鐵路路基上接觸網基礎的優化

孔化蓉

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北 武漢 430074）

接觸網是沿電氣化鐵路架設的供電網路。接觸網支柱以側面限界2.5～3.4m沿著鐵路線布置，并通過基礎固定。根據基礎的結構型式，一般建筑物的基礎可分為樁基和平基兩大類。接觸網的基礎是直接埋置于土體中的，其埋置深度一般＜5m，屬于淺平基，按用途可分為軟橫跨基礎、硬橫梁基礎、腕臂柱基礎、下錨基礎等[1]。

在鐵路路基上的接觸網基礎有數量大、類型多、地質條件復雜等顯著特點，與鐵路路基關系密切，其設計方案和開挖方法對基礎的質量和鐵路路基的影響長期困擾著廣大施工管理人員。為了盡量避免對路基的破壞，我國接觸網基礎的設計方案及施工方法也在不斷改進，但現有的部分設計方案在路基上施工時仍然遇到了諸多問題，急需進行優化。

1 目前國內外接觸網基礎的設計方案及施工方法

1.1 目前國內外接觸網基礎的設計方案

（1）國外接觸網支柱的型式較多，且各不相同。鐵路發達國家采用的基礎型式主要有無臺階的側向承載式基礎（矩形斷面）和樁基礎（小徑鋼管樁、鉆孔灌注樁），但均采用機械施工，基坑鉆孔成形或直接打樁[2]。

（2）國內各鐵路設計院、經濟規劃設計研究院設計的淺平基接觸網基礎通常可以歸納為擴大基礎、棱柱形基礎兩大類。擴大基礎即階梯形基礎，根據支柱容量設計成單階梯或多階梯形狀。由于基礎底部的臺階的抗傾覆作用明顯，當支柱容量較大時，結構專業工程師一般會優先考慮基礎的經濟性設計擴大基礎（一般用于軟橫跨鋼柱基礎、硬橫梁鋼柱基礎），即在保證設計功能的條件下盡可能減少混凝土體積（見圖1）。棱柱形基礎即基礎上下尺寸一致的無階梯形狀的基礎，有圓形和方形，一般用于腕臂柱基礎和下錨基礎，比如直埋支柱基礎（也稱為帶橫臥板的棱柱形基礎）、直埋錨板基礎、杯型基礎、挖（鉆）孔樁基礎、拉線基礎（見圖2～圖6）。

圖1 擴大基礎示意圖

圖2 棱柱形基礎示意圖（直埋支柱基礎）

圖3 棱柱形基礎示意圖（直埋錨板基礎）

圖4 棱柱形基礎示意圖（杯型基礎）

圖5 棱柱形基礎示意圖（挖〔鉆〕孔樁基礎）

圖6 棱柱形基礎示意圖（拉線基礎）

我國時速120km以下的鐵路或專用線，一般從經濟性方面考慮得較多，故腕臂柱基礎大多采用直埋支柱基礎，下錨基礎采用直埋式錨板基礎，軟橫跨和硬橫梁基礎采用擴大基礎。時速160～200km以上的鐵路，腕臂柱基礎大多采用杯型基礎，下錨基礎大多采用棱柱式基礎，軟橫跨和硬橫梁基礎采用擴大基礎。時速200km以上的鐵路均為客運專線，對路基的穩定、軌道的平順度和運營安全要求非常高，借鑒國外的經驗，一般情況所有基礎都采用挖（鉆）孔樁基礎。

1.2 目前國內外接觸網基礎的施工方法

（1）棱柱形基礎。在新建鐵路上采用人工開挖和機械開挖相結合的方法。受機械到達條件的限制以及為了減少對路基的破壞，除了鉆孔樁基礎、淺埋特殊基礎采用機械開挖以外，其余大多采用人工開挖。由于既有線地下隱蔽工程較多且復雜，因此既有線路基上嚴禁采用機械開挖，而且人工開挖時對基坑必須采取有效支護措施（見圖7）。直埋型基礎需要采用原土或換填土回填，在土質密實的地帶灌注基礎可不設模型板，在地下部分采用“原坑胚模就地灌注法”，地上部分采用模型板[3]（見圖8）。

圖7 基坑支護措施

圖8 原坑胚模就地灌注法施工

（2）擴大基礎。與房屋建筑工程施工一樣，為了達到基礎的設計尺寸，必須采用“基坑大開挖后模板架箱法”，拆模后對空余部分進行回填夯實（見圖9）?！惰F路工程預算定額》（國鐵科法〔2017〕33號）以及國家鐵路局一級工藝工法也是這樣考慮的。擴大基礎在新建線路上可以采用機械開挖，但在既有線上不論采取人工開挖還是機械開挖，都對路基破壞較大，安全風險高，無法通過鐵路局的施工方案評審。

