淺談高速鐵路路基設計方法及技術措施

張佳楠

中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京，102600

0 引言

高鐵的順利運行對地基質量的要求相當高，所以必須增強地基的穩定性和耐久性。而底土的質量水平直接影響高鐵的正常運行。一旦地基不穩或損壞，將對高鐵的正常運行造成很大影響。新建成的高速鐵路工程包括許多內容，施工人員應熟悉設計和建設的各個過程和環節，并調整好承載能力和散射截面，以使各種指標參數在正常范圍內，設計和建設銜接工作相輔相成。同時施工人員也要嚴格按照設計圖紙和施工細則規定施工活動和設計內容，以增強地基的穩定性，從而確保高速鐵路的順利運行。

1 高速鐵路路基的現狀

在分析高鐵地基時，要注意全面性和完整性。高鐵地基對土質要求高，建設難度大。有關人員應進一步認識和分析地基的作用與意義，利用數據分析與資料指導，制定合理的使用行為。可以從高鐵道路的性質以及發展現狀著手，運用新型的建筑方式與施工方法對高鐵道路加以改造。要通過高速鐵路監督管理，有效改變傳統地下建筑方式的缺陷，增強地基的安全性與承載力，為高鐵的成功運行創造良好保障，進而完善高鐵地基的建設[1]。

1.1 高速鐵路路基的特點

由于高鐵的速度很快，在短時間內地下會產生很大的沖擊，路基容易變形，影響機動車的正常運行。高速鐵路路基是突破軌道、路基的傳統結構形式，集無碴鋼軌于一體的多層次結構體系。高鐵床身也需要進行變形控制，為高速系統提供良好的離線軌道基礎，使高鐵能夠順利運行，避免超速運行事故。路基建筑材料必須具有良好的強度和水穩定性，所使用的建筑材料必須符合相關標準，并能抵抗地表水的侵蝕，防止地表水進入底土，造成下部結構堵塞或失去作用，避免下部結構沉降。高速鐵路的路基變形主要可以從剖面偏移、沉降率和軌道縱向剛度比等方面進行控制。如圖1所示。

圖1 高速鐵路路基

1.2 路基發展情況

通過抑制地基的下沉和變形，使地基的形態始終保持穩定，從而避免高速鐵路列車在行駛過程中脫落。而控制路基的最主要辦法就是直接從基礎復制品沉降中去做修復。利用有關儀器設備分析底土的充填狀況，通過調查分析底土的土壤與表層，可以建立水壩。高速鐵路地基的設計工作主要可從地基變形與沉降控制、動態地基設計、各類地基處理等方面著手。需嚴格遵循有關技術填筑規范，認真查找裝配工程設計中的薄弱環節，并著重分析與關注。低等級與橫向結構之間的過渡是設計和施工中的薄弱環節。這里的基礎容易出現各種問題和錯誤，因此應制定適當的解決方案。考慮到技術標準需要改進和改變的問題，以及技術在子行業發展中的應用，工作人員要從大局出發，應用新技術和新程序，確保產業健康發展[2]。

2 高速鐵路路基設計方式

2.1 路基承載量的設計

基礎承載量分析設計內容主要包括靜載荷設計和動載荷設計。靜載荷主要是指對于地面結構所需要施加的靜壓力，其不可隨時間發生變化，各承重構件當前的力學狀態結構或工作性能基本上保持不變，構件幾乎沒有加速度。動載荷包括的主要內容很多，主要包括氣錘、空壓機曲軸氣缸、汽車發動機曲軸。動載荷設計和計算靜載荷設計有很大的差距。在某些復雜情況影響下，結構材料的使用條件改變或受力性能結構發生位移變化時，或地下構件受力發生加速度時，影響地下結構應力傳遞或應力變形發生的是動載荷。常采用土柱變形法設計靜載荷，靜載荷值是根據相關試驗參考數據或試驗參考標準而設定的組件載荷的靜態基本力學狀態值，或載荷特性值維持固定不變，但該組件并沒有由此產生加速度。動載荷大小與額定靜載荷能力之間通常有相對較大數量級的差異。在一個特定構造狀況條件下，當地下構造的某種基本力學條件改變或構造特性的變化，或振動對該結構產生加速度時，直接影響地下構造位置以及變化的是動載荷。在動加載的前提條件下，靜態載荷值和動加載不能簡單地統一。對直接關乎高速鐵路運行安全的動負荷值可以進行動態分析和研究。地面、路橋的平衡也是有條件的。對動負荷值進行深入細致的調查研究，將有助于改善地基的安全性。可以考慮通過對比研究鋼道、枕木等工程由底基向底基傳遞出的動應力及其頻率，尋找比較適宜運行的動負荷值，并使之始終在相對適宜的頻率區間內保持穩定[3]。

2.2 路基橫斷面的設計

在設計地下斷面時，首先要了解地下斷面的構造，并重點考慮地下路肩的設計長度和地下高度。在設計地下段后，要留出所需空間，即地下空間，并配置通信設備和必要的道路標識。設有上述標識的設備，主要可以發揮報警、監視和管理道路的功能。在肩部儲備中，適當調節肩寬。而肩寬則需要按照地基的改善程度及穩定狀況預留空間，以適應維護要求。背景區域的設計還包括一個重要的內容，就是背景寬度的設計。背景的寬度一般為單線或雙線，單線的寬度小于雙線的寬度。對于一些特殊的部分，可以相應增加單雙線的寬度，以顯示實際情況。直線段底部一般單線為8.8m，雙線為13.8m。對于曲線段的底部，根據曲線半徑，在直線底部外0.5m處添加適當的寬度值0.3m。基材的寬度應靈活適應具體情況，盡量適應實際情況。根據地下及特殊段的實際情況，在設計地下段時，做好現場勘察，深入當地，通過各種設備進行調查，整合相關數據并進行分析[4]。

