高速铁路路基工程技术.docx
《高速铁路路基工程技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速铁路路基工程技术.docx（71页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
高速铁路路基工程技术
高速铁路路基工程技术
中国铁道科学研究院铁道建筑研究所
史存林
一、我国高速铁路路基的发展情况
路基工程是铁路工程建设项目中所占比例较大的工程，在线下工程中占有举足轻重的地位。
随着铁路向高速化发展，路基标准及施工质量状况直接影响列车高速、平稳、舒适和安全的技术指标。
我国客运专线铁路路基的技术标准及主要参数，是九十年代以来在高速铁路“八五”、“九五”研究成果的基础上，吸收了国外高速铁路路基施工和建设的经验；在设计过程中借鉴、消化、吸收了国外铁路设计新方法和新标准；结合秦沈线的实际情况，并经有关部门多次组织国内专家的论证而最终确定的。
1.1路基主要研究的课题及成果
1.1.1“八五”“九五”路基主要研究的课题
《高速铁路路基技术条件的研究》（1993～1995）
《高速列车作用下地基弹塑性与刚度的研究》（1993～1995）
《高速铁路路基稳定性及变形控制值的研究》（1995～1997）
《高速铁路软土地基工后沉降标准的研究》（1995～1997）
《高速铁路路基与桥梁过渡段技术措施的研究》（1995～1997）
1.1.2秦沈客运专线路基科研试验的主要项目（2000~2003）
《软土路基工后沉降的控制试验研究》
《路基施工工艺、质量检测方法和标准的试验》
《路桥过渡段设置方法试验》
《土工合成材料加筋技术处理路基试验》
《不同基床表层结构及路基、轨道动态试验研究》
1.1.3高速铁路（京沪）路基工程试验研究项目
《京沪高速铁路路基结构形式及填料改良优化研究》（1997～1998）
《（高速铁路）路基和桩基沉降控制的试验研究》（1999～2001）
《高速铁路路基沉降控制的试验研究》（2002～2003）
《高速铁路软土和液化土地基处理技术的试验研究》（2002～2003）
《高速铁路液化土地基加固技术的试验研究》（2003～2004）
1.1.4客运专线路基工程试验研究项目
随着客运专线的大规模规划建设，针对客运专线通过软土、膨胀土、湿陷性黄土等不良地质地段进行了系统的试验研究，主要有:
《合宁线低路堤基床和路堑基床进行动力特性及变形特性的试验研究》（2004）
《合宁线原状地基土的膨胀力试验研究》（2004）
《铁路路基基床结构设计方法及参数的研究》（2005～2007）
《郑西客运专线湿陷性黄土地基处理措施与沉降观测》2006～2008）
1.2客运专线的有关研究及成果
1.2.1设计规范:
《时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定》
《京沪高速铁路设计暂行规定》
《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》
《遂渝线无砟轨道综合试验段无砟轨道设计技术条件》
《无砟轨道铁路设计指南》
《新建时速200~250公里客运专线铁路设计暂行规定》
《新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定》
《京沪高速铁路无砟轨道设计技术条件》
《高速铁路设计规范》
1.2.2施工、验收及提速规范:
《秦沈客运专线铁路路基施工技术细则（试行）》
《客运专线基床表层级配碎石暂行技术条件》
《变形模量Ev2检测规程》（试行）
《客运专线路基施工技术指南》（TZ212-2005）
《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》
