高速铁路路基设计中有关问题的回顾与思考

熊林敦

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 软黏土地段路基沉降控制及工程措施

近代沉积的黏性土特别是松软土、软土均具有较大的压缩性，路基建成后，都会发生沉降，而且会延续较长的时间。这可能给运营后的高速铁路行车带来困难，甚至根本不能实现高速运营。所以地基的沉降控制是一个必需面对的重要问题。

在国外如德国，对铺设无砟轨道的路基，地基沉降的控制有着非常严格的要求，认为高速铁路在无砟轨道铺设后及运营阶段轨面高程只能通过扣件系统进行调整，因此，与有砟轨道相比对下部基础变形的要求更为严格。并提出了如下观点:①长期运营中路基工后残余沉降量必须小于等于扣件的调高量减去5 mm;无砟轨道扣件本身最大可调量为20 mm(已考虑相关施工、测量误差等)，无砟轨道路基允许的工后残余沉降应≤15 mm。②如果在路基长度大于20 m的线路范围产生较均匀的轨道下沉，则路基工后残余沉降允许达到第①项的2倍，即≤30 mm，并且在某一线路区段上的路基的下沉能按竖曲线Ra≥0.4V2e进行圆顺(式中Ra为竖曲线半径，Ve为线路设计最高速度)，允许工后差异沉降值≤13 mm/50 m。③路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于5 mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁等的折角不应大于1/500。④对于使路基产生不可预测的残余变形区段、地下水位高出钢轨顶面以下1.5 m的路基区段均不应铺设无砟轨道。⑤对所有土质地基均需进行工后沉降分析，对不满足工后沉降控制标准的地基需进行处理，要求路基填筑完成后至少应有6个月的沉降观测期，经工后沉降评估分析满足要求时方可铺设无砟轨道。

在武广高速铁路建设期间，我国也制定了《客运专线无砟轨道铁路设计指南》，对地基沉降作出了详细的规定:“路基在无砟轨道铺设完成后的工后沉降，应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm……”。与普速铁路相比，路基工后沉降控制基本建立起趋于“零”沉降概念。

路基沉降包含动力荷载引起的沉降、路基填料自重压密沉降及路基基底地基压缩变形沉降3部分，软土地基压缩变形又由瞬时变形、正常固结变形及次固结变形组成。地基沉降计算方法有考虑三向应力的方法，考虑应力路径的方法，有限元法等，无论采用什么方法，计算并不是件难事，难的是如何使其计算结果与实际相符。根据对既有线的调查统计，这些计算方法的结果均与实际沉降量有较大的差距，计算值往往偏小，所以在以往的设计中，通常采用经验系数对其进行修正。由于高速铁路对路基工后沉降控制严格，而目前各种计算方法均有较大的误差，为简化计算，目前地基沉降仍按分层总和法进行，对于饱和土地基按太沙基固结理论进行计算，对于非饱和土地基按《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)进行计算，复合地基加固下卧层沉降计算时应考虑应力扩散影响。同时，为解决计算的误差，确保路基工后沉降满足无砟轨道铺设要求，一般对深厚软土地段采用堆载预压，且应有不少于6个月的观测和调整期，以保证路基变形符合相关要求，即地基土层沉降变形完成的时间，采用理论计算与现场观测相结合的方法来确定，通过精确的沉降观测来推算地基的最终沉降量，这是目前解决由于计算方法误差问题的唯一选择。如武广客运专线在软黏土地基路基设计原则中作了如下规定:路基施工至设计高程(有预压土方时至预压土方的顶面)后，先持续监测不少于6个月的时间，根据这6个月的监测数据，绘制“时间—填土高—沉降量”曲线，按实测沉降推算法或沉降的反演分析法，分析并推算总沉降量、工后沉降值以及后期沉降速率，并初步分析推测最终沉降完成时间，以确定铺轨时间，并根据分析结果，结合工期要求，验证、调整设计措施使地基处理达到预定的变形控制要求，当评估结果表明沉降还不能满足无砟轨道的铺设要求时，则研究确定是延长路基摆放时间继续监测，还是采取(或调整)地基加固措施(如调整预压土高度、确定预压土卸荷时间、调整或增加地基加固措施等)，即进行监测—评估—调整”循环，以满足无砟轨道铺设要求。

