時速400 km高速鐵路路基-地基工后沉降變形映射關(guān)系及控制標(biāo)準(zhǔn)

李泰灃

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

根據(jù)我國高速鐵路多年的建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗，路基的穩(wěn)定性對于高速鐵路項目的成敗至關(guān)重要，尤其是路基的沉降問題。若處理不當(dāng)，將會給工程質(zhì)量帶來潛在風(fēng)險，導(dǎo)致鐵路在運(yùn)營期間出現(xiàn)區(qū)域性沉降、橋頭跳車等現(xiàn)象；輕則影響正常使用，重則可能引發(fā)事故。因此，對高速鐵路路基變形的預(yù)測和控制的研究已成為鐵路建設(shè)過程中一個至關(guān)重要的技術(shù)領(lǐng)域。

隨著列車運(yùn)行速度不斷提高，軌道表面不平順加劇會導(dǎo)致更大的動力效應(yīng)，這些效應(yīng)會向上傳遞到車輛系統(tǒng)，同時向下傳遞至線路基礎(chǔ)設(shè)施。作為軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的路基基床也會因此產(chǎn)生相應(yīng)的動力效應(yīng)放大現(xiàn)象［1-2］。

在高速鐵路的路基性能控制中，路基工后沉降和不均勻沉降是兩個較為關(guān)鍵的問題。無砟軌道路基工后沉降必須滿足線路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求。而路基的不均勻沉降則會直接影響無砟軌道的幾何形態(tài)和支承狀態(tài)。當(dāng)列車以高速通過時，路基動力性能會受到影響，嚴(yán)重時甚至可能危及行車安全。這使得對路基沉降變形控制成為制約無砟軌道線路平順性的一個至關(guān)重要的問題［3-5］。

在更高行車速度條件下高速鐵路超高時變率和豎向離心力等關(guān)鍵參數(shù)不同，最小豎曲線半徑也會相應(yīng)變化。因此，需要結(jié)合更高速度高速鐵路線路平順性標(biāo)準(zhǔn)和扣件調(diào)整能力對路基變形的要求，分析路基變形對不同速度、線形線路的平順性影響規(guī)律。本文針對400 km/h 條件下路基-地基工后沉降變形映射關(guān)系及控制標(biāo)準(zhǔn)開展系統(tǒng)性研究。

1 路基工后沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)

路基的工后沉降通常由三個部分組成：施工期殘余沉降、二期荷載作用下產(chǎn)生的沉降、列車動載引起的動變形［6-8］。在工后沉降變形的控制中，重點(diǎn)是控制前兩個方面的沉降。

各國為了確保鐵路線路的安全運(yùn)營，都制定了符合本國國情的路基工后沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)。在高速鐵路無砟軌道的建設(shè)中，建議采用“零工后沉降”的建設(shè)理念，這也是國外高速鐵路建設(shè)經(jīng)驗的總結(jié)。

根據(jù)國外高速鐵路無砟軌道鋪設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗，路基在完成填筑后需要經(jīng)過一年以上的時間，才能完成全部沉降的50%以上。為了確保路基在建設(shè)期間的沉降穩(wěn)定，并保證開通運(yùn)營后的工后沉降滿足相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，從而確保高速行車的安全性和乘車舒適性，需要對完成填筑后的路基主體工程進(jìn)行靜置或施加預(yù)壓荷載1年以上，等到沉降充分完成后，才可以進(jìn)行后續(xù)無砟軌道的鋪設(shè)工作。

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［9］中規(guī)定：無砟軌道路基工后沉降必須符合線路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求。工后沉降的限值不應(yīng)超過15 mm，而由不均勻沉降引起的折角不應(yīng)大于1/1 000。對于無砟軌道，沉降應(yīng)較為均勻，且調(diào)整軌面高程后豎曲線半徑大于等于0.4v2（v為線路的設(shè)計時速）時，工后沉降變形的控制限值為30 mm。以上規(guī)定旨在確保高速鐵路的設(shè)計和建設(shè)符合安全性和穩(wěn)定性要求，以確保乘車舒適性和可靠性。