《既有线提速200km/h技术条件（试行）》
《高速铁路路基施工技术指南》
《高速铁路路基工程施工质量验收暂行标准》
1.2.3指导现场施工的科研试验段
在制定客运专线的有关技术规范的过程中，还进行了秦沈客运专线的工程实践，以及宁启线高速铁路软基处理试验段、昆山高速铁路软基处理试验段、合宁线膨胀土地基处理试验段等进一步的试验研究工作。
随着大规模的建设各条客运专线施工前都有指导施工的科研试验段。
1.3我国客运专线路基工程达到的技术水平及特点
1.3.1秦沈客运专线
秦沈客运专线1999年8月16日全面开工建设，2003年10月12日正式开通运营。
全线总长405km，路基335km，占线路长度的83%。
运营时速200km/h，有砟轨道结构。
（1）路基填筑质量标准高
秦沈客运专线提出路基填筑采用双控压实标准的新概念。
秦沈线路基施工标准较目前的国铁标准提高了很多，路基填筑根据不同部位，提出了压实系数K、地基系数K30、孔隙率n等压实标准。
秦沈客运专线沿线填料种类很多，有些粉质土和粉细砂，经现场试验达不到K30标准，通过专家论证和反复试验，进行了物理改良处理。
沿线大量的山皮土属粗粒土，在重型击实试验中表现出较好的可击实性，属于级配良好的填料，但压实后达不到孔隙率n的要求，同样经专家论证和反复试验，提出对可击实性山皮土采用压实系数K和地基系数K30作为双控指标。
秦沈线路基填筑充分体现了新技术和高标准。
（2）路基基床表层采用级配碎石强化结构
铁路路基的基床表层是路基直接承受列车动荷载的部分，是路基设计中最重要的部分之一。
秦沈线首次在基床表层采用了60cm厚的级配碎石结构。
其主要作用是①增强线路强度，使路基更加坚固、稳定，并具有一定的刚度；②均匀扩散作用到基床土面上的动应力，使其不超出下部基床土的容许动强度；③隔离作用，防止道砟压入基床及基床土进入道砟层；④防止雨水浸入使基床软化，防止发生翻浆冒泥等基床病害；⑤满足基床防冻等特殊要求。
为保证级配碎石的施工质量，施工技术细则中对级配碎石的材料质量、颗粒粒径级配范围、含水量、拌合、摊铺及碾压工艺和压实质量控制方法等提出了技术要求，施工过程中进行了严格地控制。
（3）路桥及横向构筑物间设置过渡段
路桥及横向构筑物间的过渡段，是以往设计及施工中的薄弱环节，也是既有线发生路基病害的重要部位。
由于桥台与路堤的刚度相差显著，高速列车通过时对轨道结构及列车自身会产生冲击，从而降低列车运行的平稳性和舒适度，加快结构物和车辆的损坏。
为此，在秦沈客运专线的设计中，为保证列车高速运行时的平稳舒适，对路桥过渡段采用了刚度过渡的设计方法。
在桥台后一定范围内，采用刚度较大的级配碎石作为过渡填筑段，与路堤相接处采用1：
2的斜坡过渡。
（4）严格控制路基变形和工后沉降
秦沈客运专线工后沉降要求一般地段15cm（年沉降量不得大于4cm），路桥过渡段8cm（年沉降量不得大于3cm）。
运营期间的弹塑性变形主要发生在路基本体部分和地基部分。
秦沈线基床表层采用级配碎石，其压实标准高K30≥190Mpa/m，表层弹性模量可达200Mpa，基床底层的K30≥110Mpa/m，基床底层以下的K30≥90Mpa/m，路基本体部分的弹塑性变形可满足运营动荷载的要求。
地基的沉降变形控制是秦沈线的关键和重点。
（5）路基动态设计
秦沈线有93km的松软土和软土路基，占全线总长度的比例较大，为了有效地控制工后沉降量及沉降速率，开展了路基动态设计。
为此，在每个松软、软土地基工点及台尾过渡段、路基中心、两侧路肩及边坡坡脚之外设置沉降和位移观测设备，全线共设置了720个观测断面，及时绘制填土～时间～沉降曲线。
根据沉降观测资料及沉降发展趋势、工期要求等，采取相应的措施，如调整预压土高度，确定预压土卸荷时间，提出基床底层顶面抬高值，以及铺轨前对路基进行评估及合理确定铺轨时间，以确保铺轨后路基工后沉降量与沉降速率控制在允许范围内。
