濕陷性黃土地區高速鐵路接觸網基礎預埋設計及應用

劉長利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

濕陷性黃土地區高速鐵路接觸網基礎預埋設計及應用

劉長利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

分析了濕陷性黃土路基地段接觸網土建接口要求及技術難點，針對濕陷性黃土地段路基處理措施及接觸網荷載特性，研發了帶承臺、小樁徑鉆孔灌注樁接觸網基礎。該基礎的抗震及防滲漏水措施、基礎內獨立接地極技術在鄭西客運專線應用效果良好，在我國西部濕陷性黃土地區高速鐵路建設項目中得到進一步推廣應用。

濕陷性黃土 高速鐵路 接觸網基礎 預埋

在濕陷性黃土地區修建高速鐵路，嚴格控制路基沉降是關鍵。通過鄭西客專工程試驗段的路基關鍵技術研究［1-4］，形成了成套地基處理技術:在濕陷性黃土地段，根據濕陷性厚度和土壤含水率采取5%水泥改良土換填、強夯法、水泥土擠密樁及柱錘沖擴樁等措施;在上部為濕陷性黃土、下部為松軟土地段，濕陷性黃土厚度＜6 m時采用強夯+CFG樁組合措施，厚度＞6 m時采用長短樁復合地基措施，其中短樁采用水泥土擠密樁，長樁采用CFG樁;在上部為濕陷性黃土、下部為厚層黏性土地段，采用埋入式連續樁板結構路基。

濕陷性黃土地區的路基沉降控制要求及其處理技術給接觸網基礎設計提出特殊要求。本文分析濕陷性黃土地區的接觸網土建接口要求及技術難點，提出相應的創新設計，并介紹其應用情況。

1 接觸網土建接口要求及技術難點

根據我國高速鐵路建設標準要求，路基上各種預埋設備及基礎應與路基填筑統籌規劃、系統設計、分步實施，保證路基強度、穩定性及防排水性能［5］。

1.1 接觸網基礎設置及樁徑控制

濕陷性黃土地段的各種路基加固樁布置最小間距僅1 m，使得接觸網基礎不能大斷面開挖，須與路基同步施工，且施工中應避開各種路基加固樁，避免影響路基穩定，因此接觸網需采用小孔徑的鉆孔灌注樁。另外，埋入式連續樁板路基結構的外沿與電纜槽內沿之間的縫隙僅850 mm，考慮施工誤差，接觸網基礎的樁徑被限制為φ700 mm，如圖1所示。

圖1 接觸網基礎與樁板結構、電纜槽位置關系(單位:mm)

1.2 接觸網基礎抗震及防滲漏水

地震災害將引起支柱劇烈晃動、基礎位移，造成基礎本體開裂或基礎四周邊緣與路肩混凝土防水層之間出現縫隙。如2008年5·12汶川地震曾引起西安鐵路局管內的寶成、陽安、西康、隴海鐵路等多處接觸網基礎受損，如圖2所示。

圖2 汶川地震引起接觸網基礎本體開裂

對于地震動峰值加速度0.2g以上的地區，為預防地震災害后接觸網基礎出現開裂現象，需進行接觸網基礎抗震設計。另外，濕陷性黃土地段的防排水系統設計中在路肩表面采取了混凝土封蓋的措施，由于接觸網基礎是唯一的深度穿過基床底層的路基附屬設施，要求地震后接觸網四周縫隙不能出現滲漏水現象，避免對路基下面的濕陷性黃土造成影響。

1.3 接觸網基礎接地

基床表層的級配碎石填筑及基床底層的地基處理措施如水泥改良土換填、水泥土擠密樁、CFG樁及埋入式連續樁板結構等，導致路基與地層之間的電阻率升高，埋設在路基里面的貫通地線接地不良，需利用接觸網基礎作為綜合接地系統的豎向接地極。

2 接觸網基礎構造及接口設計

2.1 路基上接觸網基礎橫向布置

接觸網基礎與路基填筑同步施工，采用φ700 mm鉆孔灌注樁設置于兩側路肩的軌道與電纜槽之間，對于無砟軌道、有砟軌道，基礎中心至相鄰軌道中心距離分別為3.15，3.25 m。接觸網基礎在無砟軌道區段路基上橫向設置如圖3所示。

圖3 接觸網基礎在無砟軌道路基上橫向設置(單位:m)

