康高亮

區(qū)域性沉降對高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施影響的研究

康高亮

Bureau of Transport & Department of Track Maintenance, China Railway Corporation, Beijing 100844, China

a r t i c l e i n f o

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Received 5 May 2016

Revised form 19 August 2016

Accepted 8 September 2016

Available online 21 September 2016

區(qū)域沉降

本文對高速鐵路線路基礎(chǔ)沉降及差異沉降的主要影響因素進(jìn)行了分析，提出局部地下水開采是影響線路差異沉降的直接誘因。通過對不同差異沉降量下無砟軌道附加荷載及高速行車過程中車輛、軌道和橋梁動力響應(yīng)的研究，初步提出了運(yùn)營期線路基礎(chǔ)差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 概述

截至2015年年底，中國高速鐵路運(yùn)營里程已超過1.9×104km，位居世界第一。高速鐵路“四縱四橫”主骨架基本建成，并與其他鐵路共同構(gòu)成了快速客運(yùn)網(wǎng)，基本覆蓋了50萬人口以上的城市，在區(qū)域運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用。面對規(guī)模如此龐大的運(yùn)營線路，高速鐵路設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修已經(jīng)成為現(xiàn)階段乃至今后長期所要面臨的重點(diǎn)課題。原鐵道部2013年公布的《鐵路主要技術(shù)政策》[1]明確提出要“探索設(shè)備設(shè)施運(yùn)用狀態(tài)變化規(guī)律，完善檢修體制，制定科學(xué)的檢修標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化檢修質(zhì)量控制”，由此可見，當(dāng)前我國高速鐵路的發(fā)展已由大規(guī)模建設(shè)階段逐漸步入運(yùn)營管理與維護(hù)階段，高速鐵路研究與技術(shù)創(chuàng)新的主題也將隨之由“設(shè)計與建造”轉(zhuǎn)向“運(yùn)營與維護(hù)”。

我國設(shè)計速度300 km·h–1及以上的高速鐵路主要采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，高速鐵路對軌道結(jié)構(gòu)的要求是“高可靠性”“高穩(wěn)定性”和“高平順性”，因此對其下部基礎(chǔ)的沉降尤其是不均勻沉降控制要求非常嚴(yán)格。為節(jié)約土地、控制沉降、跨越江河和既有交通網(wǎng)，我國高速鐵路橋梁占線路總長的比例較高(如全長1318 km的京滬高鐵橋梁占比80%以上)?！陡咚勹F路設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定，無砟軌道的橋梁墩臺工后沉降量(鋪軌后最終沉降量)不得大于20 mm、相鄰墩臺沉降量差不得大于5 mm，這既對工程施工質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求，也給養(yǎng)護(hù)維修帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2. 差異沉降對高速鐵路工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的影響

2.1.地下水位變化對基礎(chǔ)沉降的影響

高速鐵路沿線途經(jīng)各種復(fù)雜的氣候、地質(zhì)、水文等自然環(huán)境條件，已開通運(yùn)營的絕大部分高速鐵路線路運(yùn)營狀況良好，但也存在部分工點(diǎn)線路基礎(chǔ)沉降超標(biāo)。以華北地下水位下降顯著的漏斗沉降區(qū)為例，2009年12月至2012年9月某高速鐵路一座橋梁的連續(xù)梁和相鄰簡支梁橋墩差異沉降最大值為54.6 mm，總沉降量最大值達(dá)到243.5 mm(圖1)，沉降速率為21.1～117 mm·a–1。

區(qū)域性和季節(jié)性地下水變化還造成了橋梁樁基基礎(chǔ)出現(xiàn)沉浮變形。圖2是西南地區(qū)某高速鐵路一座橋梁墩臺沉降與地下水位變化之間的關(guān)系曲線，自2010年9月起連續(xù)3年的觀測數(shù)據(jù)表明，橋梁墩臺呈雨季上升、旱季下沉的規(guī)律性變化，地下水水位季節(jié)性變化幅度最大可達(dá)20 m，橋墩的下沉量和上浮量分別達(dá)19.0 mm和38.6 mm。