針對時速400 km（更高速度）高速鐵路運(yùn)營條件，提出合理有效的路基工后沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)，對于我國高速鐵路的安全運(yùn)維具有重要意義。

2 地基面沉降變形波長對路基工后沉降的影響

影響路基結(jié)構(gòu)不均勻沉降的因素主要有地基面沉降變形波長（L）和變形幅值（Smax）。因此，通過改變這兩種主要影響因素，分析可得地基面沉降變形對路基沉降的影響規(guī)律。

為分析沉降變形由地基面向路基面的傳遞和映射規(guī)律，建立了高速鐵路路基-地基仿真計算模型，見圖1。模型尺寸為：路基本體底部寬40.56 m，頂部寬23.06 m，高5 m。基床底層底部寬23.06 m，上部寬15.1 m，高2.3 m。基床表層底部寬15.1 m，頂部寬13.61 m，高0.4 m。支撐層高0.3 m，寬3.1 m，軌道板高0.2 m，寬2.5 m。模型主要計算參數(shù)見表1。

表1 模型主要計算參數(shù)

圖1 路基-地基有限元計算模型

假設(shè)地基面沉降變形呈余弦式分布，且沉降幅值固定為15 mm，通過改變地基面沉降變形波長，分析地基面沉降變形波長對路基沉降變形的影響規(guī)律。地基面沉降變形波長分別為3、4、5、7.5、10、15、30、40、50、60、70、80 m，共設(shè)置12 組不同波長的仿真計算工況。路基面和鋼軌最大變形量隨地基面沉降變形波長的變化情況見圖2。

圖2 路基面和鋼軌沉降隨地基面沉降變形波長變化情況

由圖2可知：

1）當(dāng)波長較小時（小于7.5 m），鋼軌與路基面最大沉降量幾乎相等，且沉降量很小。說明此時地基面沉降傳遞至路基表面的比例較小，基床及路基表面受地基面沉降變形影響較小。

2）當(dāng)?shù)鼗娉两底冃尾ㄩL處于10 ～ 15 m 時，路基面和鋼軌最大變形量有了一定差異并發(fā)生了不協(xié)調(diào)變形，此時地基面沉降對路基結(jié)構(gòu)變形的影響開始趨于顯著。

3）當(dāng)?shù)鼗娉两底冃尾ㄩL繼續(xù)增至30、50 m 時，鋼軌與路基面最大沉降量幾乎相等，即路基和鋼軌發(fā)生了幾乎相同的沉降，不協(xié)調(diào)變形逐步消失。

4）當(dāng)?shù)鼗娉两底冃尾ㄩL大于50 m 之后，鋼軌與路基結(jié)構(gòu)繼續(xù)保持協(xié)調(diào)變形狀態(tài)。

地基面沉降變形擴(kuò)散到路基面的波長映射情況見圖3?？芍河绊戃壍澜Y(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的地基面沉降變形敏感波長為10 ～ 15 m（對應(yīng)的路基沉降波長23 ～ 28 m）時，軌道-路基結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)變形較為明顯。

圖3 路基-地基沉降變形波長映射關(guān)系

地基面沉降變形波長5 m 時路基縱斷面沉降見圖4。路基面最小沉降閾值取0.1 mm?？芍寒?dāng)?shù)鼗娉两底冃尾ㄩL較小時，沉降量向路基結(jié)構(gòu)擴(kuò)散比例較低。除路基本體之外，其他結(jié)構(gòu)層變形量不大。

圖4 地基面沉降變形波長5 m時路基縱斷面沉降

地基面沉降變形波長15 m 時路基縱斷面沉降見圖5?？芍寒?dāng)?shù)鼗孀冃尾ㄩL為15 m時，其變形波長擴(kuò)散到路基面約為28 m。在這種情況下，由于地基面的沉降作用，導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的沉降變形，路基面的最大沉降量為5.14 mm，此時鋼軌的最大變形量為4.20 mm，導(dǎo)致軌道-路基結(jié)構(gòu)之間的變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象較為顯著。