2.2 接觸網基礎構造

接觸網基礎采用JA，JB，JC 3種型式，與鐵道部通用圖《接觸網H型鋼柱》的底座法蘭盤規格相對應。根據H型鋼柱的標準彎矩值，將接觸網基礎荷載等級分為5種，具體工況及荷載等級如圖4所示。

圖4 接觸網基礎工況及荷載等級

采用鄭西客運專線路基壓實系數、密度及內摩擦角等進行接觸網基礎構造設計。接觸網基礎采用了長方體承臺以解決小孔徑樁基礎抗傾覆安全系數不夠及正摩阻力不夠的問題。其中，JA，JB型基礎采用單孔灌注樁，樁徑700 mm，承臺為深1.2 m、截面分別為700 mm×700 mm，900 mm×700 mm的長方體。當支柱彎矩＞200 kN·m時小孔徑單樁已無法滿足荷載要求，故JC型基礎采用帶承臺的雙樁基礎，兩根樁徑均為φ700 mm，承臺為截面尺寸2 450 mm×700 mm、深1.2 m的長方體。接觸網基礎構造尺寸見表1。

表1 接觸網基礎構造尺寸

表1中，JC-5型基礎采用帶承臺的雙樁基礎，基礎構造如圖5所示，在控制樁徑、樁長的同時保證了基礎穩定性，抗傾覆安全系數＞1.5。

圖5 JC-5型接觸網基礎構造(單位:mm)

這種接觸網帶承臺的鉆孔灌注樁基礎主要在兩個方面進行了技術創新:

1)長方體承臺設計是鉆孔樁與接觸網梯形基礎的巧妙結合。針對接觸網基礎荷載特性及等級，深1.2 m的長方體承臺有效降低了基礎水平側壓力、樁底壓應力(圖4中P1，P3)，解決了小孔徑樁正摩阻力不足及抗傾覆安全系數不夠的問題。

2)JC-5型基礎采用雙樁基礎以解決樁徑、樁長受限的問題。當支柱彎矩＞200 kN·m時，接觸網常規做法是加大樁徑，如京津城際、石太客專等采用φ900 mm鉆孔樁。根據文獻［6］對濕陷性黃土中樁基的數值模擬結果，加大樁徑、樁長都會減少濕陷性黃土中樁基承載力的折減，加大樁長的效果更好，由于濕陷性黃土地段要求接觸網控制樁徑，且增加樁長不利于工程質量控制，故設計了帶承臺的雙樁基礎。

3 接觸網基礎抗震及防滲漏水設計

在接觸網基礎承臺和樁基內均設計有鋼筋籠，而且地腳螺栓之間采用了φ10 mm箍筋焊接，承臺表面采用定位鋼板固定地腳螺栓，提高了接觸網基礎抗震能力。

接觸網基礎四周出現縫隙將存在滲漏水的隱患，除了承臺可對φ700 mm鉆孔樁起到遮蓋效果外，作為防止滲漏水的措施，在濕陷性黃土地段的路肩表面混凝土封蓋之前，采用瀝青混凝土對承臺四周(接觸網基礎出土點)進行填充，防止雨水侵入，避免接觸網基礎處成為濕陷性黃土地段路基防排水的薄弱環節。

4 接觸網基礎接地設計

為利用接觸網基礎作為綜合接地系統的豎向接地極，在鉆孔灌注樁內設置了接地極。在鉆孔灌注樁旋挖至規定深度并清孔后，在鉆孔樁內打入地下一根∠50×6接地角鋼，用φ16接地鋼筋連接并引至地面上，與鋼筋籠、基礎螺栓等焊接后在基礎凸臺小里程側引出“L”橋隧型接地端子，如圖6所示。

圖6 樁基內接地極設計(單位:mm)

5 工程試驗及應用

濕陷性黃土地區接觸網基礎在鄭西客運專線工程試驗段(DK349+765—DK359+550)試驗通過后，技術攻關成果于2006年元月形成鄭西客運專線通用圖《路基上接觸網H型鋼柱基礎通用參考圖》，經德國DEC公司與鐵三院咨詢聯合體審批后供全線使用。

在基床表層級配碎石鋪設、壓實后，接觸網基礎在電纜槽之前施工或與其同步施工。首先利用旋挖鉆機進行鉆孔樁的干鉆開挖，在隨后進行的承臺開挖、清孔過程中均不能有雨水侵入，成孔后應立即進行基礎澆制。JB-4型基礎澆制完畢后如圖7(a)所示，JC-5型基礎澆制完畢如圖7(b)所示。基礎臺面還留有CPⅢ觀測樁的空間，便于路基沉降觀測。