路基动态设计的成果为后续的轨道工程打下了良好的基础。
（6）路基质量评估
针对秦沈线箱梁运架过程中的路基安全稳定问题及铺轨前路基质量状况进行了路基质量评估工作。
秦沈线大部分桥梁为预制梁，梁体结构尺寸及重量均较大，其中24m双线整孔箱梁重达540t，加上运架设备总重已超过800t。
通过路基运架远超过设计荷载，为保证秦沈通过运架梁段的路基安全稳定，特对高填方、桥头及软基地段进行安全监测评估，确保了箱梁运架的顺利完成。
为保证铺轨前路基满足工后沉降要求及路基表层符合设计要求，分段对全线路基进行了施工质量状况调查、沉降观测分析、表层抽检、地质雷达检测等工作，进一步保证了铺轨前的路基质量。
（7）地基处理的种类多
根据地质勘察资料，结合秦沈铁路路基的工后沉降要求，针对不同地质条件的地基土选用了合理的10多种地基处理方法。
对于浅层软弱地基采用了换填碾压处理、或换填砂垫层处理。
对于深层软基的主要地段采用了袋装砂井、塑料排水板的排水固结加预压的处理方法。
对于工后沉降要求高及路桥过渡段，根据地质条件和经济对比，采用了砂桩、碎石桩、粉喷桩、搅拌桩、旋喷桩等地基处理方法。
对于有地震液化的粉土或粉细砂层的地基段，采用了挤密砂桩的处理方法。
不同的地基处理方法在秦沈线得到了成功地应用，为今后我国客运专线的设计施工提供了有益的经验。
1.3.2京津城际铁路
京津城际铁路是我国第一条时速350公里的城际铁路。
该工程连接北京、天津两大直辖市，2005年7月4日开工建设，2008年8月1日正式开通运营。
全线总长119.4km，无砟轨道结构，路基13.14km，其中区间路基6处/8443.33m，车站路基3处/5610.15m，占线路长度的11%。
路基分布于北京、天津市内和亦庄、永乐、武清站，总延长为18.9km。
（1）无砟轨道路基
京津城际采用板式无砟轨道结构----引进德国博格板结构形式，经消化、吸收、再创新，形成中国铁路二型轨道板——板重9.6吨，长6.45米，宽2.55米，厚0.2米。
路基作为轨道的基础，表层采用级配碎石、路基压实采用双控指标——密度和刚度。
路桥、路涵采用级配碎石过渡段衔接。
无砟轨道结构要求路基的沉降要小。
（2）路基工后沉降标准高
作为无砟轨道路基工后沉降为15mm。
无砟轨道结构沉降调整范围是由扣件高度决定的。
施工过程中应进行沉降观测，京津采用了沉降板和剖面沉降管的方法进行沉降观测，并通过沉降评估，控制路基的工后沉降满足15mm的要求。
京津地区软土深厚，局部地段由于抽取地下水还存在区域性沉降，为保证无砟轨道的高平顺性，大部分地段采用桥梁通过，车站路基段采用较强的桩板、桩网地基处理方法。
（3）软土地基处理强
考虑无砟轨道结构、路基工后沉降为15mm，京津城际的地基处理，深度30m以内采用CFG桩，深度30m以上采用预制混凝土打入桩。
考虑到安全可靠和经济合理，正线采用桩板（筏）结构，站线采用桩网结构。
1.3.3武广客运专线
武广客运专线2005年6月23日开工建设，2009年12月26日开通运营，正线全长962km，路基长度320.4km，占全长的33.3%。
设计时速350km/h，无砟轨道结构。
（1）无砟轨道路基
武广客运专线主要采用CRTSI型双块式——雷达（Rheda）2000无砟轨道结构。
路基作为轨道的基础，表层采用级配碎石、路基压实采用双控指标——密度和刚度。
路桥、路涵采用级配碎石过渡段衔接。
无砟轨道结构要求路基的沉降要小。
（2）路基工后沉降标准高
作为无砟轨道路基工后沉降为15mm。
无砟轨道结构沉降调整范围是由扣件高度决定的。
施工过程中应进行沉降观测，武广客运专线主要采用沉降板的方法进行沉降观测，并通过沉降评估，控制路基的工后沉降满足15mm的要求。
（3）地基处理方法多
