1、铁路客运专线路基设计施工关键技术 精品铁路客运专线路基工程第一章 国内外高速铁路路基发展现状第一节 路基工程技术特点图1-2 标准路堑横断面图1-1 标准双线路堤断面高速铁路要达到高速、舒适、安全运送旅客的目标，必须确保轨道结构几何尺寸的高度平顺和稳定，而这依赖于给轨道结构提供一个坚固、耐久、稳定的路基，见图1-1路堤,图1-2路堑。具体要求是：1）基床的强度高、刚度大；2）地基沉降很小或没有沉降。3）路基刚度纵向平顺变化；4)良好的耐久性。以上几点要求，目前的普通铁路路基是不能满足的。而高速铁路必须在路基结构、路基材料及路基施工工艺等方面采取一系列与普通路基不同的技术标准才能实现。因此，高速
2、铁路对路基的高标准要求，给铁路的设计、施工和养护提出了新的挑战。必须将路基作为结构物对待，用全新的观念来设计、施工这种高标准土工结构物。一、强度高、刚度大的基床结构在列车运营时，路基不仅承受轨道结构和附属构筑物的静荷载，还要承受列车荷载的长期反复作用。同时，由于路基直接暴露在自然条件下，需要抵抗气温变化、雨雪作用、地震破坏等不良因素的影响。路基工程必须在这些条件的长期作用下，其强度不会降低，弹性不会改变，变形不会加大。真正做到长寿命，少维修。只有这样，才能高速行车，减少维修费用，并增加运行的安全性。客运专线将路基作为一土工结构物来进行设计与施工，对填筑材料、压实标准、变形控制、检测要求等较现行
3、铁路有很大提高，同时强化了基床结构，特别是基床表层。基床表层是路基直接承受列车动荷载的组成部分，也是路基中的最重要部分。基床表层不但给轨道提供了一个坚实的基础，同时也对其下的土路基提供保护，因此基床表层必须有足够的强度和刚度，同时还要有较好的稳定性和耐久性。作为基床表层的材料，需要有较好的力学性能，充分压实后要能在长期动力作用下保持稳定，并有很好的水稳定性和较小的渗透性。二、严格控制地基的沉降变形高速行车需要高度平顺和稳定的轨下基础，控制变形是客运专线路基设计的关键。在高速行车情况下，路基因重复荷载作用所产生的累积沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度和舒适度，并增加线路养护
4、工作量。由于受调整能力的限制，无碴轨道对路基沉降尤其是不均匀沉降的要求更为严格。工后沉降或不均匀沉降过大是导致路基铺设无碴轨道失败的主要原因，而地基的不确定性是潜在的风险。三、在轨下基础刚度变化处设置过渡段铁路线路由不同特点的结构物（桥、隧、路基等）和轨道结构构成，这些结构在强度、刚度、变形等方面都有很大的差异，因此在路桥、路涵、路堤与路堑等相连地段，纵向轨下基础刚度的变化必然影响路基轨道车辆系统刚度的均匀性，导致高速铁路系统振动的加剧，也加大了对轨下基础的动力作用，影响高速行车的平稳和安全。路基与桥（涵）连接处一直是铁路路基的一个薄弱环节。一方面路基与桥梁刚度差别较大而引起轨道刚度的突变，另
5、一方面由于路基与桥台的沉降差而导致轨面不平顺。在路堤与桥（涵）间设置一定长度的过渡段，以控制轨道刚度的逐渐变化，并最大限度地减少由于路基与桥涵的沉降不均匀而引起的轨道不平顺，保证列车高速、安全、舒适运行。 四、基床表层设置强化层或排水层。加强基床排水，保证基床的在列车动载作用下的长期稳定性。第二节 .国外高速铁路路基结构国外发展高速铁路的国家都制定了较高的路基技术标准和严格的施工工艺，其特点如下：图1-3 德国高速铁路路基标准横断面一、强化路基基床：包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别是对基床表层的填料和强度有严格要求。如日本在新干线上设置了强化基床表层，采用级配矿碴层或增设沥青混凝土表层等，并
6、用直径为30cm的平板荷载试验求出的地基系数K30控制压实效果；法国在制定TGV线路技术条件前曾对全国既有铁路的路基进行了详细、全面的调查，发现轨枕下道床加垫层的厚度对防止路基病害的产生有重要作用。当总厚度超过60cm时，线路良好，基床病害的发生概率很小。德国高速铁路在路基（见图1-3）表面设置保护层（PPS层），厚2030cm，保护层下设一层防冻层。两层厚70cm，基床厚度为2.0m。PPS层具有抗渗性，渗透系数应小于10-6m/s，除此还具有抗冻性，具有高承载力和良好的夯实性。可以说，各个国家都根据本国的情况进行研究，采用不同的结构形式和强度标准对路基基床进行强化，根据土质、承载能力、防冻
