公路隧道下穿铁路路基的沉降行为研究

肖 矜，刘汉红, 王 鑫

(1.昌九城际铁路股份有限公司, 江西 南昌 330008； 2.中铁隧道集团一处有限公司, 重庆 2401123； 3.南昌大学, 江西 南昌 330008)

随着国民经济的快速发展和近年来人们对公路、铁路建设需求的提高，传统公路和铁路铺设已经无法满足人们对现实生活出行的要求，对原有老式公路和铁路进行改扩建是当前社会急需解决的关键问题[1]。然而，在实际路基铺设或扩建过程中，新老路基由于土体物性差异以及由于施工方式不同带来的路基沉降行为，会造成完工的扩建路基工程使用寿命较短、返修和保养频繁等问题[2]。尤其是对于公路隧道下穿铁路路基，由于铁路路基是承受并传递轨道重力及列车动态作用的结构，是轨道的基础，是保证列车运行的重要建筑物，其路基扩宽是一项专业性较强、难度很高的工程，目前这方面的研究工作较少，可借鉴的技术治疗较为匮乏[3]。在此基础上，本文从实际公路隧道下穿铁路路基扩宽工程案例角度出发，考察了新老路基在未加土工格栅和添加土工格栅条件下的路基沉降行为及其路面结构变形机制，有助于解决新老路基的路面沉降以及连接处异常沉降等问题。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

公路隧道下穿铁路路基填料为施工现场附近的黄土，基本物性指标如表1所示。

表1 路基填料黄土的物性指标Table1 Physicalpropertyindexofsubgradefillingloess最大干容量/(g·cm-3)最佳含水量/%液限/%塑限/%不同粒级(mm)的通过量/%0.25^0.100.1^0.0740.074^0.010.01^0.005<0.0051.8311.2231.7521.212.09%5.30%66.47%5.89%19.33%

灰土与黄土按照不同比例搅拌混合均匀后作为石灰土进行路基填充料，不同配比的石灰土的抗压强度测试结果见表2，其中，石灰为I级白灰，分别测试了不同龄期下石灰土的无侧限抗压强度，龄期包括7、28、90 d[4]。

选用岳塘TGSG40-40 kN双向拉伸聚丙烯土工格栅，路基用土工格栅的物性参数见表3。

表2 不同配比的石灰土的抗压强度Table2 CompressivestrengthoflimesoilwithdifferentproportionMPa石灰含量/%龄期/d7289040.570.981.5860.611.121.7580.631.141.80100.671.181.87120.731.272.66

表3 路基用土工格栅的物性参数Table3 Physicalparametersofgeogridforsubgrade密度/(g·cm-2)伸长率/%屈服强度/(kN·m-1)伸长率为2%时的拉伸力/(kN·m-1)伸长率为5%时的拉伸力/(kN·m-1)横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向380≤16.0≤12.5≥11.5≥50.0≥12.5≥10.5≥15.0≥14.5

1.2 试验设计

设计采用单侧加宽路基模式，路基纵向长度和基底宽度分别为10、15.5 m，其中，路基5 m全部加筋(铺设土工格栅)，另外5 m则不加筋。路基沉降试验过程中需要在路基基底、顶面、中间和土工格栅处布置传感器和位移计(YT-DG-0500型，量程5～40 cm)，用来监测沉降位移和压力变化，路基尺寸、传感器和柔性位移计布置图见图1。路基施工主要流程为：备料和备机械、施工放样、摊铺、石灰消化、搅拌、摊铺、碾压、安装柔性位移计、铺设土工格栅、挖台阶和扩建路基施工等步骤[5]。

图2为公路隧道下穿铁路路基路面观测点的布置图，共选取了10个位置进行设置，其中加土工格栅和未加土工格栅处的观测点各5个，编号分别为D1～D5和D6～D10；沉降控制系统采用西门子PLC控制系统控制千斤顶的沉降，观察结果为待沉降稳定后再测量得到的值。

2 结果及讨论

图3为路基土体上层柔性位移计的应变监测结果，分别列出了距路基中线6.25、7.75、9.25、10.75、12.25 m处的地基沉降量与土工格栅位移伸缩量之间的关系曲线，其中，纵坐标正值和负值分别表示土工格栅受压缩和拉伸[6]。对比分析可见，在距路基中线6.25、7.75 m处，土工格栅先受到压缩而后受到拉伸，而路距路基中线9.25 m处则表现为先拉伸后压缩特征；在距路基中线10.75 m处，土工格栅一直受到压缩作用，而距路基中线12.25 m处，土工格栅的压缩和拉伸呈交替变化特征。此外，对比分析还可以发现，不同区域的路基沉降在位移达到16～20 cm时基本趋于稳定，柔性位移计监测得到的土工格栅位移伸缩量(约2 mm)远小于破坏极限值，表明本文设计的公路隧道下穿铁路路基安全储备能力较高[7]。

