高速鐵路路基設計中有關問題的回顧與思考

熊林敦

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 軟黏土地段路基沉降控制及工程措施

近代沉積的黏性土特別是松軟土、軟土均具有較大的壓縮性，路基建成后，都會發(fā)生沉降，而且會延續(xù)較長的時間。這可能給運營后的高速鐵路行車帶來困難，甚至根本不能實現(xiàn)高速運營。所以地基的沉降控制是一個必需面對的重要問題。

在國外如德國，對鋪設無砟軌道的路基，地基沉降的控制有著非常嚴格的要求，認為高速鐵路在無砟軌道鋪設后及運營階段軌面高程只能通過扣件系統(tǒng)進行調整，因此，與有砟軌道相比對下部基礎變形的要求更為嚴格。并提出了如下觀點:①長期運營中路基工后殘余沉降量必須小于等于扣件的調高量減去5 mm;無砟軌道扣件本身最大可調量為20 mm(已考慮相關施工、測量誤差等)，無砟軌道路基允許的工后殘余沉降應≤15 mm。②如果在路基長度大于20 m的線路范圍產生較均勻的軌道下沉，則路基工后殘余沉降允許達到第①項的2倍，即≤30 mm，并且在某一線路區(qū)段上的路基的下沉能按豎曲線Ra≥0.4V2e進行圓順(式中Ra為豎曲線半徑，Ve為線路設計最高速度)，允許工后差異沉降值≤13 mm/50 m。③路橋或路隧交界處的差異沉降不應大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁等的折角不應大于1/500。④對于使路基產生不可預測的殘余變形區(qū)段、地下水位高出鋼軌頂面以下1.5 m的路基區(qū)段均不應鋪設無砟軌道。⑤對所有土質地基均需進行工后沉降分析，對不滿足工后沉降控制標準的地基需進行處理，要求路基填筑完成后至少應有6個月的沉降觀測期，經(jīng)工后沉降評估分析滿足要求時方可鋪設無砟軌道。

在武廣高速鐵路建設期間，我國也制定了《客運專線無砟軌道鐵路設計指南》，對地基沉降作出了詳細的規(guī)定:“路基在無砟軌道鋪設完成后的工后沉降，應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調高量15 mm……”。與普速鐵路相比，路基工后沉降控制基本建立起趨于“零”沉降概念。

路基沉降包含動力荷載引起的沉降、路基填料自重壓密沉降及路基基底地基壓縮變形沉降3部分，軟土地基壓縮變形又由瞬時變形、正常固結變形及次固結變形組成。地基沉降計算方法有考慮三向應力的方法，考慮應力路徑的方法，有限元法等，無論采用什么方法，計算并不是件難事，難的是如何使其計算結果與實際相符。根據(jù)對既有線的調查統(tǒng)計，這些計算方法的結果均與實際沉降量有較大的差距，計算值往往偏小，所以在以往的設計中，通常采用經(jīng)驗系數(shù)對其進行修正。由于高速鐵路對路基工后沉降控制嚴格，而目前各種計算方法均有較大的誤差，為簡化計算，目前地基沉降仍按分層總和法進行，對于飽和土地基按太沙基固結理論進行計算，對于非飽和土地基按《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2002)進行計算，復合地基加固下臥層沉降計算時應考慮應力擴散影響。同時，為解決計算的誤差，確保路基工后沉降滿足無砟軌道鋪設要求，一般對深厚軟土地段采用堆載預壓，且應有不少于6個月的觀測和調整期，以保證路基變形符合相關要求，即地基土層沉降變形完成的時間，采用理論計算與現(xiàn)場觀測相結合的方法來確定，通過精確的沉降觀測來推算地基的最終沉降量，這是目前解決由于計算方法誤差問題的唯一選擇。如武廣客運專線在軟黏土地基路基設計原則中作了如下規(guī)定:路基施工至設計高程(有預壓土方時至預壓土方的頂面)后，先持續(xù)監(jiān)測不少于6個月的時間，根據(jù)這6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制“時間—填土高—沉降量”曲線，按實測沉降推算法或沉降的反演分析法，分析并推算總沉降量、工后沉降值以及后期沉降速率，并初步分析推測最終沉降完成時間，以確定鋪軌時間，并根據(jù)分析結果，結合工期要求，驗證、調整設計措施使地基處理達到預定的變形控制要求，當評估結果表明沉降還不能滿足無砟軌道的鋪設要求時，則研究確定是延長路基擺放時間繼續(xù)監(jiān)測，還是采取(或調整)地基加固措施(如調整預壓土高度、確定預壓土卸荷時間、調整或增加地基加固措施等)，即進行監(jiān)測—評估—調整”循環(huán)，以滿足無砟軌道鋪設要求。

