铁路客运专线路基设计施工关键技术(编辑修改稿)

铁路客运专线路基设计施工关键技术(编辑修改稿)内容摘要：

因此基床厚度定为。 图 21 满足变形条件的基床表层厚度与基床表层材料、土基模量的关系 图 22 基床表层厚度的确定 铁路客运专线路基设计施工关键技术 14 笫三章 客运专线工后沉降控制 第一节 工后沉降控制的意义 路基沉降变形主要包括三个方面： ①列车行驶中路基面产生的弹性变形；②长期行车引起的基床累积下沉；③路基本体填土及地基的压缩下沉。 客运专线基床表层采用级配碎石，压实标准较高，表层弹性模量可达 200 MPa 以上，路基面弹性变形在 之内；路堤填土压密下沉量为路堤高度的％～ ％，而且在一年左右完成。 由此可见，只要满足基床及路基本体填筑材质、压实标准，列车行驶中弹性变形、运营阶段的塑性变形及路基填土压缩量都是有限的，而且也可得到控制。 因此，控制路基沉降变形特别是工后沉降的关键，在于控制支承路基的地基沉降。 松软、软土地基由于地基土层强度低、压缩性大、渗透系数小等特性，在其上修筑路基时，地基的沉降问题突出，过大的沉降量影响轨道的稳定和平顺，而且持续时间较长，因此，在这种地基上修建路基，应将 其工后沉降量和沉降速率控制在允许范围内，使其不影响列车高速、舒适、安全地运行。 路基上铺设无碴轨道的核心问题是沉降控制。 无碴轨道对沉降变形特别敏感，特别是不均匀沉降。 无碴轨道铺设后对路基沉降变形的调整范围是极其有限的，一般局部的沉降应在扣件的可调整范围，大范围的均匀沉降应该满足线路竖曲线圆顺的要求。 对于调高量为 30mm 的扣件，如果允许在施工中调高＋ 6mm 和－4mm，那么只剩 20mm 可以调整，再考虑轨道结构变形要留有 5mm的余量，实际留给运营部门的可用于路基沉降调整的仅为 15mm。 这是局部调整的极限。 对于 20m范围内的情况，德国的经验和规范的规定可以到 20mm。 对于更大范围的均匀沉降德国的经验是，最大沉降为扣件的运营可调整范围的 3 倍时是可以圆顺的，规范要求为扣件可调整范围的 2 倍，也就是 30mm。 过渡段沉降的逐渐过渡和折角的要求也在于控制不均匀沉降。 由于对沉降控制的要求较高，而影响沉降计算的影响因素较多，沉降控制已完全超出了处理方法的计算精度，因此，规定的工后沉降已不再是最初设计的预留值，是一个允许出现的误差值。 由于无碴轨道对不均匀沉降的严格要求，如预留沉降，路基与桥梁及隧道是很难协调的，只有在共同追求不产生 工后沉降的基铁路客运专线路基设计施工关键技术 15 础上才能较好地实现各种过渡，也就是零沉降的概念。 工后沉降实际上是零沉降控制基础上的允许偏差。 这一点对于软土地基处理的思想和方法都有较大的影响。 由于沉降计算是不够精确的，不足以控制无碴轨道的工后沉降。 为保证精度和有效的控制，应进行系统的观测与分析评估。 系统的观测在于有一定的数量和设定在恰当的断面，并以合理的观测周期进行观测。 观测断面的数量平均 50m一处，且在过渡段是沿线路纵向连续观测的，系统的分析评估依据沉降观测曲线进行。 表 31 列出各规范中的工后沉降限值。 表 31 各种规范中工后沉降控制限值 序号 规范或标准 一般路基 工后沉降 过渡段 工后沉降 年沉降速率 0 高速公路 30 15 6 1 秦沈客运专线暂规 15 8 4 2 时速 200 公里客货共线 15 8 4 3 时速 200250 公里客运专线 10 5 3 4 京沪高速铁路暂规 5 3 2 5 时速 300350 公里客运专线 3 纵向平顺度每 20m 小于 20mm 第二节 观测仪器比选 一、观测桩 用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪抄平，即可测量地表面的沉降量。 此方法最简便，但只能测定建筑物表面的沉降值，无法测试土体 内部某位置的沉降，对填土施工有干扰。 二、沉降杯 将盛水密闭容器置于土中，容器上接出进水管、排水管和排气管至填土以外。 进水管外部与观测量杯相连。 容器灌水以后，容器内部的水位与外部观测水杯的水位一致，则可通过观测量杯中的水位得到容器的沉降。 其优点是构造简单，造价低廉，缺点是三根管的埋设要求比较高，如果埋设不平顺，容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行。 