摘要:高速铁路路基帮填将引起既有线附加沉降变形,为研究帮填路基有效可行的沉降变形控制技术及运营高速铁路安全监控技术,结合某新建客运专线引入既有高铁站,与运营高速铁路并站设置引起既有线路基帮填的工程实例,探讨帮填路基地基采用管桩桩筏结构加固及采用泡沫轻质土代替常规土质填料作为控制路基沉降变形措施的适用性,通过数值计算评估既有线附加沉降量为1郾75~3郾42mm,验证设计方案是可行的;探讨自动化监测技术应用于运营高速铁路沉降变形监测,并建立预警及多方联动机制以确保运营安全是必要的、可行的。目前实测路基沉降量为1郾73~2郾44mm,实测值略低于评估值且沉降较为均匀。
关键词:高速铁路;路基帮填;沉降变形控制;桩筏结构;泡沫轻质土;自动化监测技术
1概述
近年来,随着经济持续快速发展及铁路建设技术水平逐步提高,我国的铁路事业,特别是高速铁路实现了跨越式发展。随着高速铁路网不断完善,新建铁路不可避免地要与开通运营的高速铁路交叉、并行、帮宽或引入既有车站[16],并且类似工程实践将会越来越多。高速铁路无砟轨道技术的广泛应用,使得桥涵、路基等线下工程对工后沉降的要求更加严格。临近运营的无砟轨道高速铁路新建铁路工程,其附加荷载将引起无砟轨道结构附加沉降变形。由于无砟轨道轨面高程可调节程度有限,维修难度高,对运营安全影响很大。因此,临近运营高速铁路新建铁路工程,设计阶段应对既有高速铁路附加沉降变形的影响进行评估[78],并在设计及施工阶段采取有效措施,保证高速铁路运营安全。以某新建客运专线引入既有高铁站工程为例,探讨了既有高速铁路路基帮填在地基加固及路基填筑方面采取的沉降变形控制措施的适用性,并对既有高速铁路附加沉降变形的影响进行了评估,同时将路基沉降变形自动化监测技术应用于工程实践,探讨了自动化监测技术在类似工程中应用的必要性与可行性。
2工程概况
新建某客运专线引入既有高铁站,与运营高速铁路并站设置。新建客运专线车场新增2座岛式站台及4条到发线,新建客运专线最右侧到发线与既有高速铁路正线线间距28郾9m。相邻到发线线间距仅6郾9m。既有高速铁路左侧帮宽路基55郾5m,填高6郾0~6郾5m。既有高铁站位于冲积平原,地形平坦开阔,地层主要为粉质黏土、粉土、黏土、粉细砂及中砂等。地下水为第四系孔隙潜水,勘测期间地下水位埋深5郾3~12郾5m。地震动峰值加速度为0郾05g,土壤最大冻结深度为0郾5m。既有高速铁路设计速度350km/h,车站正线及到发线均铺设无砟轨道。站台区路基地基采用CFG桩加固,桩径0郾5m,桩间距1郾6m,正方形布置。正线以下主加固区桩长28m,两侧到发线以下次加固区桩长16m,桩顶设钢筋混凝土桩帽,桩帽顶设碎石垫层。既有高速铁路已于2011年6月建成通车,路基沉降已基本稳定。
3路基沉降变形控制措施
3.1地基加固方案设计
新建客运专线与既有高速铁路并站设置后站台区路基搭接为一体,若帮填路基地基采用CFG桩、钻孔灌注桩等取土桩加固,在桩成孔过程中,地基在荷载作用下产生侧向变形从而引起既有线沉降变形[9],而预应力管桩对地基产生挤密作用不会因取土引起附加沉降,通过合理安排施工顺序及施工工艺,或在紧邻线侧设置应力释放孔[10],管桩施工对既有线影响风险可控。此外,桩顶设钢筋混凝土筏板能够均匀分散上部荷载,促进桩土共同作用[11]。管桩桩筏结构具有承载力高、稳定性好、地基总沉降及不均匀沉降小等优点,在高速铁路建设中已成功应用[1214]。因此,帮填路基地基拟采用管桩+筏板结构加固。经检算,站台区帮填路基采用管桩加固,桩径0郾4m,桩间距2郾0m,正方形布置。应力影响线范围内桩长30m,桩顶设0郾15m厚碎石垫层,垫层顶设0郾5m厚钢筋混凝土板。应力影响线以外桩长22m,桩顶设钢筋混凝土桩帽。管桩施工推荐采用静压法沉桩,自既有高速铁路路基坡脚向外纵、横向间隔进行。
3.2路基填料选取
泡沫轻质土密度一般仅为路基土质填料的1/5~1/3,具有轻质性、密度及强度可调节性,可采用管路泵送的方式现浇,能够自流平、自硬化,无需碾压,硬化后具有良好的直立性,是土建领域一种新兴的轻质材料,可用于替代路基常规土质填料[1516]。新建客运专线与既有高铁路基搭接地段,为减小新建路基荷载,降低对既有线路基沉降变形的影响,于新建客运专线8道、9道两线间站台路基主要选用泡沫轻质土填筑(图1),设计泡沫轻质土重度4~6kN/m3,7d抗压强度0郾5~0郾8MPa。同时,临近既有线地段路基填筑施工时,沿线路方向按基本相同的高程进行填筑,减缓路堤分层填筑速率,并且地基处理与路堤填筑施工应拉开一定时间间隔。3郾3摇既有线路基沉降变形评估通过对既有线路基沉降变形进行评估以检验设计方案的可行性。选取既有高铁站站台区路基典型横断面,采用Plaxis软件建立有限元模型,通过数值模拟分析计算帮填路基对既有高铁路基附加沉降变形的影响,数值模拟计算结果(图2)表明站台区路基帮填引起既有高速铁路正线附加沉降量分别为3郾42mm(5道)及1郾75mm(4道),低于《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》[17]经常保养时轨道静态高低容许偏差管理值4mm。
