【導(dǎo)讀】高速鐵路路基沉降控制技術(shù)

　　

【正文】 擊壓實機對天然濕陷性黃土地基沖碾 40遍后，地表平均下沉量達 32cm以上，地表以下 80cm內(nèi)的平均壓實度達 85％，消除濕陷性深度可達 120cm以上． 影響路基沉降的因素 影響沉降穩(wěn)定的自然因素 地形 地形不僅影響路線的選定與線形設(shè) 計．也影響到路基設(shè)計。平原、丘陵、山嶺各區(qū)地勢不同，各區(qū)的水和溫度的情況也不相同。平原區(qū)地勢平坦，地面水易于積聚，地下水水位較高，因此路基需要保持一定的最小填土高度，力求不低于自然區(qū)劃和土質(zhì)所規(guī)定的臨界高度：丘陵區(qū)地勢起伏，山嶺區(qū)地勢陡峭。如果排水設(shè)計不當(dāng)，或地質(zhì)情況不良，易降低路基的強度與穩(wěn)定性，出現(xiàn)水毀、邊坡坍方、路堤沿山坡的滑動等壞現(xiàn)象。 氣候 氣候條件，如氣溫、降水、濕度、冰凍深度、日照、年蒸發(fā)量、風(fēng)向和風(fēng)力等，都影響路基水溫情況。在一年之中．氣候有季節(jié)性的變化，因此路基水溫情況也隨 之變化。氣候還受地形的影響，例如山頂與山腳、山南與山北，就有所不同。即所謂“小區(qū)地形與小區(qū)氣候”．因此路基水溫情況也有所差異。大氣的溫度變化使路基的溫度也發(fā)生相應(yīng)的變化．并造成土基內(nèi)不同深度處溫度出現(xiàn)差異。在溫度差的影響下，土基中的水分以液態(tài)或氣態(tài)由熱處向冷處轉(zhuǎn)移，并積聚或凝結(jié)在該處。從而使土基中的濕度分布發(fā)生變化．特別是在季節(jié)性冰凍地區(qū)，濕度積聚現(xiàn)象更為嚴重。 水文地質(zhì) 18 水文條件指地面徑流、河流洪水位、常水位及其排泄條件、有無積水和積水期的長短以及河岸的沖刷和淤積情況等。水文地質(zhì)條件指地 下水位、地下水移動情況、有無泉水、層間水等。所有這些。都會影響路基的穩(wěn)定性，如處理不當(dāng)，往往會導(dǎo)致路基出現(xiàn)各種病害 影響沉降穩(wěn)定的人為因素 荷載作用 作用于路基的荷載有路面路基的自重 (靜載 )和機車的輪重 (動載 )。靜載在土基內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力隨深度的增加而增加；相反，動載在土基內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力隨深度的增加而減少。且車型不同．動載在土基內(nèi)部的應(yīng)力作用深度也不相同。隨著交通運輸?shù)呐畈l(fā)展，交通量逐年增長，在很大程度上影響路基的穩(wěn)定性。 施工方法 正確的施工方法也是保證路基穩(wěn)定 性的重要因素。就土質(zhì)路堤而言，既要選擇良好的土填筑路基，同時還要選用正確的填筑方法和合適的施工機械。通常采用水平分層填筑法自下而上逐層填筑，并在土的含水量控制于最佳范圍同時進行充分壓實。保證達到《路基施工規(guī)范》規(guī)定的壓實度，使路基具有足夠的強度和穩(wěn)定性。相反，如果填筑方法不正確，壓實不充分。土基在車輛荷載的重復(fù)作用下就會出現(xiàn)不同程度的變形沉陷。從而造成路面破壞。 養(yǎng)護措施 養(yǎng)護措施包括一般措施及在設(shè)計、施工中未及時采用而在養(yǎng)護中加以補充的改善措施。通過及時養(yǎng)護可以保證路基在使用期限內(nèi)具有較高 的強度和穩(wěn)定性。 濕陷性黃土路基處理方法及效果評價 試驗段工程地基處理方法 試驗段工程地基處理方法對濕陷性黃土的地基處理應(yīng)達到兩個目的，其一是消除處理范圍內(nèi)的濕陷性，其二是提高地基承載力，提高地基的變形模量，減少壓縮 (固結(jié) ) 變形試驗段采用多種地基處理方法，改變黃土結(jié)構(gòu)，增加土密度，達到消除黃土的濕陷性的目的。 