圖9 基坑大開挖后模板架箱法

2 國內對接觸網基礎施工方面的規定

2.1 國內設計文件中的相關要求

基坑回填土應分層夯填密實，壓實系數不應小于0.90，或者土質及密實度要求同路基一致。設計圖中對基坑開挖的回填土夯實、對既有路基的保護等相關要求，與施工技術指南、施工安全技術規程中的描述是基本一致的。

2.2 國內施工標準中的相關規定

（1）基坑開挖尺寸應符合設計文件要求?；A澆制前，應復核基坑位置、側面限界、基礎型號、外形尺寸、基坑深度、模型板位置等應符合設計文件要求。接觸網基礎在路基上施工時，應保證路基的完整和穩定，減少對路基結構的影響。基坑回填時，每回填0.3m厚的土層夯實一次，回填密實度不應低于原地質的密實度。按設計規定裝設橫臥板和底板，橫臥板應密貼支柱，不得有空隙及夾土[4]。

（2）接觸網施工應與路基、橋梁、隧道等有關專業做好協調工作。在路基上施工時，減少對路基的影響?；娱_挖前施工單位應進行基坑坑形設計，并按其施工?；娱_挖有條件時應采用機械作業方式。當采用人工開挖時應進行坑口設計，嚴格控制開挖尺寸，減少對路基的影響。挖坑應保證路基的穩定性，不應使路基受到破壞或減弱[3]。

（3）沿線路路基開挖的基坑，作業時坑口必須有人防護。當列車通過時，路基沿線及坑內人員停止作業?；娱_挖作業必須保證路基的穩定。路基附近挖坑時，應在坑口的線路側做好擋板，防止道渣流失。在挖坑地段應設專人巡回檢查，遇有大雨、暴雨天氣時，已開挖的基坑應根據具體情況或鐵路運輸部門的有關規定及時回填。填土應分層夯實，每回填不大于0.3m應夯實一次[5]。

3 現有的部分設計方案及施工方法對鐵路路基的影響

3.1 直埋式棱柱形基礎

由于路基是采用自重不宜小于16t的機械進行分層碾壓[6]，基坑開挖破壞了原路基的分層填筑結構、防水層，而回填時是無法達到原分層尺寸和機械碾壓強度的，即使采用小型機械進行夯實，現場管理人員嚴格監督，也無法達到驗收標準規定的“原地質的密實度”。由于支柱安裝橫臥板后，各結構物之間的間隙太小，既有線還會開挖出電纜、管道等隱蔽工程，不僅無法使用小型電動機械，使用大錘錘擊也存在較大困難，夯實質量實際上無法完全符合驗收標準規定。多個工程實踐證明，接觸網直埋基礎的回填土，每經過一次連續降雨，就要全部回填一次，一般要經過2～3次才能基本穩定?；靥畹拇螖等Q于當初回填夯實的質量。

在浩吉線（原蒙華鐵路），為加強直埋支柱回填土的夯實過程控制，按建設管理要求組織了工藝性試驗。通過現場見證支柱回填過程，并采用輕型觸探儀對回填夯實后的土壤承載力進行測試發現，普通男性勞動力用10kg的大錘從0.5m高處以自由落體的方式進行錘擊，每300mm為一層進行夯實，每一層需要均勻錘擊80次，現場測試實際承載力結果大于112kPa。而實測浩吉鐵路路基承載力遠大于600kPa，夯實雖然達到了接觸網平面布置圖要求的100kPa，但無法達到設計文件要求的0.9的壓實系數和驗收標準規定的“回填密度不應低于原地質的密實度”，造成執行驗收標準存在客觀困難。

3.2 階梯形擴大式基礎

以浩吉線設計的J15型基礎為例，基礎中心距線路中心設計為3.9m，枕木長度為2.5m，則基礎中心距枕木邊緣為2.65m，基礎底部最大尺寸為4.25m，基坑邊緣距枕木邊緣約為0.5m。在既有線采用大開挖的方案危及行車安全和人身安全，而采用“原坑胚模就地灌注法”又無法對開挖的基坑進行有效支撐，無法完全保證基礎設計尺寸，兩種方法都存在非常大的質量和安全隱患。與直埋支柱基礎基坑回填質量不同的是，回填后雖然可以采用小型電動機械振搗，效率低、成本高，但仍然無法絕對實現“原路基質量”。通過分析近幾年開通鐵路的遺留問題庫發現，在一個冬雨季的期間內，都存在擴大基礎回填部位地基下陷情況。