(a)传感器总体布置

图2 公路隧道下穿铁路路基路面观测点的布置

图4为公路隧道下穿铁路路面横向沉降曲线，分别列出了加土工格栅和未加土工格栅位置处横向沉降曲线监测结果。对比分析可知，加土工格栅和未加土工格栅位置处路面沉降量都随着距路基中心线距离增加而增大，且路基土体整体呈现协调变形特征，未见路面突然沉降现象。对于加土工格栅路基，最大路面沉降量约为15.8 mm，而未加土工格栅的路基最大路面沉降量约为15.9 mm，可见土工格栅对路基路面沉降效果影响较小。

图5为距路基中心线不同位置处的路面沉降曲线，分别列出了距路基1.6、3.2、4.8、6.4、8.0 m处的路面沉降曲线。距路基中心线1.6 m处的D1和D6点的最大沉降量约2.5 mm，距路基中心线3.2 m处的D2和D7点的最大沉降量约4.9 mm，距路基中心线4.8 m处的D3和D8点的最大沉降量约7.6 mm，距路基中心线6.4 m处的D4和D9点的最大沉降量约10.4 mm，距路基中心线8.0 m处的D5和D10点的最大沉降量约15.8 mm。可见，随着距路基中心线距离的增加，路面最大沉降量呈现逐渐增大的特征，且当地基沉降量高于14 cm时，路基路面的沉降开始呈现收敛并趋于稳定的特征。

图3 路基上层柔性位移计的应变监测结果

图4 公路隧道下穿铁路路面横向沉降曲线

图5 距路基中心线不同位置处的路面沉降曲线

图6为碎石基层随地基差异沉降应变变化曲线，分别列出了底基层(加土工格栅和未加土工格栅)、下基层和上基层的应变随地基沉降值的变化曲线。对比分析可知，底基层(加土工格栅)、底基层(未加土工格栅)和下基层的应变分别在YB-4、YB-7和YB-10型应变仪上取得最大值，应变极值没有出现在路面结构层的连接处，而是偏离连接处约1 m左右。在靠近老路基中心处的应变值会相对较小，整体呈现出由受压转变为受拉的状态，说明路面基层的协调变形能力较强[8-9]。此外，加土工格栅的底基层的应变要明显小于未加土工格栅的底基层，这也就说明在路基中添加土工格栅可以对基层的附加应变起到抑制作用[10]，从而缓解差异沉降。

图6 碎石基层随地基差异沉降应变变化趋势

当路基沉降达到22 cm时施加车载，图7为车载对路面附加应变的影响曲线，分别列出了上面层、中面层和下面层在无荷载、静荷载、动荷载和卸载后的应变随着距离旧路基中心线距离的变化。对比分析可见，无论是上面层、中面层还是下面层，无荷载、静荷载、动荷载和卸载后的应变都随着距离旧路基中心线距离的增加而先增加至峰值而后逐渐减小，且应变峰值都未出现在新旧路基连接处，而是在距离路基连接处约1 m处。由于路基路面的差异沉降产生的附加应力与路面结构层内应力作用方向相反[11]，因此，车载产生的应力会在一定程度上抵消二者的叠加作用[12]，且由于车载主要集中在上面层，而中面层和下面层的荷载作用较小，因此在受剧烈车载作用时，上路面和中路面的结构层应变值还可能出现反向增加的特征[13-14]，即出现如图7所示的导致抛物线形态。

图7 车载对附加应力的影响

3 结论

a.不同区域的路基沉降在位移达到16～20 cm时基本趋于稳定，柔性位移计监测得到的土工格栅位移伸缩量(约2 mm)远小于破坏极限值。

b.加土工格栅的路基的最大路面沉降量约为15.8 mm，而未加土工格栅的路基的最大路面沉降量约为15.9 mm，土工格栅对路基路面沉降效果影响较小。

c.加土工格栅的底基层的应变要明显小于未加土工格栅的底基层，表明在路基中添加土工格栅可以对基层的附加应变起到抑制作用，从而缓解差异沉降。

d.无论是上面层、中面层还是下面层，无荷载、静荷载、动荷载和卸载后的应变都随着距离旧路基中心线距离的增加而先增加至峰值而后逐渐减小，且应变峰值都未出现在新旧路基连接处，而是在距离路基连接处约1 m位置。