新型有轨电车路基设计标准研究与实践*

2019-08-21柳宪东

城市轨道交通研究 2019年8期

关键词：工后设计标准基床

柳宪东

(广州地铁设计研究院股份有限公司， 510220，广州//高级工程师)

当前，发展具有一定运量、投资少、周期短、能耗低并且绿色环保的公共交通方式——新型有轨电车，成为解决城市交通拥堵问题的合理方式，该系统在国外已有广泛应用，在国内也迅速发展[1]。

新型有轨电车与同属于城市轨道交通范畴的地铁和轻轨有较多相似之处，但又具有明显的自身特点。新型有轨电车与地铁的技术特征比较如表1所示。

表1 有轨电车与地铁综合指标比较

对于有轨电车工程的路基形式与设计标准，虽然国内各实施单位已开展了相关方面的研究和设计，但设计理念各异，未形成国家、行业统一标准。为此，通过对国内主要在建或规划有轨电车线路的路基结构形式与设计标准进行调研，结合广州海珠环线开展的专项科研及应用情况，提出了优化的路基形式与设计标准，并对关键技术问题予以分析和论述，供同类型工程借鉴参考。

1 国内有轨电车路基结构及工后沉降标准

对北京、上海、武汉等国内十余个地区的有轨电车路基设计标准进行了调研，范围覆盖了我国东北、华北、华中、华南等区域，地质条件覆盖了软土、硬土等区域。调研得出路基设计主要集中在荷载及路基结构形式。荷载可以通过模拟计算确定，下面主要统计分析路基结构形式。

1.1 路基结构形式

图1统计了国内主要城市有轨电车路基的调研数据。路基主要采用支撑层+基床表层+基床底层的分层土工结构形式。其中支撑层主要采用100～400 mm素混凝土或钢筋混凝土材料，基床表层多采用400 mm级配碎石或水稳碎石，基床底层多采用400～800 mm厚A、B组填料或改良土构成，总路基厚度1.1～1.4 m。基床下软基主要处理方式为搅拌桩或换填加固。

a) 支撑层材料形式b) 基床结构形式c) 路基总厚度

图1 各地有轨电车基床形式及分层厚度

1.2 工后沉降控制标准

路基沉降主要基于无砟轨道标准，其中有55%绝对沉降值按50 mm控制，70%以上不均匀沉降值按20 mm控制。路桥过渡段与桥梁间折角按1/1 000控制,如图2所示。

a) 绝对沉降b) 不均匀沉降c) 过渡段与桥梁间的折角

图2 有轨电车工后沉降设计标准

1.3 地基处理统计分析

按照20～30 mm工后沉降进行地基处理，加固深度多穿透软土层。

2 有轨电车路基设计原理与优化分析

有轨电车路基的结构型式、填料选择、工后沉降标准决定了工程造价及工后运营的安全性和舒适性，是有轨电车路基工程设计需考虑的重要问题。有轨电车线路均采用无砟轨道，因此，主要讨论无砟轨道的路基设计标准。

2.1 等效荷载

为了简化计算，同时提高可操作性，通常将道床质量、列车荷载及其他荷载换算成有一定高度的、与路基土有相同密度的作用于路基面上的假想土柱。土柱高度计算公式为：

式中：

h——土柱高度；

P—轨道荷载，需考虑钢轨荷载、扣件及螺栓、道床板、路面铺装或绿化层荷载，综合叠加;

Q——列车荷载，根据列车轴重、转向架距离、车轮布置进行换算;

γ——土柱重度，自定义，可取20 kN/m3;

l0——土柱分布宽度，取道床底面宽度，应区分整体道床与碎石道床。

按上述参数计算可知，土柱高度为2.1 m，分布宽度为2.4 m(整体道床)。

2.2 沉降控制标准

2.2.1 不均匀沉降控制标准

为保障行车安全，如发生工后不均匀沉降，通过调整轨道扣件高度形成的线路竖曲线应满足安全行车要求，即通过扣件调整后，竖向过度曲线半径应满足：

v≥0.4R2

有轨电车目前设计的最高速度ν=70 km/h，调整后竖曲线半径R只要大于1 960 m，满足扣件允许调高量的限制即可。轨道扣件调高量最高为30 mm，因此允许的工后不均匀沉降值建议控制在30 mm以内。

