无碴轨道路基关键技术探讨_以遂渝线无碴轨道综合试验段为例

　　　　　　　　　Aug　2006　　第5期(总95)　　　　　　　　　　JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYNO.5(Ser.95)

2006年8月

文章编号:1006-2106(2006)05-0039-06

无碴轨道路基关键技术探讨

———以遂渝线无碴轨道综合试验段为例

Ξ

魏永幸　蒋关鲁

1

ΞΞ

2

(1.铁道第二勘察设计院,成都610031;2.西南交通大学,成都610031)

摘要:研究目的:为适应我国客运专线建设的需要,铁道部组织开展了遂渝线无碴轨道综合试验,铁道第二勘察设计院联合西南交通大学等单位承担了遂渝线无碴轨道线下工程关键技术研究。

研究方法:主要研究内容包括:(1)无碴轨道路基基床动力学特性试验研究;(2)地基沉降控制技术试验研究,其中重点研究桩-网结构路基和桩-板结构路基;(3)红层泥岩填料填筑无碴轨道路基适应性研究;

(4)无碴轨道线下基础刚度匹配技术研究。本文结合遂渝线无碴轨道综合实验段路基工程试验研究和设计

施工,就如何有效控制地基沉降、线下基础纵向刚度匹配、合理使用非良质填料三个客运专线无碴轨道路基关键技术问题进行探讨。

研究结论:提出桩-网结构路基、桩-板结构路基适用条件及设计方法,提出路基面支承刚度及其设计应用,提出合理使用非良质填料的建议意见,并对客运专线无碴轨道路基设计、施工的关键问题进行了讨论。关键词:客运专线;无碴轨道;桩-网结构路基;桩-板结构路基;路基面支承刚度;纵向刚度匹配;系统设计;信息化施工

中图分类号:U213　　文献标识码:A

ExplorationonKeyTechnologyofBallastlessTrackSubgrade

———ACaseStudyofComprehensiveExperimentalSectionofBallastlessTrackonSuining-ChongqingLine

WEIYong-xing,JIANGGuan-lu

1

2

(1.TheSecondSurveyandDesignInstitutionofChinaRailway,Chengdu,Sichuan610031,China;2.SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China)

Abstract:Researchpurposes:ThecomprehensiveexperimentofballastlesstrackonSuining-Chongqinglineiscarriedoutfortheneedofpassengertrafficspecialline.Theresearchworkofkeytechnologiesofballastlesstrackunder-railengeering,whichiscarriedoutbythesecondsurveyanddesigninstitutionofrailwayandSouthwestJiaotongUniversity.Researchmethods:Themainresearchcontentsinclude:(1)theexperimentalresearchofdynamiccharacteristicsofsub2gradebedofballastlesstrack;(2)theexperimentalresearchoftechniquesagainstfoundationsettlementwhichfocusesonpile-netsubgradeandpile-planksubgrade;(3)theresearchofrationalityofusingredbedsasfillingsforsubgradeofballastlesstrack;(4)theresearchofstiffnessmatchingofunder-railfoundationofballastlesstrack.InthispaperdesignandconstructionofsubgradeincomprehensiveexperimentalsectionofballastlesstrackonSuining-Chongqingline

　Ξ　收稿日期:2006-06-13

基金项目:铁道部科技发展计划项目“遂渝线无碴轨道线下工程关键技术试验研究”(2005K004-C(G))ΞΞ

　作者简介:魏永幸,19年出生,男,教授级高级工程师、注册土木工程师;蒋关鲁,1962年出生,男,教授。

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basedontheexperimentalresearch,threekeytechnologiesofballastlesstracksubgradeofpassengertrafficspeciallinearediscussed,whichincludethecontroloffoundationsettlement,thelongitudinalstiffnessmatchingofunder-railfoundation,andtherationaluseofnot-finesubgradematerials.

Researchconclusions:Theapplicableconditionanddesignmethodofpile-netsubgradeandpile-blanksubgrade,thedesignandapplicationofbracingstiffnessofsubgradesurface,andproposalsforrationallyusingthenot-finesubgradematerialsarepresented.

