新建高速铁路路基沉降速率提醒阈值确定方法与异常处置

时间：2024-07-28

刘俊飞

中国国家铁路集团有限公司科技和信息化部，北京 100844

工后沉降能否控制在限值范围内是高速铁路路基设计和施工成败的关键，而沉降观测与沉降评估是沉降控制的重要工作环节［1］。沉降评估工作的基础是完整、可靠的沉降观测数据。高速铁路路基工程的沉降观测工作自路堤填筑初期开始，伴随着路堤各层填筑、预压土填筑、预压土卸除以及静置的整个过程，历时往往一年乃至两年有余，一个测点累计观测期次常常有上百期。

相对而言，沉降评估是一种被动的事后检验。如果在路基施工和沉降观测过程中，通过沉降观测数据的变动，尽早捕捉和分析到异常变形，及时采取相应的工程补强或纠正措施，变被动的事后检验为主动的过程控制，就能更加充分地发挥沉降观测的作用。

Q/CR 9230—2016《铁路工程沉降变形观测与评估技术规程》规定，沉降变形速率出现异常、沉降变形超过限值、无砟轨道路基连续两次观测的沉降差大于4 mm、沉降发生突变等异常情况时应分析原因采取对策［2］。但是，工程实践中的沉降观测一般由测量人员负责实施，测量人员更多地关注的是测量数据是否正确、测量线路闭合差超限与否等测量自身的相关工作，对测量结果是否异常关注较少。Q/CR 9230—2016 中提到的种种沉降变形异常需要依靠设计信息、施工信息并结合工程经验进行综合研判，测量人员很难独立完成。Q/CR 9230—2016 中对这些异常描述较为笼统，其中的定量标准也往往失之于宽，不同人员把握的尺度常常不同，实施效果难以控制。

本文根据理论分析和实测结果，探讨高速铁路路基沉降发展特征，提出以沉降速率为核心参数的高速铁路路基沉降观测异常数据判识方法，为测量人员在沉降观测过程中快速识别异常数据并进行处置提供参考。

1 高速铁路路基沉降发展特征

对路基沉降发展过程的定量分析方法总体上可以分为两类：①以固结理论为基础的计算分析；②以沉降观测数据为基础的曲线拟合分析。

在设计阶段常采用固结理论计算沉降过程曲线。对天然地基按照Terzaghi 一维固结理论，t时刻地基沉降St为

式中：S∞为固结完成后的最终沉降；Ut为t时刻的固结度；cv为土层的固结系数；H为土层的单向排水厚度。

更广泛地，对于用不同地基处理方式处理的人工地基，可采用式（2）拟合路基固结变形曲线［3］。

式中：a、b为与地基土层性质、地基处理方式等相关的参数。

式（2）也常用于对沉降观测结果的S⁃t曲线拟合，文献［2］中的固结度对数配合法和指数曲线法均以该式为基础。根据式（2），t时刻的沉降速率vt为

t时刻的剩余沉降Sr为

结合式（3）与式（4），t时刻沉降速率vt与剩余沉降的关系为

除式（2）之外，双曲线法也是沉降观测结果S⁃t曲线的常用拟合方法。按照双曲线法，t时刻地基沉降St为

式中：S0为初始沉降；m、n为回归系数。

由式（6）可得，最终总沉降为

t时刻的沉降速率为

t时刻的剩余沉降为

结合式（8）与式（9），t时刻沉降速率与剩余沉降的关系为

由于天然地层和人工地基形态和固结变形性质的复杂性，无论是式（1）还是式（6）都是对地基沉降发展规律的近似，因此式（5）与式（10）所表现出的定量关系不尽相同。虽然如此，二式都反映了地基沉降发展过程中任一时刻的沉降速率与剩余沉降之间的正相关关系。这说明，无论地层或地基处理方式怎样，沉降速率与剩余沉降正相关是一个普遍性的规律。在路基填筑中或填筑后的同一阶段，地基的沉降速率大，其后续沉降也会比较大，相应地也预示着其工后沉降超限风险的增高。因此，可以针对不同发展阶段设置相应的沉降速率提醒阈值，以在路基施工过程中及时发现异常并及早处置，最终实现路基沉降控制目标。

Q/CR 9230—2016 中所列举的几种路基变形异常，都会在沉降速率上有所体现。因此以沉降速率为核心参数进行异常判识也更具应用价值。

理论与实测均表明，典型的路基沉降变形发展过程可以分为三个阶段［4］：①快速发展阶段。这一时段也是路基填筑或预压土填筑，荷载逐渐增加的阶段，在此期间，地基所承受的荷载随着时间而增加，地基沉降随着上部荷载的加大也快速增大。②发展阶段。路基填筑完成，上部荷载稳定后的一段时间内（一般持续1个月至几个月），地基沉降变形仍在以较快的速率发展，但沉降速率逐渐减小。③稳定发展阶段。此时沉降趋于稳定。

