铁路客运专线路基主要技术标准与施工关键技术

铁路客运专线路基主要技术标准与施工关键技术第一部分国内外高速铁路路基发展状况1.1高速铁路路基设计原则高速铁路路基是一种土工结构物，路基的主体结构是免维修结构，不得出现路基病害，因此对其设计应考虑路基结构的受力及变形要求、填筑材料类型的要求、结构尺寸的要求、压实标准的要求等。1）路基结构的受力及变形要求主要考虑:在列车荷载作用下，路基表层最大动应力和动变形值，以及经地基处理后满足高速铁路路基平顺性要求的路基工后沉降值。2）路基结构形式及尺寸要求主要考虑:路基表层、路基底层、路基本体、路肩等部分组成的路基断面形式。以及路基结构厚度、路基宽度、路肩宽度、边坡坡度等尺寸。4）路基填筑材料类型要求主要考虑:对路基不同结构部位填筑材料的要求，如级配碎石、A、B、C组土及改良土等。5）路基压实标准要求主要考虑:a对路基不同结构部位的填筑材料提出的压实标准，如图所示，压实系数K、基床压实系数(K30）、孔隙率n及动刚度值等。路基基床由表层和底层组成。表层厚度应为0.7m,底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。基床表层应采用级配碎石或级配砂砾石等材料，压实标准应符合：地基系数K30≥190（MPa/m），动态变形模量Evd≥55（Mpa），孔隙率n18%。b对路桥过渡段的设置结构形式、填筑材料及压实标准提出了要求。路桥台过渡段采用纵向正梯形断面形式，如图所示。过渡段长度为L=2（h-0.7)+a；过渡段采用级配碎石分层填筑，填筑压实标准应满足K30≥150MPa/m,Evd≥50MPa和孔隙率n28%。1.2国外高速铁路路基发展状况国外发展高速铁路的国家主要有法国、日本、德国等。这些国家都制定了较高的路基技术标准和严格的施工工艺，其特点如下：1）强化路基基床：包括路堤、路堑及不填不挖地段，特别是对基床表层的填料和强度有严格要求。a日本：在东北陆新干线上设置了强化基床表层，采用级配矿碴层或增设5cm厚沥青混凝土表层等，并用直径为30cm的平板荷载试验求出的地基系数(K30)控制压实效果；b法国：TGV线路运营中发现问题。当总厚度超过60cm时，线路良好，基床病害的发生概率很小。采用两层级配碎石中间夹土工布的做法。c德国：提出了在路基表面设置保护层的根本性措施，采用上部建筑与基床之间加设钢筋混凝土板。各个国家都根据本国的情况进行研究，采用不同的结构形式和强度标准对路基基床进行强化，根据土质、承载能力、防冻要求、线路等级、运输荷载条件（轴重、运量、速度）以及线路土部结构的条件设计路基2）严格控制路基填筑标准：包括对路基填料的分类、填筑压实标准和检测方法等，并开发了一系列检测设备和施工机械。各国根据本国特点对路基填料进行了详细的划分，并对每类填料的力学性能进行试验研究，从而确定它的适用范围。对路基填土质量标准，多数采用物理和力学性能双指标控制。如日本采用K30标准和压实系数K控制填筑质量；德国采用Evd和压实系数K控制压实质量，并研发了可时时监控压实系数的碾压机械。日本、法国分别提出用贯入仪及落球回弹法等3）线路易发生不平顺部位的重视a从结构设计到施工组织，从工期安排到质量检测等方面都采取了措施，严格控制轨道的刚度变化和由于沉降、不均匀沉降引起的轨道下沉和轨面弯折，以达到线路的平顺性，保证列车高速运行的安全和稳定。b为了控制路基不发生过大的下沉，对路堤填土的地基条件提出了新的要求。为了调整接近桥台时路堤的刚度，对桥头路堤规定了更高的标准。4）防排水措施、边坡和灾害防护要求防护工程与主体工程同时完成，增加路基的坚固和稳定性，避免运营期间发生病害。a日本在基床表层设置5cm的沥青混凝土层，防止雨水渗入路基土层。b德国和法国分别在基床表层中设置了隔水层，也是1.3我国铁路客运专线路基的发展情况我国客运专线铁路路基的技术标准及主要参数，是九十年代以来在高速铁路“八五”、“九五”研究成果的基础上，吸收了国外高速铁路路基施工和建设的经验；在设计过程中借鉴、消化、吸收了国外铁路设计新方法和新标准；结合秦沈线的实际情况，并经有关部门多次组织国内专家的论证而最终确定的通过秦沈客运专线的工程实践，铁路技术人员对路基工程有了新的认识，路基工程的设计和施工达到了新的水平和标准。