Keywords:passengerdedicatedrailwayline;ballastlesstrack;pile-netsubgrade;pile-blanksubgrade;bracingstiffnessofsubgradesurface;longitudinalstiffnessmatching;systemdesign;informationalconstruction

　　客运专线无碴轨道路基,与传统有碴轨道路基比

较,具有以下特点:(1)车辆运行速度达到200km/h以上,轨道不平顺对车辆运行的影响被放大,因此要求线下基础具有高平顺性和高稳定性,以减小轨道养护工作量、保证行车安全;(2)有碴轨道路基,轨道的不平顺可以通过整道来减小或消除,无碴轨道路基可以通过调整钢轨扣件减小或消除,但钢轨扣件调高量十分有限,因此,无碴轨道铁路对路基工后沉降(无碴轨道施工后路基本体的残余压缩变形及地基的沉降)提出了严格的要求,一般要求出现的路基工后沉降可以通过轨道系统的调整加以克服;(3)路基工程主要由岩土材料构成,受岩土材料特性的,路基工程与其他线下基础,如桥、涵、隧道等,存在变形和刚度差异,需要在不同的线下基础之间设置过渡段,以使不同的线下基础之间变形和刚度平缓连接,保证轨道平顺性满足高速行车的要求。

我国土质路基上铺设无碴轨道技术尚属空白,为适应我国客运专线建设的需要,铁道部组织开展了遂渝线无碴轨道综合试验,铁道第二勘察设计院联合西南交通大学等单位承担了遂渝线无碴轨道线下工程关键技术研究,主要研究内容包括:(1)无碴轨道路基基床动力学特性试验研究;(2)地基沉降控制技术试验研究,其中重点研究桩-网结构路基和桩-板结构路基;(3)红层泥岩填料填筑无碴轨道路基适应性研究;(4)无碴轨道线下基础刚度匹配技术研究。本文结合遂渝线无碴轨道综合实验段路基工程试验研究及设计施工,就如何实现有效控制地基沉降、线下基础纵向刚度匹配、合理使用非良质填料等客运专线无碴轨道路基工程关键技术问题进行探讨,希望能有益于我国客运专线无碴轨道铁路建设。

作为以岩土材料构筑的路基工程,如何实现上述标准?是岩土工程师必须认真思考的问题。

所谓路基工后沉降,系指铺设无碴轨道后出现的不能通过路基工程本身加以克服的沉降。路基工后沉降,包括地基及路堤工后压密沉降、列车动荷载作用下路基基床产生的累积变形。路基面弹性变形,是在列车动荷载作用下可恢复的变形,与基床表面支承刚度密切有关,采用强化基床,一般在1～3mm。因此,路基工后沉降管理的重点主要是地基工后压密沉降、路堤压密沉降以及路基基床在长期动荷载作用下的累积变形,图1是上述三种路基变形示意图。

图1　路基3种残余变形示意图

路基基床累积变形,是基床岩土在列车动荷载反

复作用下出现的不可恢复的塑性变形,与基床岩土材质、压实度密切有关。采用强化基床,基床累计变形很小,一般不超过5mm。路堤采用良质填料并控制压实度,工后沉降较小,一般小于路堤高度的1/1000,且大部分在竣工后6～12月完成,通过合理安排无碴轨道施工时间,可减小或消除路堤压密沉降的影响。地基工后压密沉降,受地基岩土性质及相应地基处理措施影响较大,不确定因素多,是工程建设管理重点中的重点。

地基处理的目标是使地基工后沉降控制在允许范围内,如前所述,地基工后沉降限值=路基面工后沉降限值-路堤工后压密沉降(路堤压密沉降=恒载下的路堤压密沉降+动载下的基床累积变形)。可见,地基工后沉降限值与路堤竣工后放置时间长短有关系,如路堤竣工后放置12月以上,可认为路堤工后压密沉降已完成,则一般情况要求地基工后沉降值=20mm-5mm=15mm。1.2　控制地基沉降的措施