2.2.2 绝对沉降控制标准

在满足不均匀沉降要求的基础上，额外累加的绝对沉降并不直接影响列车的运营安全。但考虑到有轨电车作为地面线路，与周边道路、绿化、人行区域临近，如发生过大工后沉降，一方面会导致在雨天线路容易发生积水，影响行车安全；另一方面会导致景观不协调，因此线路设计时，通常会高出地面10～15 cm。建议绝对沉降控制标准在50～100 mm，放宽绝对沉降控制标准，将对投资成本带来直接的优化空间。

2.3 基床形式的确定

有轨电车路基形式一般采用支撑层+基床表层+基床底层的分层土工结构形式。目前国内大多数有轨电车多采用现浇整体道床，路基层上方需要设置素混凝土底膜层，为提高路基刚度的连续性，建议设置支撑层。支撑层建议采用100～200 mm厚混凝土材料，特殊地段如地基刚度变化大、跨越管线、跨越其他地下建构(筑)物等情况可根据需要局部配置钢筋,形成钢筋混凝土结构,提高整体刚度。

2.4 基床总厚度的确定

列车的动应力沿深度逐渐衰减，一般将动应力影响较大的部分定义为基床层。根据压实土的动态三轴试验表明，当动、静应力比值在0.2以下时，加载10万次的塑性累计变形在0.2%以下，而且很快能达到稳定。

动应力沿路基深度的分布，可采用Boussinesq理论计算，即在长方形均布荷载作用下，荷载中心下深度z处的垂直应力为：

式中：

P0——等效荷载强度;

m=a/b,n=z/b,其中a、b——等效荷载分布1/2的长度、宽度。

根据计算，当基床总厚度达到1.3 m时，可满足动应力衰减至自重应力20%的条件，如图3所示。同时考虑200 mm厚素垫层，剩余部分基床总厚度按1.1 m控制。

图3 基床动静应力曲线图

2.5 基床设计标准的确定

对于基床各层厚度的确定主要考虑基床变形控制和基床强度控制。基床变形控制，目的是保证列车运行平顺，基床表层产生的应变不会导致表面铺装开裂或塑性变形过大，降低基床表层寿命，以列车荷载作用下路基顶面变形量≥4 mm标准控制；基床强度控制，列车荷载通过基床表层传递给基床底层填土产生的动应力须小于其允许动强度。计算简图如图4所示。

注:E1、E2分别为基床表层、底层变形(弹性)模量

2.5.1 变形复核

对于由分层结构组成的弹性地基，采用Boussinesq理论，中心点的沉降W0可用下式计算：

式中n1=h/b,q=E1/E2，μ为泊松比,其中h为基床表层厚度。

基床表层填料的组成参照铁路路基规范路堑基床设计标准及部分研究成果选取基床表层、基床底层填料属性及相应参数，部分设计参数及材料如表2所示。

表2 路基各层材料及参数表[2-4]

根据试算，当路基表层厚度在400 mm时，路基层压缩值约为3.7 mm，满足设定条件要求。

2.5.2 动应力复核

结合法国铁路实测试验结果，压实度K为0.85时，路基面下200～400 mm左右，动强度与动应力曲线相交，即表层厚度400 mm时，已满足动应力衰减要求，如图5所示。

图5 基床动荷载与动强度关系图

综上，建议基床表层厚度≥400 mm，基床底层可取700 mm。

2.6 地基处理标准

基床下软基可视情况进行换填或其他加固等地基处理措施形成复合地基。

地基处理主要目的有两方面，一方面为控制总工后沉降，另一方面满足下卧层强度承载要求。目前常见的地基处理方法主要包括换填法和复合地基法。应结合不同地段条件，选择合理的处理措施，同时结合有轨电车荷载的特点、沉降控制标准综合考虑，并充分发挥天然地基的共享，突出有轨电车的经济性特点，如表3所示。

表3 不同条件下的地基处理

对于表3提到的第三种条件下的软基处理方案合理选择是控制投资的关键，特别是沉降控制标准，绝对沉降按5～10 cm控制。而加固深度，建议充分考虑地基土自身刚度、强度(特别是软土区域的随深度修正)，做到加固强度与经济性的平衡。

采用有限元软件Midas模拟相同软土深度情况下，对不同地基处理深度的加固效果进行试算。输入条件如下：上层软土厚度15 m，下层硬土厚度5 m，材料参数如表4所示，车辆荷载采用4节编组列车，列车最大轴重为12.5 t。建立地层-结构有限元模型,模拟分析路基在列车荷载作用下的沉降变化。其中，原状地层及加固地层采用摩尔库伦本构进行刚度置换(按道床下方设置3根φ600 mm、纵向间距1.2 m加固体考虑，置换率约为30%)，钢轨及轨枕采用弹性本构。