3.3 挖（鉆）孔樁基礎及混凝土棱柱形基礎

在遇到砂、流水等不良土質時，或者在既有線無法采用機械鉆孔時，一般采用挖孔樁基礎。為了保證人工開挖安全，一般邊開挖邊制作混凝土護壁支撐，施工效率極低，成本較高。也有采用預制沉井圈作為護壁的方法，但有專家認為沉井圈與路基間存在縫隙，基礎和路基仍有細微變形的風險。因此，在時速200km以上的鐵路目前普遍設計為機械鉆孔樁基礎。

4 路基上接觸網基礎結構優化的必要性和可行性

4.1 優化的必要性

（1）安全管理、接口管理、技術創新方面。在鐵路路基上施工擴大基礎、直埋基礎對路基的原有結構、防水層影響非常大。在既有線上施工時，擴大基礎無法實施，直埋基礎施工安全隱患非常多。隨著我國鐵路技術走出國門的需要，原有的設計理念需要吸收先進的設計和管理經驗，在專業接口方面進行技術創新。

（2）質量控制方面。當設計方案和施工方案只是理論上可行時，各管理層的自控能力往往會變弱，形成慣性思維，基礎的質量也不容易管控到位。多個工程的實踐證明，工程質量有被質量監督部門認定違反《鐵路建設項目質量安全紅線管理規定》（鐵總建設〔2017〕310號）和《國家鐵路局關于開展鐵路建設工程“三不問題質量行為”專項整治行動的通知》（國鐵工程監函〔2017〕7號）相關規定的可能，給施工企業造成非常大的困擾和風險。

（3）進度和成本方面。針對基礎施工的單項預算，施工單位的實際投入是超出責任成本的，特別是遇到地質條件變化或既有線施工時，矛盾更為突出。對基礎結構進行優化，減少了土方開挖、排土、回填等工作量，有利于加快工程進度、減少實際施工成本，提高施工單位利用管理創新為工程增值的積極性，促進“六位一體”鐵路建設管理要求的落實。

4.2 優化的可行性

（1）基礎結構優化的可行性分析?！督佑|網設計及檢測原理》《電氣化鐵道設計手冊》中分析了各種土質對接觸網計算的影響，并詳細介紹了擴大基礎和棱柱形基礎的穩定條件，說明了采用棱柱形基礎是完全可行的。通過與多個設計院的探討和理論計算發現，采用上下尺寸完全一致的棱柱形基礎，受路基寬度的限制和接近線路中心的限制，加大垂直于線路方向的尺寸空間有限；加大順線路方向的尺寸有一定的作用，但增大至一定范圍，其抗傾覆作用不再隨著增大，而且會造成方案的經濟性較差；加深垂直于地面的高度又會使基礎施工變成危險性較大的分部分項工程[7]，加大安全風險和施工成本。因此，在實踐中各設計院都是實際調查現場土質情況后，將基礎高度盡量控制在5m以下，再根據基礎底部實際可擴大的尺寸來校驗，在保證基礎穩定性的同時盡可能保證基礎的經濟性。

（2）優化前后投資增加情況對比實例。蘭新線紅烏段大風區擴大基礎變更為挖孔樁基礎I類，變更共20248個基礎，共增加投資5777萬元。主要原因是工程招標時大風區試驗工作未完成，原概算中考慮的基礎設計功能不足。因此，除去大風區試驗后基礎加強、鋼材加強、單獨增加橋墩等費用，相對于實際設計功能并沒有增加投資。浩吉線J15型擴大基礎變更為RJT型棱柱形基礎，每個基礎增加混凝土約1m3。如果單方面計算混凝土增加量，會增加施工費用，但是考慮減少基坑開挖、排土、支模、回填、培土、砌石等綜合費用，反而是減少投資的。全線路基上共1620個基礎，變更后的基礎加深后，無需再采取培土、砌石防護措施，費用減少約26萬元。

5 應用實例及效果

5.1 大包線

該線為既有線，由于包頭東機務段、包頭西編組場地下水位較高、路基沙漠化，基坑開挖會影響行車安全。因此，將直埋支柱基礎變更為杯型基礎，將鋼柱基礎變更為淺埋式沙漠基礎（見圖10），采用封閉線路后集中大開挖的方法施工，然后用混凝土將大開挖的基坑填滿。雖然按單個基礎計算增加了成本，但對于整條線的接觸網條公里指標影響很微小，在國家關于設計質量考核允許的范圍內。

