基于不同环境条件下功能要求的高速铁路路基结构优化设计

2018-01-29杜晓燕

铁道建筑 2018年1期

杜晓燕

(中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

截至2016年底，我国高速铁路运营里程已超过2.2万km，占世界高速铁路运营里程的65%以上，其中路基工程累计长度超过 3 500 km。这些高速铁路遍布于我国不同地区，气候跨越寒温带至热带5种类型，气温和降水条件存在明显差异，工程地质条件涉及各类不良地质和特殊岩土。

受地质和环境条件影响，高速铁路路基工点类型极为复杂，基于变形控制结构工程的理念，高速铁路衍生出了多种新型路基工点类型，如松软土路基、基床处理路基、过渡段短路基、低填浅挖路基、易风化软质岩石路基等。特殊岩土路基的分类更加细化、处理力度更强。高速铁路路基更加注重对结构形式和材料性能的要求，如对过渡段或基床、填料的要求。同时也更加注重路基稳定性和长期性能，如采取边坡防护、路基防排水、路基支挡结构等措施以适当提高安全系数并引入了耐久性设计。

由此可见，针对我国不同环境条件下高速铁路路基存在的各种问题开展深入研究，有针对性地优化路基结构设计，对提高工程建设质量，降低建设成本具有借鉴意义。

1 高速铁路路基结构功能设计技术基础

1.1 功能设计要求

从安全、运营等方面入手，对既有规范规定的各项要求进行分类统计，同时结合建设时期施工的便利性和运营期的修复性，以及抗灾的要求，建立了不同等级高速铁路路基功能体系，见图1。

图1 高速铁路路基功能体系

1.2 路基荷载与基床结构分析

铁路路基设计，对路基荷载作了2个简化处理[1]：①把列车(活)荷载作为静荷载处理;②路基面竖向设计荷载应根据高速铁路设计轨道结构自重等上覆作用，采用均布荷载。

按照基床底层的应变和路基面动变形控制准则，计算不同基床底层填料恰好满足要求的基床表层厚度[2]，结果如图2所示。

图2 基床表层厚度计算结果

1.3 边坡坡面防护结构计算方法

针对边坡坡面稳定的不同程度，可以将坡面的破坏模式分为坡面顺坡滑动、坡面鼓胀和坡面折线滑动3种类型。

1)坡面顺坡滑动稳定性分析。处于坡面防护结

构与路堤深部稳定土体之间的这部分填土，受气候等外界条件影响显著。坡面防护结构局部受损后，受冲刷影响的上部坡面土体需进行稳定性分析计算(见图3(a))。

2)坡面鼓胀受力分析。该模型主要考虑坡面土体在其上方不稳定土体压力的作用下是否会发生局部破坏，向外挤压防护体诱发变形，形成坡面的鼓胀变形，进而可能导致上方土体继续发生位移(见图3(b))。

3)坡面折线滑动稳定性分析。计算模型主要考虑在坡面上部土体滑动力的作用下整个坡面土体(如图3(c)所示土体1和土体2)的滑动稳定性安全系数，边坡土体和防护结构是否会在脚墙上部形成滑动破坏。

图3 坡面破坏模式

针对上述计算模型，以六棱砖坡面防护为例，对处于自然干燥状态、潮湿状态、饱和渗流状态的坡面土体及六棱砖进行了稳定性计算分析，结果表明：该边坡防护结构计算方法可靠。

2 严寒地区路基结构设计优化

2.1 严寒地区路基病害原因

根据对严寒地区冻害调查资料的分析，引起路基冻害的原因大致可以分为以下4类[3-4]：

1)地势。严寒地区局部地段地势低洼，受地形地势影响，地表排水困难，易汇集水，造成地层浅部含水率高，为路基冻胀提供了基本的水分条件。

2)地下水。地下水埋深较浅，通常在冻结深度影响范围内，丰富的地下水为冻胀提供了水分补给条件，进一步促进了冻胀的发展，冻胀量较大。

3)温度。冬季寒冷的气候条件使得地层冻结深度较深，为冻胀提供了温度条件。

4)土质。冻结深度范围内地层岩性以黏性土、粉土为主，为冻胀提供了土质条件。

2.2 严寒地区路基结构优化原则

根据严寒地区环境影响因素及路基冻害原因分析，提出了严寒地区铁路路基的防冻胀结构设计应遵循的基本原则[5]：①设计时需综合考虑线路等级、轨道类型；②以填料防冻胀为主、防水隔热为辅的综合措施；③防冻胀基床结构设计应保证冻胀量的控制要求，同时为避免局部不均匀冻胀的危害，应严格控制基床表层冻胀和填料质量;④严寒地区，冻害预防是路基设计要点，主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床结构、设置隔水层及防冻胀护道、加强地表水及地下水的排除等措施。

