高速鐵路路基的設計與施工技術研究

李瑞杰

0 引言

高速鐵路是一個具有時代性的社會發展產物,國際上目前公認列車最高行車速度達到200 km/h及其以上的鐵路為高速鐵路。路基是軌道的基礎,而高速鐵路的路基為確保列車高速、安全和平穩運行,必須按照土工結構物進行設計,它的地基處理、路堤填筑、過渡段加強以及基床結構等必須具有足夠的強度、穩定性和耐久性。

1 地基要求

1.1 高速鐵路路基的特點

高速鐵路路基表現為多層次的結構系統,而提供一個高平順、均勻和穩定的軌下基礎即路基,控制其變形是路基設計的關鍵;同時,把路基視為列車和線路整個系統的一個重要組成部分,對作為支承路基的地基更是提出了一個嚴格的要求。

1.2 地基條件

對于高速鐵路路基的地基來說,主要是保證其強度和控制其變形。眾所周知,為使列車高速、安全、舒適地運行,并盡可能減少維修,嚴格控制路基的變形、沉降是很重要的,而控制路堤沉降則主要是控制地基的工后沉降。

2 設計方法

2.1 路基荷載的設計

1)靜荷載的設計。靜荷載是線路上部結構的重量作用在路基面上的應力,而列車荷載和軌道荷載是確定路基本體構造要求的一個重要依據,在設計靜荷載時通常采用換算土柱法。

2)動荷載的設計。動荷載是列車行駛時輪載力通過上部結構傳遞到路基面上的動應力,高速鐵路的路基設計不能簡單地把動荷載作為靜荷載來處理,必須進行動態分析。在列車動荷載的作用下,路基保持長期穩定是列車高速運行的基礎;而要保持路基長期穩定,不產生任何危及正常運行的過度變形,就必須對通過鋼軌、軌枕和道床傳到路基表面的動應力幅值及其頻率以及振動加速度及位移的大小進行分析。目前,通常采取實測與理論分析相結合的方法來分析研究。

2.2 路基橫斷面的設計

2.2.1 路肩寬度的設計

路肩寬度的選擇應同時滿足安設接觸網支柱,安放通信信號設備,埋設必要的線路標志,通行養路機具等要求。路肩寬度的確定主要取決于以下幾個因素:1)路基穩定的需要,特別是侵水后路堤邊坡的穩定性;2)滿足養護維修的需要;3)保證行人的安全,符合安全退避距離的要求;4)為路堤壓密與道床邊坡坍落留有余地。

2.2.2 路基面寬度的設計

對于直線地段的路基,一般單線選用8.8m,雙線選用13.8 m;而對于曲線地段的路基,則根據曲線半徑的大小在直線路基的外側增加相應寬度值0.3 m～0.5 m。

2.3 路基基床的設計

2.3.1 路基基床的特點

高速鐵路的路基基床是路基最重要的關鍵部位,因此它必須有足夠的強度、足夠的剛度、良好的排水性和防凍性能。

2.3.2 路基基床的結構

一般情況下,高速鐵路路基基床是由基床表層和底層組成的兩層結構。特殊地,將基床表層再細分成兩層或多層,每層使用不同的材料或結構,如鋼筋混凝土連續板、混凝土絕熱層和支持層、素混凝土、礦渣混凝土、填土和道碴等。

2.3.3 基床的表層填料

由于路基基床表層是直接承受列車荷載的,因此基床表層使用的材料應具有一定的要求,常用的有級配砂礫石、級配碎石、級配礦物顆粒材料和各種結合材料的穩定土等。

3 施工技術

3.1 路堤的施工技術

3.1.1 填料的要求

高速鐵路路堤填料應該滿足以下要求,以便能減少工后沉降,具有較高的安全儲備以保證路堤的穩定和不致產生病害:

1)在列車和路堤自重荷載作用下能長期保持穩定;2)路堤本體的壓縮沉降必須能很快完成;3)路堤的力學性能不會因受其他因素的影響而發生不利于路堤穩定的變化。

3.1.2 壓實標準的要求

為了保持高速鐵路路基的變形穩定性,有必要提高路堤碾壓的壓實度。例如,當路堤高度小于基床厚度時,軟弱天然地基往往要通過采取換填等措施加固后才能滿足,同時還必須加強排水,避免基床被水浸泡而引起強度的降低。

3.1.3 路堤邊坡的設計

高速鐵路路堤邊坡坡度決定于填土的性質和所處的環境,如地震、洪水等,一般邊坡均在1∶1.5～1∶2.0之間。

3.2 過渡段的施工技術

1)在過渡段較軟的一側,增大路基基床的豎向剛度,減小路基結構的沉降。此方法的主要作用是通過加強路基結構來減小路基與橋臺之間在剛度與沉降方面的差異,進而減小路橋間線路的不平順,常用的處理方法有加筋土路堤法、碎石填料填筑法和過渡搭板法等。2)在過渡段較軟的一側,增大軌道的豎向剛度。該方法主要是通過提高軌道的豎向剛度來減小路橋間軌道剛度的變化率,具體處理方法有:a.通過調整軌枕的長度和間距來提高軌道的剛度;b.通過增大軌排的抗彎模量來增加軌道的剛度;c.通過增加道床厚度來提高軌道的剛度。3)在過渡段較硬一側,通過設置軌下、枕下、碴底橡膠墊塊(板)來減小軌道的豎向剛度。對于橋梁和隧道等剛性結構物上的線路,可通過調整軌下墊板的剛度和設置枕下墊塊(無碴)的方法,使軌道的剛度值與較軟一側軌道的剛度值相適應。如可設置橡膠墊降低軌道的豎向剛度,減小路橋間軌道的剛度差。

4 結語

高速鐵路的出現對傳統鐵路的設計和施工技術提出了新的挑戰,正確掌握路基的荷載、橫斷面和基床的設計方法,運用先進的施工技術,將有助于高速鐵路達到高速、安全和舒適的要求。隨著生活水平的提高,乘坐舒適將是人們出行選擇交通運輸方式的重要條件之一。因此,高速鐵路將以線路平順、穩定,列車運行平穩,振動和擺幅小等而深受人們的青睞,可以預見它的發展空間將十分廣闊。

[1] 錢立新.世界高速鐵路技術[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[2] 楊廣慶.高速鐵路路基設計與施工[M].北京:中國鐵道出版社,2005.