400 km/h高速鐵路路基設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討

付銘川 周 成 李安洪 周和祥

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

高速鐵路路基是承受軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載的基礎(chǔ)，是鐵路工程的重要組成部分，除應(yīng)具備鐵路路基的基本功能外，還應(yīng)滿足列車高速運(yùn)行的要求，具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性。目前，國(guó)內(nèi)鐵路路基設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅適用于350 km/h及以下速度的高速鐵路，尚無(wú)400 km/h高速鐵路路基系統(tǒng)全面的研究。中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司與中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司對(duì)現(xiàn)有高速鐵路線下基礎(chǔ)能否滿足400 km/h高速列車的運(yùn)營(yíng)條件進(jìn)行了初步論證；西南交通大學(xué)在京滬高速鐵路試驗(yàn)段上開展了420 km/h條件下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，積累了部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司依托俄羅斯莫喀高速鐵路對(duì)400 km/h 高速鐵路路基基床結(jié)構(gòu)、填料、過(guò)渡段、地基處理及監(jiān)測(cè)等開展了研究，但研究側(cè)重于低溫嚴(yán)寒環(huán)境下的路基結(jié)構(gòu)性能。

基于此，本文結(jié)合成渝中線高速鐵路(預(yù)留400 km/h提速條件)的設(shè)計(jì)研究，通過(guò)論述400 km/h高速鐵路路基的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，對(duì)比分析350 km/h與400 km/h高速鐵路路基設(shè)計(jì)的迥異點(diǎn)，闡述400 km/h高速鐵路路基存在的問(wèn)題，為更高速度鐵路路基的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 路基面寬度

路基橫斷面寬度根據(jù)線間距、路肩寬度、接觸網(wǎng)支柱及基礎(chǔ)類型等因素計(jì)算確定，并綜合考慮路基穩(wěn)定性及路基面防排水問(wèn)題。世界各國(guó)路基面寬度主要參數(shù)如表1所示。

表1 世界各國(guó)路基面寬度主要參數(shù)表[1]

線間距指相鄰兩股道線路中心線之間的最小距離，是無(wú)砟軌道路基面寬度受速度影響的主要因素，主要受列車交會(huì)運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)力作用和列車寬度控制。結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速鐵路線間距、列車交匯相鄰側(cè)壁凈間距和列車運(yùn)行速度的關(guān)系，350 km/h無(wú)砟軌道線間距為5.0 m。當(dāng)列車速度為400 km/h，線間距為3 m和 6 m時(shí)，車體頭尾部的壓力分布基本一致，這說(shuō)明線間距變化對(duì)400 km/h列車車體上的壓力分布影響很小[2]。因此，400 km/h高速鐵路采用5.0 m線間距滿足設(shè)計(jì)要求，從而確定400 km/h高速鐵路路基面寬度為13.6 m。

2 路基基床結(jié)構(gòu)及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

路基基床是指路基上部受列車動(dòng)力作用和水文氣候變化影響最大的土層，其狀態(tài)直接影響列車運(yùn)行的速度和平穩(wěn)性，分為基床表層和基床底層兩個(gè)部分?；脖韺幼鳛榫€路的基礎(chǔ)，直接承受列車劇烈的動(dòng)力作用，是路基最重要的部分?，F(xiàn)行規(guī)范[3]對(duì)350 km/h及以下速度高速鐵路的路基基床厚度及其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等作出了規(guī)定，對(duì)于400 km/h高速鐵路尚無(wú)明確規(guī)定。

2.1 路基基床控制標(biāo)準(zhǔn)

路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)列車荷載作用下的基床強(qiáng)度、變形和應(yīng)變控制準(zhǔn)則進(jìn)行了規(guī)定。

基床結(jié)構(gòu)層動(dòng)應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，其計(jì)算式為：

(1)

式中：σ——基床結(jié)構(gòu)層動(dòng)應(yīng)力(kPa)；

R——基床結(jié)構(gòu)層動(dòng)強(qiáng)度(kPa)；

K——安全系數(shù)。

基床結(jié)構(gòu)動(dòng)變形滿足變形要求，其計(jì)算式為：

ω≤Cω

(2)

