深季节冻土地区铁路路基施工变形监控研究.pdf

·线路／路基·收稿日期：２０１６０２１９基金项目：铁道部科技研究开发计划（２０１１Ｇ０２６Ａ线）深季节冻土地区铁路路基施工变形监控研究李　东１　杨志浩２（１．中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司　黑龙江哈尔滨　１５０００１；２．石家庄铁道大学　河北石家庄　０５００４３）摘　要　针对深季节冻土区冻胀融沉对路基施工的影响，选取哈齐客运专线中典型断面进行现场施工监测，对变形规律进行了分析。结果表明：路基变形表现出明显的不均匀性，最大变形位置在其靠近阳面一侧而不是路基中心；路基面冻胀量很小，最大为　　１．６３ｍｍ，表明路基抗冻胀填料效果很好；预测最大工后沉降　　４．２ｍｍ，满足我国无砟轨道高速铁路的设计要求。关键词　深季节冻土地区　铁路路基　沉降变形　监控研究中图分类号　　　Ｕ２１３．１文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）增　１０２８３０４　　　　　　　　ＳｔｕｄｙｏｎＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＲａｉｌｗａｙＳｕｂｇｒａｄｅ　　　　　ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＤｅｅｐＳｅａｓｏｎａｌＦｒｏｓｔＲｅｇｉｏｎＬｉＤｏｎｇ１，　　ＹａｎｇＺｈｉｈａｏ２（　　　　　　　　　　１．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＦｏｕｒｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，　　ＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５０００１　，Ｃｈｉｎａ；　　２．ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＴｉｅｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＨｅｂｅｉ０５００４３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　　　　　　　　　Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｈｅａｖｉｎｇａｎｄｔｈａｗｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｂｇｒａｄｅｉｎｄｅｅｐｓｅａｓｏｎａｌｆｒｏｓｔｒｅｇｉｏｎ，　　　ａｎｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｈａｄｂｅｅｎ　　　　ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｔｙｐｉｃａｌ　　　　　　　　　　ｓｅｃｔｉｏｎｉｎＨａｒｂｉｎＱｉｑｉｈａｒＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄＬｉｎｅ．Ｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ线ｉｓ　　　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，　　　　　　　ａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆｓｕｂｇｒａｄｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｇｉｖｅｎ，　　　①℃②　③　　①② ·　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｔｉｏｎａｐｐｅａｒｅｄｎｅａｒｔｈｅｓｕｎｎｙｓｉｄｅｒａｔｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｓｕｂｇｒａｄｅ．Ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｆｒｏｓｔｈｅａｖｉｎｇｗａｓｑｕｉｔｅｓｍａｌｌ，　　ｏｎｌｙｔｏａ　　　　①℃②　③　　　，　ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔ　ｔｈｅａｎｔｉｆｒｏｓｔ线　　　　　　ｒｏａｄｂｅｄｆｉｌｌｅｒｗｏｒｋｅｄｗｅｌｌ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｓｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ线　　　　ｗａｓｆｏｒｅｃａｓｔｅｄｔｏ４．