1　地基沉降控制

1.1　问题的提出

无碴轨道铁路对路基工后沉降提出了严格的要

求,一般要求铺设无碴轨道后的路基面工后沉降量不

[1]

超过轨道扣件调整的范围(一般不大于20mm)。

控制地基沉降技术主要有5类:换土法;排水固结

第5期魏永幸:无碴轨道路基关键技术探讨———以遂渝线无碴轨道综合试验段为例

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法(包括超载预压);复合地基法;动力固结法;刚性桩

基法。

为适应我国客运专线建设工期的要求,在高速铁路的建设中大量使用复合地基法、动力固结法,部分地段采用刚性桩基法———桩-网结构路基和桩-板结构路基。遂渝线无碴轨道综合试验段主要采用CFG桩复合地基、强夯动力固结、桩-网结构路基、桩-板结

[2]

构路基,局部采用挖除软弱土的换土法。表1为遂渝线无碴轨道综合试验段地基加固措施表。

表1　遂渝线无碴轨道综合试验段地基加固措施表地基处理措施

CFG桩复合地基

研究路基及列车荷载作用下动荷载-桩-柔性拱-桩

间土四者共同作用机理。

桩-网结构路基设计计算包括单桩和群桩承载力计算、桩顶加筋垫层设计。桩顶加筋垫层设计是桩网结构基设计的关键。

桩-网结构路基,由于桩和桩间土刚度差较大,在填土荷载作用下,两桩之间的加筋垫层产生较大的向下的变形,直至受到加筋的约束和桩间土的抵抗而形成柔性拱,上部填土也因加筋垫层的下凹而变形,当上部填土较厚时最终形成土拱。图3为桩-网结构路基受力分析示意图。处数/累积延长米

5/2347/5236/928地基条件

谷地相软土或松软土粉质黏土或全风化层谷地相软土或松软土,局部为粉质黏土;路堤采用红层泥岩已部分填筑,未填部分路堤高度3～6m。

谷地相软土或松软土,局部为粉质黏土;路堤采用红层泥岩已填筑完成或基本完成。局部厚度小于3m的软弱土层

强夯动力固结桩-网结构路基

桩-板结构路基2/220

换土

图3　桩-网结构基础受力分析示意图

2　桩-网结构路基

2.1　桩网结构路基特点

桩-网结构路基由桩网结构基础与上部路堤组成,图2为遂渝线无碴轨道综合试验段桩-网结构路

基基础代表性横断面。其中桩网结构基础是一种刚性桩基础,由钢筋混凝土刚性桩(群)和桩顶以上的加筋垫层共同组成。钢筋混凝土刚性桩桩径一般0.5～0.6m,可采用钻孔灌注桩、预制打入桩;桩间距与路堤荷载大小、桩顶加筋垫层承载能力、成桩工艺有关,一般为桩径的3～5倍。

很明显,对于确定的桩间土,加筋垫层加筋的抗拉强度和变形特性与桩间距之间存在合理组合,桩间距小,加筋垫层承载力可减小。因此,最大桩间距除受竖向承载力控制外,还应考虑加筋垫层的因素。经计算分析,在桩顶设置桩帽,可有效改善加筋垫层受力。2.3　桩-网结构试验研究

(1)试验研究项目及技术路线

试验研究项目包括:桩-网结构受力分析及沉降计算、室内离心模型实验、现场原型测试。

(2)初步研究结论

桩-网结构受力分析及沉降计算:数值计算表明,承载力和工后沉降均符合无碴轨道的设计要求。

离心模型试验:试验表明,桩-网结构路基总沉降约为12.5mm。

室内动态模型试验:试验表明,在模拟列车荷载长期作用(200万次循环加载)下,桩-网结构路基工作状态良好,加筋垫层筋材最大受力为15kN/m。

桩-网结构现场载荷试验:桩-网结构现场载荷

图2　遂渝线无碴轨道综合试验段桩-网结构

　　　路基代表性横断面

试验表明,遂渝线无碴轨道综合试验段桩-网结构路基承载性能良好,在2倍设计荷载作用下桩-网结构路基变形较小,一般小于9mm。2.4　桩-网结构适用条件

2.2　桩-网结构路基设计计算

在桩-网结构设计时,必须研究高路堤荷载作用下桩网结构柔性拱(加筋垫层)的土工格栅与垫层土之间的相互作用机理及桩-柔性拱-桩间土三者共同作用机理;另一方面,对于低矮路基(小于3m),必须