式中：Ω——計(jì)算變形值(mm)；

Cω——?jiǎng)幼冃蜗拗浦?mm)，無(wú)砟軌道取0.22 mm(軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣位置)。

基床結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定變形要求，其計(jì)算式為：

ε≤Cε

(3)

式中：E——計(jì)算動(dòng)應(yīng)變；

Cε——臨界應(yīng)變。

400 km/h高速鐵路基床控制標(biāo)準(zhǔn)參照350 km/h無(wú)砟軌道制定，采用動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)變形和動(dòng)應(yīng)變控制，保證基床結(jié)構(gòu)在列車荷載的作用下不發(fā)生強(qiáng)度破壞、動(dòng)應(yīng)變不超過(guò)規(guī)定限值，基床填料處于快速穩(wěn)定狀態(tài)，從而持久保持路基的長(zhǎng)期服役性能。

2.2 路基面荷載分布模式及大小

基床結(jié)構(gòu)不同深度處的動(dòng)應(yīng)力σ可根據(jù)路基面荷載分布模式，按Boussinesq理論計(jì)算。在一個(gè)轉(zhuǎn)向架的雙軸荷載作用下，路基面承受的列車荷載可簡(jiǎn)化為縱向梯形、橫向均勻的分布模式。因此，高速鐵路無(wú)砟軌道路基面車輛荷載可簡(jiǎn)化為梯形荷載分布模式[4]，如圖1所示。

圖1 路基面荷載分布模式圖

路基面動(dòng)應(yīng)力σs0計(jì)算式為：

(4)

式中：φk——?jiǎng)恿ο禂?shù)；

P——車輛軸重(kN)；

B——支承層或底座寬度(m)；

W——路基面上單軸載縱向影響范圍的一半(m)；

L——轉(zhuǎn)向架固定軸距(m)。

動(dòng)力系數(shù)分極限荷載動(dòng)力系數(shù)φk1和常遇荷載動(dòng)力系數(shù)φk2。極限荷載動(dòng)力系數(shù)φk1對(duì)路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極限動(dòng)力作用，適用于路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)；常遇荷載動(dòng)力系數(shù)φk2對(duì)路基結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役性能產(chǎn)生影響，適用于路基結(jié)構(gòu)動(dòng)變形和動(dòng)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。建立車-軌-路耦合動(dòng)力學(xué)模型，采用99%分位數(shù)不平順譜[5]，分析列車在400 km/h和5 km/h速度條件下的基床動(dòng)應(yīng)力比值，可得極限動(dòng)力系數(shù)φk1=2.146；采用70%分位數(shù)不平順譜，可得常遇荷載動(dòng)力系數(shù)φk2=1.491。

2.3 基床厚度

400 km/h無(wú)砟軌道高速鐵路中列車荷載引起的累積變形效應(yīng)區(qū)域定義為路基基床，控制基床以下路基填料的循環(huán)應(yīng)變不超過(guò)填料快速穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)變閾值?；矂?dòng)應(yīng)力采用前述梯形荷載分布模式，取滿載軸重P=17 t，底座寬度B=3.1 m，W=3.5 m，L=2.5 m，驗(yàn)算路基動(dòng)應(yīng)力沿深度分布規(guī)律，基于Boussinessq理論計(jì)算列車荷載下的路基極限動(dòng)應(yīng)力和常遇動(dòng)應(yīng)力，路基動(dòng)靜應(yīng)力沿深度分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 400 km/h動(dòng)靜應(yīng)力隨深度變化圖

基床厚度不僅與列車動(dòng)荷載相關(guān)，還取決于基床以下路基填料的地基系數(shù)K30值。因此，對(duì)于400 km/h高速鐵路無(wú)砟軌道的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制和應(yīng)變控制分析其基床以下路基填料的地基系數(shù)，當(dāng)基床厚度分別為2.3 m、2.7 m、3.0 m時(shí)，基床以下路基填料的K30值分別為100 MPa/m、90 MPa/m和80 MPa/m。綜合考慮現(xiàn)行規(guī)范要求及成渝中線高速鐵路填料料源性質(zhì)，選取基床厚度為2.7 m，基床以下路基填料K30值不小于90 MPa/m。

