高速铁路基础设施：局部和差异沉降对轨道交通的影响及解决办法

工程2（2016）374研究轨道交通-文章高速铁路基础设施康高亮中国铁路总公司运输ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年5月5日收到修订表2016年8月19日2016年9月8日接受2016年9月21日在线发布保留字：局部沉降差异沉降无碴轨道附加荷载车辆与轨道动力学探讨了高速铁路线路局部沉降和差异沉降的主要影响因素。分析结果表明，地下水开采是引起差异沉降的直接原因。通过对无碴轨道附加荷载和不同差异沉降下车辆、轨道、桥梁动力响应的研究，初步提出了运营期© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍截至2015年底，中国高速铁路线路总长度超过1.9万公里，居世界第一“四北四南、四西四东”高速铁路通道初步建成，快速铁路网与其他铁路一道形成，覆盖全国大部分城市和人口，发挥了重要的对于如此庞大的铁路网络的运营，高速铁路设备的维护已成为运营公司必须解决的关键问题。2013年发布的《铁路重大技术政策》[1]提高运营管理水平和养护维修技术水平对高速铁路的持续安全运营具有十分重要的无碴轨道结构主要用于我国设计时速300 km·h-1及以上的高速铁路高速铁路要求轨道结构具有高可靠性、高稳定性、高平顺性。因此，这些规定涉及-地基沉降，特别是差异沉降对工程的要求非常严格。为了节省土地、控制沉降、跨越河流、穿越既有交通网，我国高速铁路普遍采用高架桥;事实上，高架桥在超过80%的京沪、沪杭高铁）。无碴轨道桥墩的工后沉降（铺设后的最终沉降）要求极为严格。桥墩的沉降不允许大于20 mm，相邻桥墩的差异沉降必须小于5mm[2]。如何控制和维护沉降，不仅是勘察、设计、施工中的难题，也是运行维护部门面临的重大挑战2. 差异沉降对高速铁路基础设施2.1. 地下水变化对高速铁路路基沉降高速铁路通过各种复杂的环境，电子邮件地址：kgl710@sina.comhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.0142095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engG. Kang /工程2（2016）374-379375气象和自然条件，如天气、地质、水文等。目前运营的大部分高速铁路都表现出良好的性能，但也存在局部沉降超限的情况。例如，华北地区由于地下水位的剧烈变化而出现了沉降区。在该区域内，连续梁桥墩和相邻简支梁桥墩的差异沉降变化高达54.6mm，总沉降高达243.5 mm（如图所示）。 1），沉降速率为21.1 -117mm/年。地下水位的局部性和季节性变化也会引起桥梁桩基的正变形和负变形。图2显示了中国西南地区桥墩沉降与地下水位变化之间的关系。根据观测数据，发现桥墩在雨季上升，在旱季下沉。地下水位变化幅度可达20 m，桥墩沉降和抬升量分别为19.0 mm和12.0 mm，38.6 mm，分别。局部沉降会引起高速铁路路基快速而剧烈的沉降，严重影响高速铁路的建设和运营Fig. 1. 沉降曲线和差异沉降。(a)总沉降分布;（b）差异沉降分布。2.1.1. 地下水位变化对桥梁桩基差异沉降的影响研究表明，地下水位下降是引起局部沉降的直接原因[3在局部沉降地区研究高速铁路工程沉降控制时，常规做法是先研究地下水变化与地面沉降的关系，再根据工程控制标准分析地面沉降对工程的影响主要采用的对策涉及在高铁两侧一定范围内关闭水井、控制地下水的使用量[8进一步的研究表明，地下水位、地层特性和桩基参数是影响地基差异沉降的三个最重要的因素[10地下水位的下降可以降低地基土中的在这个恒定的总应力作用下，土体的有效应力将增大，引起土体的固结和沉降。