2 浅层软地基的处理

对位于丘间谷地、水塘、阶地等表层黏性土、软土地段的路基，采用换填、强夯、碾压等处理措施是以往普速铁路设计中常用的方法，可根据各线的实际情况进行选择，其施工简便，一般也能满足路基对工后沉降及稳定的要求。但对于要求“零”沉降的无砟轨道高速铁路而言，简单地采用抛石挤淤、强夯、碾压等处理措施很难满足路基对变形及刚度的要求。在武广高速铁路武汉试验段及乌龙泉至花都段都曾设计有强夯、碾压等处理措施，但经试验成功的很少，大部分都修改了设计。因此，对浅层的黏性土、软土地基，建议采用换填、CFG桩、小方桩等措施进行加固，慎用强夯等处理措施。

3 地基加固方法

为满足路基工后沉降趋于“零”沉降的要求，目前已运营或正在勘察设计的客运专线特别是无砟轨道线路普遍采用刚性桩进行地基加固，如钻孔桩、管桩、CFG桩等，使用较多的桩网结构，如CFG桩桩网复合地基，目前一般按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)进行设计与沉降估算;在设计过程中，桩上碎石垫层与土工格栅主要起均布应力与均匀沉降作用，不作为受力结构进行设计。

而在德国，CFG桩桩网复合地基按群桩理论进行设计，拉筋是用来传递桩所承载的应力的，作为受力结构进行设计，应考虑土工格栅桩间形成的拱，应力重分布作用与薄膜作用(桩与土之间沉降差异引起土工格栅的应变和张应力)等的影响。路堤稳定性计算还应考虑路堤沿土工格栅面滑移破坏。

鉴于CFG桩桩网复合地基在我国建筑部门设计中已取得一定的成功经验，且经施工、使用验证是满足使用要求的，所以CFG桩桩网复合地基目前可按复合地基进行整体稳定和沉降设计计算，其上的碎石垫层与土工格栅视为褥垫层。同时建议结合工程实践对土工格栅的受力状态进行研究，以完善相关的设计理论。

4 路堤边坡高度的控制

路堤建成后发生的变形如前所述主要由3部分组成，实验表明列车荷载作用下发生的变形其数值是有限的，且主要作用在基床范围，可通过改善基床的材质和提高基床的密实度来控制;路基地基压缩变形沉降一般要在运营后几年甚至几十年的时间才能完成，路堤边坡高度越大对地基产生的附加应力越大，影响深度亦越深，地基产生的塑性变形也就越大，目前客运专线大多可通过地基加固，采用切实可行的加固措施如桩板结构等，将桩打入硬层等来应对，但若不对路堤高度进行控制，地基加固费用将越来越高;而路基填料自重压密沉降，根据日本的经验，当K30≥70 MPa/m时，路堤本体的压缩下沉为填土高度的0.1% ～0.3%(砂性土)及0.2% ～0.5%(黏性土)，我国普速铁路的经验表明，压实系数达到0.9，路基下沉约为路堤高度的0.1%，但是，20世纪50年代对质量一般的工点观测记录表明，下沉可达到1% ～3%。

填土的压密下沉属永久下沉，必须采取措施进行控制。首先，在勘察期间应根据地基条件确定一个合理的桥路分界高度，即对路堤边坡高度进行控制，如沪昆客运专线规定:地质条件较好的丘陵山区桥路分界高度建议为6～8 m;河流阶地或邻近大中城市地区桥路分界高度不超过5 m;储、滞洪区等水害频发段和杭绍平原一带广泛分布深厚软弱地基，原则上以桥通过，当需要采用路堤形式通过时，填高应控制在4.0 m以内。其次，在作路基设计时，应根据填土的高度在材质、压实密度等方面提出合理的要求，事实上，根据日本、德国高速铁路的经验，填土的总压密下沉中有相当一部分是施工过程中就完成了的，并且1年内下沉渐趋稳定。由此完全可以通过施工组织的合理安排来解决，如目前客运专线普遍采用的:路基施工完后预压或放置6个月，再进行后续施工。

路堤边坡高度的控制与地基条件、路基填料、地基加固方法、施工组织等有密切的关系，在没有充分的依据条件下，目前个人以为客运专线无砟轨道路基高度应不超过8 m为宜。同时应加强监测、收集和研究客运专线在不同填料不同压实密度(或其他相关指标)等的情况下，路基填料自重压密的沉降值或比值，以积累经验。

