我國無砟軌道鐵路路基技術的進步與發展

魏永幸

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 無砟軌道鐵路路基特點

無砟軌道，因具有更能持久保持軌道幾何形位的突出優勢，已成為高速鐵路軌道結構的首選，我國高速鐵路也主要采用了無砟軌道結構形式[1]。相對于傳統的有砟軌道，無砟軌道鐵路對線下基礎的路基提出了嚴格的沉降變形限制要求，我國有砟、無砟軌道高速鐵路路基沉降變形限制標準對比如表1所示。

表1 我國有砟、無砟軌道高速鐵路路基沉降變形限制標準對比表

設計時速/(km/h)軌道累型工后沉降/mm橋路過渡段工后沉降(差異沉降)/mm沉降速率/(mm/a)過渡段折角200～300無砟軌道155-1/1 000300～350有砟軌道503020-250有砟軌道1005030-200有砟軌道1508040-

無砟軌道鐵路，其軌道結構直接設置在路基上，路基支承剛度需要與橋、隧等構筑物的剛度相匹配，以滿足列車高速運行對線路(鋼軌)縱向剛度均勻化的要求。此外，對于無砟軌道鐵路，路基沉降導致軌道幾何形態的維修實施難度極大，因此，從減小無砟軌道鐵路維修工作的角度出發，也要求無砟軌道鐵路路基比有砟軌道鐵路具有更好的穩定性。

截止2019年，我國已建成高速鐵路3.5萬km，其中路基長度占比近30%、約1萬km，涵蓋我國由南到北、從東到西，不同氣候、不同地貌、不同地形、不同地質區域。大規模高速鐵路建設，極大地促進了我國無砟軌道鐵路路基技術的進步與發展。本文梳理、總結了我國無砟軌道鐵路路基取得的技術進步，探討有待進一步提升的技術問題，希望有益于無砟軌道鐵路路基技術的進步和發展。

相對于傳統的有砟軌道鐵路，無砟軌道鐵路路基具有三大特點：(1)沉降變形要求嚴酷，沉降變形限制標準為毫米級；(2)對剛度提出了新的要求，要求路基與其他構筑物剛度匹配；(3)耐久性要求更高，對路基穩定狀態的長期保持提出了要求。這也是無砟軌道鐵路路基的三大技術關鍵[2]。

2 無砟軌道鐵路路基的技術關鍵

2.1 路基毫米級沉降變形控制

無砟軌道鐵路對路基的工后沉降提出了嚴酷的毫米級標準的限制要求，這對于利用散粒體巖土材料構筑而成的路基而言，是一項嚴峻的技術挑戰。路基工后沉降，包括地基及路堤工后壓密沉降、列車動荷載作用下路基基床產生的累積變形三部分。路基基床累積變形與基床巖土材質、壓實度密切有關，采用我國現行鐵路規范推薦的雙層結構、優質材料、高壓實標準的強化基床，實測的基床累積變形很小，一般在5 mm以下。工程實踐表明，路堤采用良質填料并控制壓實度，工后沉降也較小，一般小于路堤高度的 1/1 000，且大部分在路基竣工后6～12月內完成。地基工后壓密沉降，受地基巖土性質及相應地基處理措施的影響較大，不確定因素多，是工程建設的難點，也是工程建設管理的重點。需要特別強調的是：鐵路是一個帶狀工程，沿線地質環境千差萬別，如何針對具體工程的地基條件，采用經濟、合理的地基處理措施，實現毫米級地基工后沉降的有效控制，是高速鐵路建設工程實踐中需要高度重視并著力解決的關鍵技術難題。

2.2 路基與其他構筑物剛度匹配

列車運行速度提高，線路(軌道)縱向剛度的突變，將引起列車振動加劇，引起旅客的不舒適。同時，剛度突變將引起軌道結構應力變化，影響軌道結構的壽命。軌道剛度除與軌道系統各部件剛度有關，還與線下基礎支承剛度有關。路基由巖土材料填筑而成，且基于工程經濟角度出發，填筑路基的巖土材料一般多利用路塹、隧道開挖的巖土或就近開采的巖土，這些散粒體材料的工程特性差異較大，給路基面支承剛度的精準控制帶來困難。因此，如何實現路基與橋、隧等構筑物間縱向剛度匹配，是高速鐵路建設工程實踐中需要高度重視并著力解決的另一技術難題。