此方法比较少用。 铁路客运专线路基设计施工关键技术 16 三、沉降板 由底板和测杆、护套组成。 底板为边长约 50cm厚度 3cm的钢筋混凝土板。 测杆为直径 40mm 左右的钢管，第一段垂直固定于钢筋混凝土板的中 央，随着填土高度的增加，分段以丝扣接长测杆。 测杆外套接塑料管保护，以免测杆受外来扰动变形。 沉降板是目前沉降观测的最常用的手段。 其优点是造价低廉，操作简便，易于测试。 但其弱点也很明显，主要是影响填土压实施工，压实机械经过时必须绕道而行，极为不便，机械经常撞坏沉降杆，且形成压实死角，降低压实质量。 其次是一个沉降板只能测量路堤中一点的沉降。 一个断面上多放几个沉降板影响压实施工的矛盾更突出。 另外一个缺点是损坏后的补救非常困难。 四、水压式剖面沉降仪 由沉降管和二次测试仪器组成。 沉降管为一般的 PVC 管，二次测 试仪器由探头、注水管、注水架组成。 其工作原理见图 31. 探头内的主要元件是静水压力传感器。 由于地基沉降的原因，探头处于不同位置时，静水压力传感器所受到的静水压力是不同的，记录不同的静水压力，据此可得到不同位置的高程，从而得到沉降值。 剖面沉降仪测试的优点， 1）能够测定任意一点的沉降值，甚至可以测试整个剖面的连续的沉降曲线，配置自动记录仪即可实现。 2）测试成本低。 除了一次性投入二次仪器约 2 万元外，每次使用只需购买廉价每米 5 元左右的 PVC 管即可。 3）对填 土施工无干扰。 但其缺点也比较突出。 首先精度比较低。 若要提高精度，需根据待测沉降的大小范围，配置若干不同灵敏度的探头，增加了二次仪器的造价。 第二个缺点是测试操作比较复杂。 图 31 剖面沉降仪工作示意图 沉降管 记录仪 注水系统 铁路客运专线路基设计施工关键技术 17 整个系统不能方便携带，测试时需取水和注水。 第三个缺点是受气候干扰大，风使测试数据不稳定；温差大改变了水的密度，影响精度。 五、水平测斜仪 与水压式剖面沉降仪相似，水平测斜仪也由沉降管和二次测试仪器组成。 不同的是水平测斜仪无需注水系统，其沉降管是特制的 PVC 管。 工作原理见图 32 探头内的主要元件是伺服加速度传感器。 由于地基沉降，探头处于倾斜方向，通过重力加速度在敏感水平轴上的投影，可精确测量探头的倾角，再根据探头长度得到探头两端的高程差，从而得到沉降值。 其优点： 1）精度高。 每次读数的误差小于 ， 36 米长剖面测试的累计误差小于 2mm。 2）操作方便。 整个测试系统可由一个人携带，移动非常方便。 测试操作仅需两个人即可，一个人记录，一个人拉线。 3）可得到整个剖面的沉降曲线，测点间距最小为。 4）对填土施工无干扰。 5）不受气候影响。 二次仪器一次性投资约二万元。 水平测斜仪的不足主 要是特制的 PVC 管造价比较高，每米 25 元左右，约为普通 PVC 管的四倍。 第三节 沉降测试方法 一、水平测斜仪工作原理 水平测斜仪具有常规测试技术无法比拟的独特优点。 解决了全断面量测、不影响施工等问题，而且还具备耐严寒、抗干扰特性、便于操作等优点，因而很受工程界欢迎。 水平测斜仪测试原理见图 32。 水平测斜仪以高精度的伺服加速度计为敏感元件，可广泛用于观测路基、土石坝、岩土边坡、建筑物基坑、堤防、地下建筑、港务工程等土体内部的垂直位移，是土木工程中必备的精密测量仪器。 图 32 水平测斜仪的工作示意图 沉降管 记录仪 探头 电缆 铁路客运专线路基设计施工关键技术 18 测试原理：在待测土体中水平向预埋带槽测斜 导管，此导管可随土体一起变形；测斜探头具有一定长度，一般为 ，两端装有导轮，探头中心安装了精密加速度计，当水平测斜仪的导轮沿测斜导管的导槽移动到某个位置时，探头中的加速度计的重力矢量在水平轴上的分量被测定，从而确定了探头与水平轴的倾角。 倾角与探头的长度之积即为探头两端的高程差。 如图 33 所示：当加速度计敏感轴在水平方向时，矢量 g 在敏感轴上的投影为零，加速度计的输出为零。 当加速度计敏感轴与水平方向存在一夹角θ时，加速度计的输出电压信号为： 式中： K0 为加速度计初始偏值，仪器出厂时给定。 K1 为加 速度计电压因数 g 为重力加速度 为了消除 K0 的影响，可将探头调转 180 度，在该点进行第二次 测量得： （ 1） — （ 2）得： s i n2 121 gKUU o u to u t  由图 1 可知： sinθ＝Δ i/L 式中：Δ i 为探头在某个位置时，两端的高程差值。 