高速鐵路路基設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)解析

周詩廣

（鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 工學(xué)博士，北京100038）

1 概述

作為高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的龍頭，歷時(shí)兩年、舉全路之力編制完成的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB 10621—2009）順利頒布，填補(bǔ)了我國高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范的空白，標(biāo)志著我國高速鐵路建設(shè)技術(shù)步入成熟和穩(wěn)定的發(fā)展階段。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（以下簡稱高鐵設(shè)規(guī)）的編制基礎(chǔ)是《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)〔2007〕47 號(hào)），同時(shí)吸納了 《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》（鐵建設(shè)〔2005〕754號(hào)）、《新建時(shí)速 200～250 km 客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)〔2005〕140號(hào)）的有關(guān)規(guī)定。高鐵設(shè)規(guī)系統(tǒng)總結(jié)了我國多年以來圍繞高速鐵路（客運(yùn)專線鐵路）開展的一系列科學(xué)研究成果以及京津城際、京滬、武廣、鄭西等高速鐵路（客運(yùn)專線）的建設(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國高速鐵路技術(shù)體系和提高我國高速鐵路的建設(shè)水平奠定了基礎(chǔ)。

高鐵設(shè)規(guī)路基章節(jié)，在編制過程中最大程度地融匯了我國高速鐵路路基工程技術(shù)的最新發(fā)展成果，在《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（以下簡稱客專暫規(guī)）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大幅度的修改，融合了廣大鐵路路基工程技術(shù)人員的智慧，體現(xiàn)了目前我國高速鐵路路基設(shè)計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展和最高水平。

2 章節(jié)架構(gòu)

路基章節(jié)的編制架構(gòu)與客專暫規(guī)基本類似，主要包括一般規(guī)定、路基面形狀和寬度、基床、路堤、路塹、過渡段、路基排水、路基防護(hù)、路基支擋、路基變形觀測(cè)及評(píng)估、接口設(shè)計(jì)共11節(jié)，另含一個(gè)關(guān)于軟土地基沉降計(jì)算的附錄。

其中，“路基變形觀測(cè)及評(píng)估”為新增章節(jié)，服從規(guī)范總體編制的需要，客專暫規(guī)中的 “其他”一節(jié)節(jié)名修改為“接口設(shè)計(jì)”。

此外，低路堤與路塹基床均為天然地基基床問題，在編制過程中對(duì)于以上兩部分內(nèi)容進(jìn)行了整合，根據(jù)專家意見統(tǒng)一納入到路塹節(jié)中。

3 編制特點(diǎn)

路基設(shè)計(jì)受高速鐵路的設(shè)計(jì)速度和軌道類型等因素影響顯著。為全面系統(tǒng)地反映高速鐵路對(duì)路基設(shè)計(jì)的要求，路基章節(jié)的編制篇幅和變化幅度均屬各專業(yè)之最，其內(nèi)容包括：引入了路基設(shè)計(jì)使用年限的要求；規(guī)定了基床結(jié)構(gòu)、基床填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、路堤填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、路基穩(wěn)定及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、特殊條件路基處理原則；提出了天然路基基床處理、路塹邊坡形式確定等原則；規(guī)定了過渡段設(shè)計(jì)方式及要求、路基地表水及地下水排水設(shè)施設(shè)置原則；明確了路堤及路塹邊坡防護(hù)原則、路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置原則；規(guī)定了變形觀測(cè)斷面、觀測(cè)裝置設(shè)置原則、觀測(cè)頻率、觀測(cè)精度控制及評(píng)估等相關(guān)要求。高鐵設(shè)規(guī)路基章節(jié)的創(chuàng)新點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

3.1 明確提出了路基工程的土工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)新理念

3.1.1 設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定

設(shè)計(jì)使用年限是作為結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)依據(jù)并具有足夠安全度或保證率的目標(biāo)使用年限。根據(jù)工程的重要性和可修復(fù)性，高鐵設(shè)規(guī)中首次明確規(guī)定了不同路基工程的設(shè)計(jì)使用年限：電纜槽、路基排水設(shè)施等小型混凝土構(gòu)件為30年；路基邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)為60年；路基主體工程中的支擋（承載）結(jié)構(gòu)，屬于不易更換的混凝土結(jié)構(gòu)且直接影響路基的穩(wěn)定與安全，定為100年。此外，同屬路基主體工程的地基處理及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，其設(shè)計(jì)使用年限為100年；路基本體雖然不是混凝土結(jié)構(gòu)，通過加強(qiáng)排水和防護(hù)、嚴(yán)格控制填料材質(zhì)及壓實(shí)質(zhì)量，其強(qiáng)度及變形性能（如沉降指標(biāo)等）趨于穩(wěn)定，一般不隨時(shí)間而衰減，且不存在疲勞破壞問題，甚至?xí)霈F(xiàn)增強(qiáng)和提高的情況，因此，類比橋涵與隧道等混凝土主體結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)使用年限亦為100年。