2.3 路基穩定性狀態的長期保持

路基工程由巖土材料構成并建造于露天環境，其材料以及建造和使用過程受環境變化的影響大，必須采取可靠的措施，以保證路基性能不受環境或少受環境的影響而保持長期穩定。同時，作為直接承受高速列車動荷載的無砟軌道路基基床，還必須保持其動力性能的長期穩定。如何實現路基性能穩定狀態的長期保持，是高速鐵路建設工程實踐中需要高度重視并著力解決的又一技術難題。

3 我國高速鐵路建設面臨的路基問題和取得的成果

我國自2004年起，連續、持續開展了大規模的高速鐵路建設。我國大規模高速鐵路建設具有以下特點：(1)涵蓋不同氣候、不同地貌、不同地形、不同地質環境；(2)建設工期短，項目建設工期一般在3～5年，個別為2～3年。結合大規模的高速鐵路建設，攻克了無砟軌道鐵路路基面臨的一個又一個技術難題，取得不斷進步，樹立起無砟軌道鐵路路基技術進步的一個又一個里程碑。

3.1 首次實現土質路基上鋪設無砟軌道的突破

遂渝無砟軌道試驗段是我國首條無砟軌道試驗鐵路。結合試驗段，中鐵二院、中國鐵科院等單位系統開展了無砟軌道鐵路路基修建關鍵技術的試驗研究，重點是路基毫米級沉降控制技術、路基與其他構筑物剛度匹配技術的試驗研究[3]。

(1)路基毫米級沉降控制技術試驗研究

針對試驗鐵路路堤地基條件，采用了5種不同的地基處理措施，即CFG樁復合地基、強夯動力固結、樁-網結構路基、樁-板結構路基以及挖除軟弱土層的換土法[4-6]。其中的樁-網結構路基、樁-板結構路基是首次使用的新結構，其橫斷面示意如圖1所示。

圖1 樁-網結構路基、樁-板結構路基橫斷面示意圖

(2)路基與其他構筑物剛度匹配技術試驗研究

針對遂渝無砟軌道試驗鐵路的實際及試驗研究需要，設置了路橋過渡段、路涵過渡段、路隧過渡段、橋隧間短路基、路堤與路塹過渡段共5種類型的路基過渡段，分別采取了級配碎石和A、B組填料提高路基支承剛度，以及采用混凝土和水泥穩定級配碎石填料來實現路基與橋、隧、涵等構筑物之間的剛度匹配，在路橋過渡段設置鋼筋混凝土過渡搭板，在橋隧間短路基采用水泥穩定級配碎石全長等剛度過渡措施等技術方案[7-8]。實車測試數據表明，列車通過路基與橋、隧、涵等構筑物的過渡段時運行平穩，過渡段動力學指標沿線路縱向變化不大，實現了路基過渡段支承剛度沿線路縱向的漸變過渡。

遂渝無砟軌道試驗鐵路于2007年建成，首次實現了在土質路基上成區段鋪設無砟軌道，積累了無砟軌道鐵路路基設計施工經驗，研發的相關技術包括：樁-網結構路基、樁-板結構路基、高強度CFG樁復合地基，以及水泥穩定級配碎石提高路基剛度、橋隧間全長等剛度短路基、路橋過渡段間設置鋼筋混凝土搭板等，在后來的大規模高速鐵路建設中得到推廣應用。

“遂渝線無砟軌道關鍵技術研究與應用”獲2010年度國家科技進步一等獎。“無砟軌道樁網結構路基及其構筑方法”獲2016年度中國發明專利優秀獎。

3.2 構建了我國無砟軌道鐵路路基理論與技術體系

隨后，結合武廣高速鐵路武漢試驗段、嚴寒地區成高子試驗段等，中國鐵科院、中鐵二院、西南交通大學等單位先后、持續開展了無砟軌道鐵路路基設計理論、長期穩定性保持理論、路基防排水技術體系、沉降評估體系等試驗研究，構建了我國無砟軌道鐵路路基設計理論與技術體系，為我國大規模高速鐵路建設提供了理論及技術支撐。

