新型有軌電車路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究與實(shí)踐*

柳憲東

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510220，廣州//高級(jí)工程師)

當(dāng)前，發(fā)展具有一定運(yùn)量、投資少、周期短、能耗低并且綠色環(huán)保的公共交通方式——新型有軌電車，成為解決城市交通擁堵問(wèn)題的合理方式，該系統(tǒng)在國(guó)外已有廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)也迅速發(fā)展[1]。

新型有軌電車與同屬于城市軌道交通范疇的地鐵和輕軌有較多相似之處，但又具有明顯的自身特點(diǎn)。新型有軌電車與地鐵的技術(shù)特征比較如表1所示。

表1 有軌電車與地鐵綜合指標(biāo)比較

對(duì)于有軌電車工程的路基形式與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，雖然國(guó)內(nèi)各實(shí)施單位已開(kāi)展了相關(guān)方面的研究和設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)理念各異，未形成國(guó)家、行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為此，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)主要在建或規(guī)劃有軌電車線路的路基結(jié)構(gòu)形式與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合廣州海珠環(huán)線開(kāi)展的專項(xiàng)科研及應(yīng)用情況，提出了優(yōu)化的路基形式與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題予以分析和論述，供同類型工程借鑒參考。

1 國(guó)內(nèi)有軌電車路基結(jié)構(gòu)及工后沉降標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)北京、上海、武漢等國(guó)內(nèi)十余個(gè)地區(qū)的有軌電車路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)研，范圍覆蓋了我國(guó)東北、華北、華中、華南等區(qū)域，地質(zhì)條件覆蓋了軟土、硬土等區(qū)域。調(diào)研得出路基設(shè)計(jì)主要集中在荷載及路基結(jié)構(gòu)形式。荷載可以通過(guò)模擬計(jì)算確定，下面主要統(tǒng)計(jì)分析路基結(jié)構(gòu)形式。

1.1 路基結(jié)構(gòu)形式

圖1統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)主要城市有軌電車路基的調(diào)研數(shù)據(jù)。路基主要采用支撐層+基床表層+基床底層的分層土工結(jié)構(gòu)形式。其中支撐層主要采用100～400 mm素混凝土或鋼筋混凝土材料，基床表層多采用400 mm級(jí)配碎石或水穩(wěn)碎石，基床底層多采用400～800 mm厚A、B組填料或改良土構(gòu)成，總路基厚度1.1～1.4 m?；蚕萝浕饕幚矸绞綖閿嚢铇痘驌Q填加固。

a) 支撐層材料形式b) 基床結(jié)構(gòu)形式c) 路基總厚度

圖1 各地有軌電車基床形式及分層厚度

1.2 工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

路基沉降主要基于無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)，其中有55%絕對(duì)沉降值按50 mm控制，70%以上不均勻沉降值按20 mm控制。路橋過(guò)渡段與橋梁間折角按1/1 000控制,如圖2所示。

a) 絕對(duì)沉降b) 不均勻沉降c) 過(guò)渡段與橋梁間的折角

圖2 有軌電車工后沉降設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 地基處理統(tǒng)計(jì)分析

按照20～30 mm工后沉降進(jìn)行地基處理，加固深度多穿透軟土層。

2 有軌電車路基設(shè)計(jì)原理與優(yōu)化分析

有軌電車路基的結(jié)構(gòu)型式、填料選擇、工后沉降標(biāo)準(zhǔn)決定了工程造價(jià)及工后運(yùn)營(yíng)的安全性和舒適性，是有軌電車路基工程設(shè)計(jì)需考慮的重要問(wèn)題。有軌電車線路均采用無(wú)砟軌道，因此，主要討論無(wú)砟軌道的路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 等效荷載

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)提高可操作性，通常將道床質(zhì)量、列車荷載及其他荷載換算成有一定高度的、與路基土有相同密度的作用于路基面上的假想土柱。土柱高度計(jì)算公式為：

式中：

h——土柱高度；

P—軌道荷載，需考慮鋼軌荷載、扣件及螺栓、道床板、路面鋪裝或綠化層荷載，綜合疊加;

Q——列車荷載，根據(jù)列車軸重、轉(zhuǎn)向架距離、車輪布置進(jìn)行換算;