2.3 严寒地区路基使用性设计优化

2.3.1 环境适应性

在地下水水位较高的低路堤地段，填料基床难以有效控制路基冻胀时，采用混凝土基床对控制冻胀变形效果明显。

应限制路堤最小高度。路堤高度原则上大于冻结深度+0.5 m，常年积水地段路基面位于常水位以上不小于冻结深度+0.5 m。

在冻结深度较浅的地区采用保温措施可以直接消除路基本体冻结，而在冻结深度较深的地区采用保温措施可以大幅降低路基本体冻结深度。保温措施在季节性冻土区防治路基冻胀方面发挥了良好的作用。

2.3.2 防排水

路基本体采用粗颗粒填料填筑并控制细颗粒含量是季节性冻土区最主要的路基防冻胀技术，可广泛应用于季节性冻土区路基结构设计。粗颗粒填料在满足路基压实条件的前提下，同时能够保持较高的渗透性与较低的含水率，有效降低了路基冻胀的可能性。

在地表降雨丰富的季节性冻土区，可以采用表面封堵的路基结构形式。利用隔水性材料形成路基表面封闭层，防止地表水下渗，并加强地表水的排出，以达到路基本体中不积水的效果，进而防止路基冻胀。

2.4 哈齐高速铁路路基结构设计

在路基防冻胀设计中主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床结构、设置隔水层及防冻胀护道、加强地表水及地下水排除等措施[6]。

1)基床设计。限制路堤最小高度，路堤高度原则上大于冻结深度+0.5 m，常年积水地段路基面位于常水位以上不小于冻结深度+0.5 m。

2)防冻胀填料设计。基床表层填筑级配碎石，基床底层填筑A,B组填料。冻结深度+0.25 m范围内满足细颗粒含量(颗粒粒径≤0.075 mm)<5%、压实后<7%，压实后渗透系数不小于5×10-5m/s。粒径<0.5 mm 的细颗粒的液限不大于25%，塑性指数<6。

3)混凝土基床设计。对于路基面以下冻结深度范围内无自然排水条件的地段均设置了混凝土基床，设计厚度为最大冻结深度+0.25 m。

4)保温护道设计、路基面防排水设计。在填料路基坡脚两侧设置保温护道，护道宽度不小于2.5 m，护道顶面位于基床表层底面，护道内设置0.3 m厚渗水土排水层。

2.5 哈齐高速铁路路基防冻胀效果

对哈齐高速铁路混凝土基床及无砟轨道填料基床3个年度冬季的冻胀量进行统计，结果见表1。可知：全线混凝土基床段冻胀量≤4 mm的比例逐年提高，且均达到90%以上，随底座板、轨道板等铺设完成，2014年冬季混凝土基床段监测点冻胀量均≤4 mm，混凝土基床路基达到了良好的防冻胀效果。