渗透系数K是影响地基沉降的关键因素之一，能反映不同地层的特性。渗透系数越大，入渗曲线越平缓。在相同的地下水位下降量下，影响半径R随渗透系数的增大而逐渐增大。图3显示了不同渗透系数（粘土到砂）下地下水位下降与影响半径地下水位的位置对桥梁桩基沉降也有很大的影响.本文以我国北方漏斗沉降区的某桥梁桩基为例，介绍了该地区桩基的工程实例此处持力层为粉质粘土，桩长45 m，桩径1 m。当地下水位低于桩底（桩基范围外）时，均质成层下卧层能较均匀地产生附加应力，对桩区影响较小当地下水位位于桩基范围内（桩顶以下16m）时，预测桩基差异沉降的发展如图4所示，地下水位差1 m可能引起的差异沉降达7.8 mm。此外，桩和土的长度和直径性质对桥梁桩基沉降有很大的影响。2.1.2. 地下水变化对高速铁路路基桩基差异沉降的影响地下水开采引起的局部地下水位下降是高速铁路桩基路基水沿图二. 桥墩沉降与地下水变化的关系。376G. Kang / Engineering 2（2016）374图三. 地下水位下降与影响半径的关系。图五、不同用途的水开采后路基纵向沉降的分布。见图4。不同地下水位引起的差异沉降情况。铁路线可分为农业用水，工业用水和生活用水三种。农业用水主要来源于浅层地下水，生活用水和工业用水主要来源于深层地下水，假定浅层地下水是指地表以下3米以内的水，深层地下水是指地表以下3-100米的水。研究发现，如图所示，浅层地下水不会导致路基严重沉降，但会引起严重的不均匀沉降，对轨道平顺性产生显著影响 图五、路基与抽水点之间的距离对路基沉降也有很大的影响。路基的长期沉降沿线路呈“凹形”，即离抽水点越近，沉降越大。图6显示了路基纵向沉降随抽水点与铁路线之间不同距离的分布。当距离为50 m时，路基顶面的路基沉降量为8.05 mm;当距离增加到200m时，路基顶面的路基沉降量仅为2.54 mm，比前者减少了68.3%2.2. 差异沉降对无碴轨道平顺性及附加荷载的影响桥墩不均匀沉降将导致无碴轨道变形当差异沉降较小时，竖向不平顺可通过扣件进行调整。当扣件不能纠正沉降时，必须采取其他技术措施，如竖曲线调整、轨道坡度调整、更换调整范围较大的专用扣件、灌浆抬升轨道板、顶升桥梁支座等。（这些措施已经成功实施。见图6。抽水点距铁路线不同距离下路基纵向沉降分布。在中国北方的高速铁路线路维护中作为一个例子，中国铁路轨道系统II型（CRTS-II）无碴轨道上的32米跨度的简支箱梁桥是纵向连续的桥梁裂缝。图7显示了产生的不同沉降，图8显示了产生的垂直轨道不平顺变化。结果表明，相对而言，轨道竖向不规则度随桥梁基础沉降的变化而变化，差异一般在1 mm以内，差异主要由扣件拉压和无碴轨道底板与桥梁之间的间隙组成。现行高速铁路线路维修无碴轨道规程中无碴轨道长波竖向不平顺（波长1.5 ~120 m）允许值CRTS-Ⅱ型无碴轨道在桥缝处纵向连续。桥墩的不均匀沉降会对无碴轨道产生附加荷载.这种附加荷载在简支桥梁上特别重要。图9显示了无碴轨道的附加力矩，图10显示了产生不同沉降后轨道板和基板的纵向应力，如前面图7所示。结果表明，随着桥墩沉降量的增加，无碴轨道附加弯矩、轨道板和底座纵向应力增大。沉降桥墩底板拉应力较大，G. Kang /工程2（2016）374-379377见图7。相邻桥墩的差异沉降。见图8。垂直轨道不规则。图9.第九条。无碴轨道附加弯矩的增长趋势。相邻桥墩上的轨道板拉应力更大。