湿陷性黄土地区高速铁路接触网基础预埋设计及应用

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

湿陷性黄土地区高速铁路接触网基础预埋设计及应用

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

分析了湿陷性黄土路基地段接触网土建接口要求及技术难点，针对湿陷性黄土地段路基处理措施及接触网荷载特性，研发了带承台、小桩径钻孔灌注桩接触网基础。该基础的抗震及防渗漏水措施、基础内独立接地极技术在郑西客运专线应用效果良好，在我国西部湿陷性黄土地区高速铁路建设项目中得到进一步推广应用。

湿陷性黄土 高速铁路 接触网基础 预埋

在湿陷性黄土地区修建高速铁路，严格控制路基沉降是关键。通过郑西客专工程试验段的路基关键技术研究［1-4］，形成了成套地基处理技术:在湿陷性黄土地段，根据湿陷性厚度和土壤含水率采取5%水泥改良土换填、强夯法、水泥土挤密桩及柱锤冲扩桩等措施;在上部为湿陷性黄土、下部为松软土地段，湿陷性黄土厚度＜6 m时采用强夯+CFG桩组合措施，厚度＞6 m时采用长短桩复合地基措施，其中短桩采用水泥土挤密桩，长桩采用CFG桩;在上部为湿陷性黄土、下部为厚层黏性土地段，采用埋入式连续桩板结构路基。

湿陷性黄土地区的路基沉降控制要求及其处理技术给接触网基础设计提出特殊要求。本文分析湿陷性黄土地区的接触网土建接口要求及技术难点，提出相应的创新设计，并介绍其应用情况。

1 接触网土建接口要求及技术难点

根据我国高速铁路建设标准要求，路基上各种预埋设备及基础应与路基填筑统筹规划、系统设计、分步实施，保证路基强度、稳定性及防排水性能［5］。

1.1 接触网基础设置及桩径控制

湿陷性黄土地段的各种路基加固桩布置最小间距仅1 m，使得接触网基础不能大断面开挖，须与路基同步施工，且施工中应避开各种路基加固桩，避免影响路基稳定，因此接触网需采用小孔径的钻孔灌注桩。另外，埋入式连续桩板路基结构的外沿与电缆槽内沿之间的缝隙仅850 mm，考虑施工误差，接触网基础的桩径被限制为φ700 mm，如图1所示。

图1 接触网基础与桩板结构、电缆槽位置关系(单位:mm)

1.2 接触网基础抗震及防渗漏水

地震灾害将引起支柱剧烈晃动、基础位移，造成基础本体开裂或基础四周边缘与路肩混凝土防水层之间出现缝隙。如2008年5·12汶川地震曾引起西安铁路局管内的宝成、阳安、西康、陇海铁路等多处接触网基础受损，如图2所示。

图2 汶川地震引起接触网基础本体开裂

对于地震动峰值加速度0.2g以上的地区，为预防地震灾害后接触网基础出现开裂现象，需进行接触网基础抗震设计。另外，湿陷性黄土地段的防排水系统设计中在路肩表面采取了混凝土封盖的措施，由于接触网基础是唯一的深度穿过基床底层的路基附属设施，要求地震后接触网四周缝隙不能出现渗漏水现象，避免对路基下面的湿陷性黄土造成影响。

1.3 接触网基础接地

基床表层的级配碎石填筑及基床底层的地基处理措施如水泥改良土换填、水泥土挤密桩、CFG桩及埋入式连续桩板结构等，导致路基与地层之间的电阻率升高，埋设在路基里面的贯通地线接地不良，需利用接触网基础作为综合接地系统的竖向接地极。

2 接触网基础构造及接口设计

2.1 路基上接触网基础横向布置

接触网基础与路基填筑同步施工，采用φ700 mm钻孔灌注桩设置于两侧路肩的轨道与电缆槽之间，对于无砟轨道、有砟轨道，基础中心至相邻轨道中心距离分别为3.15，3.25 m。接触网基础在无砟轨道区段路基上横向设置如图3所示。

图3 接触网基础在无砟轨道路基上横向设置(单位:m)