區(qū)域性沉降造成高速鐵路基礎(chǔ)沉降量大、沉降速率較大，對高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營的影響非常顯著，因此必須予以高度重視、深入研究。

圖1.某高速鐵路工點(diǎn)沉降曲線及差異沉降。(a)整體沉降分布；(b)墩臺差異沉降分布。

圖2.橋梁墩臺沉降與地下水位變化關(guān)系曲線。

2.1.1.地下水位變化對高速鐵路橋梁樁基基礎(chǔ)差異沉降的影響

研究表明，地下水位下降是導(dǎo)致區(qū)域性地面沉降的最直接原因[3–7]。在區(qū)域性沉降地段高速鐵路工程沉降控制研究中，傳統(tǒng)思路是將地下水位變化與地面沉降的關(guān)系作為研究的重點(diǎn)，再依據(jù)工程控制標(biāo)準(zhǔn)分析地面沉降對工程的影響，提出的工程措施主要是在線路兩側(cè)一定范圍內(nèi)封井和限采地下水[8–9]。進(jìn)一步研究認(rèn)為，地下水位、地層特性、樁基參數(shù)是影響基礎(chǔ)差異沉降的重要因素[10–13]。

地下水位下降使得地基土體中靜水壓力減小，在總應(yīng)力不變的前提下，土體的有效應(yīng)力會增大，從而使土體產(chǎn)生壓縮沉降。代表不同地層特性的滲透系數(shù)是影響沉降的關(guān)鍵因素之一，滲透系數(shù)K越大，浸潤曲線越緩和。對于相同的地下水位下降，隨著滲透系數(shù)K的增大，影響半徑R逐漸增大。不同滲透系數(shù)（黏土—砂土）的影響半徑隨地下水位下降的關(guān)系如圖3所示。

地下水位所處位置對橋梁樁基基礎(chǔ)沉降也有著較大的影響。以位于河北省內(nèi)沉降漏斗區(qū)的某高速鐵路橋梁樁基基礎(chǔ)沉降為例，在相同地質(zhì)條件(持力層為粉質(zhì)黏土)和樁基參數(shù)(樁長45 m、樁徑1 m)的情況下，如地下水位位于樁底以下(不在樁基范圍內(nèi))，層狀均勻的下臥層產(chǎn)生的附加應(yīng)力較為均勻，對樁基區(qū)域的影響較??；如地下水位位于樁基范圍內(nèi)(樁頂以下16 m)，樁基差異沉降變化趨勢如圖4所示，可見，地下水位每差1 m，相應(yīng)產(chǎn)生的差異沉降可達(dá)7.8 mm。

此外，樁長、樁徑、地基土特性等對橋梁樁基基礎(chǔ)沉降也有較大的影響。因而在沉降區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)在詳細(xì)的地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，綜合考慮上述影響因素。建議在高速鐵路經(jīng)過沉降區(qū)、連續(xù)梁與簡支梁相鄰區(qū)、地層起伏變化等區(qū)域時，應(yīng)針對基礎(chǔ)型式進(jìn)行專門設(shè)計，以降低差異沉降的影響。

圖3.影響半徑隨地下水位下降的變化。

圖4.樁基范圍內(nèi)不同水位差引起的差異沉降。

圖5.不同用水樁網(wǎng)路基縱向沉降分布。

圖6.抽水點(diǎn)與線路不同距離時的路基縱向沉降分布。

2.1.2.地下水位變化對高速鐵路樁基路基差異沉降的影響

對于高速鐵路樁基路基，抽取地下水所引起的地下水位局部下降是導(dǎo)致其沉降的最主要原因。鐵路沿線用水可分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生活用水三類，一般情況下農(nóng)業(yè)用水抽取的主要是淺層地下水，而生活和工業(yè)用水抽取的主要是深層地下水。以淺層地下水位為地面以下3 m、深層地下水位為地面以下100 m為例進(jìn)行分析，抽取淺層地下水時產(chǎn)生的路基沉降量較小，但所產(chǎn)生的差異沉降較為明顯，對線路的平順性影響更大，如圖5所示。

