司文明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速鐵路是國(guó)家的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中有至關(guān)重要的地位和作用。高速鐵路運(yùn)營(yíng)列車速度高，行車時(shí)間間隔短，路基沉降、上拱等變形嚴(yán)重影響高速鐵路行車速度及行車安全。常規(guī)的路基變形監(jiān)測(cè)措施不能完全滿足高速鐵路運(yùn)營(yíng)階段安全監(jiān)控的需求[1-7]?；诖耍铣请H高速鐵路在設(shè)計(jì)階段，針對(duì)基工點(diǎn)情況，針對(duì)本區(qū)域特定的紅層泥巖弱膨脹性水文地質(zhì)條件，針對(duì)既有高速鐵路交叉影響的特點(diǎn)，著重考慮了路基自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)性措施，用以確定路基穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)做出災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有效防控高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

川南城際鐵路內(nèi)江至瀘州段為時(shí)速250 km的有砟高速鐵路，自貢至宜賓段為時(shí)速350 km的無砟高速鐵路。線路全長(zhǎng)約210 km，其中路基長(zhǎng)度約占總長(zhǎng)度的40%。路基所占比重較大，工點(diǎn)類型較多。川南地區(qū)以低山丘陵區(qū)、低山區(qū)等地貌單元為主，區(qū)域內(nèi)大面積分布侏羅系、白堊系軟質(zhì)紅層泥巖。軟質(zhì)紅層泥巖具有自身強(qiáng)度低、遇水易軟化、膨脹等特點(diǎn)，既有營(yíng)運(yùn)鐵路在軟質(zhì)紅層泥巖深挖方路塹地段發(fā)生過局部幾毫米至數(shù)十毫米的上拱變形問題[8-9]。

本文針對(duì)川南城際鐵路代表性的采空區(qū)路基、紅層泥巖深挖方路基、既有高速鐵路交叉影響段路基等特殊工點(diǎn)路基的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作詳細(xì)闡述。

1 采空區(qū)路基的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

川南城際鐵路橫穿螺觀山山脈及三疊系上統(tǒng)須家河組含煤地層，沿該山脈分布大小規(guī)模不等的煤礦采空區(qū)。其中DK 90+480～DK 90+720段路基區(qū)間最大填方為17.5 m，位于古佛煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)。古佛煤礦揭露為單一煤層，厚度約0.5 m，埋深約240 m。為小窯采空區(qū)，以人工巷道采掘?yàn)橹?。巷道寬度約為2 m，煤層采高為0.5 m，采厚比大于1∶250，屬于較安全開采深度，且采空區(qū)上覆巖層較完整。

1.2 采空區(qū)穩(wěn)定性判斷

采空區(qū)路基示意如圖1所示。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》，采空區(qū)頂板巖層保持自然平衡，臨界高度H0的計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中:B——巷道寬度(m);

γ——巖層重度(kN/m3);

p0——基底附加壓力(kPa);

φ——巖層內(nèi)摩擦角(°)。

圖1 采空區(qū)路基示意圖

按照公式(1)計(jì)算得到臨界高度H0=13 m。

H=240 m >1.5×H0=19.5 m

(2)

根據(jù)公式(2)，按照《工程地質(zhì)手冊(cè)》的判斷標(biāo)準(zhǔn)，該采空區(qū)上部地基穩(wěn)定。

古佛煤礦關(guān)閉時(shí)間均較長(zhǎng)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，煤礦的沉降變形已基本穩(wěn)定。地表調(diào)查亦未發(fā)現(xiàn)線路附近公路路面、房屋建筑等地表構(gòu)筑物及坡地地表有下沉、開裂變形。故綜合判定此處采空區(qū)地基穩(wěn)定，高速鐵路線位方案可行。

1.3 監(jiān)測(cè)的必要性

在未處理的采空區(qū)范圍內(nèi)修建高速鐵路，在國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)歷史上實(shí)屬罕見。本段線位填方高度為17.5 m，從工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性方面考慮，應(yīng)設(shè)置橋梁工程，但為確保高速鐵路更加安全可靠，經(jīng)各方慎重審查，科學(xué)決策，確定本段設(shè)置為路基工程。路基采用直接填方的形式，盡量不設(shè)置復(fù)雜的支擋加固措施。路基工程措施較為簡(jiǎn)單，若后期發(fā)生沉降變形，相對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)，處理起來也較為簡(jiǎn)單快捷，影響程度較小。

但路基工程要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，且必須設(shè)置沉降變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌控可能發(fā)生的潛在沉降變形，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段確保高速鐵路百年工程的安全可靠。

路基工程的主要設(shè)計(jì)措施如下：

(1)路堤拉通鋪設(shè)高強(qiáng)土工格柵，路基底部設(shè)置2層高強(qiáng)土工布，以增強(qiáng)路堤的整體性并減少沉降的不均勻性。路堤邊坡坡率放緩一級(jí)，增加平臺(tái)寬度，增加路堤剛度和壓實(shí)度，減少沉降變形，增強(qiáng)路堤的安全性。