差异沉降增加5 mm将导致无碴轨道附加弯矩增加70 kN·m，轨道板纵向应力增加0.4 MPa，底板纵向应力增加0.7 MPa。当差异沉降达到15mm时，底板的长期应力达到2.1MPa，接近底板混凝土的极限抗拉强度（C30）。2.3. 不均匀沉降对车辆和轨道动力学的影响轨道竖向不平顺和桥跨墩不均匀沉降引起的纵向无碴轨道与桥梁之间的间隙是影响高速车辆运行质量的两个重要因素。本文在分析不同生产要素的动态影响时，首先考虑这两个因素的影响见图10。轨道板和底板纵向应力的增长趋势。UTS：极限拉伸强度。优惠的解决方案。采用车辆-轨道-桥梁耦合动力分析方法[17诱发轨道竖向不平顺（图8），叠加高速铁路无碴轨道不平顺谱推荐的随机不平顺[20]。采用非线性弹簧模拟无碴轨道与桥梁之间的间隙。以32 m简支箱梁桥上的CRTS-Ⅱ型无碴轨道为例，图11 - 13显示了在不同沉降量和车速的情况下，车辆振动响应和运行安全指标如何随沉降差变化。结果表明：不同车速下，差异沉降对车辆振动加速度、车辆Sperling值和轮重减载率均有一定影响，其中对车辆振动加速度的影响尤为显著。当车速为350 km·h-1，差异沉降超过20 mm时当车速小于350 km·h-1，沉降量小于30 mm时在不同的不均匀沉降和车速下，轨道和桥梁的振动响应随不均匀沉降的变化而变化，如图1和图2所示。14分16秒结果表明，差异沉降对桥梁和轨道动力特性的影响相对较小。当车速为350 km·h钢轨竖向位移仅从1.58 mm增加到1.66 mm，桥梁竖向位移仅从1.16 mm增加到1.21 mm，增加幅度较小378G. Kang / Engineering 2（2016）374图十一岁车辆振动加速度与不均匀沉降的关系。图12个。 车辆Sperling值与差异沉降的关系。图十三. 轮重减载率与沉降差的关系。图十四岁 扣件反力与不均匀沉降的关系。图15. 钢轨竖向位移与差异沉降的关系。图16. 桥梁竖向位移与差异沉降的关系。超过5%。综上所述，差异沉降对车辆振动响应和行车安全指标的影响相当显著，而对轨道和桥梁动力响应的影响相对较小。3. 沉降控制策略本文通过对高速铁路基础设施局部沉降产生的原因及影响的分析，得出以下结论和控制策略。(1) 高速铁路穿越各种复杂的气候、地质、水文等环境和自然条件。局部沉降对高速铁路线路的影响越来越突出，地下水的过度开采是引起局部沉降的主要原因之一。当地下水位下降时，不同渗透系数和性质的土对沉降的影响不同对于渗透系数小于5 × 10- 3cm·s-1的砂土G. Kang /工程2（2016）374-379379高速铁路对于高速铁路桩网基础，地下水抽水引起的局部地下水位下降是引起不均匀沉降的主要原因。因此，在高速铁路的建设和运营过程中，地下水的开采应严格限制在线路200 m以内。应颁布法律条例，限制地下水的开采和用水。(2) 地基范围内地下水位变化引起的桩基差异沉降大于桩底以下地下水位变化引起的差异沉降。当桩基范围内地下水位变化1m时，桩基产生7.8mm的差异沉降。浅层地下水开采引起的桩基路基总沉降小于深层地下水开采引起的桩基路基因此，对于局部沉降地区的高速铁路线路，在基础设计时应适当加长桩身，为沉降留有一定的余度。(3) 桩长、桩径和土体性质对桥梁基础沉降也有很大影响。桩基设计应根据局部沉降区、多跨连续桥与简支桥相邻区域、地形崎岖地区的详细地质勘察资料，以减轻不均匀沉降对铁路的影响。(4) 轨道竖向不平顺与桥梁基础沉降密切相关.这种差异一般小于1 mm，主要是由扣件拉压变形和无碴轨道基板与桥梁之间的间隙引起的。因此，运营期间相邻桥墩的差异沉降应控制在15 mm以内，以保证无碴轨道的平顺性。