時速400 km高速鐵路路基-地基工后沉降變形映射關系及控制標準

李泰灃

中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

根據我國高速鐵路多年的建設和運營經驗，路基的穩定性對于高速鐵路項目的成敗至關重要，尤其是路基的沉降問題。若處理不當，將會給工程質量帶來潛在風險，導致鐵路在運營期間出現區域性沉降、橋頭跳車等現象；輕則影響正常使用，重則可能引發事故。因此，對高速鐵路路基變形的預測和控制的研究已成為鐵路建設過程中一個至關重要的技術領域。

隨著列車運行速度不斷提高，軌道表面不平順加劇會導致更大的動力效應，這些效應會向上傳遞到車輛系統，同時向下傳遞至線路基礎設施。作為軌道結構基礎的路基基床也會因此產生相應的動力效應放大現象［1-2］。

在高速鐵路的路基性能控制中，路基工后沉降和不均勻沉降是兩個較為關鍵的問題。無砟軌道路基工后沉降必須滿足線路平順性、結構穩定性和扣件調整能力的要求。而路基的不均勻沉降則會直接影響無砟軌道的幾何形態和支承狀態。當列車以高速通過時，路基動力性能會受到影響，嚴重時甚至可能危及行車安全。這使得對路基沉降變形控制成為制約無砟軌道線路平順性的一個至關重要的問題［3-5］。

在更高行車速度條件下高速鐵路超高時變率和豎向離心力等關鍵參數不同，最小豎曲線半徑也會相應變化。因此，需要結合更高速度高速鐵路線路平順性標準和扣件調整能力對路基變形的要求，分析路基變形對不同速度、線形線路的平順性影響規律。本文針對400 km/h 條件下路基-地基工后沉降變形映射關系及控制標準開展系統性研究。

1 路基工后沉降變形控制標準

路基的工后沉降通常由三個部分組成：施工期殘余沉降、二期荷載作用下產生的沉降、列車動載引起的動變形［6-8］。在工后沉降變形的控制中，重點是控制前兩個方面的沉降。

各國為了確保鐵路線路的安全運營，都制定了符合本國國情的路基工后沉降變形控制標準。在高速鐵路無砟軌道的建設中，建議采用“零工后沉降”的建設理念，這也是國外高速鐵路建設經驗的總結。

根據國外高速鐵路無砟軌道鋪設的相關經驗，路基在完成填筑后需要經過一年以上的時間，才能完成全部沉降的50%以上。為了確保路基在建設期間的沉降穩定，并保證開通運營后的工后沉降滿足相關要求和標準，從而確保高速行車的安全性和乘車舒適性，需要對完成填筑后的路基主體工程進行靜置或施加預壓荷載1年以上，等到沉降充分完成后，才可以進行后續無砟軌道的鋪設工作。

根據TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［9］中規定：無砟軌道路基工后沉降必須符合線路平順性、結構穩定性和扣件調整能力的要求。工后沉降的限值不應超過15 mm，而由不均勻沉降引起的折角不應大于1/1 000。對于無砟軌道，沉降應較為均勻，且調整軌面高程后豎曲線半徑大于等于0.4v2（v為線路的設計時速）時，工后沉降變形的控制限值為30 mm。以上規定旨在確保高速鐵路的設計和建設符合安全性和穩定性要求，以確保乘車舒適性和可靠性。

針對時速400 km（更高速度）高速鐵路運營條件，提出合理有效的路基工后沉降變形控制標準，對于我國高速鐵路的安全運維具有重要意義。

2 地基面沉降變形波長對路基工后沉降的影響

影響路基結構不均勻沉降的因素主要有地基面沉降變形波長（L）和變形幅值（Smax）。因此，通過改變這兩種主要影響因素，分析可得地基面沉降變形對路基沉降的影響規律。

為分析沉降變形由地基面向路基面的傳遞和映射規律，建立了高速鐵路路基-地基仿真計算模型，見圖1。模型尺寸為：路基本體底部寬40.56 m，頂部寬23.06 m，高5 m。基床底層底部寬23.06 m，上部寬15.1 m，高2.3 m。基床表層底部寬15.1 m，頂部寬13.61 m，高0.4 m。支撐層高0.3 m，寬3.1 m，軌道板高0.2 m，寬2.5 m。模型主要計算參數見表1。

表1 模型主要計算參數

圖1 路基-地基有限元計算模型

假設地基面沉降變形呈余弦式分布，且沉降幅值固定為15 mm，通過改變地基面沉降變形波長，分析地基面沉降變形波長對路基沉降變形的影響規律。地基面沉降變形波長分別為3、4、5、7.5、10、15、30、40、50、60、70、80 m，共設置12 組不同波長的仿真計算工況。路基面和鋼軌最大變形量隨地基面沉降變形波長的變化情況見圖2。