(1)基于層狀體系的無砟軌道鐵路路基結構設計方法

從滿足動力性能出發，路基基床應采用性能良好的材料填筑，而從工程經濟性出發，路基基床表層以下不同厚度，應選用滿足性能要求但經濟性更好的不同材料來填筑。理論上，合理的無砟軌道鐵路路基結構是一個多層體系，自上而下，材料性能的要求由高到低。無砟軌道鐵路路基層狀體系如圖2所示。

圖2 無砟軌道鐵路路基層狀體系圖

概化的無砟軌道鐵路路基層狀體系，自上而下，包括無砟軌道板、無砟軌道支承層、路基基床表層、路基基床底層、路基填筑層或天然巖土層。一般地，無砟軌道面板采用預制或現澆鋼筋混凝土，無砟軌道支承層采用連續攤鋪的低摻量混凝土，路基基床表層采用級配碎石或水泥穩定級配碎石，路基基床底層采用A、B組填料填筑，路基填筑層因地制宜采用合格填料填筑，天然巖土層需滿足承載能力及變形限制的要求。總體而言，自上而下，各結構層的支承剛度由大到小，厚度則由小到大，使無砟軌道面板具有足夠的支承剛度，在高速列車作用下，其彈性變形在允許范圍內，且同時具有較好的經濟性。

工程應用中，無砟軌道鐵路路基層狀體系可進一步簡化為面層、基層、底層的三層體系[9]，如圖3所示。

圖3 路基三層體系圖

面層的支承剛度可按式(1)計算。

(1)

式中：E0——路基面支承剛度(MPa/m)；

E1，E2，E3——路基結構分層材料彈性模量(MPa/m)；

h1，h2，h3——路基結構分層厚度(m)。

根據上述理論，通過對一段路基中不同斷面的路基豎向剛度進行組合設計，可以調整線路縱向路基面支承剛度，實現路基面支承剛度的調控，從而實現路基與其它構筑物剛度的匹配。

(2)無砟軌道鐵路路基變形穩定狀態及保持技術

路基由巖土材料構筑而成，其變形特性具有隨荷載增加、隨時間推移而累積的特點。西南交通大學羅強[10]等人基于巖土材料隨時間的變形特性試驗研究，提出可以將路基狀態劃分為快速穩定、緩慢穩定、緩慢破壞和快速破壞4種狀態。對于無砟軌道鐵路，從保持路基穩定性、減小因路基變形引起無砟軌道維修量的角度出發，應將路基狀態控制在快速穩定狀態；同時，提出無砟軌道路基設計應在強度、變形控制的基礎上，增加累積變形控制指標作為設計參數。

路基“四狀態”劃分、無砟軌道路基“三參數”設計的思路，為無砟軌道鐵路路基毫米級沉降變形的控制提供了理論依據，對于無砟軌道路基長期穩定性保持具有重要的理論和工程意義。

(3)無砟軌道鐵路路基防排水體系及路基面瀝青防水層

減小環境變化對路基穩定狀態的影響，對保持路基狀態的長期穩定十分重要。各種環境因素中，降水是最為普遍、也是最為不利的因素。無砟軌道鐵路應建立路基防排水體系[11]，如圖4所示。

圖4 無砟軌道鐵路路基防排水體系示意圖

無砟軌道鐵路路基防排水體系包括三個部分：①路基面防排水系統，包括路基面防水材料和路基填料的抵御水侵蝕能力；②地下水排疏系統，包括路堤基底地下排水和路塹基床換填底部地下排水；③地表水排疏系統，包括路基面防排水層和邊坡防排水設施(如邊坡防護與排水以及側溝、天溝、排水溝等)。

