高速铁路路基的设计与施工技术研究

李瑞杰

0 引言

高速铁路是一个具有时代性的社会发展产物,国际上目前公认列车最高行车速度达到200 km/h及其以上的铁路为高速铁路。路基是轨道的基础,而高速铁路的路基为确保列车高速、安全和平稳运行,必须按照土工结构物进行设计,它的地基处理、路堤填筑、过渡段加强以及基床结构等必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。

1 地基要求

1.1 高速铁路路基的特点

高速铁路路基表现为多层次的结构系统,而提供一个高平顺、均匀和稳定的轨下基础即路基,控制其变形是路基设计的关键;同时,把路基视为列车和线路整个系统的一个重要组成部分,对作为支承路基的地基更是提出了一个严格的要求。

1.2 地基条件

对于高速铁路路基的地基来说,主要是保证其强度和控制其变形。众所周知,为使列车高速、安全、舒适地运行,并尽可能减少维修,严格控制路基的变形、沉降是很重要的,而控制路堤沉降则主要是控制地基的工后沉降。

2 设计方法

2.1 路基荷载的设计

1)静荷载的设计。静荷载是线路上部结构的重量作用在路基面上的应力,而列车荷载和轨道荷载是确定路基本体构造要求的一个重要依据,在设计静荷载时通常采用换算土柱法。

2)动荷载的设计。动荷载是列车行驶时轮载力通过上部结构传递到路基面上的动应力,高速铁路的路基设计不能简单地把动荷载作为静荷载来处理,必须进行动态分析。在列车动荷载的作用下,路基保持长期稳定是列车高速运行的基础;而要保持路基长期稳定,不产生任何危及正常运行的过度变形,就必须对通过钢轨、轨枕和道床传到路基表面的动应力幅值及其频率以及振动加速度及位移的大小进行分析。目前,通常采取实测与理论分析相结合的方法来分析研究。

2.2 路基横断面的设计

2.2.1 路肩宽度的设计

路肩宽度的选择应同时满足安设接触网支柱,安放通信信号设备,埋设必要的线路标志,通行养路机具等要求。路肩宽度的确定主要取决于以下几个因素:1)路基稳定的需要,特别是侵水后路堤边坡的稳定性;2)满足养护维修的需要;3)保证行人的安全,符合安全退避距离的要求;4)为路堤压密与道床边坡坍落留有余地。

2.2.2 路基面宽度的设计

对于直线地段的路基,一般单线选用8.8m,双线选用13.8 m;而对于曲线地段的路基,则根据曲线半径的大小在直线路基的外侧增加相应宽度值0.3 m～0.5 m。

2.3 路基基床的设计

2.3.1 路基基床的特点

高速铁路的路基基床是路基最重要的关键部位,因此它必须有足够的强度、足够的刚度、良好的排水性和防冻性能。

2.3.2 路基基床的结构

一般情况下,高速铁路路基基床是由基床表层和底层组成的两层结构。特殊地,将基床表层再细分成两层或多层,每层使用不同的材料或结构,如钢筋混凝土连续板、混凝土绝热层和支持层、素混凝土、矿渣混凝土、填土和道碴等。

2.3.3 基床的表层填料

由于路基基床表层是直接承受列车荷载的,因此基床表层使用的材料应具有一定的要求,常用的有级配砂砾石、级配碎石、级配矿物颗粒材料和各种结合材料的稳定土等。

3 施工技术

3.1 路堤的施工技术

3.1.1 填料的要求

高速铁路路堤填料应该满足以下要求,以便能减少工后沉降,具有较高的安全储备以保证路堤的稳定和不致产生病害:

1)在列车和路堤自重荷载作用下能长期保持稳定;2)路堤本体的压缩沉降必须能很快完成;3)路堤的力学性能不会因受其他因素的影响而发生不利于路堤稳定的变化。

3.1.2 压实标准的要求

为了保持高速铁路路基的变形稳定性,有必要提高路堤碾压的压实度。例如,当路堤高度小于基床厚度时,软弱天然地基往往要通过采取换填等措施加固后才能满足,同时还必须加强排水,避免基床被水浸泡而引起强度的降低。

3.1.3 路堤边坡的设计

高速铁路路堤边坡坡度决定于填土的性质和所处的环境,如地震、洪水等,一般边坡均在1∶1.5～1∶2.0之间。

3.2 过渡段的施工技术

1)在过渡段较软的一侧,增大路基基床的竖向刚度,减小路基结构的沉降。此方法的主要作用是通过加强路基结构来减小路基与桥台之间在刚度与沉降方面的差异,进而减小路桥间线路的不平顺,常用的处理方法有加筋土路堤法、碎石填料填筑法和过渡搭板法等。2)在过渡段较软的一侧,增大轨道的竖向刚度。该方法主要是通过提高轨道的竖向刚度来减小路桥间轨道刚度的变化率,具体处理方法有:a.通过调整轨枕的长度和间距来提高轨道的刚度;b.通过增大轨排的抗弯模量来增加轨道的刚度;c.通过增加道床厚度来提高轨道的刚度。3)在过渡段较硬一侧,通过设置轨下、枕下、碴底橡胶垫块(板)来减小轨道的竖向刚度。对于桥梁和隧道等刚性结构物上的线路,可通过调整轨下垫板的刚度和设置枕下垫块(无碴)的方法,使轨道的刚度值与较软一侧轨道的刚度值相适应。如可设置橡胶垫降低轨道的竖向刚度,减小路桥间轨道的刚度差。

4 结语

高速铁路的出现对传统铁路的设计和施工技术提出了新的挑战,正确掌握路基的荷载、横断面和基床的设计方法,运用先进的施工技术,将有助于高速铁路达到高速、安全和舒适的要求。随着生活水平的提高,乘坐舒适将是人们出行选择交通运输方式的重要条件之一。因此,高速铁路将以线路平顺、稳定,列车运行平稳,振动和摆幅小等而深受人们的青睐,可以预见它的发展空间将十分广阔。

[1] 钱立新.世界高速铁路技术[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2] 杨广庆.高速铁路路基设计与施工[M].北京:中国铁道出版社,2005.