桩-网结构路基作为一种刚性桩基,具有竖向沉降变形小、变形稳定时间短的突出优点,且施工质量易控,可用于无碴轨道铁路深厚软弱地基加固、已建土质

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　铁　道　工　程　学　报2006年8月

路堤的加固、无碴轨道道岔区等。

3.3.2　试验研究结论

3　桩-板结构路基

3.1　桩板结构路基特点

桩-板结构路基由下部钢筋混凝土桩基和上部钢筋混凝土承载板组成,钢筋混凝土承载板直接与轨道

结构相连接。桩-板结构具有以下特点:

(1)桩-板结构承载板直接与轨道结构连接,因此,桩板结构设计必须考虑列车动荷载的作用,结构应满足疲劳强度的要求。

(2)桩-板结构承载板可视为支撑在桩基础上的连续板梁,板梁的竖向和横向刚度必须满足无碴轨道铺设要求。

(3)桩-板结构与土路基共同组成一个承载结构,桩-板结构与土路基的共同作用是桩-板结构设计合理经济的关键技术问题。

图4为遂渝线无碴轨道综合试验段DK132桩板结构路基代表性横断面。图5为遂渝线无碴轨道综合试验段DK132桩板结构路基纵断面图。

桩-板结构路基仿真计算分析:理论分析和数值计算表明,板与桩的静力和动力,板与桩的竖向、横向及纵向动变形以及桩-板结构路基的工后沉降均符合无碴轨道的设计要求。

室内离心模型实验:采用室内模型试验考察现场试验工点在长期运营条件下的沉降,结果表明:桩-板结构路基的总沉降约为10.96mm,其中铺设无碴轨道后的工后沉降约为9.92mm。

室内动态模型实验:采用动态模型实际考察桩-板结构路基在列车长期动荷载作用下的动力特性,结果表明:桩-板结构路基稳定可靠。3.4　桩板结构路基适用条件桩-板结构路基具有施工技术简单的显著优点,与桥相比,工程造价低。桩-板结构路基主要用于无碴轨道铁路已建土质路堤的加固、工程地质条件复杂的路堑地段、无碴轨道道岔区等。

4　线下基础纵向刚度匹配

4.1　问题的提出

列车运行速度提高,线路纵向轨道刚度突变,将引起列车振动加剧,引起旅客的不舒适;同时,由于刚度突变,将引起轨道结构应力变化,影响轨道结构的寿命。

德国高速铁路无碴轨道设计规范明确无碴轨道刚度为±5kN/mm。

轨道刚度除与轨道系统各部件刚度有关,还与线下基础支承刚度有关。因此,研究线下工程纵向刚度匹配,具有重要意义。4.2　路基面支承刚度与路基竖向刚度组合路基地段,线下基础支承刚度可定义为路基面支承刚度。所谓路基面支承刚度,是指在特定轨道系统条件下,路基面受列车动荷载作用的反应模量。路基面支承刚度与路基基床多层系统各层材料及厚度有关,即路基竖向刚度组合有关。通过对路基多层系统竖向刚度组合优化设计,可以实现对路基面支撑刚度

E0值的控制。图6为路基面支承刚度与路基竖向刚

图4　遂渝线DK132桩-板结构路基代表性横断面

图5　遂渝线DK132桩-板结构路基纵断面

3.2　桩-板结构设计计算

桩-板结构计算包括结构仿真计算分析,结构受力分析计算,桩基沉降计算等。内容包括最不利荷载位置、桩基础承载力检算、承载板竖向位移和横向位移计算,以及桩和板结构内力计算等。3.3　桩-板结构路基试验研究3.3.1　试验研究项目