2.4 400 km/h條件下路基基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

采用動(dòng)力仿真及基床結(jié)構(gòu)分析方法，得出列車荷載作用下400 km/h高速鐵路的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

(1)路基基床結(jié)構(gòu)表層采用級(jí)配碎石、底層采用A、B組填料的結(jié)構(gòu)型式時(shí)，相對(duì)350 km/h無(wú)砟軌道高速鐵路，在400 km/h條件下，路基基床動(dòng)應(yīng)力增大，基床底層地基系數(shù)應(yīng)滿足K30≥150 MPa/m，基床結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 400 km/h條件下基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表(一)

(2)結(jié)合成渝中線高速鐵路區(qū)域地質(zhì)、氣象特點(diǎn)，對(duì)全斷面瀝青混凝土強(qiáng)化表層基床在400 km/h條件下的適應(yīng)性和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析研究。采用0.1 m瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層的結(jié)構(gòu)型式時(shí)，400 km/h基床結(jié)構(gòu)為0.1 m瀝青混凝土+0.3 m級(jí)配碎石層+2.3 m基床底層，基床底層地基系數(shù)應(yīng)滿足K30≥145 MPa/m，全斷面瀝青混凝土表層強(qiáng)化基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 400 km/h條件下基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表(二)

因此，成渝中線高速鐵路基床結(jié)構(gòu)采用表層0.4 m 厚級(jí)配碎石+底層2.3 m厚A、B組填料的結(jié)構(gòu)型式，選取局部段落進(jìn)行0.1 m厚全斷面瀝青混凝土強(qiáng)化基床表層的試驗(yàn)研究。

3 工后變形控制標(biāo)準(zhǔn)

工后變形是指鋪軌完成、驗(yàn)收合格后路基自身以及地基產(chǎn)生的變形量。從變形來(lái)源分析，主要有列車作用下基床自身變形、路基本體在自重作用下的固結(jié)變形和地基在列車與路基作用下的固結(jié)變形。

350 km/h無(wú)砟軌道路基地段工后沉降應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求，扣除施工引起的誤差和列車動(dòng)載引起的動(dòng)變形[7]，工后沉降一般不應(yīng)超過(guò)15 mm；沉降比較均勻路基工后沉降的限制為30 mm，且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑應(yīng)滿足：

Rsh≥0.4ν2sj

(5)

式中：R——軌面圓順的豎曲線半徑；

νsj——最高設(shè)計(jì)速度。

差異沉降不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于1/1 000。

根據(jù)路基基床控制標(biāo)準(zhǔn)，基床結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變需滿足在列車循環(huán)荷載作用下基床填料處于快速穩(wěn)定狀態(tài)，即在列車循環(huán)荷載作用下基床不發(fā)生長(zhǎng)期累積變形。在此前提下，列車時(shí)速提升引起的列車動(dòng)力作用增加不會(huì)對(duì)路基工后沉降造成影響，因此400 km/h工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可沿用350 km/h的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即工后沉降一般地段不應(yīng)大于15 mm，路橋、路隧、路涵交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于 1/1 000。

4 過(guò)渡段形式

路基與其他構(gòu)筑物、不同路基結(jié)構(gòu)、不同地基處理形式間可能存在變形或剛度差異時(shí)均需設(shè)置過(guò)渡段。

4.1 現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求，350 km/h無(wú)砟軌道高速鐵路一般采用倒梯形過(guò)渡段，填料采用級(jí)配碎石摻3%水泥填筑，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)按壓實(shí)系數(shù)K≥0.95、地基系數(shù)K30≥150 MPa/m、動(dòng)態(tài)變形模量Evd≥50 Mpa控制。路橋分界處沉降差異造成的錯(cuò)臺(tái)不大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不大于 1/1 000，橋臺(tái)臺(tái)背過(guò)渡段梯形底部沿線路方向長(zhǎng)5.0 m。