武广客运专线沿线地形地质情况复杂，红黏土、软土及松软土分布广泛，主要特殊地质路基和不良地质路基有：
水塘路堑、地下水发育路堑、软土、松软土地基处理路基、膨胀土路基、液化土路基、顺层路堑、堆积体路基、岩溶路基、人为坑洞地段路基、危岩落石地段等路基。
采用的地基处理方法有浅层采用换填、强夯及冲击压实，深层采用搅拌桩、旋喷桩、CFG桩、预应力管桩、混凝土桩的桩网结构和桩板结构等处理方法。
岩溶地段采用注浆、灌砂、回填片石、嵌补、钢筋混凝土盖板等方法。
其中CFG桩是主要的路基基底处理形式。
1.3.4郑西客运专线
郑西客运专线2005年9月25日开工建设，2010年2月6日开通运营，全长484.518km（其中正线长456.639km），路基长度104.3km，占全长的22.7%。
设计速度350km/h，无砟轨道结构。
（1）无砟轨道路基
郑西客运专线采用双块式——德国旭普林无砟轨道结构。
路基作为轨道的基础，表层采用级配碎石、路基压实采用双控指标——密度和刚度。
路桥、路涵采用级配碎石过渡段衔接。
无砟轨道结构要求路基的沉降要小。
（2）路基工后沉降标准高
作为无砟轨道路基工后沉降为15mm。
无砟轨道结构沉降调整范围是由扣件高度决定的。
施工过程中应进行沉降观测，郑西客运专线主要采用沉降板的方法进行沉降观测，并通过沉降评估，控制路基的工后沉降满足15mm的要求。
（3）地基处理有针对性
郑西主要为湿陷性黄土、松软土、地震液化以及水塘等，而且绝大部分地基的上部为湿陷性黄土，下部为松软土（如饱和黄土、饱和黏性土等）或液化土。
地基处理采用了：
换填灰土、冲击碾压、强夯、碎石挤密桩、水泥土挤密桩、柱锤冲扩桩、CFG桩及钻孔桩桩板结构等方法，
以水泥土挤密桩和CFG桩作为湿陷性黄土的主要地基处理形式。
二、高速铁路设计规范中路基的主要内容
2.1高速铁路路基设计原则
（1）路基是土工结构物——应考虑路基填料类型、结构尺寸和压实标准等
（2）路基是轨道的基础——应考虑路基结构有足够的刚度、稳定性和平顺性的要求。
即应考虑路基表层刚度、工后沉降控制、路桥过渡处理等。
（3）路基主体应是免维修结构——在列车荷载作用下路基面不得出现路基病害。
2.2高速铁路设计规范——6路基
6.1一般规定
6.1.1路基主体工程应按土工结构物进行设计。
路基工程应加强地质调绘和勘探、试验工作，查明基底、路堑边坡、支挡结构基础等的岩土结构及其物理力学性质，查明不良地质情况，查明填料性质和分布等，在取得可靠地质资料的基础上开展设计。
6.1.2路基主体工程设计使用年限为100年。
路基排水设施结构设计使用年限为30年，路基边坡防护结构设计使用年限为60年。
6.1.3基床表层的强度应能承受列车荷载的长期作用，刚度应满足列车运行时产生的弹性变形控制在一定范围内的要求，厚度应使扩散到其底层面上的动应力不超出基床底层土的承载能力。
基床表层填料应具有较高的强度及良好的水稳性和压实性能，能够防止道砟压入基床及基床土进入道床，防止地表水侵入导致基床软化及产生翻浆冒泥、冻胀等基床病害。
6.1.4路基填料的材质、级配、水稳性等应符合高速铁路的技术要求，填筑压实应符合相关标准的规定。
6.1.5路基填料最大粒径在基床底层内应小于60mm，在基床以下路堤内应小于75mm。
6.1.6路堤填筑前应进行现场填筑试验。
6.1.7路基与桥台、横向结构物、隧道及路堤与路堑、有砟轨道与无砟轨道等连接处均应设置过渡段，保证刚度及变形在线路纵向的均匀变化。
6.1.8路基工后沉降值应控制在允许范围内，地基处理措施应根据地形和地质条件、路堤高度、填料及工期等进行计算分析确定。
对路基与桥台及路基与横向结构物过渡段、地层变化较大处和不同地基处理措施连接处，应采取逐渐过渡的地基处理方法，减少不均匀沉降。
