时速400 km高速铁路路基-地基工后沉降变形映射关系及控制标准

李泰灃

中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

根据我国高速铁路多年的建设和运营经验，路基的稳定性对于高速铁路项目的成败至关重要，尤其是路基的沉降问题。若处理不当，将会给工程质量带来潜在风险，导致铁路在运营期间出现区域性沉降、桥头跳车等现象；轻则影响正常使用，重则可能引发事故。因此，对高速铁路路基变形的预测和控制的研究已成为铁路建设过程中一个至关重要的技术领域。

随着列车运行速度不断提高，轨道表面不平顺加剧会导致更大的动力效应，这些效应会向上传递到车辆系统，同时向下传递至线路基础设施。作为轨道结构基础的路基基床也会因此产生相应的动力效应放大现象［1-2］。

在高速铁路的路基性能控制中，路基工后沉降和不均匀沉降是两个较为关键的问题。无砟轨道路基工后沉降必须满足线路平顺性、结构稳定性和扣件调整能力的要求。而路基的不均匀沉降则会直接影响无砟轨道的几何形态和支承状态。当列车以高速通过时，路基动力性能会受到影响，严重时甚至可能危及行车安全。这使得对路基沉降变形控制成为制约无砟轨道线路平顺性的一个至关重要的问题［3-5］。

在更高行车速度条件下高速铁路超高时变率和竖向离心力等关键参数不同，最小竖曲线半径也会相应变化。因此，需要结合更高速度高速铁路线路平顺性标准和扣件调整能力对路基变形的要求，分析路基变形对不同速度、线形线路的平顺性影响规律。本文针对400 km/h 条件下路基-地基工后沉降变形映射关系及控制标准开展系统性研究。

1 路基工后沉降变形控制标准

路基的工后沉降通常由三个部分组成：施工期残余沉降、二期荷载作用下产生的沉降、列车动载引起的动变形［6-8］。在工后沉降变形的控制中，重点是控制前两个方面的沉降。

各国为了确保铁路线路的安全运营，都制定了符合本国国情的路基工后沉降变形控制标准。在高速铁路无砟轨道的建设中，建议采用“零工后沉降”的建设理念，这也是国外高速铁路建设经验的总结。

根据国外高速铁路无砟轨道铺设的相关经验，路基在完成填筑后需要经过一年以上的时间，才能完成全部沉降的50%以上。为了确保路基在建设期间的沉降稳定，并保证开通运营后的工后沉降满足相关要求和标准，从而确保高速行车的安全性和乘车舒适性，需要对完成填筑后的路基主体工程进行静置或施加预压荷载1年以上，等到沉降充分完成后，才可以进行后续无砟轨道的铺设工作。

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［9］中规定：无砟轨道路基工后沉降必须符合线路平顺性、结构稳定性和扣件调整能力的要求。工后沉降的限值不应超过15 mm，而由不均匀沉降引起的折角不应大于1/1 000。对于无砟轨道，沉降应较为均匀，且调整轨面高程后竖曲线半径大于等于0.4v2（v为线路的设计时速）时，工后沉降变形的控制限值为30 mm。以上规定旨在确保高速铁路的设计和建设符合安全性和稳定性要求，以确保乘车舒适性和可靠性。

针对时速400 km（更高速度）高速铁路运营条件，提出合理有效的路基工后沉降变形控制标准，对于我国高速铁路的安全运维具有重要意义。

2 地基面沉降变形波长对路基工后沉降的影响

影响路基结构不均匀沉降的因素主要有地基面沉降变形波长（L）和变形幅值（Smax）。因此，通过改变这两种主要影响因素，分析可得地基面沉降变形对路基沉降的影响规律。

为分析沉降变形由地基面向路基面的传递和映射规律，建立了高速铁路路基-地基仿真计算模型，见图1。模型尺寸为：路基本体底部宽40.56 m，顶部宽23.06 m，高5 m。基床底层底部宽23.06 m，上部宽15.1 m，高2.3 m。基床表层底部宽15.1 m，顶部宽13.61 m，高0.4 m。支撑层高0.3 m，宽3.1 m，轨道板高0.2 m，宽2.5 m。模型主要计算参数见表1。

表1 模型主要计算参数

图1 路基-地基有限元计算模型

假设地基面沉降变形呈余弦式分布，且沉降幅值固定为15 mm，通过改变地基面沉降变形波长，分析地基面沉降变形波长对路基沉降变形的影响规律。地基面沉降变形波长分别为3、4、5、7.5、10、15、30、40、50、60、70、80 m，共设置12 组不同波长的仿真计算工况。路基面和钢轨最大变形量随地基面沉降变形波长的变化情况见图2。