圖7 JB-4，JC-5型基礎澆制后效果

接觸網基礎的小里程側(鄭州側)預埋“L”橋隧型接地端子，如圖8(a)所示，在鄭西客專靜態驗收過程中進行了接地電阻測試，結果表明單個接觸網基礎的接地電阻不超過10 Ω。為形成接地網絡效應，利用不銹鋼連接線將無砟軌道板、接觸網基礎和電纜槽內接地端子(連接貫通地線)三者連接成一體，確保綜合接地系統發揮功能，如圖8(b)所示。

圖8 基礎預埋接地端子及接地連接線

在路基電纜槽施工完畢后，路基進行了路肩表面瀝青混凝土封蓋，使接觸網基礎與路基工程融為一體，接觸網基礎與路肩表面防排水效果如圖9所示。

圖9 接觸網基礎與路肩表面防排水效果

6 國內外技術對比分析

我國先期或同期建設的高速鐵路如京津城際及合寧、合武、石太、武廣客專等均未涉及濕陷性黃土地質問題，接觸網基礎形式也與鄭西客運專線不同，基礎內沒有承臺及專門的防滲漏水設計，基礎內利用鋼筋籠接地，無獨立接地極，接地效果受混凝土保護層的影響較大。

國外高速鐵路路基地段接觸網基礎形式較為多樣化，典型的有:①法國采用鉆孔樁，立桿采用插入H型鋼柱并灌漿，不便于支柱更換，基礎內無接地設計;②德國采用管樁基礎，管樁打入地下的過程存在對路基擾動的問題，立桿采用插入等徑混凝土圓桿并灌漿，不便于支柱更換，基礎內無接地設計;③西班牙采用鉆孔灌注樁，支柱與基礎采用法蘭連接，基礎為單孔樁，沒有承臺及專門的防滲漏水設計，基礎內利用鋼筋籠接地，無獨立接地極;④日本新干線采用杯形基礎，立桿采用插入等徑混凝土圓桿并灌漿，不便于支柱更換，基礎內無接地設計。

通過以上對比分析可以看出，針對濕陷性黃土路基地段開發的帶承臺的鉆孔灌注樁基礎及其防滲漏水措施、基礎內獨立接地極等技術均具有創新性。

7 結語

通過對濕陷性黃土地段接觸網土建接口要求及技術難點的分析，針對濕陷性黃土地段地基處理措施及接觸網荷載特性，研發了帶承臺的、小樁徑的鉆孔灌注樁基礎，其抗震及防滲漏水措施、基礎內獨立接地極等為創新設計，經過鄭西客運專線三年運營實踐未發現問題，目前已在我國西部地區高速鐵路如西寶、大西、寶蘭、西成客專及蘭新第二雙線等工程中推廣應用，產生了良好的技術經濟效益。

［1］錢征宇．鄭西客運專線濕陷性黃土工程技術的新進展［J］．鐵道工程學報，2008(10):71-79．

［2］王應銘，李肖倫．鄭西客專陜西段路基濕陷性黃土地基處理簡介［J］．巖土力學，2009，30(增2):283-286．

［3］黃世斌．濕陷性黃土區鐵路樁基試驗研究［J］．鐵道建筑，2010(7):87-89．

［4］楊德志，馮世進，熊巨華，等．濕陷性黃土中樁基的數值模擬［J］．低溫建筑技術，2010(2):98-100．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB 10621—2009高速鐵路設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

Design and application of catenary mast embedded foundation on high speed railway in collapsible loess area

LIU Changli

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi’an Shaanxi 710043，China)

This paper identifies the technical requirements and difficulties in the construction of civil catenary interface in collapsible loess areas．In accordance with the treatment measures taken at the subgrade section and the loads on catenary itself，small-diameter cast-in-place pile catenary foundation with platform was developed．It is an innovative design to both China and the world，as it has seismic structure，anti-seepage structure and independent earth electrode inside the foundation．Its application in Zhengzhou-Xi'an passenger-dedicated railway has been proved productive and further popularization has achieved in the high speed railway constructions in other collapsible loess areas of China．

Collapsible loess;High speed railway;Catenary foundation;Embedment

(責任審編 李付軍)

U213．1+4;U225．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．05．37

1003-1995(2013)05-0122-04

2012-10-17;

2013-01-22

劉長利(1972—)，男，吉林四平人，高級工程師，碩士。