(2)采空區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置自動(dòng)沉降觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)沉降、水平位移進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，建立施工及運(yùn)營(yíng)期間的沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步降低鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采空區(qū)里程范圍DK 90+480～DK 90+720設(shè)置了地基沉降、路基表層變形、路基坡腳水平位移3項(xiàng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由自動(dòng)監(jiān)測(cè)物位計(jì)、基準(zhǔn)點(diǎn)安裝件、基準(zhǔn)點(diǎn)保護(hù)箱、定位裝載箱、傳輸總線、工控設(shè)備箱組成。自動(dòng)監(jiān)測(cè)物位計(jì)的精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm。設(shè)計(jì)選取的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)硬件，具有國(guó)家制造計(jì)量器具許可證，相關(guān)軟件系統(tǒng)具有多個(gè)高速鐵路連續(xù)沉降變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

在采空區(qū)影響范圍外側(cè)設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)，本段系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置里程為DK 90+430。在施工過程中通過CPⅠ和CPⅡ?qū)ο到y(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行變形數(shù)據(jù)修正，將觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入軟件進(jìn)行系統(tǒng)修正，修正頻次根據(jù)實(shí)際情況確定，一般為每月1次。

(1)地基沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

DK 90+430設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)，向大里程每隔約40 m布設(shè)一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，合計(jì)設(shè)置8個(gè)斷面。監(jiān)測(cè)斷面于路堤基底中心、左右線路肩中心對(duì)應(yīng)地基位置埋設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)物位計(jì)，在路基坡腳外側(cè)埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)物位計(jì)、定位裝載箱及工控設(shè)備箱。在監(jiān)測(cè)斷面基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)修正測(cè)點(diǎn)物位計(jì)，所有修正物位計(jì)與系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)相連接，通過系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)物位計(jì)和基準(zhǔn)點(diǎn)修正物位計(jì)對(duì)各斷面進(jìn)行測(cè)量與修正。

(2)路基表層變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

DK 90+430設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)，向大里程每隔約20 m于路肩位置設(shè)置一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，合計(jì)約38個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(3)坡腳水平位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

DK 90+430設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)，向大里程每隔約40 m于路肩位置設(shè)置一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，合計(jì)8個(gè)斷面，水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合計(jì)32套，水平位移計(jì)合計(jì)128個(gè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)4套水平位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別位于路基斷面兩側(cè)坡腳外側(cè)2 m、10 m位置。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)圖如圖2所示。

圖2 采空區(qū)路基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)圖(m)

地基沉降、路基表層變形、坡腳水平位移的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每24 h測(cè)量和采集傳輸一次。通過工控設(shè)備箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模組實(shí)時(shí)無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)發(fā)布，通過專用的監(jiān)測(cè)軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)觀測(cè)本次沉降、累計(jì)沉降和沉降速率等數(shù)據(jù)。

2 紅層泥巖路基變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

川南城際鐵路DK 69+600～DK 70+000段，長(zhǎng)度400 m，為深挖方路塹，最大挖方高度約40 m。本工點(diǎn)屬丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大。地表上覆坡殘積層粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組泥巖夾砂巖，泥巖為紫紅色、紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣-泥質(zhì)膠結(jié)，具有巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

2.2 監(jiān)測(cè)的必要性

本段路基最大挖方高度約40 m，地層巖性、挖方高度十分類似于川南地區(qū)既有成渝高速鐵路內(nèi)江北站，其部分段落發(fā)生了無砟軌道的上拱病害，最大上拱變形10～14 mm。

結(jié)合既有運(yùn)營(yíng)鐵路的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，紅層泥巖地區(qū)無砟軌道高速鐵路一旦發(fā)生上拱變形，很難查找并分析出具體原因。且上拱變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收斂的歷時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，而運(yùn)營(yíng)期間的病害整治代價(jià)很高。

本段紅層泥巖深挖方路塹需進(jìn)行專項(xiàng)的變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在工程建設(shè)過程中，及時(shí)掌控可能發(fā)生的潛在上拱變形，才能及早提出相關(guān)解決措施，減少高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間的病害整治。