图2 路基面和钢轨沉降随地基面沉降变形波长变化情况

由图2可知：

1）当波长较小时（小于7.5 m），钢轨与路基面最大沉降量几乎相等，且沉降量很小。说明此时地基面沉降传递至路基表面的比例较小，基床及路基表面受地基面沉降变形影响较小。

2）当地基面沉降变形波长处于10 ～ 15 m 时，路基面和钢轨最大变形量有了一定差异并发生了不协调变形，此时地基面沉降对路基结构变形的影响开始趋于显著。

3）当地基面沉降变形波长继续增至30、50 m 时，钢轨与路基面最大沉降量几乎相等，即路基和钢轨发生了几乎相同的沉降，不协调变形逐步消失。

4）当地基面沉降变形波长大于50 m 之后，钢轨与路基结构继续保持协调变形状态。

地基面沉降变形扩散到路基面的波长映射情况见图3。可知：影响轨道结构服役状态的地基面沉降变形敏感波长为10 ～ 15 m（对应的路基沉降波长23 ～ 28 m）时，轨道-路基结构之间的不协调变形较为明显。

图3 路基-地基沉降变形波长映射关系

地基面沉降变形波长5 m 时路基纵断面沉降见图4。路基面最小沉降阈值取0.1 mm。可知：当地基面沉降变形波长较小时，沉降量向路基结构扩散比例较低。除路基本体之外，其他结构层变形量不大。

图4 地基面沉降变形波长5 m时路基纵断面沉降

地基面沉降变形波长15 m 时路基纵断面沉降见图5。可知：当地基面变形波长为15 m时，其变形波长扩散到路基面约为28 m。在这种情况下，由于地基面的沉降作用，导致路基结构发生较大的沉降变形，路基面的最大沉降量为5.14 mm，此时钢轨的最大变形量为4.20 mm，导致轨道-路基结构之间的变形不协调现象较为显著。

图5 地基面沉降变形波长15 m时路基纵断面沉降

地基面沉降变形波长30 m 时路基纵断面沉降见图6。可知：当地基面沉降变形波长30 m 时扩散到路基面的变形波长为36.12 m。此时由于变形波长较长，轨道-路基结构之间不协调变形趋于缓和。

图6 地基面沉降变形波长30 m时路基纵断面沉降

3 地基面沉降幅值对路基工后沉降的影响

将地基面沉降变形波长固定为10 m，分析不同地基面沉降幅值影响下，路基结构沉降变形的影响规律。地基面沉降变形幅值按照15、30、50、75、100、125、150、200 mm递增取值。

各结构层沉降量随地基面沉降变形幅值的变化见图7。可知：随着地基面沉降幅值的提升，路基面最大沉降量与钢轨最大变形量均有一定提升。地基面沉降变形波长固定的条件下，路基沉降量与地基面沉降幅值存在一定线性关系，钢轨最大变形量较路基沉降明显减小。

图7 各结构层沉降量随地基面沉降变形幅值变化情况

地基面沉降幅值100 mm 时路基纵断面沉降见图8。可知，大部分沉降集中在路基本体范围内，且随着沉降向路基结构扩散，沉降变形波长有一定程度增加。

图8 地基面沉降幅值100 mm时路基纵断面沉降

不同幅值条件下地基面变形与路基面变形映射关系见表2。可知：当地基面沉降幅值为100 mm，扩散到路基面的沉降波长为23.40 m，路基面最大沉降量为8.02 mm，钢轨变形量为4.55 mm，轨道-路基面变形差为3.47 mm。此时，虽然轨道-路基结构之间存在较为明显的不协调变形，但由于地基面沉降幅值相对较低，且沉降变形主要发生在路基本体，而向轨道-路基结构传递的沉降比例较小。因此，为了保证线下基础设施满足更高行车速度条件下线路平顺性，需要增强地基处理程度，进而降低轨道、路基变形量。

表2 不同幅值条件下地基面变形与路基面变形映射关系

路基沉降变形波长随地基面沉降幅值变化情况见图9。可知：在地基面沉降变形波长不变的条件下，随着地基面沉降变形幅值的增大，扩散到路基面的沉降变形波长会逐步减小。地基面沉降变形幅值越大，传递至路基结构的沉降趋于集中。因此，对于路基沉降变形控制，需要综合考虑地基面沉降变形波长和幅值。

