运营高速铁路膨胀土路基沉降变形特征探索

运营高速铁路膨胀土路基沉降变形特征探索

雷通兵

上海铁路北斗测量工程技术有限公司  上海市 200070

摘要：运营高速铁路膨胀土路基沉降变形随着季节变化呈现不规则胀缩变形。为研究膨胀土路基季节性沉降变形特性，选取某运营高速铁路膨胀土路基明显变形区段开展持续沉降变形监测，通过4年共63期监测数据综合对比分析，发现膨胀土路基在每年6-9月雨季垂向变形呈现明显隆起变形增长趋势，在10-12月垂向变形速率逐步下降，在1-5月垂向变形保持整体稳定状态。根据膨胀土路基季节性沉降变形特点，制定更加合理的沉降变形监测周期计划，从而提高沉降监测科学性与经济性，更好地为高速铁路运营安全提供保障。

关键词：膨胀土、重点地段、特征点、月变形速率、监测频次

一、前言

随着中国经济的快速发展，高速铁路网在全国各大城市间逐步辐射，截止2023年底高铁营业总里程达到约4.45万公里。作为国家名片，高速铁路运营对安全性、舒适性提出了严格要求。高铁运营过程中，路基土体在外部不良环境作用下产生不均匀沉降对轨道结构平顺性造成影响，从而影响高铁运营安全。一直以来，膨胀土作为不良地基对运营高铁带来的病害日益突出，给运营期高速铁路养护维修造成了较大困扰。运营高铁重点地段基础变形监测作为一种高效、精准的监测手段可实时掌握不良地基在不同外部环境条件下的变形规律，从而准确地为铁路设备管理单位养护维修提供参考依据。通过对某高速铁路膨胀土区段在运营期不同时间段路基进行沉降变形监测，以探索高速铁路膨胀土路基变形特性，从而制定合理监测周期，以更好地为高速铁路运营维护做好服务。

二、工程特性

膨胀土亦称胀缩性土，浸水后体积剧烈膨胀，失水后体积显著收缩的黏性土，是一种容易带来工程病害的特殊性土。降雨或地下水波动会影响列车荷载作用下膨胀土地基的力学与变形响应，浸水前路基土体具有较好的回弹能力，而浸水后轨道中线处沉降变形曲线呈现出滞回圈特征[1]。在高铁建设中，针对弱膨胀土路基工程设计会通过换填改良路基填料实现地基处理。改良后的膨胀土地基虽然胀缩性减弱，但在自然环境中极易受气候变化影响，特别是在雨季发达地区，季节性干湿导致膨胀土吸水发生明显膨胀，失水后呈现收缩变形[2]。通过统计膨胀土地区不同参量对应的大气影响带深度分析，得出划分大气急剧影响深度主要集中在0.5m内，最大影响深度可达2～3m[3]。对高速铁路无砟轨道路基而言，膨胀土的胀缩变形可能导致线路的不平顺性加剧，影响高速铁路的正常运营，甚至可能引发重大安全事故[4]。对于中强膨胀土地区建设的高速铁路，路基更容易产生上拱下沉病害，加剧轨道不平顺性，影响高铁正常运营[5]。因此，针对膨胀土发达地区建设的高速铁路在运营期路基出现季节性不均匀沉降问题，需对重点地段基础结构进行周期性沉降变形监测，实时为设备管理单位养护维修提供数据参考。

三、监测原则

运营高速铁路重点地段选取应循如下原则：

（1）通过现场设备巡察或精测网复测、建（构）筑物普查性监测以及轨道动、静态检测过程中发现明显变形的地段；

（2）监测区段选取应包含主要变形区域，区段划分不宜过长，一般情况下需控制在3km以内，且两端至少包含2对相对稳定基准点；

确定重点监测地段后，在每个CPIII横断面布设基础断面点，基础断面监测点可与CPIII共点。在相邻基础断面之间按照每20m左右布设一个加密断面，每个加密断面上下行路肩各布设一个加密监测点。每两对CPIII组成一个矩形水准环，按照二等水准对水准环进行测量，采用中视法对加密点进行观测，从而获取不同监测点差异变形量。根据重点地段变形情况确定监测周期，在监测初期按照1次/30天频次监测，在监测过程中通过对各断面点每期累计变形及变形速率进行综合分析，从而对监测频次按照1次/15天、1次/30天、1次/60天、1次/90天、1次/180天进行动态调整。

四、工程案例分析

针对某高速铁路沿线地质及气象特点，选取膨胀土发育且雨季充沛的区段进行分析，该地区雨季较长，每年从五月初持续至10月中旬，6-7月为降雨量最大。根据高铁运营期精密工程测量及动检车数据反馈，选取变形区域约1.2km长度列为重点监测地段，监测里程为K0+064-K1+K1+222。其中，K0+365-K0+928为路基，两侧为桥梁。按照每50~70m间距布设1个CPIII基础断面，每20m间距布设一个加密监测断面，基础断面点布设在接触网立柱基础上，加密断面点直接布设在路基两侧路肩上。其中，接触网立柱基础横截面宽度为1.2m，埋深约为3m，采用钢筋混凝土结构。基础断面点通过在接触网立柱基础上植入不锈钢监测钉，加密断面点通过在路肩开挖约40cm的立方坑埋设路肩沉降监测标石。监测区段上下行各埋设1个监测点，共布设69个监测断面，138个监测点。按照三等变形测量等级开展外业测量，每相邻两个基础断面监测点组成一个水准环采用矩形环单程