2.2 接触网基础构造

接触网基础采用JA，JB，JC 3种型式，与铁道部通用图《接触网H型钢柱》的底座法兰盘规格相对应。根据H型钢柱的标准弯矩值，将接触网基础荷载等级分为5种，具体工况及荷载等级如图4所示。

图4 接触网基础工况及荷载等级

采用郑西客运专线路基压实系数、密度及内摩擦角等进行接触网基础构造设计。接触网基础采用了长方体承台以解决小孔径桩基础抗倾覆安全系数不够及正摩阻力不够的问题。其中，JA，JB型基础采用单孔灌注桩，桩径700 mm，承台为深1.2 m、截面分别为700 mm×700 mm，900 mm×700 mm的长方体。当支柱弯矩＞200 kN·m时小孔径单桩已无法满足荷载要求，故JC型基础采用带承台的双桩基础，两根桩径均为φ700 mm，承台为截面尺寸2 450 mm×700 mm、深1.2 m的长方体。接触网基础构造尺寸见表1。

表1 接触网基础构造尺寸

表1中，JC-5型基础采用带承台的双桩基础，基础构造如图5所示，在控制桩径、桩长的同时保证了基础稳定性，抗倾覆安全系数＞1.5。

图5 JC-5型接触网基础构造(单位:mm)

这种接触网带承台的钻孔灌注桩基础主要在两个方面进行了技术创新:

1)长方体承台设计是钻孔桩与接触网梯形基础的巧妙结合。针对接触网基础荷载特性及等级，深1.2 m的长方体承台有效降低了基础水平侧压力、桩底压应力(图4中P1，P3)，解决了小孔径桩正摩阻力不足及抗倾覆安全系数不够的问题。

2)JC-5型基础采用双桩基础以解决桩径、桩长受限的问题。当支柱弯矩＞200 kN·m时，接触网常规做法是加大桩径，如京津城际、石太客专等采用φ900 mm钻孔桩。根据文献［6］对湿陷性黄土中桩基的数值模拟结果，加大桩径、桩长都会减少湿陷性黄土中桩基承载力的折减，加大桩长的效果更好，由于湿陷性黄土地段要求接触网控制桩径，且增加桩长不利于工程质量控制，故设计了带承台的双桩基础。

3 接触网基础抗震及防渗漏水设计

在接触网基础承台和桩基内均设计有钢筋笼，而且地脚螺栓之间采用了φ10 mm箍筋焊接，承台表面采用定位钢板固定地脚螺栓，提高了接触网基础抗震能力。

接触网基础四周出现缝隙将存在渗漏水的隐患，除了承台可对φ700 mm钻孔桩起到遮盖效果外，作为防止渗漏水的措施，在湿陷性黄土地段的路肩表面混凝土封盖之前，采用沥青混凝土对承台四周(接触网基础出土点)进行填充，防止雨水侵入，避免接触网基础处成为湿陷性黄土地段路基防排水的薄弱环节。

4 接触网基础接地设计

为利用接触网基础作为综合接地系统的竖向接地极，在钻孔灌注桩内设置了接地极。在钻孔灌注桩旋挖至规定深度并清孔后，在钻孔桩内打入地下一根∠50×6接地角钢，用φ16接地钢筋连接并引至地面上，与钢筋笼、基础螺栓等焊接后在基础凸台小里程侧引出“L”桥隧型接地端子，如图6所示。

图6 桩基内接地极设计(单位:mm)

5 工程试验及应用

湿陷性黄土地区接触网基础在郑西客运专线工程试验段(DK349+765—DK359+550)试验通过后，技术攻关成果于2006年元月形成郑西客运专线通用图《路基上接触网H型钢柱基础通用参考图》，经德国DEC公司与铁三院咨询联合体审批后供全线使用。

在基床表层级配碎石铺设、压实后，接触网基础在电缆槽之前施工或与其同步施工。首先利用旋挖钻机进行钻孔桩的干钻开挖，在随后进行的承台开挖、清孔过程中均不能有雨水侵入，成孔后应立即进行基础浇制。JB-4型基础浇制完毕后如图7(a)所示，JC-5型基础浇制完毕如图7(b)所示。基础台面还留有CPⅢ观测桩的空间，便于路基沉降观测。