7、要求、线路等级、运输荷载条件（轴重、运量、速度）以及线路上部结构的条件设计路基基床结构。二、严格控制路基填筑标准：包括对路基填料的分类、填筑压实标准和检测方法等，并开发了一系列的检测设备和施工机械。各个国家根据本国的特点对路基填料进行了详细的划分，并对每类填料的力学性能进行试验研究，从而确定它的适用范围。对路基填土质量标准，多数采用物理和力学性能双指标控制。如日本采用K30标准和压实系数K控制填筑质量；德国采用Ev2和压实系数K控制压实质量，并研发了可随时监控压实系数的碾压机械。日本、法国分别提出用贯入仪及落球回弹法等快速检验法。三、沉降控制。各国在高速铁路建设过程中，对线路容易发生不平顺的部
8、位特别加以重视，从结构设计到施工组织，从工期安排到质量检测等方面都采取了措施，严格控制轨道的刚度变化和由于沉降、不均匀沉降引起的轨道下沉和轨面弯折，以达到线路的平顺性，保证列车高速运行的安全和稳定。为了控制路基不发生过大的下沉，对路堤填土的地基条件提出了新的要求。为了调整接近桥台时路堤的刚度，对桥头路堤规定了更高的标准。国外路基施工以时间换沉降。四、加强路基的防排水措施，加强边坡和灾害的防护。要求防护工程与主体工程同时完成，增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害。日本在基床表层设置5cm的沥青混凝土层，就是防止雨水渗入路基土层，从而引起路基病害。德国和法国分别在基床表层中设置了隔水层，也
9、是防止雨水下渗，保护路基。重要启示：在基床表面设置防水设施是十分必要的。国外高速铁路发展已经做过了漫长的道路，走过了很多弯路，积累了一些成熟的经验值得借鉴。强化基床表层防水是各国高速铁路的共同特点，只是采用的方式不一样。有的是路基面硬化层，兼有防水效果，如日本；有的是直接设置隔水层，如德国和法国。我国的客运专线如果不采用路基面排水措施，运营期间可能会出现路基病害，如冻胀，基床表层软化等等。其主要原因是，运营期间，实践证明级配碎石表层不能完全隔水。因此，设置排水措施非常必要，例如设置沥青混凝土硬化层、放置复合土工膜隔水层或采用整体道床。第三节 .我国客运专线的发展我国在九十年代的“八五”、“九五
10、”时期，就对高速铁路展开了大规模研究。最初的客运专线铁路路基的技术标准，是在上述研究成果的基础上，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。秦沈客运专线路基工程进行了大量的现场试验测试，取得了许多宝贵的第一手资料，也取得了一些经验和教训。通过秦沈客运专线的工程实践，铁路技术人员对路基工程有了新的认识，路基工程的设计和施工达到了新的水平和标准。在此基础上，形成了现行的客运专线路基工程技术标准。第四节 .客运专线暂规的主要变化一、填料路基基床表层采用级配碎石，增加了其强度和
11、刚度；增设了沥青混凝土强化层，以加强防水和防冻。基床表层应考虑防排水层。路基基床由表层和底层组成,表层厚度应为0.7m；底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。其中，基床表层由510cm厚的沥青混凝土和6560cm厚的级配碎石或级配砂砾石组成。规定高速铁路路基应优先选用A、B组填料和C组块石、碎石、砾石类填料，当选用C组细粒土填料时，应根据土源性质进行改良；二、过渡段路桥、路涵过渡段采用纵向正梯形断面形式，取消加筋土过渡段的结构形式，补充了所有路涵均需设置过渡段的规定，并按节单独编制；三、工后沉降利用工后沉降对路基变形提出严格控制。对路基工后沉降控制标准及其地基条件结合国际咨询意见进行了修改；
12、 现标准原标准秦沈线一般地段(cm)51015过渡段(cm)3510沉降速率(cm/年)235四、监测手段对路基基床表层和过渡段填料补充了Evd检测标准；级配碎石基床表层：填料厚度（m）压实标准备注地基系数K30（MPa/m）动态变形模量Evd（MPa）孔隙率n级配碎石0.71905518%路堤级配碎石0.551905518% 当为软质岩、强风化的硬质岩及土质路堑时中粗砂0.1513045 级配砂砾石Evd50（MPa）；过渡段Evd50（MPa）第二章 铁路客运专线路基基床结构设计基床是路基承受列车动荷载和自然力最大的部位，因此基床设计主要考虑列车荷载隔水防渗条件。第一节 动力测试试验结果在
13、“八五”、“九五”期间，我国铁路的科研、设计、施工等部门在参考国外高速铁路设计、施工资料的基础上，结合我国过去已取得的研究成果和经验，对高速铁路路基荷载条件、基床表层的受力特点、基床表层材料的动力特性和基床底层厚度、材质、防渗特性和质量控制标准等多方面进行了较为系统和深入的研究，并提出了相应的建议。其中不少建议已被京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定和时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定所采纳。但是，对于所提出的标准是否切合实际、建成后路基能否保证其上部轨道结构的稳定与平顺，保证行车安全与乘车舒适度，基床表层是否具备长期的动力稳定性和水稳定性，以及厚度和结构是否合理等一系列问题迫切需要通过实