试验研究包括桩-板结构路基仿真计算分析、室内离心模型实验、室内动态模型实验和现场原型测试。

度组合示意图。

4.3　线下基础纵向刚度匹配

线下基础纵向刚度匹配,主要是路基与各种构筑物之间的支承刚度匹配。

遂渝线无碴轨道综合试验段地形起伏较大,部分地段桥隧相连,路基与各种构筑物之间过渡段具有代

[2]

表性。针对具体情况,采用了不同措施。表2为遂渝线无碴轨道综合试验段路基过渡段表。

第5期魏永幸:无碴轨道路基关键技术探讨———以遂渝线无碴轨道综合试验段为例

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30m的红层泥岩土和红层泥岩改良土路堤试验段,重

点对红层泥岩填料填筑无碴轨道路基的适应性进行了

实验研究。5.2　红层泥岩土填料特性试验

路堤填料特性试验包括:红层泥岩土填筑击实实验,红层泥岩土填筑现场填筑试验,红层泥岩土填筑土力学实验,红层泥岩填筑土水稳定性实验,红层泥岩填料高路堤路基稳定及变形数值分析,红层泥岩土路堤室内土工离心模型试验。

试验研究结论:红层泥岩填筑击实实验:红层泥岩散体在含水量3

为8.7%时可以获得最大干密度为2.1g/cm。

红层泥岩填筑现场填筑试验:现场填筑试验表明,密实度可以达到最大干密度的95%～97%,K30为160～190kPa。

红层泥岩填筑土力学实验:压实度为95%条件下的试样的强度较高,如当围压为50kPa时的强度为340kPa,且随着围压的增大而增大;试样一般均在应变较小(<3%)的情况下达到强度最大值;红层泥岩的强度指标为Cd=50kPa,φ=37°;在不浸水条件下满足铁路路堤填料对强度要求。

红层泥岩填筑土水稳定性实验:红层泥岩浸水后会有较大程度的软化,压实度为92%条件下,浸水前的强度指标为Cu=38.4kPa,φ=30.7°,浸水后的强度指标为Cu=34.5kPa,φ=16.8°,其软化系数为0.34;承载比试验表明,压实度为95%的试样的CBR值

图6　路基面支承刚度与路基竖向刚度组合示意图表2　遂渝线无碴轨道综合试验段路基过渡段过渡段类型

桥台与路堤桥台与路堑隧道与路堑隧道与路堑

涵洞与路堤(涵顶填土高度

小于1.5m)

涵洞与路堤(涵顶填土高度大于1.5m)

涵洞与路堑(涵顶填土高度小于1.5m)路堤与软质岩路堑

两桥(隧)之间短路基(L≤30m)

两桥(隧)之间短路基(30m≤L≤60m)

两桥(隧)之间短路基(60m≤L≤120m)桩板结构路基与路堤过渡段相连地段(堤堑过渡接涵路过渡)

过渡段相连地段(桩-板结构与路堤过渡接隧路过渡)

处数

111111110111211

主要工程措施水泥稳定级配碎石与级配碎石二次过渡水泥稳定级配碎石与级配碎石二次过渡厚度渐变的混凝土板水泥稳定级配碎石楔形过渡

水泥稳定级配碎石与级配碎石二次过渡级配碎石正楔形过渡水泥稳定级配碎石倒楔形过渡

级配碎石楔形过渡混凝土等刚度强化路基

水泥稳定级配碎石等刚度刚性路基混凝土渐变刚度强化路基

水泥稳定级配碎石与级配碎石二次过渡级配碎石

厚度渐变的混凝土板强化路基

为4%,基本符合高速铁路及高速公路基床下路堤强度的要求;且膨胀率值为2%左右,相对较小;压实后的红层泥岩散体浸水后有一定的膨胀性,其自由膨胀率为3%,膨胀性要远小于弱膨胀土的膨胀性;并且其膨胀率随着压力的增加而减小,当荷载为100kPa时,其有载膨胀率为零。