２ｍｍ，　　　　　　　　　　　ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ．线　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ｄｅｅｐｓｅａｓｏｎａｌ　ｆｒｏｓｔｒｅｇｉｏｎ；　ｒａｉｌｗａｙｓｕｂｇｒａｄｅ；　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；　　 ②② ①　　哈齐客运专线是从哈尔滨市向西北方向经肇东、大庆等城市，终点到齐齐哈尔市，线路全长　２８１ｋｍ，属于深季节性冻土地区。沿线分布的第四系松散堆积层，地下水较丰富，主要含水层为砂类土及碎石类土。风速最大可以达到　　　２１．７～２４．７ｍ／ｓ，积雪可达　　　１３～２４ｃｍ　厚，冻结深度可达　　　１８９～２７２ｃｍ。深季节性冻土地区无论在既有线路运营过程中还是在新线施工建设过程中，由于冻胀融沉作用都使路基产生了较多病害，如翻浆冒泥、不均匀变形及纵向裂缝等，严重制约着铁路的运行安全及新线的施工进度［　１－５］。为此本文在哈齐客运专线第五标段路基施工现场设置监测断面，开展在深季节冻土地区的路基施工变形监测。为深入了解路基在冻融循环以后的变形规律，分析变形机理，以及提出更好的控制措施以保证施工质量提供了指导依据。　　１监测设计　　　１．１监测目的（１）实时监测施工中路基施工沉降和冻胀融沉变形量，以保证施工质量，提高效率；（２）分析测得的大量现场数据以掌握路基在施工过程中的变形规律，为工后沉降的变化趋势提供依据；（３）为模拟路基沉降的仿真模型提供参数及后续验证。　　１．２监测方案　　　１．２．１基准点的布设基准点应在施工前埋设，待其稳定后方可使用，在监测期间，应对基准点进行定期联测，检验其３８２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·线路／路基·稳定性和准确性。基准点应埋设在施工影响范围以外的地方，最好选在视线比较开阔的地方，同时基准点一定要牢固可靠，基准点埋设见图　１（ａ）。　　１．２．２测点布设（１）测点布置每个断面分别在路基底面和路基表面布置测斜管，在路基表面还布置了观测桩以便进行校核。用水平测斜仪和电子水准仪测试路基底面和路基表面的竖向变形。由于高速铁路的路基压实质量很高，填土部分的压缩量很小且很快完成，可以忽略不计，因此路基底面竖向变形即是施工沉降，路基表面竖向变形减去路基底面竖向变形即为冻胀融沉量。监测断面设计及测试元件布置如图　１（ｂ）和图　１（ｃ）所示［　６－７］。其中　　ＤＫ２２０＋７５０　断面的剖面管于　２０１０　年　１１　月底埋设完毕，　ＤＫ２２１＋１５０　断面的剖面管于　２０１１　年的　７　月　１０　日埋设完毕。图　　　１基准点埋设及测点布置　　　（２）测试仪器及埋设通过对国内外常用的沉降桩法、沉降杯法、沉降板法监测仪器和方法进行对比，最终采用水平测斜仪对该断面进行沉降监测。水平测斜仪可以测量路基内部不同深度、不同位置处的沉降值，具有精度高、方便快捷的优点。沉降管的埋设要精心设计，从开槽到　图　２测斜管的埋设图最后填土压实过程中的每一个环节都要对准方向，且管子周围的用土也要埋设中粗砂等保护用土，充分保护沉降管在之后施工过程中不被破坏，图２为测斜管的部分埋设过程。　　１．２．３监测方法及频率具体仪器按照标准操作规程进行操作，且为提高测试精度、消除误差，采用正反测试的方法来测量结果。监测频率：刚填筑完第一层时进行测试，以后每　　３ｄ　测试一次，每填筑一层也测试一次，测试　６　个月后每　　１０ｄ　测试一次，１　年后每一个月测试一次。　２监测数据分析　　２．１路基变形分析　　　２．１．１路基施工变形分析引起路基施工变形的因素有很多，例如施工质量、外部水源补给、路基填土压密不均匀等［　８－１２］。由图　３　路基底面施工沉降曲线图可知，该地区路基基底的变形规律大致呈中间较大两边相对较小的规律，与其他一般地区的铁路路基施工过程中的沉降规律相似。随着填筑层数的增加，各层土体的沉降变形随之变大，但在前　５　层施工过程中规律不明显，随着填筑施工的继续推进，规律越来越明显，呈现出路基中间位置变形大，两端位置变形较小的现象，并且路基左侧的变形量要大于路基右侧，原因为路基在填筑过程中，虽然各层压实度都不小，但是上面的土体会对下面的土体施加一个竖向荷载，由于路基两侧上没有侧向约束，且土性不均匀，导致土体在断面上各点处的应力分布和自重应力大大不同，从而导致应力集中和边坡应力下降，产生剪切变形，最终会出现变形如此不均匀的现象。图　　３路基施工沉降曲线　　　２．１．２路基冻融变形分析路基的冻胀融沉变形与多种因素有关，如所处的地理环境、路基设计结构、寒冷气候及填料种类４８２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·线路／路基·等。为了使剖面管测得的数据精确，进行了室内标定。