高速铁路穿越断裂带地段路基设计方法探讨

焦瑞玲

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

高速铁路穿越断裂带地段路基设计方法探讨

焦瑞玲

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

结合青荣城际铁路工程实际，介绍穿越断裂带地段路基概况及工程地形地貌、地层岩性、地基变形分析方法等，并根据本线为有砟轨道特点，提出路基工程设计应按照保证非地震情况下路基变形满足安全运营要求，采取加宽路基、放缓边坡及柔性加筋路基结构形式、加强防排水、进行变形监测等工程措施，使断裂带区域内路基能适应断裂带变形、易修复和留有修复条件，降低风险，节省投资。

高速铁路；断裂带；路基设计

1 概述

随着高速铁路建设规模的进一步扩大，遇到了愈来愈多的不良地质问题，断层破碎带就是遭遇的一种典型不良地质情况。由于破碎带通常地质结构复杂，岩层状态和岩性多变，裂隙发育和含水率大，地形变化和基岩埋深异常，部分还具有一定的活动度，给路基沉降变形控制带来了一系列的困难。由于高速铁路对沉降变形有着严格要求，断裂带地基的沉降计算及加固处理与一般地基有显著的不同。再者，无论如何进行处理，由于断层的活动性，除竖向外还有横向的变形，其变形方式多种多样，断裂带及两侧区域的变形差异难以避免，需要采取一定的结构措施。但其调整能力是建立在一定的新的沉降变形的基础上的，在高速铁路中如何控制沉降变形值得探讨和研究，这对于保证高速铁路线路的稳定和设计的可靠性都具有重要的意义。目前国内外对有关高速铁路路基通过断层破碎区的设计介绍较少，下面依托青荣城际铁路遇到的断裂带地段路基设计进行探讨，以其能抛砖引玉。

2 青荣城际铁路穿越断裂带地段概况

青荣城际铁路位于胶东半岛东部，是胶东半岛城市群的重要联络通道，正线全长约300 km，设计速度250 km/h， 由于该线线路所经区域位于地震地质断裂带，铺设无砟轨道路基沉降控制风险很大，故采用有砟轨道路基。线路自青岛北站引出，经即墨市、莱西市、莱阳市、海阳市、栖霞市、烟台市、牟平区、威海市、文登市，终点为荣成市，路基工程总长度107.613 km。

沿线地貌主要为冲洪积平原、剥蚀平原、滨海平原、丘陵区。青岛北站至莱阳为冲洪积平原及剥蚀平原区，局部存在剥蚀残丘，地形平坦开阔；莱阳至烟台间为丘陵区，地形起伏；烟台至威海为重丘陵区，地形起伏较大，威海至荣成间为丘陵区，局部夹滨海平原。

牟平～即墨断裂带为控制本区的断裂带，它是该区域内的主干断裂，为非活动性断裂带，主要由桃村～陡山断裂、郭城～即墨断裂、朱吴～店集断裂和育黎～海阳断裂组成，走向为40°～50°，长约335 km，宽40～50 km，贯穿整个胶东半岛。断裂带诸断裂具多期活动的特点，在吕梁运动时期形成，经历晋宁运动时期时，形成中浅构造层次的糜棱岩带和构造片岩带，在燕山运动时期早期，以张扭性为主，晚期为压扭性，该断裂是由一系列的压性、压扭性断裂组成，断裂在平面及剖面上呈舒缓波状，有的具有较大的破碎带，压性特征显著；断裂带诸断裂平移特征明显，由断裂两侧错位的燕山期岩体对比分析，断裂南东盘相对北移10～30 km，这种位移自西向东递减；断裂有平行等距的特征，几条主干断裂间距10～12 km，与其伴生的北西向断裂，在平面上呈“多”字型展布；断裂带诸断裂具多期活动的特点，对中生界有明显的控制作用。由于该断裂带规模大，活动强烈、持续时间长，因此，对现代河谷、泉的分布有着重要影响。其中，主断裂桃村～陡山断裂北起烟台市初家镇以东，向南西经铁口、徐家店至姜疃镇一带，全长约100 km，走向北东，倾角60°～80°，倾向南东，倾角50°～80°，破碎带宽度一般50～100 m不等，局部达200 m或更宽。