4沉降变形自动化监测技术应用
4.1自动化监测的必要性
路基帮填将引起既有路基附加沉降变形,施工过程中应对运营高速铁路进行监测,实时掌握轨道的平顺情况以确保运营安全,同时为优化设计方案,合理安排施工组织提供依据。鉴于运营高速铁路线路处于封闭状态,传统人工监测的时效性已不能满足工程需要。因此,建立一套适用于高速铁路的自动化监测系统,在施工期间对路基沉降变形进行实时、动态监测和预警是十分必要的[18]。
4.2自动化监测方案设计与实施
基于液体连通器原理建立静力水准自动化监测系统,通过不同监测点的静力水准仪对液面高度差的测量,实现对基准点与监测点相对沉降量的监测。沿运营高速铁路线路布置监测点,间距20m左右,一般每6~8个监测点通过通液管路连接形成区段监测线,各区段监测线通过中继基准点连接组成一条完整监测线。每条监测线可选取一个或几个监测点作为基准点,其他点位作为沉降变形监测点。本工程运营高速铁路正线(5道)监测线全长1957m,监测范围覆盖车站两端咽喉区及站台区,基准点位于框构桥上。传感器采TGCX-4-100型位测计,测量精度达0郾1mm,位测计布设在轨道底座板旁混凝土封闭层。太阳能供电设备、数据采集与发射设备及储液罐系统分组布设于轨道同一侧路基面,见图3。自动化监测系统具备实时采集和远程传输监测数据、实时分析预警等主要功能。监测数据采集频次设为1次/h,采用沿线路方向相邻2个监测点的沉降差作为控制指标,按黄色、橙色、红色三级预警控制。经与建设单位、高速铁路产权及运营单位研究确定各级预警阈值为:黄色预警值2mm,橙色预警值3mm,红色预警值4mm。当沉降变形达到预警阈值时,通过手机短信等形式及时有效地将预警信息传递至建设单位、运营单位、施工单位、监理单位等各方,建立多方快速反应联动机制,根据预警等级迅速采取相应措施以确保高速铁路的运营安全。
4.3自动化监测结果
目前,既有高铁站新建客运专线车场路基已基本帮填完成,但尚未铺轨,施工期间运营高速铁路正线相邻点沉降差-1郾30~0郾94mm,未因沉降变形超限发生预警事件。站台区运营高速铁路路基沉降量1郾73~2郾44mm,目前实测沉降量略低于评估值,相邻监测点沉降差-0郾60~0郾54mm,沉降较为均匀。监测结果表明设计与施工阶段采取的路基沉降变形控制措施是有效的,路基帮填没有影响高速铁路的正常运营。
5结论
结合既有高速铁路车站路基帮填工程实践,探讨了采用管桩桩筏结构及泡沫轻质土填料作为路基沉降变形控制措施的适用性,通过对既有线沉降变形进行评估验证了设计方案是可行的,探讨了自动化监测技术在运营高速铁路工程实践中应用的必要性与可行性,得出如下结论。(1)既有高速铁路帮填路基采用管桩桩筏结构加固地基以控制沉降变形的措施是有效的,合理安排管桩施工工艺及施工顺序对既有线的影响是可控的。(2)泡沫轻质土作为一种新型轻质材料代替土质填料可大幅度降低路基荷载,对控制沉降变形效果明显,在下钻、并行及接入运营高速铁路等对沉降变形敏感的工点可借鉴应用。(3)对既有线进行沉降变形评估是类似工程设计中检验设计方案合理性的重要手段,是设计过程中的重要环节。(4)临近高速铁路施工应加强施工监控,并建立预警及多方联动机制,以确保高速铁路运营安全。自动化监测技术在运营高速铁路工程中应用是必要的、可行的。路基沉降变形的自动化监测设计与实施方案为类似工程积累了经验,具有一定的借鉴意义。
参考文献:
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[2]摇张竹清.城际铁路隧道下穿客运专线铁路桥梁发表论文方案设计[J].铁道标准设计,2013,57(6):114117.
[3]摇李耐振,闫伟.德大线下穿京沪高速铁路设计方案研究[J].铁道标准设计,2011(5):2527.
作者：张万涛 单位：铁道第三勘察设计院集团有限公司