4.2 400 km/h過(guò)渡段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

過(guò)渡段支撐剛度變化對(duì)過(guò)渡段動(dòng)力學(xué)性能影響不大，過(guò)渡段工后沉降差引起的軌面彎折變形對(duì)行車的影響十分顯著，是影響平順性的主要控制因素[8-9]?，F(xiàn)有過(guò)渡段在橋臺(tái)臺(tái)背處無(wú)法進(jìn)行大型機(jī)械碾壓施工，采用小型機(jī)械夯實(shí)又難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，易出現(xiàn)沉降控制指標(biāo)超限(不滿足差異沉降折角不得大于 1/1 000要求)。

當(dāng)列車運(yùn)行速度提高至400 km/h時(shí)，軌面不平順?biāo)鸬膭?dòng)力作用更大。為避免路橋分界處產(chǎn)生差異沉降，減小不均勻沉降造成的折角，可在橋臺(tái)臺(tái)后設(shè)置鋼筋混凝土搭板，如圖3所示。CRTSⅢ型軌道板搭板的優(yōu)選值為9.872 m。

L-過(guò)渡段長(zhǎng)度；H-臺(tái)后路堤高度；h-基床表層厚度；a-過(guò)渡段梯形底部沿線路方向長(zhǎng)度，取5.0 m；n-常數(shù)，不小于2；l-兩塊軌道板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度圖3 橋路過(guò)渡段設(shè)計(jì)圖

除橋路過(guò)渡段外，400 km/h高速鐵路其他過(guò)渡段設(shè)計(jì)原則與350 km/h一致。

4.3 短路基設(shè)計(jì)

“遂渝線兩橋(隧)之間短路基設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)研究”指出： 250～300 km /h高速鐵路兩橋(隧)之間短路基長(zhǎng)度小于60 m時(shí)，應(yīng)按全長(zhǎng)等剛度剛性路基設(shè)計(jì)[10]。動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果顯示， 400 km/h條件下，短路基車體垂向加速度、輪軌力和輪重減載率3個(gè)控制指標(biāo)均有所增大，但未超過(guò)限制值。因此， 400 km/h 高速鐵路橋橋(隧)之間路基應(yīng)控制差異沉降，減小剛度變化，避免橋橋(隧)頻繁過(guò)渡，設(shè)計(jì)措施可采用級(jí)配碎石、混凝土填筑或樁板結(jié)構(gòu)加固等方式。

5 路肩支擋工程

路肩支擋工程結(jié)構(gòu)在各種荷載組合作用下應(yīng)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性的要求，結(jié)構(gòu)類型的選擇及設(shè)置位置的確定應(yīng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，便于施工、維修、養(yǎng)護(hù)[11]。2019年頒布的《鐵路路基支擋設(shè)計(jì)規(guī)范》取消了速度目標(biāo)值和鐵路等級(jí)的限制，但路肩支擋結(jié)構(gòu)適用范圍為速度350 km/h及以下高速鐵路。

5.1 路肩擋墻控制標(biāo)準(zhǔn)

TB 10025-2019《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用總安全系數(shù)法設(shè)計(jì)擋土墻，期抗滑動(dòng)穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性控制條件為：

(6)

(7)

式中：Kc——抗滑動(dòng)安全系數(shù)；

R——總抗滑力(kN)；

T——總滑動(dòng)力(kN)；

K0——抗滑動(dòng)安全系數(shù)；

My——總的抗傾覆力矩(kN·m)；

M0——總的傾覆力矩(kN·m)。擋土墻穩(wěn)定性安全系數(shù)如表4所示。

表4 擋土墻穩(wěn)定性安全系數(shù)表

5.2 400 km/h路肩擋土墻適應(yīng)性研究

400 km/h列車荷載作用下，路肩擋土墻墻背土壓力增大，擋土墻側(cè)向變形引起的路基面附加沉降變形相應(yīng)增加。為判定現(xiàn)行高速鐵路路肩擋土墻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在400 km/h條件下的適用性，利用FLAC3D有限差分軟件，以6 m重力式路肩擋土墻為例，梯形雙軸荷載作用模式為設(shè)計(jì)工況，以梯形雙軸荷載縱向中心處沿路基橫斷面方向平面為對(duì)稱面，建立有限差分對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算分析。