断裂带分布情况：桃村主断裂带在徐家店至烟台南范围内多次与线路相交，交叉角度为10°～60°，其余地段大部分并行。断裂带地区路基段落共有7段，既有填方，也有挖方，最大填方高度约9 m，最大挖方高度9.8 m，堑坡高度11.8 m。

由于区域断裂带的影响，青荣线经过的区域岩性复杂，岩体破碎，小断层发育。断裂带地表第四系地层很薄，在野外露头较好的地段可见到断层边缘的岩石发生揉皱、擦痕等，岩石被强烈挤压破碎，形成宽窄不一的破碎带，挤压片理、页理发育，形成大量的碎裂岩、角砾岩、挤压透镜体、糜棱岩、断层泥等，厚度超过70 m。

代表性平面位置如图1所示，代表性立面位置如图2所示。

图1 断裂带与线位交叉关系平面位置示意

图2 断裂带与线位交叉关系立面位置示意

3 断裂带地段路基设计情况

青荣城际铁路穿过的断裂带地段虽然其地表地基承载力满足高速铁路的要求，但路基沉降量是否满足需要，路基设计前首先需进行沉降变形估算。由于路基沉降计算所需要的参数现场获取困难，路基范围内破碎带不同地层的压缩模量选取参考《铁路工程地质手册》内土的压缩模量一般范围值，进行了沉降量估算，以DK163+550～+850为例，计算如下。

3.1 地层情况

根据地质勘探资料，地面以下0～70 m范围内为强～全风化断层角砾岩，岩芯呈角砾状～碎块状，钻孔多处可见泥状岩芯，地层岩性较差。

其中10-ZBD-1058孔12.8～14.0 m岩芯呈泥状，10-ZBD-1054-4孔12.5～20.5 m岩芯以断层泥为主，10-ZBD-1054-2孔0～7 m岩芯以断层泥为主，该孔7 m以下强风化层也见断层泥。地基承载力σ0=200～400 kPa。30 m以下地层为强风化断层角砾岩，岩芯呈碎块状，地基承载力σ0=400 kPa。原位测试参数如表1所示。

表1 DK163+550～+850段原位测试数据统计

3.2 路基参数

路基填高8.4 m，填料重度20 kN/m3，地基土天然重度：断层角砾岩Ⅲ类22 kN/m3；断层角砾岩Ⅳ类22 kN/m3；压缩模量Es按表2组合范围选取。

表2 路基设计参数

3.3 荷载

列车荷载为ZK活载。列车及轨道荷载按照换算土柱，考虑应力扩散分布于路基本体底部。

3.4 地基沉降量

按分层综合法估算总沉降量为270～70 mm，可见变形差异很大，压缩层最大深度约40 m。

从计算结果看出，压缩模量数值的选择对路基沉降量的影响较大，在无实测数据的情况下，取多大的压缩模量进行计算能与现场实际地层情况相吻合，直接影响计算结果的准确性与可靠性。所以加强断裂带区域的详细地质勘察，查清断层内岩土工程性质，对于分析其变形特点十分重要。

3.5 路基设计措施

青荣城际铁路由于断裂带地段地层变化大，断层泥分布深浅不一，对路基沉降到底有多大影响，地基要不要桩基处理，选用何种桩型进行处理，都需要详细研究。结合本线实际情况，由于跨越断裂带地段多，而且地段长，断裂带情况复杂，采取各种桩加固断裂带地基不仅工程投资巨大，而且实施难度大，且效果难以肯定。根据本线为有砟轨道特点，按照既要保证非地震情况下路基变形满足安全运营要求，尽可能降低过大的沉降引起的路基变形风险，节省工程投资，地震时能适应断裂带变形、易修复和留有修复条件的路基结构形式。在沉降估算的基础上，经过多方案比选，确定断裂带地段设计原则如下。

(1)采取适宜的平纵断面，尽可能大角度短距离穿越断裂带，并避免路基高填、深挖。

(2)加宽路肩、采用优质填料填筑。

(3)放缓边坡。

(4)采取非刚性路基，柔性分层加筋措施，增加路基本体稳定性，并适应断裂带变形。填方地段，断裂带宽度+20 m范围内每隔0.6 m分层铺设高强土工格栅；挖方地段：断裂带宽度+50 m范围内自路堑基床换填底面开始每隔0.6 m铺设一层高强土工格栅。

