浅析高速铁路沉降预测在黄土地区工程项目中的应用

浅析高速铁路沉降预测在黄土地区工程项目中的应用

张德庆

张德庆

中交第三公路工程局有限公司北京市朝阳区100000

摘要：当今社会飞速发展，经济快速增长的同时也给交通运输带来巨大变化，高速铁路是当前重要的出行方式之一，高速铁路网也不断的向西北地区及边疆延伸。高速铁路轨道线形标准高，运行速度快，对路基沉降变形要求非常严格。路基的不均匀沉降和总体沉降量已成为现场施工和铁路运营期间的重点和难点，尤其黄土地区的不良地质给高速铁路路基施工带来了更为苛刻的挑战，不仅要加强施工过程控制，还要提高沉降量预测精度，同时在设计阶段就要做好地质勘探，严格地基处理，确保路基的沉降变形满足高速铁路运行舒适、安全。

关键词：高速铁路；黄土地区；沉降控制；沉降预测

1、高速铁路发展现状

交通强国，铁路先行。铁路的进步与发展任重而道远。近年，铁路作为国民经济大动脉，不仅承担着国家需要时的特殊运输责任，更是在民生发展中起着不可替代的作用。高速铁路让日常出行更加便捷、城市交流更加紧密。然而，随着全国高速铁路建设里程快速增长，已深入西北地区及边疆。该地区的黄土地质路段引起的高速铁路路基沉降变形给铁路后期运营带来了巨大的难题。我国在2002年建成的秦沈客运专线，设计时速200Km/h，在综合测试实验中最高时速达到320Km/h[1]。2004年后，我国开始建设设计时速250-350Km/h的高速铁路客运专线，截止目前已经有多条高速铁路投入运营，郑西（郑州—西安）客运专线是我国第一条设计时速350Km/h且穿越湿陷性黄土地区的高速铁路。总而言之，高速铁路客运专线在近年来发展迅速，运行速度不断提升，技术标准要求持续提高。

2、高速铁路沉降研究概述

高速铁路上的列车运行速度快，技术含量高，这就给无砟轨道下的路基工程提出了更加严格的要求，路基要稳定，沉降变形量要小且均匀，才能保证列车运行平稳、安全。高速铁路运营期间，如果路基工程的稳定性和承载强度发生较大波动，带来的问题将是长期性的，复杂性的，所造成的损失是不可预估的。目前国民经济的快速发展更多的是依靠快速的铁路运输，现在多数铁路已处于超负荷运营的状态，一旦铁路路基因沉降变形而影响铁路正常运营就成为制约经济发展的瓶颈。事实上，其他铁路网络发达的国家也非常重视铁路路基沉降变形，但是很多沉降变形问题是在运营期间发生的，如日本的第一条高速铁路客运专线东海道新干线，在试运行时就因路基沉降变形无法达到设计运行速度，德国和法国高速铁路建设也出现过类似的问题。因此，我国高速铁路在快速发展的过程中，必须要汲取国内、外的经验和教训，高度重视路基工程沉降变形，避免出现类似的问题。

3、黄土地区工程特征

我国黄土地区区域面积大约64万平方千米，占总国土面积的6.6%，其典型特征就是面积广、地层连续、厚度大，且大部分都是湿陷性黄土[2]。地基处理成本高，施工难度大。

3.1、岩性特征

一般情况下黄土地区主要地质情况如下：岩性主要为地第三系和第四系形成的冲积和湖泊淤积的粘质黄土；第四系冲、湖积粉质瓤土、冲积粉土、湖积粉土、湖泊细沙。

3.2、岩土特征

(1)湿陷性黄土：土层中浸水，上覆自身重应力作用下、在自重应力和附加应力共同作用下，土层结构破坏而发生明显的附加变形的特征；

(2)松软土：坚硬的岩石在经过长时间风化破坏、搬运和沉积形成，非常疏松，主要由沙土、粉土和冲积沙土组成，一般情况下不能作为高速铁路路基，必须经过处理。

3.3、沉降控制

高速铁路黄土地区路基土建工程完成后沉降量的控制，是高速铁路设计中的一个非常重要环节，同时也是路基土建工程设计的难点。路基工程是轨道的基础，它承受来自上部构造物的压力和高速列车快速通过所带来的荷载力，在高速列车反复冲击情况下路基很容易发生较大的差异沉降，特别是软土和黄土地区，路基工程沉降是一个缓慢而持久的过程，这就对沉降预测精度要求非常高，为了保障高速铁路轨道平顺和稳定，路基的沉降速率和沉降必须进行严格的控制，才能保证高速列车通行的安全、平稳运行。建筑环境荷载和直接或间接的荷载都会直接影响路基的沉降变形，在目前使用最多的计算方法就是给予荷载固结引起的路基沉降。