γ——土柱重度，自定義，可取20 kN/m3;

l0——土柱分布寬度，取道床底面寬度，應(yīng)區(qū)分整體道床與碎石道床。

按上述參數(shù)計(jì)算可知，土柱高度為2.1 m，分布寬度為2.4 m(整體道床)。

2.2 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

為保障行車安全，如發(fā)生工后不均勻沉降，通過(guò)調(diào)整軌道扣件高度形成的線路豎曲線應(yīng)滿足安全行車要求，即通過(guò)扣件調(diào)整后，豎向過(guò)度曲線半徑應(yīng)滿足：

v≥0.4R2

有軌電車目前設(shè)計(jì)的最高速度ν=70 km/h，調(diào)整后豎曲線半徑R只要大于1 960 m，滿足扣件允許調(diào)高量的限制即可。軌道扣件調(diào)高量最高為30 mm，因此允許的工后不均勻沉降值建議控制在30 mm以內(nèi)。

2.2.2 絕對(duì)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

在滿足不均勻沉降要求的基礎(chǔ)上，額外累加的絕對(duì)沉降并不直接影響列車的運(yùn)營(yíng)安全。但考慮到有軌電車作為地面線路，與周邊道路、綠化、人行區(qū)域臨近，如發(fā)生過(guò)大工后沉降，一方面會(huì)導(dǎo)致在雨天線路容易發(fā)生積水，影響行車安全；另一方面會(huì)導(dǎo)致景觀不協(xié)調(diào)，因此線路設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)高出地面10～15 cm。建議絕對(duì)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)在50～100 mm，放寬絕對(duì)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)投資成本帶來(lái)直接的優(yōu)化空間。

2.3 基床形式的確定

有軌電車路基形式一般采用支撐層+基床表層+基床底層的分層土工結(jié)構(gòu)形式。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)有軌電車多采用現(xiàn)澆整體道床，路基層上方需要設(shè)置素混凝土底膜層，為提高路基剛度的連續(xù)性，建議設(shè)置支撐層。支撐層建議采用100～200 mm厚混凝土材料，特殊地段如地基剛度變化大、跨越管線、跨越其他地下建構(gòu)(筑)物等情況可根據(jù)需要局部配置鋼筋,形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),提高整體剛度。

2.4 基床總厚度的確定

列車的動(dòng)應(yīng)力沿深度逐漸衰減，一般將動(dòng)應(yīng)力影響較大的部分定義為基床層。根據(jù)壓實(shí)土的動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)表明，當(dāng)動(dòng)、靜應(yīng)力比值在0.2以下時(shí)，加載10萬(wàn)次的塑性累計(jì)變形在0.2%以下，而且很快能達(dá)到穩(wěn)定。

動(dòng)應(yīng)力沿路基深度的分布，可采用Boussinesq理論計(jì)算，即在長(zhǎng)方形均布荷載作用下，荷載中心下深度z處的垂直應(yīng)力為：

式中：

P0——等效荷載強(qiáng)度;

m=a/b,n=z/b,其中a、b——等效荷載分布1/2的長(zhǎng)度、寬度。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)基床總厚度達(dá)到1.3 m時(shí)，可滿足動(dòng)應(yīng)力衰減至自重應(yīng)力20%的條件，如圖3所示。同時(shí)考慮200 mm厚素墊層，剩余部分基床總厚度按1.1 m控制。

圖3 基床動(dòng)靜應(yīng)力曲線圖

2.5 基床設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

對(duì)于基床各層厚度的確定主要考慮基床變形控制和基床強(qiáng)度控制?；沧冃慰刂疲康氖潜ＷC列車運(yùn)行平順，基床表層產(chǎn)生的應(yīng)變不會(huì)導(dǎo)致表面鋪裝開(kāi)裂或塑性變形過(guò)大，降低基床表層壽命，以列車荷載作用下路基頂面變形量≥4 mm標(biāo)準(zhǔn)控制；基床強(qiáng)度控制，列車荷載通過(guò)基床表層傳遞給基床底層填土產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力須小于其允許動(dòng)強(qiáng)度。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

注:E1、E2分別為基床表層、底層變形(彈性)模量

2.5.1 變形復(fù)核

對(duì)于由分層結(jié)構(gòu)組成的彈性地基，采用Boussinesq理論，中心點(diǎn)的沉降W0可用下式計(jì)算：

式中n1=h/b,q=E1/E2，μ為泊松比,其中h為基床表層厚度。

基床表層填料的組成參照鐵路路基規(guī)范路塹基床設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及部分研究成果選取基床表層、基床底層填料屬性及相應(yīng)參數(shù)，部分設(shè)計(jì)參數(shù)及材料如表2所示。