選用合理的路基面防水材料，防止降雨徑流下滲至路基內部，是控制路基變形、保證路基穩定的重要措施。遂渝無砟軌道試驗鐵路，武廣高速鐵路武漢試驗段等，在無砟軌道兩側的路基面鋪設了防水型瀝青混合料SAMI(Surface Asphalt Mixture Impermeable)[12]。筆者還曾提出全斷面瀝青混凝土基床表層兼做防水層的技術方案，并組織開展了相關試驗研究[13]。中國鐵道科學研究院結合哈齊、鄭徐、牡佳等多條高速鐵路，開展了瀝青混凝土性能，長期變形特性等的設計研究。

(4)基于無砟軌道鋪設條件的路基沉降變形預測評估方法

無砟軌道鐵路路基沉降變形限值標準達到毫米級，但作為以巖土作為材料或介質的土工構筑物，目前尚無可以準確計算毫米級精度變形的實用的設計方法，且路基施工過程質量控制環節多，受天氣、人員素質等“柔性”因素影響大，這是高速鐵路建設必須克服解決的技術難題。

結合遂渝無砟軌道試驗鐵路，采取了對路基竣工后的沉降進行監測、根據監測數據預測沉降趨勢、依據無砟軌道鋪設條件對是否可進行無砟軌道鋪設及其措施進行評估的方法[14]。這個方法，后來得到不斷完善，被稱為無砟軌道鐵路路基沉降評估，并作為工程建設的一個重要環節納入了高速鐵路建設管理程序之中。

橋梁基礎的摩擦樁、涵洞基礎，淺埋或不良地質地段的隧道都存在一定沉降變形的可能，且存在與路基工程的差異沉降問題，需與路基同時進行沉降監測、評估，確認沉降穩定且預測工后沉降滿足要求后方可鋪設無砟軌道。在對路基、橋梁、隧道和過渡段等不同結構物的基礎沉降變形預測評估完成后，進行區段或全線的綜合評估，確認區段或全線是否滿足鋪設無砟軌道的要求。

3.3 實現了無砟軌道鐵路路基毫米級工后沉降的有效控制

路基工后沉降控制的重點，一是路堤沉降，二是地基沉降。路堤采用優質填料并控制壓實度，其工后沉降較小，一般小于路堤高度的1 /1 000，且大部分在路基填筑施工后6～12月完成，通過合理安排無砟軌道施工時間，可減小或消除路堤壓密沉降的影響。但對于長達幾百公里乃至上千公里的高速鐵路，無論是從優質填料的來源，還是從工程的經濟性方面考慮，都需重視對隧道、路塹挖方中非良質填料利用的技術研究。結合高速鐵路工程建設，針對特殊氣候、特殊地質、特殊環境，基于無砟軌道鐵路路基毫米級沉降控制需求，開展了非良質填料利用、特殊地基加固處理等技術的研究與創新，實現了無砟軌道鐵路路基毫米級沉降的有效控制。取得了系列突出創新成果。

(1)研發了嚴寒地區高速鐵路路基防凍脹技術

結合哈大高速鐵路，鐵科院、中國鐵設等單位開展了嚴寒地區高速鐵路路基防凍脹技術的試驗研究。實驗研究表明，路基基床級配碎石層存在“微凍脹”現象，控制級配碎石的含泥量，可在一定程度上減小微凍脹的量，將級配碎石的含泥量控制在3%以內，微凍脹變形一般不超過5 mm[15]。對嚴寒地區，要嚴格控制路基基床表層級配碎石層的含泥量，同時要采取設置滲溝降低地下水位、設置路堤式路塹、設置瀝青混凝土等路基面防水層阻止地表水下滲等綜合措施。

為強化嚴寒地區高速鐵路路基面防水，筆者曾提出采用路基全斷面鋪設瀝青混凝土防水+采用滲透性能良好的級配碎石排水的“上封-下排”路基基床上部結構方案，以防為主，防排結合，以實現有效控制路基基床凍漲變形[16]。