2.3 路基基床的設計

高速鐵路的基床起著十分關鍵的作用。因為地基的質量直接影響道路功能的實現，底基必須具有合適的抗拉強度、剛性和良好的排水效果。這些功能缺一不可。在認識到路基基床的特點和性能后，要突出路基基床的優點，充分發揮路基基床的優點和功能，豐富或增強路基基床的功用。一般來說，基座的結構可包括兩個部分：一部分是地基的表層，另一部分是地基的下部。從名稱上我們能夠知道，地下的下層與地下的上層之間是相互作用、彼此對應的，而二者又發揮著不同的功能與價值。從基材的表面，可逐步細分為幾級。而各層又由不同的材質所構成，各種材質又都扮演著不同的角色，并有不同的功能[5]。如圖2所示。

圖2 路基基床的設計數據

3 高速鐵路路基施工技術

3.1 做好路堤的施工活動

路堤建設的內容和元素很多。從填土材料、壓實標準和邊坡設計中可以看出路堤建設的復雜性和重要性。充填材料時，必須盡可能按照子結構功能進行相應的工作。為了減少底土的沉降，可以選擇合適的材料，保證路堤設計的科學合理性。必須保證路堤和鐵路在自重下的穩定性。高鐵下沉變形的原因有很多，其中之一就是路基表面沒有壓實。路堤的壓實可以在一定程度上提高路堤的密實度，提高整個地基的穩定性。壓實過程同樣需要達到相應的技術標準，而且比較嚴格。因此，一旦路堤高度低于基礎標高，則需要填充基礎表面或提高其厚度，一般來說，在修建高鐵的時候，都要認真研究周邊環境，并充分考慮一些自然災害以及如何合理降低在自然災害中的經濟損失。而邊坡設計重點面對自然災害，因為不同高度的邊坡會形成不同的防護效應[6]。

3.1.1 填料

高鐵路堤填充物需要同時符合下列條件，以減輕雙重沉降，并有較高的安全儲備，以保證路堤的長期穩定性：在路堤自身負荷下的長期穩定；必須盡快完成路堤的卸壓；路堤的動力學特性不會由于其他各種因素對路堤穩定性的影響而產生不良的改變。

3.1.2 壓實標準

為了保持高鐵路基的穩定性，需要提高滾動邊坡的壓實度。例如，當路堤的高度小于路基的厚度時，只能通過加固、更換等措施來實現天然軟地基的穩固性。同時，還需加強排水，以免基床因浸水而失去強度。

3.1.3 路堤邊坡的設計

路基填土結構的物理性質狀態和當時所依處地的自然環境直接決定高速鐵路路堤邊坡坡度，如有地震、洪水襲擊等，一般邊坡均設計在1B1.5～1B2.0。

3.2 做好過渡段的施工活動

過渡段（圖3）的施工技術非常重要。在過渡段的軟邊，通過增加路基的豎向剛度，降低路基結構和軌道的豎向剛度，可以在過渡段的處理和施工中使用相關設備。在了解這些因素之后，我們應該使用各種材料來降低鋼軌的垂直剛度，如軌下橡膠墊等。在過渡段施工活動中，必須充分考慮影響過渡段的因素。

圖3 鐵路斷面過渡段

在過渡段進行軟邊處理，提高地面的豎向強度，降低地面工程構件的沉降。這些方式的主要功能是通過強化基本構造來降低基座和橋臺之間的強度和沉降差，以降低基座和橋之間線的不規則性，一般處理方式為加筋土覆蓋法、碎石法、填充法和轉移導板法[7]。

在過渡區段的軟邊處，提高鐵軌的垂直強度。該技術主要利用提高鋼軌強度來減少小橋之間的鋼軌剛度變化率。具體的解決方式包括：通過調節軌道枕直徑和間隙大小來增加鋼軌剛性；通過提高履帶排的彎曲模量來提高履帶剛性；通過提高履帶床的厚度來增加履帶剛度。

在過渡段施工時，必須采用在鋼道、枕木和道砟底板下安裝橡膠墊片（板）以減小鐵軌的豎向強度。對于剛性構件上的鐵軌，如鐵路橋梁和軌道，可通過改變軌道下墊片和軌線下墊片（無碴）的強度，使其剛性值改變為軟側剛性值。因此，通過改變橡膠墊可以減小鐵軌的垂直強度及鐵軌與橋面間的軌道強度。

4 結語

綜上所述，高鐵的地下地基規劃非常重要。只有做好地下工程，才能保證鐵路的穩定運行。路基設計和土木工程與鐵路運行密切相關。相關單位工作人員要重視基礎設計等工作，理論分析聯系施工實際，運用系統工程理論分析方法進行地質現場勘察調查，整合分析相關工程數據，利用先進測試設備手段和技術，做好高鐵沿線的基礎地下施工設計工作，確保路基質量的持續穩定性。