2.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DK 69+600～DK 70+000段，每間隔50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，表層測(cè)量元件分別布置于線路中心、兩側(cè)路肩邊緣內(nèi)1 m的位置，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在坡腳。為保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定，基準(zhǔn)點(diǎn)位置向下鉆孔，孔深為15 m，孔內(nèi)放置基準(zhǔn)桿，基準(zhǔn)桿底端錨固長(zhǎng)度為2～3 m，孔壁與基準(zhǔn)桿之間使用護(hù)套管進(jìn)行隔離，護(hù)套管外壁與孔壁之間使用細(xì)砂填充，最后將基準(zhǔn)點(diǎn)固定在基準(zhǔn)桿上。在股道中心位置，分別在地基面、地基下2 m、地基下4 m、地基下6 m、地基下8 m、地基下13 m共6個(gè)位置分層監(jiān)測(cè)，布設(shè)位置為左右側(cè)線路中心的位置，左側(cè)線路中心位置按沿線路方向深度逐漸遞增的方式進(jìn)行布設(shè)，右側(cè)軌道中心位置按沿線路方向逐漸遞減的方式布設(shè)。分層監(jiān)測(cè)鉆孔間距為1 m，孔鉆至指定深度后，在孔內(nèi)安放基準(zhǔn)桿，基準(zhǔn)桿錨固長(zhǎng)度為30～50 cm，基準(zhǔn)桿與孔壁之間采用護(hù)套管進(jìn)行隔離，護(hù)套管外壁與孔壁之間使用細(xì)砂填充。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)如圖3所示。

圖3 紅層泥巖自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)圖(m)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)物位計(jì)精度為0.5 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測(cè)量和采集傳輸一次。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過工控設(shè)備箱內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸模組實(shí)時(shí)無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)發(fā)布，通過專用監(jiān)測(cè)軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3 臨近既有線路基的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

川南城際鐵路在IDK 6+555～I(xiàn)DK 6+585段以路基形式下穿運(yùn)營(yíng)中的成渝高速鐵路。其平面和橫斷面位置關(guān)系如圖4、圖5所示。本工點(diǎn)地面橫坡平緩，地表上覆土層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層硬塑狀粉質(zhì)黏土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖，泥巖為紅褐色，巖質(zhì)較軟，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。

交叉位置川南城際鐵路為淺填淺挖路基，路基采用樁板式U型槽結(jié)構(gòu)，共2跨。U型槽側(cè)壁及底板厚均為1.0 m，采用C35鋼筋混凝土一次性連續(xù)立模澆筑。U型槽內(nèi)表層及底層填料均采用級(jí)配碎石摻7%水泥。全段基底設(shè)置C35鋼筋混凝土圓形挖孔樁，樁直徑1.2 m，共18根，樁長(zhǎng)7.5～8.5 m，樁基采用非爆破人工+小型機(jī)械的方式進(jìn)行施工。

3.2 監(jiān)測(cè)的必要性

交叉位置成渝高速鐵路為32 m簡(jiǎn)支橋梁，川南城際鐵路U型槽結(jié)構(gòu)距離既有成渝鐵路墩臺(tái)最近距離僅 0.33 m。U型槽施工及運(yùn)營(yíng)期間是否對(duì)正在運(yùn)營(yíng)的成渝高速鐵路產(chǎn)生不利影響，需要設(shè)置沉降變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)臨近的橋梁墩臺(tái)進(jìn)行全天候安全監(jiān)控。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)掌控橋墩變形情況，及早預(yù)警，是施工期間既有線運(yùn)營(yíng)行車安全保障的技術(shù)措施之一。

3.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

IDK 6+555～I(xiàn)DK 6+585段U型槽工程施工期間，設(shè)置沉降變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)緊鄰的成渝高速鐵路兩處墩臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在兩測(cè)量橋墩外側(cè)的臨近橋墩，在監(jiān)測(cè)橋墩的四角布設(shè)物位計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，物位計(jì)通過安裝件剛性連接在橋墩表面。

橋梁變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)物位計(jì)精度為0.2 mm，靈敏度為0.01 mm，每24 h測(cè)量和采集傳輸一次。自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線傳送到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，通過系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)發(fā)布，通過專用的監(jiān)測(cè)軟件，訪問數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫， 通過管理軟件實(shí)時(shí)發(fā)布數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)預(yù)警，以保障施工期間既有線運(yùn)的行車安全。

圖4 IDK 6+555～I(xiàn)DK 6+585段U型槽與既有橋墩平面布置圖(m)

圖5 IDK 6+555～I(xiàn)DK 6+585段U型槽斷面圖(m)

4 結(jié)論

本文對(duì)川南城際鐵路代表性特殊工點(diǎn)路基的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)采空區(qū)路基的變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)包含了地基沉降、路基表層變形和路基坡腳水平位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)未處理采空區(qū)進(jìn)行全方位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，能提前預(yù)知建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中可能出現(xiàn)的變形風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)提出處理方案。

(2)對(duì)紅層泥巖無砟軌道深挖方路塹進(jìn)行專項(xiàng)的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可在后續(xù)施工過程中，及時(shí)掌握可能發(fā)生的潛在上拱變形，及早解決上拱變形問題。

(3)U型槽路基自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是對(duì)緊鄰既有高速鐵路橋墩的變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌控橋墩的變形情況，可為既有線正常運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障。