圖5 地基面沉降變形波長15 m時路基縱斷面沉降

地基面沉降變形波長30 m 時路基縱斷面沉降見圖6。可知：當(dāng)?shù)鼗娉两底冃尾ㄩL30 m 時擴(kuò)散到路基面的變形波長為36.12 m。此時由于變形波長較長，軌道-路基結(jié)構(gòu)之間不協(xié)調(diào)變形趨于緩和。

圖6 地基面沉降變形波長30 m時路基縱斷面沉降

3 地基面沉降幅值對路基工后沉降的影響

將地基面沉降變形波長固定為10 m，分析不同地基面沉降幅值影響下，路基結(jié)構(gòu)沉降變形的影響規(guī)律。地基面沉降變形幅值按照15、30、50、75、100、125、150、200 mm遞增取值。

各結(jié)構(gòu)層沉降量隨地基面沉降變形幅值的變化見圖7?？芍弘S著地基面沉降幅值的提升，路基面最大沉降量與鋼軌最大變形量均有一定提升。地基面沉降變形波長固定的條件下，路基沉降量與地基面沉降幅值存在一定線性關(guān)系，鋼軌最大變形量較路基沉降明顯減小。

圖7 各結(jié)構(gòu)層沉降量隨地基面沉降變形幅值變化情況

地基面沉降幅值100 mm 時路基縱斷面沉降見圖8?？芍?，大部分沉降集中在路基本體范圍內(nèi)，且隨著沉降向路基結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，沉降變形波長有一定程度增加。

圖8 地基面沉降幅值100 mm時路基縱斷面沉降

不同幅值條件下地基面變形與路基面變形映射關(guān)系見表2?？芍寒?dāng)?shù)鼗娉两捣禐?00 mm，擴(kuò)散到路基面的沉降波長為23.40 m，路基面最大沉降量為8.02 mm，鋼軌變形量為4.55 mm，軌道-路基面變形差為3.47 mm。此時，雖然軌道-路基結(jié)構(gòu)之間存在較為明顯的不協(xié)調(diào)變形，但由于地基面沉降幅值相對較低，且沉降變形主要發(fā)生在路基本體，而向軌道-路基結(jié)構(gòu)傳遞的沉降比例較小。因此，為了保證線下基礎(chǔ)設(shè)施滿足更高行車速度條件下線路平順性，需要增強(qiáng)地基處理程度，進(jìn)而降低軌道、路基變形量。

表2 不同幅值條件下地基面變形與路基面變形映射關(guān)系

路基沉降變形波長隨地基面沉降幅值變化情況見圖9?？芍涸诘鼗娉两底冃尾ㄩL不變的條件下，隨著地基面沉降變形幅值的增大，擴(kuò)散到路基面的沉降變形波長會逐步減小。地基面沉降變形幅值越大，傳遞至路基結(jié)構(gòu)的沉降趨于集中。因此，對于路基沉降變形控制，需要綜合考慮地基面沉降變形波長和幅值。

圖9 路基沉降變形波長隨地基面沉降幅值變化情況

路基-地基沉降變形映射關(guān)系見圖10。橫坐標(biāo)x表示路基縱斷面的長度，縱坐標(biāo)y表示路基的高度。改變地基面沉降幅值Sg，max時，路基沉降波長Le和最大沉降量Se，max都會隨之改變，鋼軌最大變形量Srail，max也會隨之改變。

圖10 路基-地基沉降變形映射關(guān)系

考慮地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基沉降計算結(jié)果見圖11?？芍寒?dāng)路基面沉降限值為15 mm時，地基面沉降變形波長和幅值的控制范圍。

圖11 路基沉降變化情況

考慮地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基沉降變形波長的計算結(jié)果見圖12?？芍鶕?jù)地基面沉降變形波長和沉降變形幅值，路基面沉降變形波長可分為超限區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

圖12 路基沉降波長隨地基面沉降幅值和波長的變化情況

綜上，地基處理的效果與變形控制，對于路基面的沉降控制作用明顯。在建設(shè)過程中要采用合適的地基處理措施，合理控制地基面沉降變形的幅值和波長，盡量保持地基面沉降變形波長小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，這樣可有效提升路基面工后沉降的控制效果。