2 淺層軟地基的處理

對位于丘間谷地、水塘、階地等表層黏性土、軟土地段的路基，采用換填、強夯、碾壓等處理措施是以往普速鐵路設計中常用的方法，可根據(jù)各線的實際情況進行選擇，其施工簡便，一般也能滿足路基對工后沉降及穩(wěn)定的要求。但對于要求“零”沉降的無砟軌道高速鐵路而言，簡單地采用拋石擠淤、強夯、碾壓等處理措施很難滿足路基對變形及剛度的要求。在武廣高速鐵路武漢試驗段及烏龍泉至花都段都曾設計有強夯、碾壓等處理措施，但經(jīng)試驗成功的很少，大部分都修改了設計。因此，對淺層的黏性土、軟土地基，建議采用換填、CFG樁、小方樁等措施進行加固，慎用強夯等處理措施。

3 地基加固方法

為滿足路基工后沉降趨于“零”沉降的要求，目前已運營或正在勘察設計的客運專線特別是無砟軌道線路普遍采用剛性樁進行地基加固，如鉆孔樁、管樁、CFG樁等，使用較多的樁網(wǎng)結構，如CFG樁樁網(wǎng)復合地基，目前一般按《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—2002)進行設計與沉降估算;在設計過程中，樁上碎石墊層與土工格柵主要起均布應力與均勻沉降作用，不作為受力結構進行設計。

而在德國，CFG樁樁網(wǎng)復合地基按群樁理論進行設計，拉筋是用來傳遞樁所承載的應力的，作為受力結構進行設計，應考慮土工格柵樁間形成的拱，應力重分布作用與薄膜作用(樁與土之間沉降差異引起土工格柵的應變和張應力)等的影響。路堤穩(wěn)定性計算還應考慮路堤沿土工格柵面滑移破壞。

鑒于CFG樁樁網(wǎng)復合地基在我國建筑部門設計中已取得一定的成功經(jīng)驗，且經(jīng)施工、使用驗證是滿足使用要求的，所以CFG樁樁網(wǎng)復合地基目前可按復合地基進行整體穩(wěn)定和沉降設計計算，其上的碎石墊層與土工格柵視為褥墊層。同時建議結合工程實踐對土工格柵的受力狀態(tài)進行研究，以完善相關的設計理論。

4 路堤邊坡高度的控制

路堤建成后發(fā)生的變形如前所述主要由3部分組成，實驗表明列車荷載作用下發(fā)生的變形其數(shù)值是有限的，且主要作用在基床范圍，可通過改善基床的材質和提高基床的密實度來控制;路基地基壓縮變形沉降一般要在運營后幾年甚至幾十年的時間才能完成，路堤邊坡高度越大對地基產生的附加應力越大，影響深度亦越深，地基產生的塑性變形也就越大，目前客運專線大多可通過地基加固，采用切實可行的加固措施如樁板結構等，將樁打入硬層等來應對，但若不對路堤高度進行控制，地基加固費用將越來越高;而路基填料自重壓密沉降，根據(jù)日本的經(jīng)驗，當K30≥70 MPa/m時，路堤本體的壓縮下沉為填土高度的0.1% ～0.3%(砂性土)及0.2% ～0.5%(黏性土)，我國普速鐵路的經(jīng)驗表明，壓實系數(shù)達到0.9，路基下沉約為路堤高度的0.1%，但是，20世紀50年代對質量一般的工點觀測記錄表明，下沉可達到1% ～3%。

填土的壓密下沉屬永久下沉，必須采取措施進行控制。首先，在勘察期間應根據(jù)地基條件確定一個合理的橋路分界高度，即對路堤邊坡高度進行控制，如滬昆客運專線規(guī)定:地質條件較好的丘陵山區(qū)橋路分界高度建議為6～8 m;河流階地或鄰近大中城市地區(qū)橋路分界高度不超過5 m;儲、滯洪區(qū)等水害頻發(fā)段和杭紹平原一帶廣泛分布深厚軟弱地基，原則上以橋通過，當需要采用路堤形式通過時，填高應控制在4.0 m以內。其次，在作路基設計時，應根據(jù)填土的高度在材質、壓實密度等方面提出合理的要求，事實上，根據(jù)日本、德國高速鐵路的經(jīng)驗，填土的總壓密下沉中有相當一部分是施工過程中就完成了的，并且1年內下沉漸趨穩(wěn)定。由此完全可以通過施工組織的合理安排來解決，如目前客運專線普遍采用的:路基施工完后預壓或放置6個月，再進行后續(xù)施工。

路堤邊坡高度的控制與地基條件、路基填料、地基加固方法、施工組織等有密切的關系，在沒有充分的依據(jù)條件下，目前個人以為客運專線無砟軌道路基高度應不超過8 m為宜。同時應加強監(jiān)測、收集和研究客運專線在不同填料不同壓實密度(或其他相關指標)等的情況下，路基填料自重壓密的沉降值或比值，以積累經(jīng)驗。