(5)加宽侧沟平台及分级堑坡平台，降低分级堑坡高度。堑坡一般采用浆砌片石孔窗护坡防护，高堑坡地段采用框架格梁+锚索或锚杆防护。

(6)加强防水及排水，封闭地表水，防止地表水下渗影响路基基底稳定，断裂地地段挖除地表0.5 m，换填三七灰土，基底采用重锤夯实处理等措施。

(7)布置监测断面，监测断裂带路基变形。

代表性横断面设计见图3、图4。

图3 断裂带地段填方横断面设计(单位：m)

图4 断裂带地段挖方横断面设计(单位：m)

4 变形监控措施

由于目前客运专线穿越断裂带地段无设计经验，为监测在上部荷载作用下断裂带地基沉降变形规律，分析沉降变形原因、趋势及规律，同时提高客运专线抗风险能力，为安全运营提供保障，对部分横穿主断裂带工点除布设常规观测桩等观测断面外，还增加分层沉降观测及侧斜等观测设备，选定部分工点典型断面，于路基基底处路基中心、两侧坡脚等分别布设单、多点位移沉降计，以监测地基总沉降量及地基各层的沉降大小及变化规律，进行长期的变形观测。路基两侧坡脚外设侧斜管，以监测水平位移。

监测断面布设示意见图5。

从施工阶段检测的部分数据看变形较小，目前沉降变形观测正在数据采集过程中(由于目前采集数据较少，无法在此具体介绍)。

5 结语

青荣城际铁路所穿越的断层破碎带，范围大、断裂区岩石极端破碎和不均匀，局部含有断层泥等，对铁路工程结构影响较大，断裂带地段线位本应该躲避和大角度短距离穿越，但由于受各种地形和村镇等地表建筑等因素影响和控制，线路平纵断面不得不采用多次穿越断裂带。这也是以后高速铁路客运专线选线过程中值得引起注意的问题。设计方面，穿越断裂带还应避免高填深挖的路基，并应该采取适应断裂带变形、易修复和留有修复条件的路基结构形式。

目前国内外尚未见到有关高速铁路客运专线穿过断裂带地段路基处理措施，故此，以青荣城际铁路工程为依托，开展高速铁路穿越断层破碎带路基关键技术的研究，以其能够提出高速铁路穿越断层破碎带的路基的设计方法和结构措施。对断层破碎带路基工程进行沉降变形监测和试验检验，验证结构设置的合理性和沉降变形的控制调整功能，评价其实际效果，为安全运营及后期养护提供依据，保证运营阶段线路的畅通和安全，尽可能地降低设计风险，为以后类似工程积累经验。

图5 监测断面布设示意

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009J971—2009高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005J447—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

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[5] 中华人民共和国铁道部.TB10025—2006铁路路基支挡结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006．

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[9] 曾国熙，卢肇钧，等.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993．

[10]陈仲颐，周景星，王洪瑾，等.土力学[M].北京： 清华大学出版社，2006．

An Approach to Subgrade Design Methods for High Speed Railway Passing through Fault Zone

JIAO Rui-ling

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

With reference to the engineering practices in Qing～Rong intercity railway， this paper introduces the general conditions of the line subgrade， the landform， the formation lithologic and the analysis of ground settlement in passing through fault zone. The requirements are proposed for subgrade deformation in non-earthquake situation to ensure safe train operation on ballasted track by widening subgrade， easing slope， reinforcing the subgrade with flexible bars， improving drainage and deformation monitoring to make the subgrade in fault zone adaptable to the deformation， easy to be maintained with reservations for future maintenance. Thus， risk is reduced and investment is saved. projects．

High speed railway; Fault Zone; Subgrade design

2015-03-18；

2015-03-27

焦瑞玲(1964—)，女，高级工程师，1986年毕业于北方交通

大学铁道工程专业，工学学士，E-mail：jiaoruiling@tsdig.com。

1004-2954(2015)10-0013-05

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.004