武广铁路客运专线无砟轨道路基变形控制设计关键技术

2010-03-21郭建湖詹学启李小和

铁道标准设计 2010年1期

郭建湖,詹学启,李小和

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

武广铁路客运专线线设计时速350 km、全线无砟轨道,要求路基工后沉降小于15 mm,台后路基沉降差小于5 mm。由于沿线地形和地质条件千差万别、土的变形理论不完善、现有的沉降计算方法不键全,且计算精度远不能满足武广铁路客运专线路基工后沉降控制要求。因此,要实现路基变形控制的要求,不仅要有准确的地质资料以及正确的土工参数,还涉及设计中沉降估算方法的正确选取、沉降控制措施的合理选择,以及路基施工质量的控制、沉降监测系统与分析评估等各个方面的工作,客运专线无砟轨道路基变形控制必须按系统工程对待。

2 工后沉降产生因素

从无砟轨道路基结构特点分析,路基沉降可分为以下3部分。

(1)对于列车动荷载长期作用下产生的变形,主要通过提高路基基床材料的质量,提高压实标准等措施加以控制,在规范要求的压实标准及材质条件下,列车动荷载部分引起的变形一般在5 mm以内。

(2)路基填料在自重作用下的压实沉降,随填料的材质不同、填筑高度的不同,变形的大小也不一样。该部分沉降一般为路基填筑高度的0.1%～0.55%,完成时间一般在填筑施工后1～2年。武广铁路客运专线根据部批施工组织计划,路基填筑完成到铺轨大多有超过12个月的摆放期,路基填料部分沉降变形可基本完成。

(3)支承路基的地基沉降变形。随路基高度的不同、地基条件的不同,沉降也不一样,为路基的主要沉降变形部分,且完成时间较长,为路基沉降变形和工后沉降考虑的重点。而且对于不同类型的地基土沉降完成的速度、时间不同,计算模式和方法亦不同。

因此,在路基设计中应主要针对地基沉降采取控制措施。

3 土体力学参数的合理获取

准确合理的力学参数是沉降计算的前提保证。武广铁路客运专线分段、分工区进行了工程地质勘察,通过初勘、详勘,结合工程地质钻探、室内土工试验、原位测试等资料,对沿线的地质条件进行了详细的研究。具体体现在以下几个方面。

(1)通过大量钻探数据汇总分析,了解了沿线地质条件和地层分布情况。

(2)对一般饱和地基土,严格规范勘探取样行为,获取了原状程度更接近土的原始状态的土样,并进行了相应的土工试验,并与原位测试资料对比分析。由此获取的土工试验资料可信度高。

(3)对强度较高,易受取样过程扰动的地基土,通过建立代表性对比勘探试验点，采用对土层扰动小的三重管双动取土器钻探取样室内试验,结合现场载荷试验、标准贯入、静力触探等原位测试等多手段获取地基土的变形参数,进行对比分析研究。得到了武广铁路客运专线Q2黏性土变形模量为室内试验压缩模量的2～3倍；红黏土压缩模量ES与标贯击数N相关的经验公式(ES=0.79N-0.41(14.5≤N≤24))等成果,有效地取得了具有较高精度的地基土变形参数,为合理计算路基变形提供了前提和保障。

4 计算方法合理选取

在确定了合理的路基地基土力学参数后,沉降计算方法的选取至关重要。

4.1 无砟轨道工后沉降计算方法

路基的沉降主要包括以下方面：(1)地基沉降部分su(t)；(2)路基填筑部分沉降se(t)；(3)无砟轨道引起的沉降sst(t≥T0)；(4)列车荷载引起的沉降sv(t≥T2)。因此路基总沉降为：

sg(t)=su(t)+se(t)+sst(t)+sv(t)=

sg(tT0)

式中，T0为铺设无砟轨道的时间点；T2为预计运营开始时间点。

4.2 无砟轨道上部荷载的确定

武广铁路客运专线根据轨道结构,考虑轨道间堆砟防护,加上单线列车荷载进行计算,轨道板支撑层作用在路基面上的单线总荷载为180.01 kN/m,双线单荷载为235.02 kN/m,采用此值进行沉降计算。

4.3 估算路基沉降完成时间的设计依据

本线路基设计控制沉降完成时间,根据部批复的“武广铁路客运专线路基指导性施工组织计划”,计算出各工点通过的架梁时间、轨道板施工时间、铺轨时间,估算出路基的摆放时间、预压时间以及轨道板荷载的摆放时间,来确定路基施工期沉降完成时间,并以此作为路基各工点设计沉降控制的设计依据。

4.4 沉降计算方法选取

在设计中针对天然地基土体的不同类型和特点,选取了不同沉降计算模式。

(1)对于砂类土和碎石类土地基,压缩沉降较快完成,工后沉降按100%的沉降完成率(或固结度)计算。当轨道板施工完成后到铺设钢轨间还有超过2个月的时间,则路基工后沉降计算至铺设钢轨前。