水准网观测，在每个水准环最后测站选用一个基础断面点作为后视点，对两相邻基础断面之间的加密断面监测点采用中视法进行监测。确保所有外业测量数据满足三等测量技术要求后，选用监测区段两端经检验稳定的线上水准基点或CPIII点作为起算基准点进行约束平差，从而计算出每个断面监测点高程信息及高差变化。从2019年12月开始监测至2023年12月，共监测4个年度，63期监测数据。2019至2023年每个年度各断面累计变形如下图所示：

图1.1-1 2019-2023年度各断面监测累计边形图

通过对数据进行对比分析，可得出如下结论：

（1）监测地段两端桥梁结构较为稳定，变形主要集中在路基地段，且以隆起变形为主；

（2）基础断面与加密断面均存在隆起变形，位于接触网立柱上的基础断面监测点变形整体较小，位于路基上的加密断面监测点隆起变形明显，且与基础断面监测点存在明显差异沉降；

（3）2019-2023年路基隆起变形基本呈现逐年递减趋势，上下行路基隆起变形趋势一致，上行路基相对下行路基隆起变形较快；

数据分析过程中，将各期监测累计变形值最大断面点定义为变形特征点。通过数据对比可知，截止2023年12月上行路基最大累计变形值为79.1mm，位于K0+386断面。下行路基最大累计变形值为81.4mm，位于K0+898断面。因此，分别选取上行K0+386断面及下行K0+898断面监测点作为特征点进行综合分析。

通过对特征点各期监测数据进行对比分析，可知上下行特征点每个月变形速率如下图所示：

图1.1-2 上行路基特征点月度变形速率图

图1.1-3 下行路基特征点月度变形速率图

通过对2019-2023年度变形特征点监测数据进行对比分析，可得出如下结论：

（1）路基地段均呈现明显隆起变形，在2020年变形速率增长最快，在2023年变形速率增长趋缓；

（2）每个年度6月至9月整体呈现隆起变形速率快速增长状态，在10-12月变形速率呈现下降趋势，12月之后整体呈现较稳定隆起变形。

（3）上下行路基隆起变形趋势基本一致，上行路基变形比下行路基更明显。

根据线路开通运营情况及监测地段所在区域地质、气象情况综合分析，监测前期线路开通运营后地基土在外部荷载作用下表现明显残余变形。在每年6-9月由于该地区梅雨季节降雨明显，地下水位急剧上升，膨胀土快速吸水膨胀，隆起变形速率逐步增大。10月-12月步入秋冬季节，地下水位下降，隆起变形速率明显降低。在第二年1月至5月地下水位基本维持稳定状态，隆起变形速率呈现整体稳定状态。因此，在膨胀土地区路基垂向变形监测频次可根据季节性特点分阶段执行，在雨季丰富季节可根据变形情况加密监测频次，在地下水位稳定期可适当延长监测频次。

五、结论

（1）高速铁路膨胀土地区路基结构在线路开通运营后出现隆起变形，且随着运营年限增长而逐渐减弱；

（2）高速铁路膨胀土地区路基结构垂向变形具有明显季节性变化特点，在每年6-9月份随着降雨量增加垂向变形呈现快速增长趋势，在10-12月随着地下水位下降变形速率逐步降低；在1-5月变形速率整体趋稳。

（3）高速铁路膨胀土地区路基结构垂向变形监测频次可分阶段执行，在每年6-12月份可按1次/1月频次监测，在1-5月份可按1次/2月频次监测。

（4）当年度累计变形量小于6mm或连续9个月变形速率小于0.5mm/月时，可适当延长监测频次。当年度累计变形量小于3mm或连续9个月变形速率小于0.2mm/月时可取消监测。

[1] 段君义,杨果林,刘洋,等. 浸水对无砟轨道膨胀土路基力学行为与变形特征的影响[J]. 铁道学报,2022,44(4):119-126. DOI:10.3969/j.issn.1001-8360.2022.04.015.

[2] KARUMANCHI, SIVA RAM, SINGH, D. K., MANDAL, A.. Study on swelling and shrinkage behaviour of unsaturated soils from material characteristics[J]. Road materials and pavement design: an international journal,2020,21(5/6):1274-1292. DOI:10.1080/14680629.2018.1547657.

[3] 张柯宏. 高速铁路膨胀土路堤沉降变形及湿热性状监测与分析[D]. 四川:西南交通大学,2015.

[4] 陈伟志. 低矮路堤荷载下膨胀土地基胀缩变形特性研究[D]. 四川:西南交通大学,2015.

[5] 曹自印. 中强膨胀土区高速铁路路基浸水试验研究[J]. 铁道科学与工程学报,2022,19(12):3467-3476. DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20221293.

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