表4 岩土参数表

整体计算模型尺寸(长×宽×高)为60 m×30 m×20 m。

在列车荷载作用下，加固深度分别为6 m、9 m、12 m情况下,路基中心最大沉降值分别为13.7 mm、10.1 mm、6.6 mm，如图6所示，累加路基层压缩沉降3.7 mm后，工后沉降分别为17.4 mm、13.8 mm、10.3 mm，均小于工后沉降绝对控制值50 mm，同时也满足差异沉降值20 mm/20 m。

图6 模拟计算线路中心竖向沉降值

3 工程实践

3.1 广州海珠环岛新型有轨电车项目概况

广州海珠环岛新型有轨电车试验段工程线路全长约7.7 km，其中路基段长度约7 km，采用全地面敷设。

沿线地势平坦，软土发育充分，主要地层由上至下主要为<1>人工填土、<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥质土、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-3>中粗砂、<6>全风化砂岩、<7>强风化砂岩、<8>中风化砂岩。其中软土地层最大埋深约15 m。地层参数如表5所示。

表5 地层参数值

3.2 设计标准

路基工程设计标准须满足路基强度、刚度等承载要求。

1) 无砟轨道线路路基工后不均匀沉降不应超过20 mm，沉降比较均匀时允许的工后沉降为50 mm。

2) 路基基床表层厚度≥0.4 m，底层厚度应≥0.7 m。

3) 基床表层填料应优先选用A、B组填料，基床底层填料优选用A、B、C组填料，也可结合场地条件采用改良土。

4) 软土及其他类型厚层松软地基上的路基应进行路基稳定性、沉降检算。当稳定安全系数、工后沉降不符合规定时，应进行地基处理。采取不同加固措施地段应采取一定的过渡措施。

3.3 路基断面设计与地基处理方式

依据沿线地层、周边环境条件的不同，路基形式及加固方式灵活采用了素垫层结合换填、翻挖回填+水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等不同方式，具体处理方式如图7所示。

图7a)方案，主要用于越江路段(5.3 km)，软土厚度(含淤泥质粉细砂层)0.4～15.0 m不等。设计采用方案为：素垫层(0.2 m)+换填水稳砂路基层(1.1 m)+换填水稳砂地基表层(0.4 m)+基底碾压(考虑2 m处理深度)，开挖总深度2.23 m，轨道下方总处理深度3.5 m。

图7b)方案，主要用于规划路段(0.3 km)。软土厚度(含淤泥质粉细砂层)5～11 m不等，设计方案为：素垫层(0.2 m)+翻挖回填改良层(0.4 m)+搅拌桩复合地基处理(含基床底层)，开挖总深度2.23 m，轨道下方总处理深度3.6～10.6 m。

第3种方案，主要用于新港路地铁8号线正上方(1.4 km)，采用全深度杂填土回填层6～10 m不等，设计方案为：素垫层(0.2 m)+旋喷桩复合地基处理(5～9 m处理深度)，开挖总深度2.23 m，轨道下方总处理深度5.2～9.2 m。

3.4 实际运营效果

广州海珠环岛试验段有轨电车自2014年底开通以来，已安全运营近4年。图8、图9为沿线布置位移监测点最新测量数据，直接反映了各段路基的工后沉降情况。

图8 换填段路基工后沉降监测示意图

图9 搅拌桩、旋喷桩段路基工后沉降监测示意图

可以看出，换填段路基基床主要采用水稳砂层，对深厚软土主要采用表层换填结合地层重型碾压，工后沉降平均值6～7 mm，最大值12 mm，大部分监测点沉降值小于10 mm。搅拌桩、旋喷桩段基床表层采用了改良土或复合地基层，软土层加固采用了复合地基，工后沉降平均值控制在4～5 mm，最大值7 mm，大部分监测点沉降值小于6 mm。各类加固措施均能有效控制路基工后沉降值在50 mm范围内(甚至未超过20 mm)，研究成果得到了成功的验证。

海珠环岛试验段有轨电车路基工程采用以上设计标准，路基工程平均造价约700万元/km，低于同期其他城市甚至地质较好地区的有轨电车路基工程造价。