首先進行局部地表處理，挖除耕植土后，換填改良土和沖擊碾壓進行加固處理， 再采用樁基和碎灰土墊層處理，同時輔以土工布和土工格柵。坑墓穴處， 先挖出松 19 土，再用灰土夯填，然后再用鉆 灌注水泥砂漿進行填實處理。 地基處理效果方法 對濕陷性黃土地基處理的成功經(jīng)驗地分析研究得出：當(dāng)濕陷性黃土厚度不大于 3m時，灰土墊層種經(jīng)濟有效 的方法 (但一般需要較大的翻挖地，不利于冬、 雨季施工 ) 。深度相對較大 (4～ 6m且環(huán)境影響要求較低時，可選擇強夯法，但它的有效性與夯擊的最佳擊數(shù) (9～ 12擊 )、夯錘的底面積 (錘重 l0～ 15t，錘底面上靜壓力宜為 20～ 25 kPa )、及地基土的含水量 (最好為最優(yōu)含水量附近 )有關(guān)更大深度 (大于 8m) 宜選擇擠密樁(孔內(nèi)填以灰土或素土 )、攪拌樁或 CFG樁，這 些是處理厚濕陷性黃土地基的經(jīng)濟有效的方法，而且對調(diào)整地基的不均勻性和提高防水抗?jié)B性能也有一定的作用。因此在條件允許的情況下， 在試驗段進行現(xiàn)場試驗和長期觀測， 能更好地把握地基處理效果和路基變形規(guī)律。 濕陷性黃土路基的沉降控制措施 (1) 對試驗段濕陷性黃土、松軟土、地震液化土段地基，根據(jù)初步設(shè)計采用換填、強夯、灰土擠密樁、 CFG樁、水泥攪拌樁 、旋噴樁、碎石土墊層加鋪土工格柵等多種地基處理方法進行加固，消除黃土的濕陷性和地震液化土的液化性 ，并對松軟土進行加固經(jīng)檢測達到《京滬高速鐵路設(shè)計暫行 規(guī)定》和設(shè)計要求后轉(zhuǎn)入下道工序施工。 (2) 在基礎(chǔ)處理前首先進行局部地表處理，提高地基上部的密實度，減少路基的工后沉降?；A(chǔ)加固后保證地基系數(shù) K30≥ 90MPa／ m、壓實系數(shù) I (3) 路堤填筑按照“ 三階段、四區(qū)段、八流程”水平分層 ( 每層松鋪厚度不超過 30cm) 填筑。推土機粗平，平地機精平， YZ18～ 20型振動壓路機壓實；填料的最佳含水量、碾壓遍數(shù)、碾壓速度及鋪設(shè)寬度等按現(xiàn)場填筑試驗段確定的施工參數(shù)進行，根據(jù)壓實黃土的濕陷性隨含水量的減小而增加，隨干容重的增大而減小的試驗分析特性， 施工中填料含水量偏差控制在最佳含水量的 1％ ～ 3％ 之間，填料的干密度大于／ m 以消除濕陷性；每填高 YCT25型沖擊式壓路機碾壓一次， 碾壓遍數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。路堤分層填筑主要控制質(zhì)量達到壓實系數(shù)≥ ，地基系數(shù)≥ 90MPa／ m，靜態(tài)變形模量 Ev245N/mm 。 (4) 路基基床表層所采用的級配碎石，基層采用的改良黃土均有嚴格的材質(zhì)、粒徑和級求。為保證達到設(shè)計標準，設(shè)帶自動計量裝置配碎石拌和站和改良土拌和站對填料進行集中拌和或改良，確?；驳讓雍突脖韺拥膲簩嵸|(zhì)達到 規(guī) 范 規(guī)定的標準。 (5)為滿足工程進度及施工質(zhì)量要求，施工中采用機械化作業(yè)。選用大噸位石方挖掘、運輸及重型振動壓實機械 (過渡段選用小型振動壓實機械配合 )，并配備級配碎 20 石攤鋪、拌和等特種機械。 (6) 為控制堤身的沉降，施工中加強檢測與試驗，確保路基填料特性和質(zhì)量、 工程措施及施工全過程受控。根據(jù)德國高速鐵路施工經(jīng)驗，在基床底層和表層施工質(zhì)量控制標準中增加靜態(tài)變形模量、 Ev2控制指標。在路堤分層填筑質(zhì)量檢測中，也增加靜態(tài)變形模量控制指標 Ev2。通過綜合指標控制，達到消除或減小路基工后沉降量的目的。 (7) 黃土路基基底的沉降最突出的是濕陷性下沉，其次是壓縮下沉和增濕變形引起的下沉 ,控制黃土路基濕陷性下沉和增濕變形下沉 , 施工中采取的防排水措施有以下幾個方面。 ①雨天不進行路堤填筑施工，并對剛填筑層采取覆蓋防雨水滲人保護措施。 ②為確保路基填筑過程中不被沖刷破壞，每層填筑時應(yīng)嚴格按設(shè)計要求做好路拱以利排水，并在兩側(cè)路肩頂鋪設(shè)臨時磚砌擋水埝和急流槽。 ③路堤與路塹施工前先做好臨時排水系統(tǒng)，在施作臨時排水系統(tǒng)時應(yīng)與永久排水系統(tǒng)統(tǒng)籌安排，盡量做到永臨結(jié)合， 臨時工程按永久工程標準施作。 ④加強道床及路基 的防排水設(shè)施，防止路基面的雨水滲人路基。雙線之間鋪筑瀝青防水層，道床面雨水通過橫坡直接排出路基兩側(cè) ，通過兩側(cè)排水溝排走。曲線雙線之間鋪筑瀝青防水層，隔一定距離設(shè)置集水井， 縱向設(shè)置縱向排水管匯集，通過橫向排水管排至兩側(cè)排水溝。 ⑤加強路基兩側(cè)地表防排水設(shè)施，防止路基外地表水浸人路基。 ⑥防止地表水侵蝕地基，阻斷路基外地表水與地基的滲水通道。對整個線路經(jīng)過地段，因線路的修建而改變了原有地表的排水系統(tǒng)。所以要對線路兩邊附近的地表坑洼地段進行回填，加強排水，防止形成匯水坑造成滲水通道。 ⑦加強防洪措 施，對路基兩側(cè)的溝渠進行補充匯水面測量和流量計算。根據(jù)計算結(jié)果對有可能產(chǎn)生洪水的溝渠加設(shè)截水溝、急流槽、導(dǎo)流堤等防洪設(shè)施。 路基工后沉降 路基的工后沉降，是指軌道工程鋪設(shè)后在路基荷載和列車荷載作用下，路基發(fā)生的剩余沉降，即最終形成的總沉降量與路基竣工鋪軌開始時的沉降量之差。 客運專線路基沉降控制的主要目的是控制路基的工后沉降，以確保高速列車的行車安全，盡量滿足旅客對舒適度的要求，并減少日常維修工作。 客運專線建設(shè)具有其自身的特殊性，如線路長、地質(zhì)情況變化大、工期長，路基沉降過程實際上就是多級填筑過 程中多方面因素共同作用的結(jié)果。沿線路基大都采用了不同形式的地基處理方法以滿足客運專線對道路的平順性要求，如地基沖擊壓實、CFG樁法復(fù)合地基等。 21 路基工后沉降組成分析 路基沉降按其組成成分劃分，包括路基填筑部分沉降和地基沉降兩部分。 路基填筑沉降部分 路基填筑部分沉降屬壓密沉降，是由填料自重及線路上部結(jié)構(gòu)和機車車輛的運行引起的，與填料種類、壓實密度、預(yù)壓荷載及預(yù)壓時間有關(guān)，分 3個時間段完成：第一階段是路基施工階段的下沉，不影響工后沉降；第二階段是路基施工完成，線路上部結(jié)構(gòu)和機車車輛重量未加載階段 的下沉；第三階段是線路上部結(jié)構(gòu)施工完成后的下沉。后兩部分的沉降量影響工后沉降。 工后沉降控制的重要性與特點 (1)工后沉降控制是影響線路不平順性的重要因素 工后沉降大小決定了高速鐵路線的平順性，理解線路平順性的重要性，就理解了工后沉降控制重要性。以軌道連續(xù)高低不平順波長 40m、幅值 5mm為例，時速 300km時，將產(chǎn)生頻率 2Hz、半幅有效值 ，超過 5小時，人體血壓、脈搏等生理現(xiàn)象會不正常，對駕駛?cè)藛T的工作能力也有影響；對于普速的列車則可以忽略。也就是說工后沉降控制不好，線 路不平順，行車舒適性和安全性就無法保證，列車高速行駛就是空談。因此，在高速鐵路設(shè)計和施工中工后沉降控制作為一個首要問題來對待是適當(dāng)?shù)摹? (2)工后沉降控制是一個有時間性、過程性的問題 首先，工后沉降起算時點非常重要。在秦沈客運專線修建之初，有人認為起算點是在整個工程完工后，也有認為應(yīng)在鋪軌完成后。隨著認識的深入，才確定工后沉降起算點應(yīng)在鋪軌開始時起算。從對工后沉降控制本身目標的實現(xiàn)來說，這更加合理。應(yīng)認識到的是，在其他方面相同的情況下，起算時間點越往前推越嚴格；其實并非起算點一定要在鋪軌前，但如果起算點推后 ，一方面控制的標準應(yīng)相應(yīng)改變，而且如果在鋪軌后再確認不滿足工后沉降，則有關(guān)補救措施就難以實施 其次，有一個終止時間點的問題。