客运专线路基工程有如下技术特点：(1)路基填筑质量标准高秦沈客运专线提出路基填筑采用双控压实标准的新概念。路基填筑根据不同部位，提出了压实系数K,地基系数K30、孔隙率n等压实标准。秦沈线路基填筑充分体现了新技术和高标准。要求各施工单位在正式进行路基施工前必须做路基填筑试验段的压实工艺试验。针对不同土质，在试验室得出最大干密度和最佳含水量的基础上，控制现场含水量范围，虚铺厚度，并采用重型压实机械压实，得到压实度和碾压遍数的关系，以指导大面积施工。工程实例：a、秦沈客运专线沿线填料种类很多，有些粉质土和粉细砂，经现场试验达不到K30标准，通过专家论证和反复试验，进行了物理改良处理。b、沿线大量的山皮土属粗粒土，在重型击实试验中表现出较好的可击实性，属于级配良好的填料，但压实后达不到孔隙率n的要求，同样经专家论证和反复试验，提出对可击实性山皮上采用压实系数K和地基系数K30作为双控指标。(2)基床表层采用级配碎石强化结构铁路路基的基床表层是路基直接承受列车动荷载的部分，是路基设计中最重要的部分之一。秦沈线首次在基床表层采用了60cm厚的级配碎石结构。为保证级配碎石的施工质量，施工技术细则中对级配碎石的材料质量、颗粒粒径级配范围、含水量、拌合、摊铺及碾压工艺和压实质量控制方法等提出了技术要求，施工过程中进行了严格地控制。关于级配碎石结构的主要作用：a增强线路强度，使路基更加坚固、稳定，并具有一定的刚度；b均匀扩散作用到基床土面上的动应力，使其不超出下部基床土的容许动强度；c隔离作用，防止道碴压入基床及基床土进入道碴层：d.防止雨水浸入使基床软化，防止发生翻浆冒泥等基床病害：e.满足基床防冻等特殊要求。(3)路桥及横向构筑物间设置过渡段路桥及横向构筑物间的过渡段，是以往设计及施工的薄弱环节。由于桥台与路堤的刚度相差显著，高速列车通过时对轨道结构及列车自身会产生冲击,从而降低列车运行的平稳性和舒适度，加快结构物和车辆的损坏。为此，在秦沈客运专线的设计中，为保证列车高速运行时的平稳舒适，对路桥过渡段采用了刚度过渡的设计方法。在桥台后一定范围内，采用刚度较大的级配碎石作为过渡填筑段，与路堤相接处采用1：2的斜坡过渡。(1)过渡段在设计及施工方面的考虑a施工方面:在施工过程中要求路桥过渡段与路堤同步分层填筑，用振动碾进行碾压，对振动碾达不到的边角部位应用小型压实机具补充压实，以保证整体的施工质量。压实质量采用K30和孔隙率指标控制。施工过程中严格分层填筑压实。b设计方面:把路桥过渡段作为结构物进行专门的设计。对软土、松软地基地段采用复合地基处理方式，如旋喷桩砂桩等，以减少地基沉降，提高地基刚度；同时在路桥过渡段采用倒梯形级配碎石填筑，以使过渡段之间的刚度平缓过渡。2)因倒梯形过渡时在实践应用中存在裂缝，力矩朝后，故地基条件好时采用正梯形过渡；地基条件较差时采用二次过渡，前正梯形，后倒梯形的做法。秦沈线的做法不好，在郑西线路基和轨道将不在同一点过渡。(4)严格控制路基变形和工后沉降秦沈客运专线工后沉降要求不高，一般地段15cm（年沉降量不得大于4cm)，路桥过渡段8cm（年沉降量不得大于3cm)。实际观测值远小于标准。在填筑施工全过程中，每天都定时进行沉降和路基坡脚的位移观测，依据沉降和位移量确定下一步的填筑高度。工程实例：1)地基的沉降变形控制是秦沈线的关键和重点。2)软土地基采用了排水固结法和复合地基法进行地基加固处理。3)在工期紧、标准高的情况下，在部分地段的基床底层填筑时采用土工格室（栅）加筋垫层和堆载预压的方法进行处理，以加快沉降和保证地基的稳定。(5)路基动态设计为了有效地控制工后沉降量及沉降速率，开展了动态设计。