表2 路基各層材料及參數(shù)表[2-4]

根據(jù)試算，當(dāng)路基表層厚度在400 mm時(shí)，路基層壓縮值約為3.7 mm，滿足設(shè)定條件要求。

2.5.2 動(dòng)應(yīng)力復(fù)核

結(jié)合法國(guó)鐵路實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，壓實(shí)度K為0.85時(shí)，路基面下200～400 mm左右，動(dòng)強(qiáng)度與動(dòng)應(yīng)力曲線相交，即表層厚度400 mm時(shí)，已滿足動(dòng)應(yīng)力衰減要求，如圖5所示。

圖5 基床動(dòng)荷載與動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系圖

綜上，建議基床表層厚度≥400 mm，基床底層可取700 mm。

2.6 地基處理標(biāo)準(zhǔn)

基床下軟基可視情況進(jìn)行換填或其他加固等地基處理措施形成復(fù)合地基。

地基處理主要目的有兩方面，一方面為控制總工后沉降，另一方面滿足下臥層強(qiáng)度承載要求。目前常見(jiàn)的地基處理方法主要包括換填法和復(fù)合地基法。應(yīng)結(jié)合不同地段條件，選擇合理的處理措施，同時(shí)結(jié)合有軌電車荷載的特點(diǎn)、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮，并充分發(fā)揮天然地基的共享，突出有軌電車的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，如表3所示。

表3 不同條件下的地基處理

對(duì)于表3提到的第三種條件下的軟基處理方案合理選擇是控制投資的關(guān)鍵，特別是沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，絕對(duì)沉降按5～10 cm控制。而加固深度，建議充分考慮地基土自身剛度、強(qiáng)度(特別是軟土區(qū)域的隨深度修正)，做到加固強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

采用有限元軟件Midas模擬相同軟土深度情況下，對(duì)不同地基處理深度的加固效果進(jìn)行試算。輸入條件如下：上層軟土厚度15 m，下層硬土厚度5 m，材料參數(shù)如表4所示，車輛荷載采用4節(jié)編組列車，列車最大軸重為12.5 t。建立地層-結(jié)構(gòu)有限元模型,模擬分析路基在列車荷載作用下的沉降變化。其中，原狀地層及加固地層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)進(jìn)行剛度置換(按道床下方設(shè)置3根φ600 mm、縱向間距1.2 m加固體考慮，置換率約為30%)，鋼軌及軌枕采用彈性本構(gòu)。

表4 巖土參數(shù)表

整體計(jì)算模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為60 m×30 m×20 m。

在列車荷載作用下，加固深度分別為6 m、9 m、12 m情況下,路基中心最大沉降值分別為13.7 mm、10.1 mm、6.6 mm，如圖6所示，累加路基層壓縮沉降3.7 mm后，工后沉降分別為17.4 mm、13.8 mm、10.3 mm，均小于工后沉降絕對(duì)控制值50 mm，同時(shí)也滿足差異沉降值20 mm/20 m。

圖6 模擬計(jì)算線路中心豎向沉降值

3 工程實(shí)踐

3.1 廣州海珠環(huán)島新型有軌電車項(xiàng)目概況

廣州海珠環(huán)島新型有軌電車試驗(yàn)段工程線路全長(zhǎng)約7.7 km，其中路基段長(zhǎng)度約7 km，采用全地面敷設(shè)。

沿線地勢(shì)平坦，軟土發(fā)育充分，主要地層由上至下主要為<1>人工填土、<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥質(zhì)土、<2-2>淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、<2-3>中粗砂、<6>全風(fēng)化砂巖、<7>強(qiáng)風(fēng)化砂巖、<8>中風(fēng)化砂巖。其中軟土地層最大埋深約15 m。地層參數(shù)如表5所示。

表5 地層參數(shù)值

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

路基工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)須滿足路基強(qiáng)度、剛度等承載要求。

1) 無(wú)砟軌道線路路基工后不均勻沉降不應(yīng)超過(guò)20 mm，沉降比較均勻時(shí)允許的工后沉降為50 mm。

2) 路基基床表層厚度≥0.4 m，底層厚度應(yīng)≥0.7 m。

3) 基床表層填料應(yīng)優(yōu)先選用A、B組填料，基床底層填料優(yōu)選用A、B、C組填料，也可結(jié)合場(chǎng)地條件采用改良土。