圖2 路基面和鋼軌沉降隨地基面沉降變形波長變化情況

由圖2可知：

1）當波長較小時（小于7.5 m），鋼軌與路基面最大沉降量幾乎相等，且沉降量很小。說明此時地基面沉降傳遞至路基表面的比例較小，基床及路基表面受地基面沉降變形影響較小。

2）當地基面沉降變形波長處于10 ～ 15 m 時，路基面和鋼軌最大變形量有了一定差異并發生了不協調變形，此時地基面沉降對路基結構變形的影響開始趨于顯著。

3）當地基面沉降變形波長繼續增至30、50 m 時，鋼軌與路基面最大沉降量幾乎相等，即路基和鋼軌發生了幾乎相同的沉降，不協調變形逐步消失。

4）當地基面沉降變形波長大于50 m 之后，鋼軌與路基結構繼續保持協調變形狀態。

地基面沉降變形擴散到路基面的波長映射情況見圖3。可知：影響軌道結構服役狀態的地基面沉降變形敏感波長為10 ～ 15 m（對應的路基沉降波長23 ～ 28 m）時，軌道-路基結構之間的不協調變形較為明顯。

圖3 路基-地基沉降變形波長映射關系

地基面沉降變形波長5 m 時路基縱斷面沉降見圖4。路基面最小沉降閾值取0.1 mm。可知：當地基面沉降變形波長較小時，沉降量向路基結構擴散比例較低。除路基本體之外，其他結構層變形量不大。

圖4 地基面沉降變形波長5 m時路基縱斷面沉降

地基面沉降變形波長15 m 時路基縱斷面沉降見圖5。可知：當地基面變形波長為15 m時，其變形波長擴散到路基面約為28 m。在這種情況下，由于地基面的沉降作用，導致路基結構發生較大的沉降變形，路基面的最大沉降量為5.14 mm，此時鋼軌的最大變形量為4.20 mm，導致軌道-路基結構之間的變形不協調現象較為顯著。

圖5 地基面沉降變形波長15 m時路基縱斷面沉降

地基面沉降變形波長30 m 時路基縱斷面沉降見圖6。可知：當地基面沉降變形波長30 m 時擴散到路基面的變形波長為36.12 m。此時由于變形波長較長，軌道-路基結構之間不協調變形趨于緩和。

圖6 地基面沉降變形波長30 m時路基縱斷面沉降

3 地基面沉降幅值對路基工后沉降的影響

將地基面沉降變形波長固定為10 m，分析不同地基面沉降幅值影響下，路基結構沉降變形的影響規律。地基面沉降變形幅值按照15、30、50、75、100、125、150、200 mm遞增取值。

各結構層沉降量隨地基面沉降變形幅值的變化見圖7。可知：隨著地基面沉降幅值的提升，路基面最大沉降量與鋼軌最大變形量均有一定提升。地基面沉降變形波長固定的條件下，路基沉降量與地基面沉降幅值存在一定線性關系，鋼軌最大變形量較路基沉降明顯減小。

圖7 各結構層沉降量隨地基面沉降變形幅值變化情況

地基面沉降幅值100 mm 時路基縱斷面沉降見圖8。可知，大部分沉降集中在路基本體范圍內，且隨著沉降向路基結構擴散，沉降變形波長有一定程度增加。

圖8 地基面沉降幅值100 mm時路基縱斷面沉降

不同幅值條件下地基面變形與路基面變形映射關系見表2。可知：當地基面沉降幅值為100 mm，擴散到路基面的沉降波長為23.40 m，路基面最大沉降量為8.02 mm，鋼軌變形量為4.55 mm，軌道-路基面變形差為3.47 mm。此時，雖然軌道-路基結構之間存在較為明顯的不協調變形，但由于地基面沉降幅值相對較低，且沉降變形主要發生在路基本體，而向軌道-路基結構傳遞的沉降比例較小。因此，為了保證線下基礎設施滿足更高行車速度條件下線路平順性，需要增強地基處理程度，進而降低軌道、路基變形量。

表2 不同幅值條件下地基面變形與路基面變形映射關系

路基沉降變形波長隨地基面沉降幅值變化情況見圖9。可知：在地基面沉降變形波長不變的條件下，隨著地基面沉降變形幅值的增大，擴散到路基面的沉降變形波長會逐步減小。地基面沉降變形幅值越大，傳遞至路基結構的沉降趨于集中。因此，對于路基沉降變形控制，需要綜合考慮地基面沉降變形波長和幅值。