(2)对于饱和黏性土地基,采用分层总和法分别计算有荷(考虑列车及轨道荷载)和无荷载条件下的固结沉降值,为确保安全,沉降一般计算至轨道板施工之前。

(3)对于非饱和土地基,其沉降计算理论目前不够成熟,设计参照固结沉降理论,结合应力历史进行沉降估算。

(4)对于复合地基,沉降计算方法主要有复合模量法、应力修正法和桩身压缩模量法等,根据复合地基加固的类型及特点选用不同的计算方法。

5 设计控制措施

5.1 沉降控制原则

由于武广铁路客运专线工期紧,为降低投资,满足沉降控制要求,保障工期,采取预压措施时遵循了以下原则。

(1)根据施工组织计划,不通过架梁车地段,有条件预压时采用了预压措施；

(2)低填浅挖路基地段,检算工后沉降值接近控制要求时,结合施工组织,有条件时优先考虑了超载预压措施；

(3)低矮路基由列车轨道荷载引起的沉降大,强夯及复合地基加固(或不宜采用时)难以满足要求时,而预压控制沉降明显时,则采用了预压措施。

5.2 沉降控制措施

设计根据各工点的地基条件、填土高度,对工后沉降值不能满足要求的地段,按下列原则采取了相应的地基加固措施。

(1)表层软土、松软土、软黏土厚度不大于1.5 m的地段,原则上采用挖除换填措施。

(2)厚层黏性土、粉土和松软土地基,特别是当具有较厚的硬壳或硬层夹软弱层地基,主要采取CFG桩复合地基加固,这是本线的主要加固措施。

(3)含较多碎石黏性土和砂性土、填土、碎石土的地基,采取旋喷桩复合地基加固。

(4)对于正常固结的淤泥、淤泥质土和软黏土,以及地基承载力标准值小于120 kPa的黏性土和粉性土地层,采用搅拌桩复合地基加固。

(5)深厚层软弱地基,对于地基沉降要求高或存在侧向应力作用的(如桥路、隧路过渡段、溶沟溶槽地段等)地段,以及不均匀沉降大的地段,采用刚性桩桩-网复合地基加固。

5.3 不均匀沉降控制措施

5.3.1 纵向不均匀沉降

武广铁路客运专线路基设计中进行了整体变形分析,以控制不均匀沉降的出现。具体设计中,根据压缩层的厚度变化情况、路基的填筑高度、地层软硬均匀性等条件选择检算横断面,并保证了一定的检算密度；如果地表纵坡变化大、压缩层的厚度变化、地层相变大,则必须检算变化处的相邻2个横断面的工后沉降,建立整体变形分析表,使相邻断面工后沉降差控制在轨道可圆顺范围内。此外,对于有复合地基加固与无复合地基加固的相邻横断面、地层变化大的地段、路基高度变化地段、岩溶溶沟、溶槽区等,必须检算相邻断面或按每50 m进行工后沉降的检算。

5.3.2 横向不均匀沉降

陡坡路堤地段,当路堤基底无法通过挖台阶使基底水平时,应进行横向不均匀沉降差的检算。计算时路堤高度分别按左线左侧2 m、以及右线右侧2 m处路基面至原地面的高度进行计算。沉降差控制在5 mm内。

5.3.3 过渡段不均匀沉降的控制

过渡段范围,桥台台尾路基应进行工后沉降的分析,且与桥台后路基工后沉降差不超过5 mm,同时还应考虑相邻断面的不均匀沉降的检算。而对于桥桥、桥隧、桥堑之间小于60 m的过渡段,在具体设计时基本按5～8 mm的工后沉降控制进行设计。

6 施工控制措施

由于武广铁路客运专线路基沉降控制标准高,要求路基工后沉降一般不大于15 mm,近乎零沉降。基于此,路基工后沉降的控制,除了勘察设计控制外,更要重视并切实加强路基施工各个环节的质量控制。施工环节的质量控制主要体现在以下几个方面。

(1)地基条件的核查；

(2)地基加固处理施工的控制与检测；

(3)无复合地基加固地段清基回填的施工控制与检测；

(4)路基基底褥垫层的施工控制与检测；

(5)路基填筑施工控制与检测。

7 变形监测措施

7.1 变形监测的重要性

由于路基沉降的复杂性,通过计算得到的往往是路基沉降的估算值,与路基实际的沉降量之间存在差别,这种差别可能不能满足高速铁路无砟轨道对路基沉降的要求。目前,采用路基沉降监测是控制路基沉降和不均匀沉降最可靠的方法。为满足武广铁路客运专线无砟轨道对路基沉降的高标准、严要求,建立全路段路基沉降监测网络监控路基沉降和不均匀沉降,以满足路基沉降的技术要求是非常必要的。路基沉降监测通过在路基面或地基中埋设仪器元件,精确的测量路基的竖向和横向变形,通过大量监测数据整理分析路基沉降的大小、速率,以及与施工填土高度的关系和沉降趋势,分析与评估路基沉降数值,预测沉降完成时间,确定无砟轨道施工时间并指导无砟轨道的施工。