为此，在每个松软土地基工点及台尾过渡段均于路基中心、两侧路肩及边坡坡脚之外设置沉降和位移观测设备，全线共设置了720个观测断面，并提出了观测控制标准和随施工进程而定的观测频次及观测精度，及时绘制填土~时间~沉降曲线。秦沈线因工期较紧，铺轨要求也紧，堆载预压要加大高度，考虑提前卸载(6)路基质量评估针对秦沈线箱梁运架过程中的路基安全稳定问题及铺轨前路基质量状况进行了路基质量评估工作。为保证秦沈通过运架梁段的路基安全稳定，特对高填方、桥头及软基地段进行安全监测评估，确保了箱梁运架的顺利完成。为保证铺轨前路基满足工后沉降要求及路基表层符合设计要求，分段对全线路基进行了施工质量状况调查、沉降观测分析、表层抽检、地质雷达检测等工作，进一步保证了路基质量。(7)地基处理的种类多根据地质勘察资料，结合秦沈铁路路基的工后沉降要求，针对不同地质条件的地基土选用了合理的10种地基处理方法。实际工程做法:1)对于浅层软弱地基采用了换填碾压处理、或换填砂垫层处理。2)对于深层软基的主要地段采用了袋装砂井、塑料排水板的排水固结加预压的处理方法。3)对于工后沉降要求高及路桥过渡段，根据地质条件和经济对比，采用了砂桩、碎石桩、粉喷桩、搅拌桩、旋喷桩等地基处理方法。4)对于有地震液化的粉土或粉细砂层的地基段，采用了挤密砂桩的处理方法。1.4高速铁路路基特点(1)控制路基变形(2)路基刚度的均匀性(3)在列车运行及自然条件下的稳定性(4)强度高、刚度大的路基基床(5)沉降很小或没有沉降的地基(6)沿线路方向平缓变化的刚度第二部分高速铁路路基设计暂规的主要内容1.路基一般规定主要提出了高速铁路路基的设计原则。对路堤段和路堑段的路基结构断面规定路肩宽度为1.4m，规定了路基面上动应力设计值为100Kpa。施工中提出了对沉降控制较困难的软土和松软上地段路基，应做好施工组织设计，提前安排施工，保证必要的预压期。如日本对良好地基的有碴轨道路堤填筑后一般放置1个月以上，地基不良地段路堤放置6个月以上；粘土地基上的路堤板式轨道放置6个月以上，其他地基放置3个月以上；同时，进行必要的沉降观测，并测算沉降稳定时间。法国和德国强调要详细地质地基勘察，一般安排路堤施工工期比较长，以保证予压时间，达到稳定时间和沉降要求。2.基床对路基基床结构形式和尺寸做了具体规定，路基基床由表层和底层组成。表层厚度应为0.7m，底层厚度应为2.3m，总厚度为3.0m。其中，基床表层由5~l0cm厚的沥青混凝土和65-60cm厚的级配碎石或级配砂砾石组成。日本通过变形控制，美国通过强度控制来确定双控指标。对路基基床填筑材料和压实标准提出了具体要求。基床表层应采用级配碎石或级配砂砾石等材料。基床底层应采用A、B组填料或改良土，其压实标准应符合《客运专线基床表层级配碎石技术条件》的规定。3.路堤对基床以下路堤填料和压实标准做了规定。基床以下路堤填料应优先选用A、B组填料和C组块石、碎石、砾石类填料，当选用C组细粒土填料时，应根据土源性质进行改良后填筑，其压实标准应符合规定。对地基条件提出了要求，当路堤基底以下压缩层范围内（一般不小于25m)的地基土不符合路堤地基技术条件要求时，应作工后沉降分析。对路基工后沉降量提出了要求，路基工后沉降量不应大于5cm，年沉降速率应小于2cm／年。桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm。4.路堑对软质岩、强风化岩及土质路堑的基床处理提出了要求。（1）基床表层深度范围内应进行换填并满足要求。(2)基床表层以下，基床底层表面作成向两侧4%排水坡。且在基床范围内不得夹有Psl.5MPa或〔σ」0.18MPa的土层。否则应进行改良或加固处理。(3)土质路堑地层其土质不满足基床底层填料条件时，应换填A、B组填料或改良土，厚度不小于0.5m,并应分层碾压至相应的压实标准。5.过渡段路堤与桥台连接处应设置过渡段。路堤与横向结构物（立交框构、箱涵等）连接处，应设置过渡段。路堤与路堑连接处，应设置过渡段。土质、软质岩及强风化硬质岩路堑与隧道连接地段，应设置长度不小于20m的过渡段，并采用渐变厚度的混凝土或掺入适量水泥的级配碎石填筑