(2)研發了干旱戈壁區高速鐵路路基穩定保持技術

結合蘭新高速鐵路，中鐵一院等單位開展了干旱地區戈壁粗粒土填筑高速鐵路路基技術試驗研究。試驗研究表明，戈壁粗粒土填筑體存在“濕陷性”[17]，采用戈壁粗粒土填筑的高速鐵路路基，存在沉降超標的現象。戈壁粗粒土中細粒土含量低，級配不良，填筑壓實參數雖然滿足規范要求，但存在后期沉降變形超標的現象。針對戈壁粗粒土的“濕陷性”，采用摻石粉改良等填筑工藝，實現了干旱戈壁區高速鐵路路基穩定狀態的保持。

(3)研發了亞熱帶臺風暴雨區高速鐵路路基防護技術

結合海南環島高速鐵路，中鐵二院等單位開展了路基抗雨水沖刷的試驗研究，對路基邊坡滲流破壞、沖刷破壞機理以及路基填料選擇、填筑工藝控制、路基邊坡防滲抗沖結構等進行了系統的試驗研究，提出了亞熱帶臺風暴雨區高速鐵路路基填料滲透性參數與填筑工藝、小間距截水骨架內固土網墊植草護坡、路基面防水層和路肩截排水構造等技術改進措施，其防護技術參數如表2所示。

表2 亞熱帶臺風暴雨區高速鐵路路基防護技術參數表

(4)研發了紅層泥巖非良質填料高速鐵路路基填筑技術

結合遂渝、成渝、渝萬高速鐵路，中鐵二院等單位開展了紅層泥巖非良質填料高速鐵路路基填筑技術的試驗研究，從紅層泥巖工程特性、填筑工藝及參數、紅層泥巖路基動力特性、紅層泥巖路基長期穩定性以及工程示范等方面進行了系統研究。提出了高速鐵路路基紅層泥巖填料判別指標、紅層泥巖填料制備標準、紅層泥巖高速鐵路路基關鍵參數、紅層泥巖填筑工藝及控制參數等紅層泥巖非良質填料高速鐵路路基填筑技術[18-19]，其填筑技術參數如表3所示。

表3 紅層泥巖非良質填料高速鐵路路基填筑技術參數表

(5)研發了巖溶區高速鐵路路基防塌控沉技術

結合武廣、貴廣等巖溶地區高速鐵路，中鐵二院等單位開展了高速鐵路路基巖溶地基處理技術的試驗研究。針對巖溶地基存在溶洞、溶槽、溶隙及其對高速鐵路路基的危害，提出了巖溶區高速鐵路路基“防塌+控沉”的設計思路，并研發了“充填注漿防塌+樁板結構控沉”的高速鐵路巖溶地基處理技術，橫斷面示意如圖5所示。針對富水巖溶區充填注漿，還開發了 “驅水”充填注漿工藝[20]，提高了富水巖溶區充填注漿的有效性。

圖5 巖溶區高速鐵路路基防塌控沉地基處理橫斷面示意圖

(6)研發了濕陷性黃土高速鐵路路基地基處理技術

結合世界上第一條在黃土地區修建的鄭西高速鐵路，中鐵二院、中鐵一院等單位開展了濕陷性黃土高速鐵路路基地基處理技術的試驗研究。基于現場浸水試驗，確定了場地濕陷下限和最大濕陷量，并提出了孔內夯擴灰土樁復合地基、樁-板結構路基等濕陷性黃土高速鐵路路基地基處理技術。孔內夯擴灰土樁復合地基采用孔內夯擴灰土，提高孔周土體的密實度，消除黃土濕陷性。樁-板結構路基利用樁基礎穿越濕陷性黃土層，有效管控黃土濕陷不確定性對高速鐵路路基的危害和影響。濕陷性黃土區高速鐵路樁-板結構路基橫斷面示意如圖6所示。