4) 軟土及其他類型厚層松軟地基上的路基應(yīng)進(jìn)行路基穩(wěn)定性、沉降檢算。當(dāng)穩(wěn)定安全系數(shù)、工后沉降不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地基處理。采取不同加固措施地段應(yīng)采取一定的過(guò)渡措施。

3.3 路基斷面設(shè)計(jì)與地基處理方式

依據(jù)沿線地層、周邊環(huán)境條件的不同，路基形式及加固方式靈活采用了素墊層結(jié)合換填、翻挖回填+水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等不同方式，具體處理方式如圖7所示。

圖7a)方案，主要用于越江路段(5.3 km)，軟土厚度(含淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層)0.4～15.0 m不等。設(shè)計(jì)采用方案為：素墊層(0.2 m)+換填水穩(wěn)砂路基層(1.1 m)+換填水穩(wěn)砂地基表層(0.4 m)+基底碾壓(考慮2 m處理深度)，開(kāi)挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度3.5 m。

圖7b)方案，主要用于規(guī)劃路段(0.3 km)。軟土厚度(含淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層)5～11 m不等，設(shè)計(jì)方案為：素墊層(0.2 m)+翻挖回填改良層(0.4 m)+攪拌樁復(fù)合地基處理(含基床底層)，開(kāi)挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度3.6～10.6 m。

第3種方案，主要用于新港路地鐵8號(hào)線正上方(1.4 km)，采用全深度雜填土回填層6～10 m不等，設(shè)計(jì)方案為：素墊層(0.2 m)+旋噴樁復(fù)合地基處理(5～9 m處理深度)，開(kāi)挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度5.2～9.2 m。

3.4 實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果

廣州海珠環(huán)島試驗(yàn)段有軌電車自2014年底開(kāi)通以來(lái)，已安全運(yùn)營(yíng)近4年。圖8、圖9為沿線布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最新測(cè)量數(shù)據(jù)，直接反映了各段路基的工后沉降情況。

圖8 換填段路基工后沉降監(jiān)測(cè)示意圖

圖9 攪拌樁、旋噴樁段路基工后沉降監(jiān)測(cè)示意圖

可以看出，換填段路基基床主要采用水穩(wěn)砂層，對(duì)深厚軟土主要采用表層換填結(jié)合地層重型碾壓，工后沉降平均值6～7 mm，最大值12 mm，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值小于10 mm。攪拌樁、旋噴樁段基床表層采用了改良土或復(fù)合地基層，軟土層加固采用了復(fù)合地基，工后沉降平均值控制在4～5 mm，最大值7 mm，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值小于6 mm。各類加固措施均能有效控制路基工后沉降值在50 mm范圍內(nèi)(甚至未超過(guò)20 mm)，研究成果得到了成功的驗(yàn)證。

海珠環(huán)島試驗(yàn)段有軌電車路基工程采用以上設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路基工程平均造價(jià)約700萬(wàn)元/km，低于同期其他城市甚至地質(zhì)較好地區(qū)的有軌電車路基工程造價(jià)。

4 結(jié)論

1) 有軌電車路基的工后沉降標(biāo)準(zhǔn)及地基處理方式，決定了路基方案、造價(jià)水平。合理的沉降標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是經(jīng)濟(jì)性和功能性的最佳結(jié)合。其既是路基設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)又是檢驗(yàn)成效的標(biāo)準(zhǔn)。

2) 通過(guò)理論分析和實(shí)踐表明，有軌電車路基的總工后沉降標(biāo)準(zhǔn)采用50 mm，甚至進(jìn)一步放寬至100 mm、填料要求采用水穩(wěn)砂、改良土、復(fù)合地基，同時(shí)適當(dāng)優(yōu)化基床高度，是合理可行的。

3) 對(duì)基床下軟弱土層，采用不設(shè)置路肩、倒梯形換填方式路基，可減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)大大縮短工期及降低造價(jià)。采用復(fù)合地基，充分利用地基土承載力，選擇適當(dāng)?shù)某至樱潜仨毲豆痰接餐翆?，既可以滿足整體工后沉降控制要求，也可達(dá)到客觀的經(jīng)濟(jì)性。