高速铁路沉降与变形分析及对策

秦义辉

摘要：在铁路建设中经常出现线路沉降、变形等病害，须对基础进行整治。轻则需调整轨道几何尺寸，严重的要拆除轨道结构重新施工，从而造成工期延误和成本增加。沉降与变形问题也是制约高速铁路正常运行的重要因素，对运营安全影响巨大。

关键词：沉降变形；区域地面沉降；冻胀；桥梁结构变形；线侧施工；

引起高速铁路沉降与变形的原因主要有地质条件、复杂桥梁结构、线路外侧施工或加载以及施工质量问题。

一、高速铁路沉降与变形产生的原因

线路发生沉降与变形主要有以下原因:

1.特殊的地质构造或环境。区域地面沉降、岩溶地基等会引起线路的沉降，地裂缝会引起线路变形，严寒地区路基冻胀会引起线路上拱。

2.软弱地基。含丰富地下水的隧道基底岩层破碎、深厚软土地基、膨胀性岩土地基等会引起线路沉降、上拱或变形。

3.复杂桥梁结构。我国高速铁路建造水平日益提高，设计了一些跨越大江大河、深沟陡谷的新型大跨桥梁结构。其设计时须与轨道结构精确耦合计算，才能满足平顺性和动态指标控制要求。

4.外部因素。线路外侧倾倒垃圾、施工桩基础、填筑路基、施工涵洞及桥梁等都会引起线路变形或沉降。

5.施工质量不良。隧道仰拱底部虚砟清理不干净导致混凝土与基岩面结合不紧密，路基过渡段填料质量不合格或者死角部位压实不到位均会引起线路沉降。施工中还出现了路基采用了具有膨胀性碎石的填料和路基掺加未完全消解的生石灰，在后期遇水后产生膨胀引起路基上拱导致无砟轨道结构变形的质量问题。具体线路产生沉降与变形的原因，有的是多方面的因素交织在一起，有的还不能准确地判明原因，要从地质、设计、施工、地理环境等多方面进行分析，查明原因后，才能制定针对性的处理措施。

二、路基冻胀分析

1.冻胀规律分析。根据对东北地区客运专线建设及运营期间冻胀季节路基观测数据的分析，冻胀变形随时间发展变化过程可划分为冻胀初始波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、变形稳定五个阶段。建设期间路基施工应根据当地气候条件，按照“尽量提前施作、适当缩短施工单元、当年全部完成主体和附属”的原则进行施工组织设计安排。冻胀—时间曲线对线路运营管理十分重要，冻胀快速上扬和波动融沉两个阶段是线路运营的不稳定期，应加强冻胀观测，加强轨检车动态检测和轨检小车对轨道结构静态几何尺寸的检查。检测资料显示，轨道发生短波不平顺性的概率明显小于长波不平顺性，可以通过调整扣件系统来及时调整线路的平顺性。变形稳定阶段持续时间较长，经过水分反复迁移，路基稳定状态会产生轻微变化，应加强对路基特别是防水层的检查，及时对产生的缺陷进行修复。根据冻胀观测资料建立不同阶段的冻胀分布曲线并进行长期观测分析，能够找出冻胀变化较大的区段，以重点维护。