从　２０１１　年　７　月　１３　日开始到　２０１１　年　９　月　２６　日为止，通过对　　ＤＫ２２０＋７５０　断面剖面管施工期间共进行的　２８　次测试，对　　ＤＫ２２１＋１５０　断面剖面管的　７２次测试，对　　ＤＫ２２１＋１５０　断面观测桩和沉降板的　５３次测试数据处理后，发现监测断面路基变形有以下２　个特点。（１）变形分为冻胀、融沉两个部分，并伴随着缓慢的施工沉降，路基的融沉变形和冻胀变形都表现出非常的不均匀性。该断面在　１２　月底就开始预压，其预压土约为　　３．５ｍ　高，根据地温监测数据得知路基中心基本上一直处于正温，所以路基中心基本没有发生冻胀现象。取沉降为正值，路基表层变形值减去路基底层的变形值即为路基的冻胀融沉值，由此可以得到路基的冻胀融沉变形曲线，见图　４。可以看出，监测路基的冻融变形随时间变化的规律如下。图　　４左右两侧路基冻胀融沉曲线　①随着冬季的到来，路基会出现冻胀变形，路基在　　　℃－１１～－１５（１２　月底到翌年　２　月初之间）进入剧烈冻胀变形时期，但幅度较小且冻胀时间短，该测试断面路基右侧最大冻胀量为　　１．６３ｍｍ，左侧最大冻胀量为　　１．３１ｍｍ。②随着春天气温的升高，路基开始表现出融沉，从　４　月到　８　月，融沉量就有　　０．４ｍｍ　左右，随着时间的推移，变形趋势减缓，且短时间内没有停止。③路基阳面的融沉量比阴面大，而冻胀量比阴面小。（２）该测试断面路基横断面上的变形存在显著的不均匀性，阳面一侧的整体变形量要明显大于阴面，路基的最大变形位置在路基靠近阳面一侧，而不是路基中心。图　５　表示　　ＤＫ２２１＋１５０　断面路基表面各点位的施工沉降随时间变化曲线，可以看出该断面路基的沉降变形曲线两侧的差异较大，阳面的变形幅度要大于阴面，原因由于阳面的冻胀融沉耦合作用要大于阴面。图　　５路基表面各点位随时间沉降变化曲线　　２．２工后沉降分析　ＤＫ２２０＋７５０　断面处路基填筑期间的施工沉降变化如图　６　所示，在填土初期地基沉降速率较大，堆载完成以后，沉降速率放缓，随着时间的推移沉降逐渐趋于稳定。在路基填筑施工期间，随着填筑层数的增加，路基沉降明显增大，当填筑完毕后路基沉降速率逐渐放缓。在　９　月初路基沉降骤然增大是由于刚填筑完毕时下了场大雨，路基的含水率增大，所以出现突然下沉现象。后期的沉降速率减缓，且到七八个月后路基的沉降量开始趋于稳定。根据变形曲线图可以估计工后沉降值。采用双曲线法，沉降与时间的关系可表示为：　　Ｓ＝ｔ／（　ａ＋ｂｔ）（１）　　变换为直线形式：　ｔ／ｓ　＝ａ＋ｂｔ（２）　　根据式（２）变换测试数据，得到一条拟合直线。对于　ｔ　趋于无穷大，求　Ｓ　的极限，根据洛必达法则　　１／ｂ即为最终沉降量。根据算得的最终沉降量及观测数据得到的竣工沉降量，就可求出预测工后沉降值。根据观测数据按上式计算得到图　６　断面存在工后沉降最大值　　４．２ｍｍ，满足高速铁路对工后沉降的要求。图　　６路基填筑期间基底各点位变形随时间变化　３结论（１）路基两侧的变形规律纵向上比较接近，整个断面来讲左侧比右侧融沉量大，冻胀量小。本文测试周期内该监测断面路基冻胀现象不明显且时间很短，融沉变形较为显著且持续时间较长，最大冻胀量为　　１．６３ｍｍ：明抗冻胀填料的效果很好，能很好地保证铁路的平顺性运行。５８２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）·线路／路基·（２）深季节性冻土路基冻胀变形时间主要集中在　１１　月底到翌年　３　月之间，融沉变形时间主要在　４月初到　７　月份之间，其他时间路基的变形处于冻胀或者融沉变形的缓慢过渡时间。（３）无论在施工填筑阶段还是在工后沉降阶段，监测断面路基变形均表现出两边小、中间大的规律，且最大变形位置在靠近阳面路肩的位置处。（４）预测得到的工后沉降值很小，最大值为　４．２ｍｍ，证明监测路基满足我国高速铁路不超过　１５ｍｍ工后沉降的设计要求。参考文献［１　］　　③③·③① ，　ＷａｎｇＳｈｕａｎｇｊｉｅ，　③① ②①·　② ｇ．　　Ｓｕｂｇｒａｄｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｅｃａｓｔ　　ｏｆｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌ　ｂａｓｅｄｏｎ　ｐｈａｓｅｓｐａｃｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　［Ｊ　］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄ　① ①②  ② ② ，２００５，５（２）：　３５－３８．［２］　　① ②·① ，　　③① ·③  ③　②①　ｏｆ　　　②③　②①② 　ｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌｓｕｂｇｒａｄｅ　［Ｊ　］．ＣｈｉｎａＪｏｕｒｎａｌ　　　ｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ，２００１　，１４（４）：　５－８．