图7 JB-4，JC-5型基础浇制后效果

接触网基础的小里程侧(郑州侧)预埋“L”桥隧型接地端子，如图8(a)所示，在郑西客专静态验收过程中进行了接地电阻测试，结果表明单个接触网基础的接地电阻不超过10 Ω。为形成接地网络效应，利用不锈钢连接线将无砟轨道板、接触网基础和电缆槽内接地端子(连接贯通地线)三者连接成一体，确保综合接地系统发挥功能，如图8(b)所示。

图8 基础预埋接地端子及接地连接线

在路基电缆槽施工完毕后，路基进行了路肩表面沥青混凝土封盖，使接触网基础与路基工程融为一体，接触网基础与路肩表面防排水效果如图9所示。

图9 接触网基础与路肩表面防排水效果

6 国内外技术对比分析

我国先期或同期建设的高速铁路如京津城际及合宁、合武、石太、武广客专等均未涉及湿陷性黄土地质问题，接触网基础形式也与郑西客运专线不同，基础内没有承台及专门的防渗漏水设计，基础内利用钢筋笼接地，无独立接地极，接地效果受混凝土保护层的影响较大。

国外高速铁路路基地段接触网基础形式较为多样化，典型的有:①法国采用钻孔桩，立杆采用插入H型钢柱并灌浆，不便于支柱更换，基础内无接地设计;②德国采用管桩基础，管桩打入地下的过程存在对路基扰动的问题，立杆采用插入等径混凝土圆杆并灌浆，不便于支柱更换，基础内无接地设计;③西班牙采用钻孔灌注桩，支柱与基础采用法兰连接，基础为单孔桩，没有承台及专门的防渗漏水设计，基础内利用钢筋笼接地，无独立接地极;④日本新干线采用杯形基础，立杆采用插入等径混凝土圆杆并灌浆，不便于支柱更换，基础内无接地设计。

通过以上对比分析可以看出，针对湿陷性黄土路基地段开发的带承台的钻孔灌注桩基础及其防渗漏水措施、基础内独立接地极等技术均具有创新性。

7 结语

通过对湿陷性黄土地段接触网土建接口要求及技术难点的分析，针对湿陷性黄土地段地基处理措施及接触网荷载特性，研发了带承台的、小桩径的钻孔灌注桩基础，其抗震及防渗漏水措施、基础内独立接地极等为创新设计，经过郑西客运专线三年运营实践未发现问题，目前已在我国西部地区高速铁路如西宝、大西、宝兰、西成客专及兰新第二双线等工程中推广应用，产生了良好的技术经济效益。

［1］钱征宇．郑西客运专线湿陷性黄土工程技术的新进展［J］．铁道工程学报，2008(10):71-79．

［2］王应铭，李肖伦．郑西客专陕西段路基湿陷性黄土地基处理简介［J］．岩土力学，2009，30(增2):283-286．

［3］黄世斌．湿陷性黄土区铁路桩基试验研究［J］．铁道建筑，2010(7):87-89．

［4］杨德志，冯世进，熊巨华，等．湿陷性黄土中桩基的数值模拟［J］．低温建筑技术，2010(2):98-100．

［5］中华人民共和国铁道部．TB 10621—2009高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

Design and application of catenary mast embedded foundation on high speed railway in collapsible loess area

LIU Changli

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi’an Shaanxi 710043，China)

This paper identifies the technical requirements and difficulties in the construction of civil catenary interface in collapsible loess areas．In accordance with the treatment measures taken at the subgrade section and the loads on catenary itself，small-diameter cast-in-place pile catenary foundation with platform was developed．It is an innovative design to both China and the world，as it has seismic structure，anti-seepage structure and independent earth electrode inside the foundation．Its application in Zhengzhou-Xi'an passenger-dedicated railway has been proved productive and further popularization has achieved in the high speed railway constructions in other collapsible loess areas of China．

Collapsible loess;High speed railway;Catenary foundation;Embedment

(责任审编 李付军)

U213．1+4;U225．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．37

1003-1995(2013)05-0122-04

2012-10-17;

2013-01-22

刘长利(1972—)，男，吉林四平人，高级工程师，硕士。