14、践检验。秦沈客运专线综合试验为此提供了极好的条件。 通过多次行车动载试验测试，针对不同厚度的基床表层，研究不同机车车辆和行车速度条件下作用在路基面上的动应力和路基产生的动力响应，检验路基的状态，为路基的设计、评价及理论分析提供验证资料，为进一步完善路基设计积累数据。动测试验成果表明：实测的路基最大动应力低于暂规中提出的设计参考值。表1是两次行车试验实测的路基面动应力汇总。经过对所有测试结果的统计，路基面动应力最大值为84kPa，小于暂规提出的基床表层设计值93kPa。实测结果也说明，动应力实测值的离散性是很大的，部分传感器测得的路基面动应力只有几个kPa。而且由于本次动应力传感器大部分埋设是在
15、铺轨前进行，在埋设的平面位置、离轨枕底面距离方面，都会与预定的理想位置存在着一定的偏差。所以实测值偏小是必然的。考虑到上述因素，可以认为暂规中提出的设计值还是比较合理的。图4表明动应力与轴重关系最为密切，正比关系。路基面动变形测试结果见表2。国缺少实测数据。暂规要求动变形小于3.5mm。本次实测表明，路基面的动变形均在lmm以内，远小于3.5mm。因此，表1 路基动应力(kPa)序号工况土压力盒埋设位置DK274+800断面DK274+920断面DK275+000断面车头车尾车头车尾车头车尾92002年12月05日9时35分，中华之星+4节车厢，下行线下行,车速为212km/h1路基面上里碴脚
16、33.97/65.23/59.88/2路基面上线路中线7.42/42.96/16.47/3路基面上外碴脚15.16/83.95/58.88/4基床表层底面里碴脚16.37/5基床表层底面内轨下17.46/6基床表层底面外轨下13.78/7基床表层底面外碴脚5.45/102002年12月05日10时34分，奥星+4节车厢+中华之星，下行线上行,车速约为200km/h1路基面上里碴脚42.0734.5389.7679.5965.5952.512路基面上线路中线11.549.5553.9547.1017.8715.133路基面上外碴脚25.8919.48116.63106.5463.5558.884
17、基床表层底面里碴脚21.0517.44/5基床表层底面内轨下22.4918.65/6基床表层底面外轨下20.9617.16/7基床表层底面外碴脚9.047.30/表2 路基动变形序号工况车速km/h传感器埋设位置DK274+800DK274+920DK275+000位移计891拾振器（位移档）位移计891拾振器（位移档）891拾振器（位移档）外轨下0.2360.1440.2290.2370.2359中华之星+4节车厢, 绥中北沈阳212内轨下/0.034/线路中/0.251/外轨下0.1680.140.245无信号0.17110奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/线路中/0.24
18、2/外轨下0.1350.1200.190无信号0.21111中华之星+4节车厢, 绥中北沈阳237内轨下/0.027/线路中/0.260/外轨下0.1960.1650.2900.2300.18113奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/0.04/线路中/0.226/外轨下0.1620.1290.190无信号0.219有必要对原有的路基面动变形计算方法进行探讨。轴重和车速的影响。实测基床表层动应力随列车轴重的变化见图4；基床动变形随车速的变化见图5。增加而稍有增加。基床的动应力、动变形及加速度均有随车速增大的趋势，其变化规律还与机车车辆类型和轨道结构的状况有关。路堤试验段实测基床动应
19、力与轴重和行车速度之间存在以下关系： =2.4P(1+8.310-5v)。 =2.6P 准静态(车速5kmh)时。 （1-1）测试结果说明，轴重对动应力的影响较大且较为稳定，而车速的影响则相对较小，且离散性较大。图4 轴重与动应力的关系路基体中动应力随深度的衰减变化规律。根据本次和以往的实测资料和计算分析，得到如图6所示的动应力随深度的衰减变化规律。与其它试验工点的测试结果也相当接近，可供设计使用。第二节 基床设计方法一、 基床表层材料 作为基床表层的材料，需要有较好的力学性能，充分压实后在长期动力作用下保持稳定，并有很好的水稳定性和较小的渗透性。国外各主要高速铁路普遍采用级配砂砾石和级配碎石