圖9 路基沉降變形波長隨地基面沉降幅值變化情況

路基-地基沉降變形映射關系見圖10。橫坐標x表示路基縱斷面的長度，縱坐標y表示路基的高度。改變地基面沉降幅值Sg，max時，路基沉降波長Le和最大沉降量Se，max都會隨之改變，鋼軌最大變形量Srail，max也會隨之改變。

圖10 路基-地基沉降變形映射關系

考慮地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基沉降計算結果見圖11。可知：當路基面沉降限值為15 mm時，地基面沉降變形波長和幅值的控制范圍。

圖11 路基沉降變化情況

考慮地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基沉降變形波長的計算結果見圖12。可知，根據地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基面沉降變形波長可分為超限區、過渡區和穩定區。

圖12 路基沉降波長隨地基面沉降幅值和波長的變化情況

綜上，地基處理的效果與變形控制，對于路基面的沉降控制作用明顯。在建設過程中要采用合適的地基處理措施，合理控制地基面沉降變形的幅值和波長，盡量保持地基面沉降變形波長小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，這樣可有效提升路基面工后沉降的控制效果。

4 車輛-軌道-路基耦合動力學計算分析

為了進一步分析高速列車荷載作用下沉降區段路基結構的動力響應規律，在靜力學仿真模型的基礎上構建了動車組（軸重14.5 t）在路基沉降波長20 m、沉降幅值15 mm，時速400 km 工況下的車輛-軌道-路基耦合動力學仿真模型見圖13。模型參數參見表1，并計算分析了車輛、軌道以及路基結構的動力響應特征，獲取了沉降區與非沉降區的路基各部分動力學性能指標，見表3。

表3 軌道-路基結構動力學性能指標

圖13 車輛-軌道-路基耦合動力學仿真計算模型

由表3可知：在非沉降區，鋼軌振動加速度最大值為200 m/s2；鋼軌垂向位移最大值為1.04 mm；軌道板振動加速度最大值為20.82 m/s2，路基基床最大動變形值為0.11 mm；對于下部基礎的振動響應，路基基床的加速度最大值為2.95 m/s2。在沉降區，鋼軌振動加速度最大值469.60 m/s2；鋼軌垂向位移最大值增至1.92 mm，接近其安全限值；軌道板振動加速度最大值為24.72 m/s2；路基基床動變形最大值為0.18 mm；對于下部基礎的振動響應，路基基床加速度最大值為8.35 m/s2。

分析可得，沉降區路基結構在路基最大沉降量15 mm、路基沉降變形波長20 m 條件下，路基沉降對鋼軌振動加速度、鋼軌垂向位移、軌道板振動加速度的影響較為明顯，但最大值均未超過TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》［10］中規定的安全限值。同時，沉降區路基結構最大動應力、動變形和加速度均接近安全限值，但也均滿足限制要求。

綜上所述，TB 10621—2014中現行時速350 km 的路基變形控制標準可適用于時速400 km（更高速度）高速鐵路，但對于沉降區段及病害區段應進行系統性評估，保障其服役性能滿足行車安全要求。

5 結論

本文基于現場實測數據，分別建立了靜、動力學車輛-軌道-路基耦合仿真計算模型，針對動車組在更高速度條件下的地基面沉降變形波長和幅值對路基結構不均勻沉降的影響進行了研究。采用有限元模型動力仿真分析手段，分析了地基面沉降變形波長和幅值對路基工后沉降的影響，揭示了路基-地基工后沉降映射關系，為更高速度高速鐵路路基工后沉降變形控制標準的制定提供支撐。主要結論如下：

1）影響軌道結構服役狀態的地基面沉降變形的敏感波長范圍為10～15 m，對應的路基沉降波長為23 ～ 28 m。該范圍內軌道-路基結構之間的不協調變形較為明顯。

2）對于更高速度的高速鐵路，路基變形控制標準沿用時速350 km 設計規范，原則上是合理的，但需要控制地基面沉降變形幅值和波長，以及路基面波長較短區段的不均勻沉降。路基工程應進行變形觀測和評估，尤其對于波長較短的不均勻沉降區段和病害區段，評估通過后方可進行無砟軌道施工。

3）在建設期要提升地基處理效果，控制地基面沉降變形幅值和波長，盡量保持地基面沉降變形波長小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，這樣方可有效的控制路基工后沉降變形。

4）在沉降區段，軌道結構各項動力學性能指標均不同程度增長，鋼軌垂向位移接近其安全限值；路基各項動力學性能指標增長較大，但均在安全限值內。現有高速鐵路路基沉降變形控制標準仍具有一定的適用性。