(5) 以某32 m简支箱梁桥上的CRTS-Ⅱ型无碴轨道为例，桥墩的竖向沉降将导致无碴轨道产生附加弯矩。沉降后的桥墩底板拉应力比未沉降的桥墩底板拉应力大得多。当差异沉降超过15 mm时，底板纵向应力将超过底板混凝土极限抗拉强度。因此，运营期间相邻桥墩的差异沉降应控制在15 mm以内，以保证无碴轨道的合理受力和耐久性。(6) 差异沉降对车辆振动响应和行车安全指标的影响比较显著，而对轨道和桥梁动力响应的影响相对较小。以CRTS-Ⅱ型无碴轨道为例，当车速为350 km·h当车速小于350 km·h-1，差异沉降小于30 mm时，车辆振动加速度、车辆Sperling值、轮重减载率均在限值范围因此，在运营过程中，相邻桥墩的差异沉降应控制在20 mm以内，以保证高速列车的行车安全性和舒适性。4. 结论地下水位变化是引起局部沉降的主要原因。高速铁路沿线地下水开采会直接引起不均匀沉降。高速铁路基础桩长、桩径等关键参数的设计必须考虑地下水位的变化规律。相邻桥墩的不均匀沉降会对轨道结构和车辆产生附加荷载，同时轨道和桥梁的动力响应也随之增大。分析结果表明，在特别困难的条件下，应根据运行安全标准和合理的运行舒适性标准，提出一个稳定沉降限值的控制标准。研究并提出合理的差异沉降控制标准，既满足车辆运行安全和轨道养护的要求，又能减少差异沉降的养护工作量，提高不同运营条件下的差异沉降标准。引用[1] 《铁路重大技术政策》（中华人民共和国铁道部令第34号）（2013年1月9日）。中文.[2] 中华人民共和国国家铁路局TB 10621-北京：中国铁道出版社; 2014.中文.[3] 孟清生，陈念念，杨春.地下水波动带海相软粘土特性研究进展综述长江2011;42（4）：2932. 中文.[4] 张英，薛玉琴。抽水地面沉降数学模型研究现状与展望地质灾害防治杂志2002;13（2）：19. 中文.[5] Xue YQ，Wu JC，Zhang Y，Ye SJ，Shi XQ，Wei ZX，et al.长江三角洲（南部）局部土地沉降模拟。中国科学院学报2008;38（4）：47792. 中文.[6] 罗志杰，张永萍，刘建斌，刘建东。江苏沿江开发区地下水开采与地面沉降三维数值模型地球科学与环境杂志2007;29（3）：280-4.中国人。[7] 摩 尔 226Ra 富 集 揭 示 了 沿 海 水 域 的 大 量 地 下 水 输 入 Nature 1996;380（6575）：612[8] 凯兹迪湾桩的承载机理岩土工程1965;20（1）：1日本人[9] 张X，李顺文，潘凯.地下水波动对地基土变形特性的影响。华北水利水电研究院学报2012;33（5）：95-8. 中文.[10] 夏莲莲，苗玉栋，廖百成。地面沉降对复合地基影响的三维数值模拟岩土力学2012;33（4）：1217-22. 中文.[11] 吴湾降水作用下桥梁基础三维渗流-应力耦合分析中国岩石机械工程杂志2009;28（S1）：327781. 中文.[12] 刘军，姚洪华，胡明林，陆忠，于德民，陈凤国。水位波动下路基模型水分动力响应及地下排水试验研究。岩土力学2012;33（10）：2917-22. 中文.[13] 熊军。天津地区地下水开采对京沪高速铁路路基沉降影响研究[论文]。成都：西南交通大学; 2013. 中文.[14] 陈平，高磊，马敏.高速铁路路基沉降限值及其对无碴轨道力学特性的Con-str Des Project 2008;（5）：63-6. 中文.[15] 高丽，赵丽，曲春，蔡新. 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