉降預測分析，在第一階段，本文首選三點法，其次為Asaoka算法;在第二階段，首選三點法，其次為修正雙曲線。

2)對于隧道而言，根據(jù)隧道的沉降-時間曲線，同樣應(yīng)對隧道沉降分兩個階段進行，對于第二階段的沉降預測，三點法能較好地反映其沉降發(fā)展趨勢，相關(guān)系數(shù)較高作為首選方法，修正雙曲線作為次選方法。

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The Research of Settlement Prediction Model for the Bridge and Tunnel on High-speed Railway

MING Zutao，YOU Zhenxing，ZHANG Jie，RUAN Ruwei

0494-0911(2011)08-0017-03

TU196

B

2011-05-10

明祖濤(1969—)，男，湖北武漢人，副教授，主要從事精密工程測量與變形監(jiān)測的教學與研究。