4 車輛-軌道-路基耦合動力學(xué)計算分析

為了進(jìn)一步分析高速列車荷載作用下沉降區(qū)段路基結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律，在靜力學(xué)仿真模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了動車組（軸重14.5 t）在路基沉降波長20 m、沉降幅值15 mm，時速400 km 工況下的車輛-軌道-路基耦合動力學(xué)仿真模型見圖13。模型參數(shù)參見表1，并計算分析了車輛、軌道以及路基結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征，獲取了沉降區(qū)與非沉降區(qū)的路基各部分動力學(xué)性能指標(biāo)，見表3。

表3 軌道-路基結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能指標(biāo)

圖13 車輛-軌道-路基耦合動力學(xué)仿真計算模型

由表3可知：在非沉降區(qū)，鋼軌振動加速度最大值為200 m/s2；鋼軌垂向位移最大值為1.04 mm；軌道板振動加速度最大值為20.82 m/s2，路基基床最大動變形值為0.11 mm；對于下部基礎(chǔ)的振動響應(yīng)，路基基床的加速度最大值為2.95 m/s2。在沉降區(qū)，鋼軌振動加速度最大值469.60 m/s2；鋼軌垂向位移最大值增至1.92 mm，接近其安全限值；軌道板振動加速度最大值為24.72 m/s2；路基基床動變形最大值為0.18 mm；對于下部基礎(chǔ)的振動響應(yīng)，路基基床加速度最大值為8.35 m/s2。

分析可得，沉降區(qū)路基結(jié)構(gòu)在路基最大沉降量15 mm、路基沉降變形波長20 m 條件下，路基沉降對鋼軌振動加速度、鋼軌垂向位移、軌道板振動加速度的影響較為明顯，但最大值均未超過TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》［10］中規(guī)定的安全限值。同時，沉降區(qū)路基結(jié)構(gòu)最大動應(yīng)力、動變形和加速度均接近安全限值，但也均滿足限制要求。

綜上所述，TB 10621—2014中現(xiàn)行時速350 km 的路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)可適用于時速400 km（更高速度）高速鐵路，但對于沉降區(qū)段及病害區(qū)段應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性評估，保障其服役性能滿足行車安全要求。

5 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分別建立了靜、動力學(xué)車輛-軌道-路基耦合仿真計算模型，針對動車組在更高速度條件下的地基面沉降變形波長和幅值對路基結(jié)構(gòu)不均勻沉降的影響進(jìn)行了研究。采用有限元模型動力仿真分析手段，分析了地基面沉降變形波長和幅值對路基工后沉降的影響，揭示了路基-地基工后沉降映射關(guān)系，為更高速度高速鐵路路基工后沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提供支撐。主要結(jié)論如下：

1）影響軌道結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的地基面沉降變形的敏感波長范圍為10～15 m，對應(yīng)的路基沉降波長為23 ～ 28 m。該范圍內(nèi)軌道-路基結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)變形較為明顯。

2）對于更高速度的高速鐵路，路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)沿用時速350 km 設(shè)計規(guī)范，原則上是合理的，但需要控制地基面沉降變形幅值和波長，以及路基面波長較短區(qū)段的不均勻沉降。路基工程應(yīng)進(jìn)行變形觀測和評估，尤其對于波長較短的不均勻沉降區(qū)段和病害區(qū)段，評估通過后方可進(jìn)行無砟軌道施工。

3）在建設(shè)期要提升地基處理效果，控制地基面沉降變形幅值和波長，盡量保持地基面沉降變形波長小于30 m，且地基面沉降量小于150 mm，這樣方可有效的控制路基工后沉降變形。

4）在沉降區(qū)段，軌道結(jié)構(gòu)各項動力學(xué)性能指標(biāo)均不同程度增長，鋼軌垂向位移接近其安全限值；路基各項動力學(xué)性能指標(biāo)增長較大，但均在安全限值內(nèi)?，F(xiàn)有高速鐵路路基沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)仍具有一定的適用性。