3.1.2 路基填料的最大粒徑要求

高速鐵路對(duì)路基填料的材質(zhì)、級(jí)配、水穩(wěn)性和密實(shí)度有著較高的要求，填料最大粒徑的限制對(duì)于保證路基工程質(zhì)量非常重要，也符合將路基作為土工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的理念。根據(jù)秦沈、武廣、哈大客專以及京滬高速鐵路等的施工經(jīng)驗(yàn)，我國鐵路對(duì)填料的劃分較粗，尤其是粗顆粒填料在實(shí)際施工填筑中存在填料組別合格但級(jí)配不良，直接碾壓不能達(dá)到所規(guī)定的壓實(shí)控制指標(biāo)等問題。因此，從有利于壓實(shí)質(zhì)量控制的角度，有必要在客專暫規(guī)的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步對(duì)填料粒徑進(jìn)行控制。另一方面，填料限制粒徑的減小增加了填料制備的成本，對(duì)于建設(shè)成本影響較大。綜合考慮我國國情和國外高鐵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之后，與客專暫規(guī)相比，高鐵設(shè)規(guī)中路基填料最大粒徑，在基床以下路堤內(nèi)由150 mm修改為75 mm、在基床底層由100 mm修改為60 mm。結(jié)合基床表層級(jí)配碎石45 mm的最大粒徑要求，填料最大粒徑在路基本體的多層結(jié)構(gòu)中形成的合理梯次和技術(shù)經(jīng)濟(jì)均衡性，不僅解決了地基系數(shù)K30及變形模量Ev2檢測(cè)方法要求與填料粒徑不匹配的尷尬局面，也將極大地促進(jìn)我國高速鐵路路基填料的工廠化制備進(jìn)程，顯示了我國對(duì)于路基本體質(zhì)量控制的決心，是踐行將路基作為結(jié)構(gòu)物建造理念的具體體現(xiàn)，具有標(biāo)志性的意義。

3.1.3 路基排水設(shè)施設(shè)計(jì)的降雨重現(xiàn)期要求

水是鐵路路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低的重要因素，需要對(duì)路基排水設(shè)施進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，排水設(shè)施合理設(shè)計(jì)中一個(gè)重要因素是確定設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期與鐵路的重要性、各項(xiàng)排水設(shè)施的排水目的和類型以及浸水或水淹對(duì)鐵路使用和周圍地區(qū)的影響程度有關(guān)，將影響工程造價(jià)。借鑒鐵一院開展的規(guī)范科研——《鐵路路基排水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及小流域流量計(jì)算研究》的成果，修改了沿襲至今的橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率概念，通過對(duì)水利、公路、橋涵和鐵路工程降雨重現(xiàn)期的對(duì)比分析，規(guī)定高速鐵路排水設(shè)施設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期為50年。這為準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)流量，從而合理確定排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸創(chuàng)造了有利條件。

3.2 優(yōu)化調(diào)整了路基填筑的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

客專暫規(guī)的編制階段，由于我國客運(yùn)專線的建設(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，本著審慎的初衷，路基填筑的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系中同時(shí)納入了德日兩國的壓實(shí)指標(biāo)，很好地控制了路基填筑質(zhì)量。隨著石太、合寧、合武、京津、武廣、鄭西等高速鐵路（客運(yùn)專線）的順利建成和成功運(yùn)營，基于經(jīng)驗(yàn)的積累和相關(guān)科研的跟進(jìn)，客運(yùn)專線鐵路同時(shí)使用地基系數(shù)K30、變形模量Ev2、動(dòng)態(tài)變形模量Evd、壓實(shí)系數(shù)K以及孔隙率n五項(xiàng)指標(biāo)，針對(duì)有砟、無砟軌道路基分別從中取用三指標(biāo)和四指標(biāo)進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，其體系龐雜、檢測(cè)繁復(fù)等弊端逐漸顯露出來。

對(duì)于高速鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系的優(yōu)化工作，鐵道部開展了大量專項(xiàng)研究.僅高鐵設(shè)規(guī)的兩年編制期間，就先后組織召開了“用Ev2評(píng)價(jià)客運(yùn)專線路基壓實(shí)質(zhì)量研究”、“鐵路路基工程改良土有關(guān)參數(shù)及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的研究”、“用Evd評(píng)價(jià)路基壓實(shí)質(zhì)量研究”、“鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)”、“鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制參數(shù)優(yōu)化與控制體系的研究”科研成果評(píng)審等多次專題會(huì)議。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高鐵設(shè)規(guī)的三次編制審查會(huì)，路基專家遵循在保證路基壓實(shí)質(zhì)量的前提下，最大程度地減少壓實(shí)指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作量的原則，就優(yōu)化高速鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系，經(jīng)多次研究討論取得如下共識(shí)：