上述三个阶段也可称为路基沉降变形发展的前期、中期和后期。实际工程中，路基高度、地层条件和地基处理方式各不相同，具体的沉降发展过程也会有明显差异。根据式（1）、式（5）所表示的固结理论，沉降速率与剩余沉降之间的具体数值关系主要由两方面决定。①地基的总沉降。沉降速率与剩余沉降均与总沉降正相关。②地基的排水固结性质。固结速度快的地基，比如地基压缩变形主要发生于砂性土层或地基处理方式有利于地层排水时，其前期沉降速率大，但中、后期沉降速率会快速减小。从控制工后沉降的角度，真正需要早发现早处置的是变形大且固结速度慢的地基，这种地基沉降速率减缓的速度较低，具有前期沉降速率可能不算太高，但后期沉降速率仍居高不下的特征。

2 沉降速率提醒阈值的确定

地基排水固结速度决定了路基沉降变形前、后期沉降速率相对大小的差异。因此，可以得出沉降速率提醒阈值的确定原则：前期沉降速率提醒阈值由填筑后瞬时沉降较大且沉降发展速度较快的地基确定，此时的提醒应以控制路基填筑速度、保证地基承载力稳定为主要目的；中后期沉降速率提醒的阈值应由沉降较大且固结排水速度较慢的黏性土地基确定，这一阶段的提醒以控制路基工后沉降为核心目标。

此外，与实际测量得到的S⁃t曲线并非理想的平滑曲线，还会受到测量误差的影响。一般情况下，同一测点即使在水准线路、人员、仪器相同的条件下平行观测得到的两次沉降也可能有不足1 mm 的测量误差。沉降速率阈值的确定应考虑到测量误差的影响，不应设置得过低，以减少测量误差引起的误报。在数据处理方面，可以采用含本期观测在内的连续3期，即时间总跨度为2 个观测周期的沉降观测结果得到的3期平均沉降速率作为该时刻的沉降速率，也能够在一定程度上减小测量误差所带来的沉降速率波动。

为实际了解新建高速铁路路基沉降速率情况，对两条正在施工中的高速铁路线路3 个标段共500 余个路基测点的沉降观测结果进行统计。以处于路基填筑完成第4～6 个月工况的测点为例，其3 期平均沉降速率概率分布见图1。

图1 填筑完成后第4～6个月路基沉降速率概率分布

由图1 可知：该阶段路基沉降速率绝大多数已低于0.08 mm/d。考虑到这一观测期限内正常观测频次为每2周1次，若按3期累计2 mm 的观测误差估算，则观测误差引起的沉降速率变化为0.048 mm/d。该速率及以下测点数量占总数量的94%，说明多数路基在这一阶段已基本处于变形稳定的状态。个别路基断面沉降速率在0.11～0.16 mm/d，经过综合判定该路基也处于正常变形且工后沉降可控的状态。

选取华北平原已竣工的一高速铁路路基中填筑高度较高、沉降较大的路基段，根据沉降观测结果得到其沉降速率中值。该区段为黏土、粉质黏土和粉土交互、韵律状沉积的深厚松软土地基，采用水泥粉煤灰碎石（Cement Fly⁃ash Gravel，CFG）桩复合地基加固，可以作为沉降较大且固结速度较慢的路基典型段。以此为基础，结合Q/CR 9230—2016 规定的观测阶段划分，适当放宽填筑期沉降速率，并考虑测量误差的影响，确定沉降速率提醒阈值，见表1。

表1 路基沉降速率提醒阈值

3 沉降数据异常的应对措施

除了路基沉降速率过大，即后续沉降过大的真异常之外，实际沉降观测中还经常不可避免地遇到测量本身问题造成的假异常，例如测量错误、沉降板或沉降观测标在施工中被挤压或碰撞变形破坏、水准线路采用的基准点不稳定或被碰撞等原因都会造成观测数据失真。这两类异常都表现为沉降观测数据的变动。在对现场观测标保护不严格等条件下，这些假异常甚至会占据异常数据的大多数，对有效捕捉真异常带来较大的困扰。

一般情况下，测量错误可以通过本次数据与历史测量数据的对比、本测点数据与周围测点数据的对比发现，并可以通过重新测量消除失真。基准点碰撞变形会使水准路线上各测点沉降出现系统性偏差，对基准点的外观检查和基准点间联测可以验证基准点变形。基准点出现变形后，可以通过基准点修复和标高修正，并在重新测量后消除失真。测点碰撞变形也可以通过数据检查、测点外观检查和相邻测点变形关系分析发现。出现测点碰撞变形后，可以通过测点重新布设并补充测量进行修正。由于测量错误、测点或基准点被碰变形的变形有较大的不确定性，大量的沉降观测结果显示，大多数假变形引起的变形速率通常会明显高于表1 所列的正常沉降速率水平，或表现出异常隆起。

经过去伪存真，排除失真变形，才能真正有效地发现真变形，并进一步查明原因，制定对策，消除隐患。对异常数据进行分析的故障树模型以及对异常数据的处置措施如图2所示。

图2 异常数据故障树

铁路工程建设中采用铁路沉降观测信息系统对沉降观测予以信息化管理，测量结果实时上传平台，统一管理［5］。该系统采用本文提出的方法，在采集到每日沉降观测数据后，实时进行异常数据判识和分级提醒。如果出现提醒，首先应由测量工程师检查是否出现了测点被碰、基准点被碰变形、测量错误等测量问题，排除假变形。若确认是真变形，应会同路基专业工程师，综合地质情况、施工过程、周围环境变化等信息，根据异常数据的空间、时间特征，进行综合分析，查明变形源头，采取相应的处置措施。