图9 路基沉降变形波长随地基面沉降幅值变化情况

路基-地基沉降变形映射关系见图10。横坐标x表示路基纵断面的长度，纵坐标y表示路基的高度。改变地基面沉降幅值Sg，max时，路基沉降波长Le和最大沉降量Se，max都会随之改变，钢轨最大变形量Srail，max也会随之改变。

图10 路基-地基沉降变形映射关系

考虑地基面沉降变形波长和沉降变形幅值，路基沉降计算结果见图11。可知：当路基面沉降限值为15 mm时，地基面沉降变形波长和幅值的控制范围。

图11 路基沉降变化情况

考虑地基面沉降变形波长和沉降变形幅值，路基沉降变形波长的计算结果见图12。可知，根据地基面沉降变形波长和沉降变形幅值，路基面沉降变形波长可分为超限区、过渡区和稳定区。

图12 路基沉降波长随地基面沉降幅值和波长的变化情况

综上，地基处理的效果与变形控制，对于路基面的沉降控制作用明显。在建设过程中要采用合适的地基处理措施，合理控制地基面沉降变形的幅值和波长，尽量保持地基面沉降变形波长小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，这样可有效提升路基面工后沉降的控制效果。

4 车辆-轨道-路基耦合动力学计算分析

为了进一步分析高速列车荷载作用下沉降区段路基结构的动力响应规律，在静力学仿真模型的基础上构建了动车组（轴重14.5 t）在路基沉降波长20 m、沉降幅值15 mm，时速400 km 工况下的车辆-轨道-路基耦合动力学仿真模型见图13。模型参数参见表1，并计算分析了车辆、轨道以及路基结构的动力响应特征，获取了沉降区与非沉降区的路基各部分动力学性能指标，见表3。

表3 轨道-路基结构动力学性能指标

图13 车辆-轨道-路基耦合动力学仿真计算模型

由表3可知：在非沉降区，钢轨振动加速度最大值为200 m/s2；钢轨垂向位移最大值为1.04 mm；轨道板振动加速度最大值为20.82 m/s2，路基基床最大动变形值为0.11 mm；对于下部基础的振动响应，路基基床的加速度最大值为2.95 m/s2。在沉降区，钢轨振动加速度最大值469.60 m/s2；钢轨垂向位移最大值增至1.92 mm，接近其安全限值；轨道板振动加速度最大值为24.72 m/s2；路基基床动变形最大值为0.18 mm；对于下部基础的振动响应，路基基床加速度最大值为8.35 m/s2。

分析可得，沉降区路基结构在路基最大沉降量15 mm、路基沉降变形波长20 m 条件下，路基沉降对钢轨振动加速度、钢轨垂向位移、轨道板振动加速度的影响较为明显，但最大值均未超过TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》［10］中规定的安全限值。同时，沉降区路基结构最大动应力、动变形和加速度均接近安全限值，但也均满足限制要求。

综上所述，TB 10621—2014中现行时速350 km 的路基变形控制标准可适用于时速400 km（更高速度）高速铁路，但对于沉降区段及病害区段应进行系统性评估，保障其服役性能满足行车安全要求。

5 结论

本文基于现场实测数据，分别建立了静、动力学车辆-轨道-路基耦合仿真计算模型，针对动车组在更高速度条件下的地基面沉降变形波长和幅值对路基结构不均匀沉降的影响进行了研究。采用有限元模型动力仿真分析手段，分析了地基面沉降变形波长和幅值对路基工后沉降的影响，揭示了路基-地基工后沉降映射关系，为更高速度高速铁路路基工后沉降变形控制标准的制定提供支撑。主要结论如下：

1）影响轨道结构服役状态的地基面沉降变形的敏感波长范围为10～15 m，对应的路基沉降波长为23 ～ 28 m。该范围内轨道-路基结构之间的不协调变形较为明显。

2）对于更高速度的高速铁路，路基变形控制标准沿用时速350 km 设计规范，原则上是合理的，但需要控制地基面沉降变形幅值和波长，以及路基面波长较短区段的不均匀沉降。路基工程应进行变形观测和评估，尤其对于波长较短的不均匀沉降区段和病害区段，评估通过后方可进行无砟轨道施工。

3）在建设期要提升地基处理效果，控制地基面沉降变形幅值和波长，尽量保持地基面沉降变形波长小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，这样方可有效的控制路基工后沉降变形。

4）在沉降区段，轨道结构各项动力学性能指标均不同程度增长，钢轨垂向位移接近其安全限值；路基各项动力学性能指标增长较大，但均在安全限值内。现有高速铁路路基沉降变形控制标准仍具有一定的适用性。