列車荷載作用下，擋土墻滑動(dòng)或繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)引起軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣和軌道結(jié)構(gòu)中心對(duì)應(yīng)位置處路基基床跟隨變形。以0.22 mm變形限值為控制標(biāo)準(zhǔn)，分析400 km/h條件下?lián)跬翂够瑒?dòng)安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)與基床動(dòng)變形的關(guān)系，得到以下結(jié)論：雙線重力式路肩擋土墻抗滑移安全系數(shù)為1.30；抗傾覆安全系數(shù)為1.6～1.7。

400 km/h條件下，重力式路肩擋土墻抗傾覆安全系數(shù)大于現(xiàn)行規(guī)范正文要求，但滿足條文說(shuō)明的規(guī)定。因此，400 km/h高速鐵路重力式路肩擋墻抗滑移安全系數(shù)取1.5，抗傾覆安全系數(shù)取1.8。

6 路橋類型設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)認(rèn)知認(rèn)為橋梁比路基工程投資高，鐵路以路基方案通過(guò)為選線首選原則。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源保護(hù)意識(shí)和自然環(huán)境保護(hù)逐步增強(qiáng)，對(duì)鐵路橋路工程投資的理解也在發(fā)生改變。

以成渝中線高速鐵路6.0 m填高的路堤為例，因填料匱乏，價(jià)購(gòu)合格AB組填料的綜合單價(jià)為 266元/m3，級(jí)配碎石的綜合單價(jià)為420元/ m3，用地的綜合單價(jià)為25.4萬(wàn)元/畝。區(qū)間路基雙線路堤用地指標(biāo)68.1畝/km，橋梁用地指標(biāo)27.5畝/km，路橋投資對(duì)比分析如表5所示。

路基靜態(tài)投資的主要影響因素為土石方，填料單價(jià)直接影響路基公里指標(biāo)。

結(jié)合過(guò)渡段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，成渝中線高速鐵路路橋劃分原則為：(1)400 km/h高速鐵路軌道平順性要求更高，宜減少橋橋(隧)之間頻繁過(guò)渡；(2)差異沉降較大或不均勻沉降造成折角不滿足要求的地段，原則上以橋代路；(3)基底地質(zhì)情況良好地段，橋路分界高度一般為8.0 m，城市附近為6.0 m，軟土、松軟土地段橋路分界高度一般為6 m，深厚軟基難以控制沉降地段原則上以橋通過(guò)；(4)考慮用地影響因素，填方地段宜以橋梁工程通過(guò)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)400 km/h路基基床、過(guò)渡段、支擋結(jié)構(gòu)等主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討，得出以下主要結(jié)論：

(1)400 km/h高速鐵路采用5.0 m線間距可滿足設(shè)計(jì)要求，此時(shí)其路基面寬度為13.6 m。

(2)400 km/h條件下，若基床采用表層0.4 m厚級(jí)配碎石+底層2.3 m厚A、B組填料的結(jié)構(gòu)型式，基床底層K30≥150 MPa/m；若基床表層采用0.1 m瀝青混凝土+0.3 m級(jí)配碎石層+2.3 m基床底層的結(jié)構(gòu)型式，基床底層K30≥145 MPa/m。

(3)400 km/h高速鐵路過(guò)渡段以控制差異沉降為主，橋路過(guò)渡段宜設(shè)置鋼筋混凝土搭板，其他過(guò)渡段設(shè)計(jì)與350 km/h高速鐵路一致。短路基可采用C25混凝土填筑或樁板結(jié)構(gòu)加固，以消除差異沉降。

(4)400 km/h條件下，路肩擋土墻抗滑移安全系數(shù)取1.5，抗傾覆安全系數(shù)取1.8。

(5)綜合考慮線路平順性和投資等因素，土地資源匱乏且需遠(yuǎn)運(yùn)優(yōu)質(zhì)填料的山區(qū)高速鐵路，填方地段宜以橋梁通過(guò)為主。