5 深路塹高邊坡

《鐵路邊坡防護及排水工程設計補充規(guī)定》(鐵建設［2009］172號)中規(guī)定:“……路塹邊坡高度在土質及風化破碎軟質巖地段不應超過15 m，硬質巖石地段不應超過30 m，中～強膨脹巖土地段不應超過10 m……”，在實際工作中特別是山區(qū)鐵路很難做到。比如合福鐵路(合肥—福州)在初步設計階段路基邊坡最高的達70 m(位于古田車站)，高度超過30 m的工點有將近200個;杭(州)黃(黃山)鐵路淳安車站路塹邊坡最高達50 m，超過30 m的工點亦有將近20處。在施工設計時經(jīng)過反復優(yōu)化，但仍難滿足上述補充規(guī)定的要求。這些高邊坡大多位于車站內，因考慮車站的通視條件及多線隧道施工的難度和場地的限制，仍按路基進行設計。盡管在設計中采取了加強措施，爭取做到萬無一失，但仍給今后的運營帶來一定的安全考問。如何解決類似這樣的路基高邊坡問題，筆者以為除加強山區(qū)鐵路的選線外，有沒有更好的安全可靠的結構措施，有待我們今后的努力。

6 路基填料的選擇

高速鐵路路基填料的選擇是十分重要的，在《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》中對路基各部位填料的要求都有較詳細的規(guī)定。

在技術上必須滿足規(guī)范要求外，考慮環(huán)保、經(jīng)濟等因素應盡量利用沿線隧道、路塹棄方，這就涉及到軟巖能否作填料的問題。武廣、杭長、合福、杭黃客運專線等大多經(jīng)過丘陵低山區(qū)，沿線均分布有泥質砂巖、泥巖、黏土巖、千枚巖、泥質板巖、砂礫巖等軟巖，如果這些軟巖棄砟能利用作為路堤填料，不僅可以解決填料缺乏的問題，而且能避免大量棄砟占用農田，污染環(huán)境，并達到節(jié)省投資的目的。從國內外資料來看，都應盡量利用隧道、路塹棄砟作路堤填料，包括易風化軟巖塊和軟巖風化巖塊，軟巖塊和軟巖風化巖塊作填料有其自身的特點，其粒徑組成會隨著碾壓過程及裸露時間長短而變化，它不能像硬石質填料一樣可以采取控制顆粒級配來達到最佳密度，也就是說壓實標準不能采用碎石類土、砂類土的標準，也不能像細粒土作擊實試驗一樣將軟質巖塊全部破碎成土樣，控制含水量而達到最佳狀態(tài)，所以也不能采用細粒土的壓實標準。因為軟巖大多極易風化，還具有一定的崩解和膨脹性，壓實不夠，巖塊還會受到大氣、水等外力因素作用而產生風化和脹縮，引起路基變形?？傊?，目前還沒有采用軟巖作為高速鐵路路堤填料的成熟技術和相關的技術標準要求。在武廣客運專線的建設過程中，就發(fā)現(xiàn)挖方地段大多為軟巖，為此重點對白堊系泥質粉砂巖、含礫砂巖、元古界泥質板巖進行了一些相關的室內試驗和現(xiàn)場填筑試驗，結果表明，對于碾壓破碎難度較大的弱、未風化軟巖通過采用摻和中粗砂、礫石土等粗顆粒土進行物理改良;對全風化、強風化易碾壓破碎的軟巖采用摻和水泥或石灰進行化學改良，并采取適當?shù)氖┕すに嚰胺浪O計措施，軟巖是完全可以作為路基本體填料的。但不同的軟巖其工程性質差別較大，不但涉及到改良方案，還與施工組織、施工工藝等有關，今后應加強研究積累經(jīng)驗。

7 路基的排水

水是路基的大敵，排水系統(tǒng)設置不合理、排水設施過水斷面不足或排水設施淤塞、排水不暢等，都會引起嚴重的路基病害，2010年贛龍線水害充分說明了這一點。在排水系統(tǒng)的具體設計工作中，排水設施的合理布置和其過水斷面的設計是非常重要的兩個環(huán)節(jié)。路基排水設施應與橋涵、隧道、房屋、農田等排水建筑物相順接，以求水流通暢;排水設施的過水斷面尺寸需根據(jù)流量的大小經(jīng)水力計算確定，以保證有足夠的過水能力，在2005年開始實施的路基設計規(guī)范已將路基排水設施設計降雨的重現(xiàn)期由原來的25年改為50年，另外為確保排水設施的質量，目前在建的鐵路客運專線在材質上也作了詳細的規(guī)定:側溝、天溝、排水溝應采用混凝土澆筑或預制拼裝，不得采用漿砌片石。鐵路客運專線路基排水系統(tǒng)無論從設計水量的大小、設施的材質等標準都較過去有所提高，應該說對路基的穩(wěn)定、列車的安全運營是有保證的。但也有個別地方因地形、交通設施等的限制，采用集中排水的方式抽排水，在暴雨時可能會導致路基臨時性泡水引起病害，這種情況在勘察設計中應盡量避免。

8 結語

目前客運專線路基設計主要以《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》作為設計參考，雖然京津運營多年、武廣運營也一年多，其他大多都在建設中，但每條客運專線所處的外部環(huán)境、地形地貌、地質條件都不一樣，遇到的問題也有所不同，比如普遍遇到的軟巖填料、橋隧間短路基的處理、合福客運專線等高邊坡的設計等問題，希望通過共同探討來尋求一個合理的設計解決方案。

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