路基與抽水點(diǎn)之間的距離對路基沉降也有較大的影響，路基沉降沿線路縱向呈“下凹”形，即靠近抽水點(diǎn)的路基沉降較大，遠(yuǎn)離抽水點(diǎn)的路基沉降較小，抽水點(diǎn)與線路不同距離的路基沉降沿縱向的分布如圖6所示。當(dāng)距離為50 m時，路基頂面沉降為8.05 mm；當(dāng)距離增大到200 m時，路基頂面沉降僅為2.54 mm，比前者減小了約68.4%。

2.2.差異沉降對無砟軌道平順性及附加荷載的影響

橋梁墩臺差異沉降將導(dǎo)致橋上無砟軌道跟隨變形，從而產(chǎn)生軌道長波高低不平順。當(dāng)沉降量較小時，軌道高低可用扣件進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)沉降量大于扣件的允許調(diào)整范圍時，則需采取設(shè)置豎曲線、順坡、更換大調(diào)整量的特殊扣件、注漿抬升軌道板以及頂升橋梁支座等技術(shù)措施來進(jìn)行整治(這些措施在我國北方某高速鐵路線路已有成功的維修實踐經(jīng)驗)。

以32 m簡支箱梁橋上跨梁縫縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式無砟軌道為例[14,15]，當(dāng)橋梁產(chǎn)生如圖7所示的不同量值沉降時，其軌面高程變化如圖8所示。

分析結(jié)果表明，軌面高程變化與橋梁基礎(chǔ)沉降變動有較強(qiáng)的跟隨性和相關(guān)性，一般相差不大于1 mm，此差異主要由扣件拉壓變形以及底座板與橋梁間的縫隙造成?，F(xiàn)行《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[16]規(guī)定的無砟軌道線路長波高低(1.5～120 m)動態(tài)容許偏差標(biāo)準(zhǔn)(實測動態(tài)偏差值與靜態(tài)偏差值相差一般在1 mm以內(nèi))如下：Ⅰ級7 mm，Ⅱ級9 mm，Ⅲ級12 mm(臨時補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn))，Ⅳ級15 mm(限速標(biāo)準(zhǔn))。

CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)，跨越梁縫，橋梁的差異沉降會使梁縫處無砟軌道產(chǎn)生附加荷載，這種附加荷載在簡支梁上尤為顯著。若存在圖7所示的橋梁墩臺差異沉降，無砟軌道會產(chǎn)生如圖9、圖10所示的附加彎矩及軌道板和底座板拉應(yīng)力。

圖7.橋梁相鄰墩臺差異沉降示意圖。

圖8.軌面高程變化示意圖。

圖9.無砟軌道附加彎矩增長趨勢。

圖10.軌道板和底座板拉應(yīng)力增長趨勢。

分析結(jié)果表明，隨著橋梁墩臺差異沉降的遞增，無砟軌道附加彎矩及軌道板和底座板的拉應(yīng)力基本上呈線性增長態(tài)勢；底座板拉應(yīng)力在產(chǎn)生沉降的橋墩上方較大，而軌道板拉應(yīng)力峰值則出現(xiàn)在相鄰橋墩的上方；基礎(chǔ)差異沉降每增加5 mm，會導(dǎo)致無砟軌道附加彎矩增大70 kN·m左右，軌道板上拉應(yīng)力增加0.4 MPa左右，底座板上拉應(yīng)力增加0.7 MPa左右；當(dāng)差異沉降達(dá)到15 mm時，底座板混凝土拉應(yīng)力達(dá)到2.1 MPa，接近底座板C30級混凝土抗拉強(qiáng)度極限。