1）路基的壓實(shí)質(zhì)量應(yīng)采用物理和力學(xué)雙指標(biāo)控制；

2）物理指標(biāo)應(yīng)統(tǒng)一采用壓實(shí)系數(shù)K；

3）力學(xué)指標(biāo)的K30與Ev2所反映的路基力學(xué)性能基本相同且具有較好的相關(guān)性，可相互替代；

4）考慮到K30、Ev2對(duì)化學(xué)改良土的壓實(shí)質(zhì)量不起主控作用的實(shí)際情況，化學(xué)改良土的力學(xué)指標(biāo)可采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

5）動(dòng)態(tài)變形模量Evd可以作為K30或Ev2試驗(yàn)的補(bǔ)充手段；

6）高速鐵路有砟軌道和無砟軌道可采用同樣的壓實(shí)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上共識(shí)，高鐵設(shè)規(guī)確定了如表1、圖1所示新的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系。新體系簡單明了、概念清晰，大幅削減了壓實(shí)檢測(cè)的作業(yè)時(shí)間和人力，達(dá)到了調(diào)整優(yōu)化目的，目前運(yùn)行良好。

表1 高速鐵路路堤填料及壓實(shí)表標(biāo)準(zhǔn)

值得一提的是，A、B組填料，尤其是B組填料由于缺少粒徑級(jí)配的要求，壓實(shí)性能不佳，填筑碾壓不能滿足壓實(shí)指標(biāo)控制要求的情況屢屢出現(xiàn)，因此高鐵設(shè)規(guī)對(duì)于粗顆粒填料粒徑級(jí)配提出了需滿足壓實(shí)性能的要求。意即對(duì)于選定的填料，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)，據(jù)以確定碾壓工藝的同時(shí)，確定填料制備級(jí)配，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合填料粒徑分布情況進(jìn)行級(jí)配改良。

3.3 完善了路基設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3.3.1 路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

天然地基作為路基基床底層，應(yīng)滿足一定的技術(shù)要求：Ps不小于1.5 MPa或σ0不小于0.18 MPa，之前的相關(guān)規(guī)定要求基床底層范圍內(nèi)均滿足上述要求。鑒于高速鐵路對(duì)于路基基床強(qiáng)度的要求是從上至下逐漸降低的，不同的層位應(yīng)該有不同的要求。通過“鐵路路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及參數(shù)的研究”課題成果，高鐵設(shè)規(guī)提出了基床換填設(shè)計(jì)方法并據(jù)此完善修改了相關(guān)條文，并將課題研究提供的基床換填設(shè)計(jì)方法納入了條文說明。

3.3.2 過渡段設(shè)計(jì)方法

關(guān)于路基與橋涵隧等結(jié)構(gòu)間過渡段結(jié)構(gòu)形式，在我國客運(yùn)專線建設(shè)過程中倒梯形、正梯形及二次過渡形式均有采用，經(jīng)過建設(shè)及運(yùn)營實(shí)踐逐步形成共識(shí)：三種形式均可實(shí)現(xiàn)剛度與變形的平順過渡；二次過渡形式相對(duì)于一次過渡的梯形方式，從技術(shù)角度而言，其先進(jìn)性不甚明確；從施工角度而言，工藝繁雜且影響工期，而梯形特別是倒梯形結(jié)構(gòu)形式無論在技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)上均具有優(yōu)勢(shì)，成為高鐵設(shè)規(guī)的推薦結(jié)構(gòu)形式（參見圖2）。

關(guān)于寒冷地區(qū)路基與橫向結(jié)構(gòu)物 （立交框構(gòu)、箱涵等）連接處的防凍處理，鑒于路基與橫向結(jié)構(gòu)物周圍等受氣溫影響較大的部位防凍脹融沉的任務(wù)非常艱巨，而高速鐵路對(duì)于變形的適應(yīng)性能較差，因此凍結(jié)影響范圍內(nèi)填料必須嚴(yán)格控制細(xì)顆粒含量以促進(jìn)排水，避免凍脹。由于適應(yīng)無砟軌道變形的路基填料防凍技術(shù)要求的相關(guān)研究尚未形成成果，高速規(guī)范提出了原則性要求和相應(yīng)的處理措施。

此外，明確了有砟軌道與無砟軌道連接處、短路基地段的過渡設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 路基支擋結(jié)構(gòu)的適用條件