圖10 淺埋式沙漠基礎示意圖

5.2 蘭新線

該線為既有線，路填方地段為砂礫土，挖方地段為泥巖，半填半挖地段上部為砂礫土、下部為泥巖。路基穩定性差，遇水容易產生較大的變化。由于開挖后基坑坍塌嚴重，采取支護后又無法立桿，而且擴大基礎無法保證原路基質量，因此，烏魯木齊鐵路局組織了多次專家論證，發布了《烏魯木齊鐵路局電氣化改造工程接觸網支柱基坑開挖支柱整正作業暫行規定》（烏鐵總〔2009〕202號）等文件，采取了列車限速、列車通過時停止施工、基坑加強支撐等措施用于指導施工，但執行過程中仍存在管理漏洞。建設單位多次組織專家研討和現場試驗，將原設計的階梯形擴大基礎變更為帶沉井圈防護的人工挖孔樁基礎（見圖11），將原設計直埋支柱變更為棱柱形杯型基礎。變更后的方案讓施工質量和安全更可控，而且便于管理人員現場操作，對路基基本沒有影響，得到了參建各方的認可（見圖12）。

圖11 蘭新線優化后的支柱基礎示意圖

圖12 基坑支護用的沉井圈護壁及開挖過程

5.3 浩吉線

浩吉線（原蒙華鐵路）為新建重載鐵路，對路基防水和承載力要求高，考慮到基坑大開挖對路基質量的影響和基礎經濟性，路基上接觸網基礎變更為基礎底部適當擴大的棱柱形基礎（見圖13）。

圖13 浩吉線階梯形擴大基礎優化為RJT型基礎示意圖

考慮到路基寬度較窄，拉線基礎變更為增大平行線路方向尺寸、減小垂直線路方向的窄型基礎。內蒙段沙漠地段、地下水位較高地段變更為上部增加承臺的棱柱形基礎（見圖14）。為了盡可能減小變更后的基礎尺寸，在基坑開挖后不采取支護的情況下保證基坑仍然能夠保持相對穩定的狀態，基礎底部仍然適當放大成喇叭狀。從施工方法的選擇上，為了盡可能地減小對路基的影響，采用“原坑胚模就地灌注法”，嚴格按規定進行振搗，保證混凝土澆筑后，通過自然膨脹能夠與原路基緊密結合，保證原路基的密實度，有利于維持路基的穩定性，消除了質量安全隱患，得到了參建各方的高度認可。另外，該方案在既有線應用時對運營安全效果會更好。

圖14 帶承臺的棱柱形基礎示意圖（單位：mm）

6 建議

（1）按圖施工是施工單位必須嚴格遵守的重要原則，經過審查的勘察設計文件是施工的依據，施工中不得隨意改變勘察設計文件。如需改變，應按變更設計程序辦理[4]。接觸網設計圖是基于路基斷面圖進行設計的，點多、線長，地質條件多樣且復雜，難免會有與現場不符的情況?；娱_挖后，如地質情況與設計不符，不能保證工程質量安全時，應進行詳細調查研究，提出可行性建議，及時聯系設計解決，落實變更手續，不能只要求現場達到設計要求而不考慮施工方案，造成現場無法操作?；娱_挖時要嚴格控制開挖尺寸，按規定進行支護，減少對路基的破壞。

（2）在施工階段，受工期、質量、安全、投資等因素的限制，變更設計方案會遇到各種阻力，從而影響總體施工組織和工期。因此，建議設計單位在施工圖設計階段之前，不能完全照搬以往的設計方案，要根據實際地質條件對路基上接觸網基礎的結構進行充分調查、研究、論證，充分考慮其可實施性、先進性、經濟性，按實際情況編制概預算，避免施工過程中進行設計變更對施工組織造成影響。建議國家I級鐵路均采用棱柱形基礎，盡量避免使用擴大基礎和直埋基礎，首選杯型基礎、挖（鉆）孔樁基礎、底部適當放大的棱柱形基礎。路基下方的基礎考慮其經濟性，仍可采用擴大基礎。同時，建議設計院根據先進的施工方法編制補充定額，在全國推廣應用棱柱形基礎。

（3）站后施工單位對路基破壞后的處理不具有專業性，對路基的成品保護不重視，建議新建線路比照客運專線的做法：接觸網基礎由站前施工單位預留。對于成品路基上進行基坑開挖會破壞路基的防水層和分層結構，有可能造成路基下沉的問題，需要設計和施工方繼續研究方案和改善措施，減少對路基的破壞，增加防水措施。

7 結束語

鐵路工程質量事關人民群眾生命財產安全，事關國民經濟發展，事關鐵路供給側結構性改革，事關鐵路“走出去”戰略的實施。建設工程管理工作的核心任務是為工程的建設和使用增值。實踐證明，設計單位根據現場實際對鐵路路基上接觸網基礎進行設計優化是非常有必要的和可行的。施工單位遇到設計方案與現場不符的問題時是有責任和義務提議變更進行優化的。根據鐵路路基的實際情況進行接觸網基礎的優化，對減少路基的破壞、降低質量安全風險、促進電氣化鐵路高質量發展有積極的進步意義。