［３］　ＬｉＮｉｎｇ，　ＸｕＢｉｎ，　　　ＣｈｅｎＦｅｉｘｉｏｎｇ．Ｃｏｕｐｌｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，　　　　　　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｆｏｒｆｒｏｚｅｎｓｏｉｌｒｏａｄｂｅｄ　［Ｊ］　．ＣｈｉｎａＪｏｕｒｎａｌ　　　ｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ２００６，１９（３）：７．［４］　张先军．哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３（７）：　８－１２．［５］　程博华．铁路路基病害的成因与整治措施［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１１（２）：　６５－６７，８２．［６］　岳祖润，刘尧军，李忠．青藏铁路高原冻土区段路基沉降变形和地温监测［Ｊ］．铁道标准设计，２００３（４）：　２６－２７．［７］　牟俊杰，翁晓丽．武广客运专线路基沉降变形观测及沉降估算［Ｊ］．铁道建筑技术，２００８（５）：　３１－３７，４１．［８］　魏强．高速铁路沉降与变形分析及对策［Ｊ］．铁道建筑，２０１５（１０）：　１３－１８．［９］　崔振东，唐益群．国内外地面沉降现状与研究［Ｊ］．西北地震学报，２００７，２９（３）：　２７５－２７８．［１０］石刚强，赵世运，李先明，等．严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析［Ｊ］．冰川冻土，２０１４，３６（２）：　６０－３６８．［１１］石刚强，王繤．哈大客运专线路基填料冻胀性试验研究［Ｊ］．铁道建筑，２０１１（１０）：　６１－６３．［１２］吴明友，叶阳升．路基压实参数及其工程意义［Ｊ］．铁道建筑技术，２００４（５）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪　１－５．　　（上接第　２７６　页）　５结论通过研究北京枢纽内铁路资源利用情况，对既有铁路线资源能力进行分析，注重点线能力的协调，研究富余能力与北京市有关需求的匹配关系，以及考虑铁路部门关于客、货运的规划等因素，对京承铁路开行市郊列车的可行性进行综合分析，以充分利用既有线路的运输能力，实现对既有交通资源的最大化利用，使之适应市场对轨道交通发展的需要，有效提高线路的经济效益，进一步发挥其在区域国民经济发展中的重要意义和作用。本项目实施后将有利于盘活铁路系统存量资产，提高铁路建设的经济效益，并以其安全、快捷、舒适的运输优势有力推进地区及沿线旅游资源的开发和北京市旅游精品战略的实施。参考文献［１］　中铁第五勘察设计院集团有限公司．北京市郊铁路发展课题研究［Ｒ］．北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，２０１５．［２］　铁道第三勘察设计院集团有限公司．北京铁路网资源利用规划研究［Ｒ］．北京：铁道第三勘察设计院集团有限公司，２０１２．［３］　铁道第三勘察设计院集团有限公司．北京铁路枢纽总图规划修编［Ｒ］．天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，２０１５．［４］　北京市工程咨询公司．京津冀城市群综合交通规划（北京篇）［Ｒ］．北京：北京市工程咨询公司，２０１２．［５］　　　　ＧＢ５００９－２００６铁路线路设计规范［Ｓ］．［６］　中铁第一勘察设计院集团有限公司．改建铁路包头枢纽环线开行市郊列车可行性研究［Ｒ］．西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，２０１５．［７］　中铁第四勘察设计院集团有限公司．改建铁路上海铁路枢纽上海南至金山扩能改造工程可行性研究［Ｒ］．武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，２００９．［８］　李亮．宿州市快速轨道交通线网规划研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（８）：　２４－２６．［９］　矫恒．盐城地区铁路建设规划探讨［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（１０）：　１－３．［１０］　　　!\"#\"!$高速铁路设计规范［Ｓ］．［１１］　　　!\"\"#\"!$城际铁路设计规范［Ｓ］．［１２］铁道第四勘察设计院．铁路工程设计技术手册站场及枢纽［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００６．６８２铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（增１　）