表1 哈齐高速铁路路基基床冻胀量百分比 %

3 干旱地区路基结构设计优化

3.1 干旱地区路基病害原因

1)水分易蒸发。气体干燥，填料缺乏细颗粒组分的凝聚保水作用，水分极易蒸发。

2)黏聚力小。填料缺乏黏聚力，压实困难。黏性颗粒含量少，渗透系数大，降低坡面土体的稳定性。

3)抗风蚀能力差。该类无黏性的填料，多为分散颗粒，抵抗风的侵蚀能力也比较差。

3.2 干旱地区路基结构优化原则

①路基工程应按土工结构物进行设计。其地基处理、路基填筑、边坡支挡防护、排水设施等必须具有足够的强度、稳定性和耐久性，使之能够抵抗各种自然因素的影响[7]。②路基应保障列车高速行使的安全性、舒适性。③路基工程设计应避免高填、深挖和长路堑，并尽量避免不良地质条件的地段。④路基填料应作为工程材料进行勘察设计。⑤路基与桥台、路基与横向结构物、隧道与路基、有砟轨道与无砟轨道等连接处设置过渡段，实现刚度及变形沿线路纵向的均匀变化。⑥路基支挡工程根据岩土工程地质条件，其设计应考虑支挡结构受到的列车动力影响以及大气降水、地下水等自然因素对其长期稳定性的影响。⑦路基工后沉降值应控制在允许范围内。⑧路基工程设计应重视环境保护、水土保持、文物保护。⑨路基工程应有完整、系统、通畅的排水设施，并与桥、涵、站场排水和农田水利灌溉系统衔接。⑩路基工程设计应积极采用新材料、新结构、新工艺，提高路基工程质量。

3.3 干旱地区路基使用性设计优化

3.3.1 沉降变形

①路堤地段。基床底层采用水泥改良土(水泥掺量为干燥黄土质量的5%～7%)。高度小于路基基床厚度的路堤地段，地表以下应换填水泥改良土,换填厚度为水泥改良土底面距路基面高度且不小于路基基床厚度。②路堑地段。在土质路堑基床底层换填水泥改良土(水泥的掺量为干燥黄土质量的5%～7%)。

3.3.2 防排水

干旱地区分布有大面积的湿陷性黄土，A,B组填料缺乏，路基填筑采用湿陷性黄土时，因其特殊的工程力学性质，难以满足高速铁路对路基基床填料的要求，必须对其进行改良。

通过改良土试验，水泥掺量为5%～7%的改良黄土可以满足行车速度350 km/h的高速列车基床底层填料的技术要求。水泥掺量为3%～5%的改良黄土可以满足行车速度350 km/h的高速列车基床底层以下填料的技术要求。

3.3.3 环境适应性

路基边坡高度<3 m时，边坡坡面采用混凝土空心砖防护；边坡高度≥3 m时，边坡坡面采用骨架护坡，骨架内铺设混凝土空心砖。这种防护措施在干旱戈壁区是可行的。受干旱气候条件的影响，路基边坡难以建成植物绿色防护工程。

新疆戈壁区空心砖内培土宜采用水泥戈壁土，夯拍密实后，其抗风蚀及抗雨水冲刷的效果较好。百里风区及三十里风区中风力特别强劲地段，大风携带的砂砾击打路基边坡，易造成水泥土的风蚀破坏，路堤3 m 以下坡面采用混凝土或浆砌片石全坡面防护较为适宜。

3.4 黄土地区路基基床结构设计优化

根据黄土地区已建成的高速铁路如郑西客运专线、西宝客运专线，以及在建的宝兰客运专线的建设实际情况，线路大部分分布为湿陷性黄土，A组或B组填料缺乏，基床底层采用了水泥改良黄土的方法进行填筑。结合试验研究，提出以下黄土区路基基床结构设计优化方法：

1)水泥掺量5%～7%的改良黄土可以满足高速列车基床底层填料的技术要求。

2)路堤地段基床底层采用水泥改良土(水泥的掺量为干燥黄土质量的5%～7%)，厚度采用2.3 m。但高度<2.2 m的路堤地段，地表以下应换填水泥改良土,换填厚度为水泥改良土底面距路基面高度且不小于2.2 m。路堑地段，在土质路堑基床底层换填不小于1.8 m厚的水泥改良土(水泥的掺量为干燥黄土质量的5%～7%)。

3)水泥土现场施工最佳含水率为13.4%。

4)松铺厚度为30 cm；松铺系数为1.2。

5)压路机施工组合：18 t压路机静压1遍，22 t压路机强振压3遍，22 t压路机微振压3遍，18 t压路机静压2遍。

6)基床底层顶面及底面由路基中心向两侧设置4%的横向排水坡。

3.5 戈壁区(含盐渍土)的路基基床设计优化

已建成的高速铁路兰新第二双线线路大部分地段通过戈壁区，部分地段有盐渍土，路基基床底层采用了A组或B组填料。结合试验研究，提出戈壁区路基基床结构设计优化方法：

1)当填料中细颗粒含量小于总质量的10%，粗粒含量在60%左右时填料的压实性能较好。

2)填料含水率控制指标。试验段工程所采用的填料主要为砂类土和圆砾土。当细粒含量<5%时含水率对压实效果影响微弱，一般情况下含水率从全干到全湿都可以得到良好的压实效果；如果细颗粒含量在5%～10%，含水率对压实效果有一定影响，含水率控制在低于最优含水率2%～3%时为宜。