4、沉降预测方法

在高速铁路工程建设上对路基沉降量的预测方式方法主要有两种：一种是在实验室内对某一段路基土进行物理或化学分析测试来获取岩土的参数，同时选择适宜的计算模型来推测出路基的沉降量；另一种就是在现场实测路基的岩土相关沉降数据值并对数据加以处理，获取有规律的沉降，从而来预测这段路基沉降量。根据实测资料来推测路基沉降量，总结起来有四种方法：曲线法、灰色系统法、人工神经网络法和遗传算法[3]。

4.1、曲线法

曲线法实际上是通过计算机分析实测数据与时间关系，建立路基沉降量与时间曲线的拟合函数方程，然后根据建立的函数，推测某一时刻的沉降量的一种方法。实际工程中用的拟合曲线法主要有：双曲线法、指数曲线、时间对数法、抛物线法、三点法、沉降速率法等。

4.2、灰色系统法

1982年我国著名学者邓聚龙教授提出沉降预测灰色系统理论，它主要是通过对已知的“部分”消息生成和开发，提取出有价值信息，以实现对系统运律的正确客观的描述和有效控制。灰色系统沉降预测就是需要对原始基础数据进行处理和建立灰色模型，发现和抓住发展规律，对系统未来发展状态做出合理的定量预测。然而在实际运用过程中，需要对原始数据序列作一定的转换，定义适当的序列算子和灰导，并对转换的序列建立近似微分方程的GM模型，再通过精度验证后，就可以运用在实际沉降预测。GM模型是目前最常用的沉降预测模型，由于受到外界因素干扰，通常在使用时要对GM模型进行修正，才能使沉降预测达到精度要求。

4.3、人工神经网络法

人工神经网络法就是对人脑、自然神经网络的基本特性进行抽象和模拟，它是非线性动力系统，具有并行处理大规模数据和分布信息的存储运算功能，具有良好的适应性、组织性及强大的学习、联想和极强的抗干扰能力。这种方法在处理非线性问题上具有优越性。

4.4、遗传算法

遗传算法是一种新计算方法，它具有高度并行、随机、自适应搜索的特征。它同其他常规方法相比，不需要直接和模型参数，只是处理一个具有代表性参数的编码；这种算法在操作过程中可以同时计算一个解群，而不是单纯一个点，这就提高了搜索效率，同时避免陷入局部极值；求解过程不需要计算目标函数的微分，因此，它不需要目标函数和约束条件，这在处理非线性问题上比传统方法有明显的优点。

5、结论

高速铁路网络在我国快速延伸，截止目前，北京、天津、上海、深圳、武汉等许多城市都已经建成高速铁路，高速铁路已经进入快速发展阶段，未来将会形成密集的高速铁路网络，为保证高速列车平稳、安全通行在黄土地区，这就必须要对高铁路黄土地区基工程沉降量进行非常严格的控制，同时也要改变传统的设计思路，优化设计，从设计阶段就采取措施重点控制高速铁路在黄土地区的沉降量。收集黄土地区路基工程沉降量观测资料，及时进行整理分析，选择合适的黄土地区沉降预测公式，根据沉降和侧向变形的速率特征来指导黄土地区高速铁路路基工程填筑施工，假如沉降变形的速率变化过大，就需要调整相应的路基填土进度。高速铁路路基沉降观测期间要利用所采集的的沉降变形资料进行合理预测路基工程的最终沉降量。针对沉降变形预测时，通常除采用曲线法来预测沉降变形未来的发展趋势外，还需要充分利用灰色系统法、人工神经网络法、遗传算法来进行沉降分析和研究，并综合考虑内部和外部的其他因素，在此基础上才能合理推导出高速铁路在黄土地区路基的最终沉降变形量。如果预测沉降变形量不能满足设计要求时，必须及时采取工程措施弥补。

参考文献

[1]李欣.郑西高铁湿陷黄土路基沉降监测及预警系统研究[D].长安大学,2012.

[2]姚继开.黄土地区高速铁路路基沉降预测模型研究[D].辽宁工程技术大学,2014.

[3]贾云龙,张世宇.高速铁路路基沉降量预测方法研究[J].铁路工程技术与经济,2010,25(4):25-26.