路基施工应进行系统的沉降观测，铺轨前应根据沉降观测资料进行分析评估，确定路基工后沉降符合要求后方可进行轨道铺设。
6.1.9路基支挡加固防护工程应符合高速铁路路基安全稳定的要求，路基边坡宜采用绿色植物防护，并兼顾景观与环境保护、水土保持、节约土地等要求。
6.1.10路基防排水工程应系统规划，满足防排水要求，并及时实施。
6.1.11路基设计应符合防灾减灾要求，提高路基抵抗降雨、洪水及地震等自然灾害的能力。
6.1.12路基上的轨道及列车荷载换算土柱高度和分布宽度应符合表6.1.12的规定。
表6.1.12轨道和列车荷载换算土柱高度及分布宽度
列车
活载
种类
设计
轴重
（kN）
轨道形式
分布
宽度（m）
计算高度（m）
土的重度（kN/m3）
18
19
20
21
22
ZK活载
200
CRTSⅠ型板式无砟轨道
3.0
3.1
2.9
2.8
2.6
2.5
CRTSⅠ型双块式无砟轨道
3.4
2.8
2.7
2.6
2.4
2.3
CRTSⅡ型板式无砟轨道
3.25
2.9
2.7
2.6
2.5
2.3
有砟轨道
3.4
3.0
2.8
2.7
2.6
2.4
6.1.13车站两端正线、利用既有铁路地段、联络线、动车组走行线和养护维修列车走行线等路基设计标准按其设计最高速度确定，路基基床结构变化处应设置长度不小于10m的渐变段。
6.1.14路基工程应加强接口设计，合理设置电缆槽、电缆过轨、接触网支柱基础、声屏障基础及综合接地等相关工程，避免因相关工程影响路基防排水系统、路基强度及稳定。
6.2路基面形状及宽度
6.2.1无砟轨道支承层（或底座）底部范围内路基面可水平设置，支承层（或底座）外侧路基面两侧设置不小于4%的横向排水坡。
有砟轨道路基面形状应为三角形，由路基面中心向两侧设置不小于4%的横向排水坡。
曲线加宽时，路基面仍应保持三角形。
6.2.2有砟轨道路基两侧的路肩宽度，双线不应小于1.4m，单线不应小于1.5m。
6.2.3直线地段标准路基面宽度应符合表6.2.3的规定。
表6.2.3路基面标准宽度
轨道类型
设计最高速度
（km/h）
双线线间距
（m）
路基面宽度
单线（m）
双线（m）
无砟轨道
250
4.6
8.6
13.2
300
4.8
13.4
350
5.0
13.6
有砟轨道
250
4.6
8.8
13.4
300
4.8
13.6
350
5.0
13.8
6.2.4路基面在无砟轨道正线曲线地段一般不加宽，当轨道结构和接触网支柱等设施的设置有特殊要求时，根据具体情况分析确定；有砟轨道正线曲线地段加宽值应在曲线外侧按表6.2.4的规定加宽。
曲线加宽值应在缓和曲线内渐变。
表6.2.4有砟轨道曲线地段路基面加宽值
设计最高速度
（km/h）
曲线半径R
（m）
路基外侧加宽值
（m）
250
R≥10000
0.2
10000＞R≥7000
0.3
7000＞R≥5000
0.4
5000＞R≥4000
0.5
R＜4000
0.6
300
R≥14000
0.2
14000＞R≥9000
0.3
9000＞R≥7000
0.4
7000＞R≥5000
0.5
R＜5000
0.6
350
R＞12000
0.3
12000≥R＞9000
0.4
9000≥R≥6000
0.5
R＜6000
0.6
6.2.5路基标准横断面如图6.2.5-1～8所示。
图6.2.5-1无砟轨道双线路堤标准横断面示意图
图6.2.5-2无砟轨道双线硬质岩路堑标准横断面示意图
图6.2.5-3无砟轨道双线非硬质岩路堑标准横断面示意图
图6.2.5-4无砟轨道单线路堤标准横断面示意图
图6.2.5-5有砟轨道双线路堤标准横断面示意图
图6.2.5-6有砟轨道双线硬质岩路堑标准横断面示意图
图6.2.5-7有砟轨道双线非硬质岩路堑标准横断面示意图
图6.2.5-8有砟轨道单线路基标准横断面示意图
6.3基床