2.3.差異沉降對行車動力性能的影響

墩臺差異沉降導(dǎo)致軌面高低的變化以及縱連式無砟軌道與橋梁間的離縫，是影響高速鐵路運(yùn)行品質(zhì)的重要原因之一。本文在分析墩臺差異沉降所引起的動力響應(yīng)時，重點(diǎn)考慮了上述兩種因素的影響，并采用車輛–軌道–橋梁耦合動力分析方法[17–19]進(jìn)行分析；軌面高低采用如圖8所示的軌道高低不平順，并疊加《高速鐵路無砟軌道不平順譜》[20]所建議的線路隨機(jī)不平順；無砟軌道與橋梁間的離縫采用非線性彈簧進(jìn)行模擬。

以多跨32 m簡支梁橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道為例，在不同差異沉降及行車速度的情況下，車體振動響應(yīng)及安全性指標(biāo)隨差異沉降的變化規(guī)律如圖11至圖13所示。

分析結(jié)果表明，行車速度不同時橋梁基礎(chǔ)差異沉降對車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標(biāo)及輪重減載率均有一定的影響，其中對車體垂向加速度的影響尤為顯著。當(dāng)行車速度為350 km·h–1、差異沉降在20 mm以上時，車體垂向加速度超過了規(guī)范規(guī)定的限值要求(1.3 m·s–2)；當(dāng)行車速度低于350 km·h–1且差異沉降在30 mm以內(nèi)時，車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標(biāo)及輪重減載率均未出現(xiàn)超限。

圖11.車體加速度與差異沉降的關(guān)系。

圖12.車輛平穩(wěn)性與差異沉降的關(guān)系。

圖13.輪重減載率與差異沉降的關(guān)系。

在不同差異沉降及行車速度下，軌道及橋梁振動響應(yīng)隨差異沉降的變化規(guī)律如圖14至圖16所示。

分析結(jié)果表明，差異沉降對橋梁及軌道的動力性能影響相對較小。在行車速度為350 km·h–1時，若差異沉降由5 mm增加至30 mm，則沉降墩位置處的扣件支反力僅由35.09 kN增加至37.56 kN，增幅約7%；鋼軌位移僅由1.58 mm增加至1.66 mm，橋梁位移僅由1.16 mm增加至1.21 mm，這兩項指標(biāo)增幅均在5%以內(nèi)。

總之，墩臺差異沉降對高速鐵路軌道和橋梁動力響應(yīng)的影響較小，但對運(yùn)行安全性和舒適性指標(biāo)的影響較大。

圖14.扣件支反力與差異沉降的關(guān)系。

圖15.鋼軌位移與差異沉降的關(guān)系。

圖16.橋梁位移與差異沉降的關(guān)系。

3. 沉降控制策略

(1) 高速鐵路沿線途經(jīng)各種復(fù)雜的氣候、地質(zhì)、水文等自然環(huán)境條件，區(qū)域性沉降對高速鐵路線路的影響日益彰顯，大面積開采地下水是主要原因之一。地下水位下降時，代表地層土質(zhì)特性的滲透系數(shù)不同，對沉降的影響范圍不同。對于滲透系數(shù)小于5.0×10–3cm·s–1的砂土而言，當(dāng)?shù)叵滤幌陆捣謩e為5 m和9 m時，影響范圍可達(dá)106 m和191 m，直接影響到高速鐵路線路的平順性。對于高速鐵路樁基路基，抽取地下水所引起的地下水位局部下降是導(dǎo)致其沉降的最主要原因。因此，在高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營期間，應(yīng)嚴(yán)格限制在線路兩側(cè)各200 m范圍內(nèi)開采地下水。國務(wù)院頒布的《鐵路安全管理條例》已從法規(guī)層面做出了明文規(guī)定，目前國家相關(guān)部門正在組織修訂《中華人民共和國鐵路法》，擬從法律層面對鐵路沿線開采地下水做出嚴(yán)格的規(guī)定。