3)分层压实厚度，对于圆砾土，基床以下为40 cm，基床底层为35 cm；对于砾砂土，基床以下为35 cm，基床底层为30 cm。

4)采用静压1遍+弱振1遍+强振(直到检验合格)+静压1遍的碾压组合方式效果较好。当填料中细颗粒含量<5%时，应减少强振次数，增加静压遍数。

5)对碾压机械在碾压过程中的碾压速度应进行控制，碾压速度越低，压实效果越好。反之，速度越高，压实效果就差。在考虑碾压机械的性能、安全性、经济型等各种因素的基础上，实际填筑时碾压速度控制在2～4 km/h为宜。

6)干旱戈壁区高速铁路路基基床厚度采用规范规定值，填料基床表层应采用级配碎石填筑，基床底层厚度2.3 m采用A或B组填料填筑。从填料利用率及控制标准角度分析，建议在基床以下路堤填料的粒径不宜大于100 mm，基床底层不宜大于80 mm。

7)泥岩路堑地段，考虑泥岩遇水易软化，为阻止地表水的下渗，在基床表层地面设置了防渗复合土工膜，基床底层A组或B组填料掺加5%水泥进行改良。但对于泥岩路堑内存在地下水的地段，基床底层宜填筑A组或B组渗水土。

8)高速铁路路基基床范围不得采用盐渍土作填料。

9)基床底层顶面及底面由路基中心向两侧设置4%的横向排水坡。

4 多雨地区路基结构设计优化

4.1 多雨地区路基病害原因

由土工材料构筑而成的路基基床结构在循环动荷载与雨水反复浸润作用下的强度减弱，变形加大，稳定性差。雨水浸润基床填料，减弱填料黏聚力和摩擦系数。高承压水作用下路基稳定性差。

4.2 多雨地区路基结构优化原则

基床的设计必须满足结构强度、循环变形、长期稳定性3个方面的控制要求。基于现有的挖方路基“路堤式路堑结构”，需要对土质路基(一般黏性土、红黏土、全风化岩等)提出要求。

4.3 多雨地区路基结构使用性设计优化

4.3.1 动力性能

顺坡渗流作用下土质边坡浅层失稳破坏模式如图4所示，滑体由中段主滑区产生的剩余下滑力对上下缘产生张拉挤压作用而形成上缘张拉区和下缘挤压区。因此，将由三段滑动区域组成的浅层失稳破坏模式称为“顺坡曲线”破坏模式。

图4 边坡浅层“顺坡曲线”破坏模式

除中段主滑区取长度为L2的土条外，滑体上下缘滑体均取微分土条。

4.3.2 防排水

通过既有高速铁路水塘(浸水)路堤的病害调查与分析，结合理论分析，提出浸水路堤设置双层反滤层等的结构优化措施(见图5)，创新了高水头作用下的路堑式浸水路基结构的设计。

图5 防止冒浆的基床结构示意

5 山区路基结构优化

5.1 山区路基病害原因

山区高速铁路桥隧工程过渡频繁，桥隧之间短路基处数占全部路基工程处数的80%左右。频繁的短路基不仅给施工带来了麻烦，若施作不好则是铁路的薄弱环节。西南山区下边坡支挡工程较多，为了有效控制高速铁路路基工后沉降，高速铁路山区陡坡路基下边坡支挡工程的动力特征研究对于优化支挡结构物设计极为重要。山区软质岩路基和陡坡路基比较多，软质岩填料的性能和陡坡路基的长期稳定性均是影响路基长期服役性能的关键因素。

5.2 山区路基结构优化原则

1)结构强度。应具有足够的结构强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏。

2)支承刚度。应具有足够的抗变形能力，在列车动荷载的反复作用下，塑性累积变形较小，不形成过大的不均匀下沉而造成轨面的不平顺，增加养护维修的困难。在列车高速行驶时，基床的弹性变形应能满足行车安全性和舒适性要求，同时能保证道床的稳固性。