6.3.1路基基床应由基床表层和基床底层构成。
基床表层厚度无砟轨道为0.4m，有砟轨道为0.7m，基床底层厚度为2.3m。
6.3.2基床表层应填筑级配碎石，压实标准应符合表6.3.2-1的规定。
表6.3.2-1基床表层压实标准
压实标准
级配碎石
压实系数K
≥0.97
地基系数K30（MPa/m）
≥190
动态变形模量Evd（MPa）
≥55
注：
无砟轨道可采用K30或Ev2。
当采用Ev2时，其控制标准为Ev2≥120MPa且Ev2/Ev1≤2.3。
其材料规格应符合下列规定：
1基床表层级配碎石材料由开山块石、天然卵石或砂砾石经破碎筛选而成。
2基床表层级配碎石的粒径级配应符合表6.3.2-2的规定。
其不均匀系数Cu不得小于15，0.02mm以下颗粒质量百分率不得大于3%。
粒径级配曲线如图6.3.2所示。
表6.3.2-2基床表层级配碎石粒径级配
方孔筛孔边长（mm）
0.1
0.5
1.7
7.1
22.4
31.5
45
过筛质量百分率（%）
0～11（5）
7～32
13～46
41～75
67～91
82～100
100
注：
括号内数字适用于寒冷地区铁路。
图6.3.2基床表层级配碎石粒径级配曲线
3基床表层级配碎石与下部填土之间应符合D15<4d85的要求。
当不符合要求时，基床表层应采用颗粒级配不同的双层结构，或在基床底层表面铺设土工合成材料。
当下部填土为改良土时，可不受此项规定限制。
4在粒径大于22.4mm的粗颗粒中带有破碎面的颗粒所占的质量百分率不小于30%。
5级配碎石粒径大于1.7mm颗粒的洛杉矶磨耗率不大于30%，硫酸钠溶液浸泡损失率不大于6%。
粒径小于0.5mm的细颗粒的液限不大于25%，塑性指数小于6。
不得含有黏土及其它杂质。
6.3.3 基床底层应采用A、B组填料或改良土，A、B组填料粒径级配应符合压实性能要求，寒冷地区冻结影响范围填料应符合防冻胀要求。
基床底层压实标准应符合表6.3.3的规定。
表6.3.3基床底层填料及压实标准
压实标准
化学改良土
砂类土及细砾土
碎石类及粗砾土
压实系数K
≥0.95
≥0.95
≥0.95
地基系数K30（MPa/m）
—
≥130
≥150
动态变形模量Evd（MPa）
—
≥40
≥40
7d饱和无侧限抗压强度（kPa）
≥350（550）
—
—
注：
1．无砟轨道可采用K30或Ev2。
当采用Ev2时，其控制标准为Ev2≥80MPa且Ev2/Ev1≤2.5。
2．括号内数字为寒冷地区化学改良土考虑冻融循环作用所需强度值。
6.4路堤
6.4.1基床以下路堤宜选用A、B组填料和C组碎石、砾石类填料，其粒径级配应符合压实性能要求；当选用C组细粒土填料时，应根据填料性质进行改良。
基床以下路堤压实标准应符合表6.4.1的规定。
表6.4.1基床以下路堤填料及压实标准
压实标准
化学改良土
砂类土
及细砾土
碎石类
及粗砾土
压实系数K
≥0.92
≥0.92
≥0.92
地基系数K30（MPa/m）
—
≥110
≥130
7d饱和无侧限抗压强度（kPa）
≥250
－
－
注：
无砟轨道可采用K30或Ev2。
当采用Ev2时，其控制标准为Ev2≥45MPa且Ev2/Ev1≤2.6。
6.4.2路基工后沉降应符合下列规定：
1无砟轨道路基工后沉降应符合扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求。
工后沉降不宜超过15mm；沉降比较均匀并且调整轨面高程后的竖曲线半径符合式6.4.2的要求时，允许的工后沉降为30mm。
（式6.4.2）
路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1000。
2有砟轨道路基工后沉降应符合表6.4.2要求。
表6.4.2
升级会员 