(2) 橋梁樁基范圍內(nèi)地下水位變化引起的樁基基礎(chǔ)差異沉降大于樁底以下地下水位變化。在樁基范圍內(nèi)地下水位變化相差1 m，樁基基礎(chǔ)產(chǎn)生的差異沉降約7.8 mm。對于樁基路基而言，局部抽取淺層地下水產(chǎn)生的總沉降量小于抽取深層地下水，但所產(chǎn)生的差異沉降大于抽取深層地下水。因此，對于經(jīng)過區(qū)域性沉降地區(qū)的高速鐵路，在線下基礎(chǔ)設(shè)計時就應(yīng)考慮適當(dāng)增加樁基長度，留有一定的冗余量。

(3) 樁長、樁徑、地基土特性等對橋梁樁基基礎(chǔ)沉降也有較大的影響。在沉降區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)在詳細(xì)地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，綜合考慮上述影響因素。建議在高速鐵路經(jīng)過沉降區(qū)、連續(xù)梁與簡支梁相鄰區(qū)、地層變化起伏等區(qū)域時，應(yīng)針對基礎(chǔ)型式進(jìn)行專門設(shè)計，降低差異沉降的影響。

(4) 軌面高程變化與橋梁基礎(chǔ)沉降變動有較強(qiáng)的跟隨性和相關(guān)性，一般相差不大于1 mm，此差異主要由扣件拉壓變形以及底座板與橋梁間的縫隙造成。因此僅從無砟軌道平順性角度考慮，在運(yùn)營期間應(yīng)將橋梁相鄰墩臺差異沉降控制在15 mm以內(nèi)。

(5) 以32 m簡支梁橋上跨梁縫縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為例，墩臺差異沉降會導(dǎo)致無砟軌道產(chǎn)生附加彎矩，發(fā)生沉降的橋墩上方的底座板受拉最為顯著；當(dāng)差異沉降超過15 mm，底座板拉應(yīng)力將超過C30級混凝土極限抗拉強(qiáng)度。因此僅從保證無砟軌道結(jié)構(gòu)受力和耐久性角度考慮，32 m簡支梁相鄰橋墩間差異沉降應(yīng)控制在15 mm以內(nèi)。

(6) 墩臺差異沉降對高速列車運(yùn)行品質(zhì)的影響較大，而對線下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響相對較小。以CRTSⅡ型板式無砟軌道為例，當(dāng)行車速度為350 km·h–1且差異沉降在20 mm以上時，車體垂向加速度超過了規(guī)范規(guī)定的限值要求；當(dāng)行車速度低于350 km·h且差異沉降在30 mm以內(nèi)時，車體垂向加速度、車輛平穩(wěn)性指標(biāo)及輪重減載率均未出現(xiàn)超限。因此僅從保證高速行車安全性和舒適性角度考慮，32 m簡支梁相鄰橋墩間差異沉降應(yīng)控制在15 mm以內(nèi)。

4. 結(jié)論

地下水位變化是導(dǎo)致高速鐵路下部基礎(chǔ)差異沉降的主要原因，高速鐵路沿線抽取地下水將直接導(dǎo)致鄰近線路的基礎(chǔ)出現(xiàn)差異沉降；沉降區(qū)高速鐵路線下基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)考慮地層特點(diǎn)及地下水位變化，對樁長、樁徑等進(jìn)行針對性的設(shè)計。相鄰橋墩間差異沉降會導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載，動力指標(biāo)也有所增加。本文的分析結(jié)果表明，在特殊困難條件下，高速鐵路運(yùn)營期間區(qū)域性沉降地區(qū)差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)可較設(shè)計規(guī)范規(guī)定的限值適度放寬；應(yīng)進(jìn)一步研究、合理確定既能滿足行車安全和軌道維護(hù)的要求，又能減少差異沉降整治的工作量和降低維護(hù)費(fèi)用，特別是要針對不同橋梁類型、跨度及橋上無砟軌道結(jié)構(gòu)形式等情況開展針對性的研究，以確定不同工況下運(yùn)營期間的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 374—379

Gaoliang Kang. Influence and Control Strategy for Local Settlement for High-Speed Railway Infrastructure. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/ J.ENG.2016.03.014

差異沉降

無砟軌道附加荷載

車輛–軌道動力學(xué)