红层泥岩填料高路堤稳定及变形数值分析:根据室内试验获取的红层泥岩填筑土力学参数,结合工程经验,对各种工况条件下红层泥岩填料高路堤路基稳定及变形进行了数值模拟分析,结果表明,设计方案在最不利工况条件下,红层泥岩填料高路堤稳定及变形均满足铺设无碴轨道技术要求。5.3　基于变形控制的无碴轨道路堤设计

利用非良质填料填筑无碴轨道路基,必须对非良质填料击实特性以及填筑土水稳定性进行试验研究,对非良质填料路堤的坡形和坡率,边坡防护以及防排水进行特殊设计。图7为遂渝线无碴轨道综合试验段红层泥岩土试验段代表性横断面,其工程技术要点包括:基床以下红层泥岩土填筑密实度95%以上(最大

5　合理使用非良质填料

5.1　问题的提出

高速铁路对路堤填料有严格的要求。在日本、德国等国家,其路堤填料原则上采用A类及B类填料。在我国,高速铁路建设规模大、线路长,区域地质条件复杂,优质填料缺乏,整条线路都使用优质填料,无论从成本上还是优质填料的来源上都存在着很大困难。因此扩大可用的填料范围,使C、D组填料也可以用作高速铁路的路堤填料,对我国的铁路建设具有重要意义。遂渝线无碴轨道综合试验段设置了两段长度各为

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干密度2.16g/cm);阶梯形边坡,坡高6m,坡率1∶1.8;边坡及填方体土工格栅加筋;边坡设截水骨架内灌草护坡;基底设排水垫层;路基面两侧各加宽

[2]

1.0m;路基面设置防水封闭层。

计,是客运专线无碴轨道路基重要设计内容,应进行专门的系统设计。6.3　土建与机电工程系统设计

线下基础土建工程设计应充分考虑机电工程系统安装需要,预留管、沟、坑、基础等,避免机电工程系统安装对路基工程造成损伤。

7　无碴轨道路基信息化施工

为有效控制路基工程变形,必须严格控制路基工程过程质量。只有路基工程分项工程质量得到有效控制,才有可能实现路基工程质量的控制,实现路基工程变形控制。实现路基工程分项工程质量的途径:一是建立科学合理的质量检测制度,包括检测方法、检测频次、监测标准等;二是实行信息化施工,对检测中发现的不合格或缺陷,及时采取措施进行补救。

图7　遂渝线无碴轨道综合试验段红层泥岩土试验段代表性横断面6　无碴轨道路基系统设计客运专线无碴轨道路基设计以路基变形控制为核心,贯彻系统设计思想十分重要,必须重视线下基础变形与刚度的系统分析,必须重视地表与地下排水系统设计,必须重视土建与机电工程系统设计。6.1　线下基础变形与刚度系统分析

线下基础变形系统分析,是控制线路纵向不均匀沉降的关键,不同线下基础之间、不同工程结构之间、不同地基条件之间,均应进行变形协调性的计算分析,使估算的工后沉降基本一致。

对不同线下基础之间,还要使其支承刚度平顺过渡,消除刚度突变。

为实现线下基础变形与刚度系统分析,客运专线无碴轨道路基设计应进行线下工程纵断面设计。6.2　地表与地下排水系统设计

8　结束语

遂渝线无碴轨道综合实验段路基工程于2005年

10月开始施工,历时半年,目前基本完成。施工中,设计单位加强配合施工,根据施工反馈的信息,及时完善设计。施工单位高度重视,精心施工,严格控制施工过程质量。从现场检测数据看,路基工程质量得到有效控制,基本实现了路基工程变形的有效控制。下一步将进行实车试验以及长期测试,为进一步完善设计提供科学数据。

参考文献:

[1]　铁道部.遂渝线无碴轨道综合试验段无碴轨道设计技术

条件[R].2004.

[2]　铁道第二勘察设计院.遂渝线无碴轨道综合试验段路基

客运专线无碴轨道路基必须具有长期的变形稳定

性,作为以岩土材料为主构筑的路基工程,除对岩土材料的耐久性应做严格要求外,加强路基工程防排水设

工程设计图[S].2005.

(编辑　慕成娟　王松兆)