2.设计措施。冻胀产生的主要因素包括土质(填料)矿物成分及颗粒组成、负温总量、土(填料)中水的含量以及水的补给、外部施加荷载等，针对这些因素，设计采取了强化路基结构、优化路基填料和“上封下排”防排水措施。目前建成的沈丹、吉晖等线路通过采取这些措施，冻胀基本得到了控制。对设计措施还需要进一步深化研究，分述如下。（1）防排水措施。冻胀的核心是水，一个冻融期实际上是地下(路基面下)水的一次循环过程。理论上，不断的循环将导致路基本体或地基内细粒土被带走，路基强度会降低甚至产生变形。路基在最优含水率条件下被压实后，应保持路基以及地基含水率在一定范围之内。涉及到的问题为:①路基层的封闭问题。表层各种结构缝的防水措施，混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间的接缝均会在寒季收缩开裂，而目前采用的纤维混凝土防水层也存在开裂问题，需研究在路基表面铺一种新型的复合防水层，如高速公路的沥青混凝土+封层的方案。②应重新确定盲沟的功能。高速公路在黄土地基地段在路基两侧设置了盲沟，但在盲沟内路基侧设置了一层防水板，目的是在一定深度范围内隔断地基与外部水的相互渗透，同时将外界补给的水及时通过盲沟排走。铁路盲沟设置目的与原理应与此相同。③为了避免路基内部由于上部冻结而对水的吸附，可在基床底面设置保温层。（2）路基填料的冻胀性问题。以往研究表明，路基冻胀与路基填料的级配和土体含水率密切相关，同时与线路通过地区的冻深关系也十分密切，所以路基勘察设计中，选取冻结深度应细致考虑工程现场实际的地理位置(包括城市还是郊外、阴阳坡)，选择合适的冻结系数来确定冻结深度。要认真调查填料来源，考虑级配、天然含水率等因素，模拟当地条件进行冻胀条件下的土工试验。当填料生产困难或经济性较差时，可考虑桥梁方案。结构物之间的短小路基应考虑采用桥梁方案。（3）路基基床厚度与冻结深度的关系。设计采取了基床表层采用级配碎石加5%水泥的措施。级配碎石加水泥具有混凝土干燥收缩和温度收缩的性质，在温度变化以及反复荷载作用下容易开裂，一旦破坏具有不可复原性，因此对于该层结构的耐久性要持续观察。

三、线侧施工及施工质量引起的线路变形分析

1.线侧施工。线侧施工引起的线路沉降和变形问题十分普遍。一般线路地质条件较差，多为厚层软土并且地下水位较高。引起路基变形的情况主要有:（1）线侧施工增加了地基荷载，如帮填路基、线侧一定范围内堆垃圾等，容易对线路地基产生挤压导致其产生横向或者竖向变形。（2）线侧开挖基坑抽排地下水引起线路沉降或变形。另外在实际工程建设中还发生过在桥墩一侧进行旋喷注浆施工导致桥墩偏移的情况。一般采取措施为:①设计阶段对线侧施工可能遇到的情况进行仿真检算，预测地基沉降量及其对线路运营安全的影响;②采取有效的设计措施。在既有路基受影响范围内采取隔离防护加固措施，一般采用1-3排双向水泥搅拌桩。其目的是保护路基基础内的水量，避免流失，抵抗线侧开挖或加载产生的土压力。线侧地基处理以少扰动为原则，一般采用水泥搅拌桩或静压管桩。尽量减少地面上的荷载，如采取轻质填料，或者采用混凝土结构代替路基。如某一运营站对侧计划修建一新站房，需要填筑5-6m高的地基，为此，进行了落地站和高架站不同结构方案的比较分析。（3）施工阶段要制订周密的沉降观测计划，对既有路基工程进行沉降及水平变形监测，出现异常时应立即停工分析原因;严格控制施工质量，特别是隔离防护加固桩的质量，桩径、咬合搭接宽度、桩间距、龄期强度须符合设计要求;控制填土速率。

2.施工质量问题。各种施工质量问题最终都反映在轨道结构变形或者轨道几何尺寸超标。比较典型的情况主要有:（1）地基处理不符合要求。包括:软土路基桩长或者数量不足引起路基沉降;膨胀性岩土地基处理措施不到位，遇水后膨胀使路基上拱。（2）路基填料控制不严。掺加膨胀性岩石填料，遇水后膨胀使路基上拱;掺加石灰改良土填筑的路基，生石灰消解不彻底或者填料搅拌不均匀，会引起路基上拱变形。（3）无砟轨道施工质量控制不严。如板式无砟轨道充填层质量差引起轨道板离缝变形;CＲTSⅡ型板式无砟轨道锁定温度控制不严或者张拉锁件失效引起轨道拱起;连续无砟轨道结构出现裂纹，低温封堵可能引起轨道结构涨拱。（3）测量出现偏差。测量周期过长、控制网基准点坐标或高程出现变化没有及时调整，引起轨道几何尺寸施工错误;不同施工标段之间测量搭接出现偏差，也导致一定搭接范围内轨道几何尺寸超标。

保证轨道结构的平顺性，必要时适当调整运输组织;测量观测对制定合理的维护措施十分关键，对大跨度桥梁结构、冻胀区段以及区域沉降地段，采取自动化监测手段，做到实时监测、连续监测。

参考文献

[1]石明，严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析.2017.

[2]王先军.高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析.2016.