結(jié)合景觀設(shè)計(jì)要求，高鐵設(shè)規(guī)明確了在城市及風(fēng)景區(qū)周邊積極采用與周圍景觀相協(xié)調(diào)的懸臂式、扶壁式、樁板式及加筋土擋墻等輕型支擋結(jié)構(gòu)的適用條件；結(jié)合我國汶川地震的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，規(guī)定了在地震區(qū)應(yīng)積極采用抗震性能優(yōu)異的加筋土擋墻等柔性支擋結(jié)構(gòu)的條文。

關(guān)于重力式支擋的結(jié)構(gòu)高度，由于重力式擋墻的基礎(chǔ)底面寬、體積大，難以采用逆作法、開挖后臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性低，且受施工條件、材料等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)較多，結(jié)合抗震要求應(yīng)進(jìn)一步控制其使用高度，無法避免時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高安全系數(shù)。因此，高速暫規(guī)將重力式支擋結(jié)構(gòu)的適用高度從客專暫規(guī)的12～14 m降低至6～8 m（路堤墻不宜大于6 m，路肩墻不宜大于8 m），同時(shí)嚴(yán)格了其材料（不采用片石混凝土）及工藝要求。

路基章節(jié)還增加了無砟軌道的荷載換算土柱高度及分布寬度，調(diào)整、細(xì)化了有砟軌道曲線地段路基面加寬值，豐富了無砟和有砟軌道的路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖?？蛯阂?guī)中有關(guān)作用在路基面上動(dòng)應(yīng)力設(shè)計(jì)值及其在路基面的分布條文，由于動(dòng)應(yīng)力的分布具有一定的規(guī)律性，通過研究動(dòng)應(yīng)力幅值及傳遞規(guī)律確定基床厚度、填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，雖然可以通過選擇軌道形式影響動(dòng)應(yīng)力的分布，但不能規(guī)定動(dòng)應(yīng)力的分布，故作刪減處理?；踊靥畹膲簩?shí)指標(biāo)由K30變更為簡便易行的Evd，并明確了具體標(biāo)準(zhǔn)值。

通過上述調(diào)整，使得路基設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求更趨完善而合理。

3.4 體現(xiàn)了路基變形觀測(cè)及評(píng)估的重要性

新增的路基變形觀測(cè)及評(píng)估一節(jié)，既體現(xiàn)了高速鐵路對(duì)路基工后沉降的嚴(yán)格要求，也滿足了高速鐵路路基設(shè)計(jì)的過程完整性要求。通過統(tǒng)一觀測(cè)頻次、精度、評(píng)估方法等技術(shù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的可比性和軌道鋪設(shè)條件的可控性目標(biāo)。

3.5 強(qiáng)化了路基工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)調(diào)站前站后各專業(yè)間的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和加強(qiáng)專業(yè)接口間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是高鐵設(shè)規(guī)區(qū)別于客專暫規(guī)的主要特點(diǎn)之一。路基面上的電纜槽、電纜井、過軌管線、綜合地線、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)、聲屏障基礎(chǔ)、無砟軌道Ⅱ型板限位結(jié)構(gòu)等工程的施工一般滯后于路基主體工程，需要在主體工程施工時(shí)預(yù)留條件，系統(tǒng)規(guī)劃，統(tǒng)籌實(shí)施，避免造成二次開挖，造成路基及排水系統(tǒng)的損害，影響路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上所述，高鐵設(shè)規(guī)路基設(shè)計(jì)，與客專暫規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容縱向比較，在不到三年的時(shí)間里已發(fā)生了全面變化和質(zhì)的升華。需要說明的是，規(guī)范條文的形成均基于一定的過程，了解過程對(duì)于執(zhí)行規(guī)范具有重要的借鑒意義。比如壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)K30及Ev2的取舍不純粹是技術(shù)的比較，還應(yīng)考慮規(guī)范體系的連續(xù)性。此外今后如何優(yōu)化路基填料分組、細(xì)化填料的粒徑級(jí)配要求，基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論化、體系化以及地基處理設(shè)計(jì)的優(yōu)化等都將是高速鐵路路基設(shè)計(jì)所面臨的重要課題。

另一方面，我國高速鐵路路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與日德等國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較，總體相當(dāng)。我們對(duì)于穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定較國外偏低，對(duì)于壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定則稍高。實(shí)踐表明，按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》建設(shè)的高速鐵路完全可以實(shí)現(xiàn)高速平穩(wěn)運(yùn)行。因此，在規(guī)范執(zhí)行過程中建議準(zhǔn)確理解規(guī)范條文，不可盲目抬高技術(shù)要求，造成工程浪費(fèi)；同時(shí)認(rèn)真積累工程經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步完善本規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB 10621-2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）[S].北京:中國鐵道出版社，2009