L 为探头长度（ m），即两个导轮的间距 则： gKUULi outout 121 2/)(  用导线拖拉探头前进，每隔 米（探头长度）记录一个高程差△ i，则任意位置相对于测试起始点位置的高程差即为此距离内所有读数的代数和： 二、 水平测斜仪误差处理 由上述公式（ 1） ~（ 3）可知：伺服加速度传感器的初始位置与基准位置的Δ i Δ i1 图 33 水平测斜仪原理图 δ=∑△i s in101 gKKU ou t  （ 1） s in102 gKKU out  （ 2） （ 3）  i铁路客运专线路基设计施工关键技术 19 偏离误差为 k0。 正反向拉测两次，然后相减，即可消除 k0。 实际上，这种方法可以消除绝大部分各种原因产生的误差，使测试达到 mm 级精度。 基准桩测量精度。 沉降观测按Ⅱ等水准要求，在动态设计中，采用的仪器为自动安平电子水准仪（瑞士， NA3003）并配备专用的因瓦水准尺。 观测中误差为 1mm/krn，在实际测量过程中，根据现场情况，采用闭合水准路线或附和水准路线，允许闭合差控制标准为： 三、 埋设工艺 沉降管布置位置见图 47。 (1)当被测标高以上填筑一层并压实 以后，在被测断面处开挖宽 20cm，深30cm 的沟槽，槽底刚好是被测标高。 将特制 PVC 管埋设在沟槽内的被测位置。 导槽方向对准铅垂方向，整个断面 上的沉降管连接后，尽量保持平直，以图 35 测斜管的埋设 图 36 保护管 图 34 路堤压缩量及地基沉降量测 试布置图 基床表层 基床底层 沉降变形管 沉降变形管 二布一膜 观测桩 铁路客运专线路基设计施工关键技术 20 便使探头容易牵引，见图 35。 (2)沉降管端头用带盖的钢管保护筒保护，沉降管应尽量位于保护筒的中心，保护筒平日用螺栓将盖封死，用土覆盖，测量时将盖打开即可，这样可避免人为破坏 ,见图 36。 四、测试方法 将特制 PVC 管埋设在被测位置，导槽方向对准铅垂方向。 (1)将电缆一端接记录仪，一端接探头。 (2)用普通 6 号铁丝将探头及电缆拉至沉降管的起始端，然后拉铁丝，每 米刻度线处读数一次，直至沉降管的终止端。 然后将测斜仪水平掉转 180 度，从另一端在前次同样的测点位置上进行第二次测试，读数。 注意每次测试读数都要把电缆拉紧，位置要拉准确，以防读数不稳。 通常采用正反测试的目的是提高精度，可以抵消探头的初始值和沟槽倾斜偏差等因素所造成的系统误差。 (3)用水准仪和现场的水准基点抄平，得到沉降管起始端的标高，从而根据沉降差可得到各读数点的标高。 第一次测试推算出各点的标高，即为未来测试的基准标高，即初始标高。 现场操作表明：采用双向拉测法使水平测斜仪具有不影响施工，不受天气的影响，操作方便、轻捷、灵活，精度高等优点，为及时、准确的测试路基沉降，提供了保障。 现有数据处理方法及程序满足现场数据的录入及后期的数据整理工作的要求，数据处理简捷方便。 测试实例见图 37。 铁路客运专线路基设计施工关键技术 21 铁路客运专线路基设计施工关键技术 22 第四节 观测数据处理及工后沉降预测 各断面路基中心地基面处的沉降与施工过程的关系见图 38。 将填土加荷过程对应画在沉降曲线的上方，便于对照分析。 工后沉降预测采用双曲线法。 沉降与时间的关系可表示为： )4(bta tS  变换为直线形式： )5(btaSt  根据式（ 5）变换测试数据，得到一组直线。 则 1/b 即为最终沉降量。 见图 39。 根据最终沉降量和图 38 中的竣工沉降量，就可求出预测工后沉降值。 图3 8 地基面实测沉降与施工过程的关系曲线00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000t ( 天)s(m)距管口1 3 . 5 米处沉降量（9 2 0 ）距管口1 6 米处沉降量（0 0 0 ）距管口2 0 米处沉降量（8 0 0 ）填土过程图3 9 最 终沉降量拟和曲线1800016000140001202010000800060004000202000 100 200 300 400 500 600 700 800 900t( 天 )t/s80 0底 层。