20、，它是用粒径大小不同的粗细砾石（碎石）材料和砂各占一定的比例的混合料，其颗粒组成符合密实级配要求，其中包括一部分细颗粒土，填充空隙并起粘接作用，经压实后形成密实结构，其强度是靠粒料间的摩擦力和细颗粒的粘结力形成的。国内外实践表明，只要保证组成材料的质量，使混合材料具有良好的级配，并控制好细颗粒土的含水量和塑性指数，在施工中将混合料搅拌均匀，在最佳含水量下压实，达到要求的密实度，就能形成较高的力学强度和水稳性。因此，客运专线基床表层材料根据沿线具体情况采用级配碎石或级配砂砾，其颗粒粒径、级配、材质及密实度等方面均有严格要求，特别是为了防止翻浆冒泥，保证轨下基础动力稳定性，不同材料之间的粒径级配还
21、需满足太沙基（Terzaghi的反滤准则。二、基床表层厚度的确定基床表层厚度由以下两个原则确定：变形控制：在列车荷载作用下路基顶面变形量不大于规范限值。变形控制的目的是使列车运行平顺，要求基床表层产生的应变不会导致塑性变形过大，保证列车平稳运行。根据Boussinesq理论，长方形均布荷载作用在双层弹性地基上，均布荷载中心点的沉降可用下式计算：式中，p0为荷载强度；m=a/b；n1=h/b；q=E1/E2。根据上述公式就可以算出在不同基床土弹性模量和基床表层材料弹性模量的基础上，满足路基变形条件的基床表层厚度。确定了基床表层材料和基床底层材料的弹性模量以后，就可以根据图2-1确定需要的基床表层
22、厚度。强度控制：作用在基床表层下填土的动应力不大于填土允许动应力。图22中的三条线是根据动三轴试验结果，考虑侧压力与法铁建议的维修系数（K30.8）折减后得到的允许强度线，图中曲线为动应力衰减线。由图22，当压实系数K1.0时，基床表层厚约0.6m左右，当压实系数K0.95时，则需基床表层厚0.8m左右。 综合上述两方面的要求，本次线基床表层厚度采用0.6m。三、基床厚度确定列车荷载由轨道、道床传至路基基床表层，作用于路基的动应力沿深度逐渐衰减。将路基上部受动应力影响较大的部位定为路基基床。基床压实土的动三轴试验表明，当动静应力比在0.2以下时，加载10万次产生的塑性累积变形在0.2以下，而且
23、很快能达到稳定。基床厚度一般按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比小于、等于1/5的原则确定。因为当动应力水平1/5时，列车荷载的影响很小。考虑到线路基的填料与填筑压实标准均较高，故将基床厚度定为动静应力比为1/5。当深度在2.42.5m时，动静应力比0.2，因此基床厚度定为2.5m。图2-2 基床表层厚度的确定笫三章 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：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉；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1.0mm之
24、内；路堤填土压密下沉量为路堤高度的0.20.4，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
25、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
26、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
27、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3-1列出各规范中的工后沉降限值。表3-1 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301561秦沈客运专线暂规15842时速200公里客货共线15843时速200-250公里客运专线10534京沪高速铁路暂规5325时速300-350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
28、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。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
29、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3-1.注水系统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。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。