圖6 濕陷性黃土區高速鐵路樁-板結構路基橫斷面示意圖

(7)研發了山區斜坡地段高速鐵路路基新結構、新技術

結合滬昆、云桂、成貴等復雜艱險山區高速鐵路，中鐵二院開展了山區斜坡地段高速鐵路路基技術的試驗研究。基于無砟軌道鐵路路基毫米級沉降變形的要求，對陡坡路基支擋結構橫向外傾變形與路基豎向沉降變形的相互關系以及陡坡路基支擋結構橫向外傾變形限值與控制方法等進行了試驗研究。提出了基于變形控制的支擋結構設計方法，提出的無砟軌道鐵路支擋結構橫向外傾變形限值已納入行業技術規范。同時，研究揭示了斜坡軟弱地基路堤變形破壞機理，提出了“坡腳錨固樁防滑+復合地基控沉”的斜坡高速鐵路路基技術方案。還針對巖堆、滑坡等不良地質地段路基，研究提出了兼具抗滑、承載功能的抗滑樁-板結構以及能抵抗高噸位滑坡推力的椅式抗滑樁、框架式抗滑樁等山區斜坡地段“防滑-控沉”高速鐵路路基新型結構，突破了高速鐵路建設禁區。山區斜坡地段高速鐵路路基新結構示意如圖7所示。

圖7 山區斜坡地段高速鐵路路基新結構示意圖

4 我國無砟軌道鐵路路基的技術進步

基于3.5萬km高速鐵路建設的實踐經驗和持續的技術創新，我國無砟軌道鐵路路基技術取得了長足的進步。歸納總結主要體現在以下四個方面。

(1)建立了一套無砟軌道鐵路路基設計理論。建立了基于層狀體系的無砟軌道鐵路“路軌一體”結構設計模型，首次提出路基變形“四狀態”劃分及“三參數”控制法，為無砟軌道鐵路路基毫米級沉降控制提供了理論支持。

(2)建立了路基與橋、隧等構筑物連接剛度協調匹配技術體系。建立了路基豎向剛度調控方法，創新了路基與橋、隧等構筑物連接剛度調控結構與技術，實現了高速鐵路線路縱向剛度的均勻化。

(3)創新了不同區域、復雜環境、特殊地質條件下路基毫米級沉降變形控制技術。研發了紅層泥巖、戈壁粗粒土等非良質填料利用技術，創新了樁-板結構、樁-網結構、高強度樁復合地基、孔內夯擴灰土樁等特殊巖土、復雜地質毫米級地基沉降控制技術，研發了椅式抗滑樁、框架式抗滑樁等山區斜坡地段“防滑-控沉”高速鐵路路基新結構，實現了無砟軌道鐵路路基毫米級沉降的有效控制。

(4)創新了無砟軌道鐵路路基穩定狀態長期保持技術。構建了路基防排水體系，研發了無砟軌道全斷面瀝青防水層，研發了級配碎石“微凍脹”變形控制技術，創新了不同氣候、不同環境條件下路基邊坡防護技術，實現了臺風、多雨、干旱、嚴寒等不同氣候環境路基的有效防護和穩定狀態保持。

5 有待進一步研究的問題

無砟軌道鐵路路基毫米級沉降變形的控制是個復雜的系統工程，從工程實踐看，還有個別工點沉降控制不理想、個別工點甚或出現“上拱”的現象。基于系統優化，進一步開展特殊巖土“微變形”機理、特殊環境路基長期穩定狀態保持、非良質填料改良與填筑、基于建設工期的地基處理措施優化等的研究，基于無砟軌道鐵路“路軌一體”結構設計理論，開展“路-軌”協同設計、結構層支承剛度限值以及施工過程控制檢測參數等的研究，對進一步提升無砟軌道鐵路路基設計水平、建設質量具有重要意義。

6 結論與展望

伴隨我國大規模高速鐵路建設，我國已成功修建高速鐵路路基約1萬km，涵蓋了不同氣候、不同地貌、不同地形和不同地質環境，由此積累了豐富的工程實踐經驗，取得了豐碩的創新成果，形成了無砟軌道鐵路路基的領先技術優勢。下一步，要在此基礎上深化無砟軌道鐵路路基設計理論研究，發揮好、使用好這一領先技術優勢，更好地服務于“一帶一路”建設，服務全球高速鐵路建設。