3)长期稳定性。基床结构应该在足够结构强度及支承刚度的基础上，具有良好的长期稳定性(耐久性)，以保证列车长期运行或在基床结构规定的使用年限内满足行车安全性及舒适性，而不产生无法维修的破坏或是过大的变形。在运营期限内基床结构即使产生一些劣化，经快速维修后基床结构应能够正常使用。

5.3 山区路基结构设计优化

5.3.1 使用性

1)动力性能

针对客车转向架中心距及前后车辆相邻两轮轴距远大于转向架固定轴距，路基承受车辆传递的动力作用主要受到间距最小的转向架双轴荷载影响的技术特点，提出了客车车辆轴间距为 2 400 mm的双轴荷载模式。与单轴荷载相比，双轴荷载对路基应力具有叠加作用，主要影响区域为路基面以下1.5～3.0 m内，最大差值约为2.8 kPa，相对差值达20%～40%，且随深度的增加而增大。

路基结构特别是受列车动力影响的路基上部，必须作为工程结构进行设计。基床结构设计应当满足结构强度、长期稳定性、支承刚度3方面的控制条件及防排水、抗冻等功能要求。据此提出了基于结构强度、支承刚度、长期稳定性3要素控制的山区高速铁路路基基床设计方法。

基于3要素控制的山区高速铁路路基基床设计方法，提出与路堑基床土性质相适应的高速铁路基床换填厚度技术指标。基本承载力不低于180 kPa的软质岩基床土条件下，高速铁路无砟轨道则在0.4 m厚的级配碎石基床表层换填基础上，考虑可能雨水下渗和软质岩浸水软化特性，取软化系数为0.95，基本承载力180～330 kPa的基床换填0.3～2.3 m厚度基床底层A，B组填料。有砟轨道则选取不同软化系数考虑软质岩浸水软化影响，换填厚度随地基承载力的增大而逐渐减小。在软化系数取0.65条件下，基本承载力180～330 kPa的换填0.3～1.3 m厚度(含表层)的A,B组填料。

2)沉降变形

通过不同路基支承刚度条件下的轮轨动作用力、钢轨挠度、钢轨挠度变化率的动力学数值模拟可知，在与桥台或隧道连接处，路基面支承刚度的经济合理值应为500～1 000 MPa/m。一般情况下，由级配碎石及A,B组填料构成的路基基床刚度为100～200 MPa/m。过渡段路基可通过掺水泥等方式增加其支承刚度，实现平稳过渡。

针对西南山区地形起伏大、桥隧间短路基过渡频繁的地理特征，以及大型机械设备运输困难、填料碾压不便的特点，应将西南山区广泛存在的短路基按长度进行分类，并从构筑材料上进行单独的优化设计，建立一套具有山区特色的短路基优化处治方案。

5.3.2 安全性

1)稳定性

对陡坡路基结构物进行数值模拟，分析陡坡路基稳定性的影响因素，优化不同环境条件下的陡坡路基结构设计。数值模拟为技术手段，以土体变形时间效应状态为理论基础，从填料选择及工程措施角度提出与线路等级及地基坡度相适应的路基处置优化方案，结论如下：①土中应力水平是影响路基长期变形状态的核心因素，以土体变形时间效应微弱、明显、显著作为高速铁路无砟轨道、有砟轨道及普速铁路路基优化设计目标，通过数值分析所获得的土中应力状态，建立了路基长期变形状态评价方法，并针对线路等级及地基坡度提出相应的优化方案。②提出与路基填料及长期变形状态控制目标相适应的高速铁路陡坡地基条件。路基填料为A,B组时，对于控制目标为变形时间效应微弱的无砟轨道路基，当地基坡度陡于1∶5时需控制路堤高度；而对于控制目标为变形时间效应明显的有砟轨道路基，当地基坡度达到1∶2.5时需进行整体检算或采取增加稳定性的措施。

2)承载能力

悬臂式挡墙的长期变形状态控制的核心在于地基土的应力水平。基于土体变形时间效应控制方法，以变形时间效应微弱、明显及显著分别作为高速铁路无砟轨道、有砟轨道及普速铁路的控制目标，建立与线路等级及支挡形式相适应的挡墙优化设计方法，得到相应优化设计指标，建议值见表2。