由于每項工程都有壽命期，比如說高速鐵路的壽命期為 100年，免維修期更短。盡管為保證工后沉降控制的實現(xiàn)，宜取更嚴格的標準，但是提高標準涉及成本大小乃至目標的實現(xiàn)性，故考慮該問題具有實際意義。 工后沉降控制的時間性還表現(xiàn)在：不僅要求能夠最終滿足工后沉降控制的要求，還應(yīng)該盡快滿足。這一點的重要性就表現(xiàn)在對工期的影響上；反過來，合理的工期對工后沉降控制目標的實現(xiàn)也是至關(guān)重要的。 客運專線路基 工后沉降控制標準的確定，既要考慮列車對路基的要求及線路維修 22 能力，也要考慮前期建設(shè)投資與后期養(yǎng)護費用的經(jīng)濟比較，在保證客運專線列車高速、安全與平穩(wěn)運行的前提下，應(yīng)取得經(jīng)濟上的合理平衡。 工后沉降控制的必要性 鐵路客運專線時速高，其基礎(chǔ)設(shè)施標準一般按 350km／ h設(shè)計，為確保行車安全與乘客舒適，線路的平順性標準要求極高，線路工后沉降量，特別是無砟軌道線路的工后沉降量，一般應(yīng)控制在 2～ 3cm內(nèi)，幾乎是“零沉降”。即將開工建設(shè)的鄭 (州 )西 (安 )客運專線鐵路采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，主要修建在濕陷性黃土地區(qū)，而濕 陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路在世界至今沒有先例，無可鑒經(jīng)驗。為此，線路工后沉降尤其是路基工后沉降控制是修建鄭西鐵路專線面臨的一大技術(shù)難題，需要研究解決。 控制工后沉降的主要途徑 目前工后控制沉降的主要應(yīng)對措施有：①加強基地處理②加強填筑過程控制③預(yù)留沉降量④補砟抬道；同時還應(yīng)加強施工前的預(yù)防，具體措施有： 加強技術(shù)培訓(xùn)及明確控制標準 (1)由于承包商對工后沉降控制缺乏經(jīng)驗，可聘請專家現(xiàn)場指導(dǎo)。加強技術(shù)培訓(xùn)，大力培訓(xùn)沉 降觀測人員、整理分析人員、計算預(yù)測人員，從控制方案、預(yù)測分析、觀測操作 上采取主動預(yù)控措施。 (2)制定路基工后沉降控制標準。工后沉降及沉降差控制標準一般采用四項指標：工后沉降、不均勻沉降、錯臺、折角。 200km／ h無砟軌道線路工后沉降控制標準采用渝遂線試驗段控制標準，見表 3－ 1。 表 3－ 1 工后沉降及沉降差控制標準表 工后沉降 不均勻沉降 差異沉降錯臺 折角 ≤30mm ≤20mm/20m ≤5mm ≤1/1000 重視黃土地質(zhì)核查 (1)加強黃土地質(zhì)核查，使采取的技術(shù)措施達到沉降預(yù)測與實際相符。 (2)在選定黃土的物理力學(xué)指標時，必須注意其地理環(huán)境、地 貌單元、微地貌、沉積年代及成因類型等條件影響所產(chǎn)生的差異性，同時掌握這些自然條件與黃土性質(zhì)之間的規(guī)律。 23 (3)黃土分布評價、濕陷性評價、現(xiàn)場浸水試驗以及微觀電鏡分析是了解黃土的重要手段。 工后沉降的控制步驟 施工前的控制措施 (1) 制定控制標準。 制定控制標準是進行工后沉降控制的基礎(chǔ)，在施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求的沉降值以及具體可能采用的施工工藝制定好沉降控制標準。 (2)加強地質(zhì)普查。 在施工前根據(jù)設(shè)計文件，除對設(shè)計進行加固外 (粉噴、碎石、 CFG、壓填片石、換填普通土等 )軟土地段地質(zhì)情況進行核查外，還應(yīng)對其它地段進行地質(zhì)調(diào)查，并要求所有路基基底均應(yīng)進行貫