5 深路堑高边坡

《铁路边坡防护及排水工程设计补充规定》(铁建设［2009］172号)中规定:“……路堑边坡高度在土质及风化破碎软质岩地段不应超过15 m，硬质岩石地段不应超过30 m，中～强膨胀岩土地段不应超过10 m……”，在实际工作中特别是山区铁路很难做到。比如合福铁路(合肥—福州)在初步设计阶段路基边坡最高的达70 m(位于古田车站)，高度超过30 m的工点有将近200个;杭(州)黄(黄山)铁路淳安车站路堑边坡最高达50 m，超过30 m的工点亦有将近20处。在施工设计时经过反复优化，但仍难满足上述补充规定的要求。这些高边坡大多位于车站内，因考虑车站的通视条件及多线隧道施工的难度和场地的限制，仍按路基进行设计。尽管在设计中采取了加强措施，争取做到万无一失，但仍给今后的运营带来一定的安全考问。如何解决类似这样的路基高边坡问题，笔者以为除加强山区铁路的选线外，有没有更好的安全可靠的结构措施，有待我们今后的努力。

6 路基填料的选择

高速铁路路基填料的选择是十分重要的，在《高速铁路设计规范(试行)》中对路基各部位填料的要求都有较详细的规定。

在技术上必须满足规范要求外，考虑环保、经济等因素应尽量利用沿线隧道、路堑弃方，这就涉及到软岩能否作填料的问题。武广、杭长、合福、杭黄客运专线等大多经过丘陵低山区，沿线均分布有泥质砂岩、泥岩、黏土岩、千枚岩、泥质板岩、砂砾岩等软岩，如果这些软岩弃砟能利用作为路堤填料，不仅可以解决填料缺乏的问题，而且能避免大量弃砟占用农田，污染环境，并达到节省投资的目的。从国内外资料来看，都应尽量利用隧道、路堑弃砟作路堤填料，包括易风化软岩块和软岩风化岩块，软岩块和软岩风化岩块作填料有其自身的特点，其粒径组成会随着碾压过程及裸露时间长短而变化，它不能像硬石质填料一样可以采取控制颗粒级配来达到最佳密度，也就是说压实标准不能采用碎石类土、砂类土的标准，也不能像细粒土作击实试验一样将软质岩块全部破碎成土样，控制含水量而达到最佳状态，所以也不能采用细粒土的压实标准。因为软岩大多极易风化，还具有一定的崩解和膨胀性，压实不够，岩块还会受到大气、水等外力因素作用而产生风化和胀缩，引起路基变形。总之，目前还没有采用软岩作为高速铁路路堤填料的成熟技术和相关的技术标准要求。在武广客运专线的建设过程中，就发现挖方地段大多为软岩，为此重点对白垩系泥质粉砂岩、含砾砂岩、元古界泥质板岩进行了一些相关的室内试验和现场填筑试验，结果表明，对于碾压破碎难度较大的弱、未风化软岩通过采用掺和中粗砂、砾石土等粗颗粒土进行物理改良;对全风化、强风化易碾压破碎的软岩采用掺和水泥或石灰进行化学改良，并采取适当的施工工艺及防水设计措施，软岩是完全可以作为路基本体填料的。但不同的软岩其工程性质差别较大，不但涉及到改良方案，还与施工组织、施工工艺等有关，今后应加强研究积累经验。

7 路基的排水

水是路基的大敌，排水系统设置不合理、排水设施过水断面不足或排水设施淤塞、排水不畅等，都会引起严重的路基病害，2010年赣龙线水害充分说明了这一点。在排水系统的具体设计工作中，排水设施的合理布置和其过水断面的设计是非常重要的两个环节。路基排水设施应与桥涵、隧道、房屋、农田等排水建筑物相顺接，以求水流通畅;排水设施的过水断面尺寸需根据流量的大小经水力计算确定，以保证有足够的过水能力，在2005年开始实施的路基设计规范已将路基排水设施设计降雨的重现期由原来的25年改为50年，另外为确保排水设施的质量，目前在建的铁路客运专线在材质上也作了详细的规定:侧沟、天沟、排水沟应采用混凝土浇筑或预制拼装，不得采用浆砌片石。铁路客运专线路基排水系统无论从设计水量的大小、设施的材质等标准都较过去有所提高，应该说对路基的稳定、列车的安全运营是有保证的。但也有个别地方因地形、交通设施等的限制，采用集中排水的方式抽排水，在暴雨时可能会导致路基临时性泡水引起病害，这种情况在勘察设计中应尽量避免。

8 结语

目前客运专线路基设计主要以《高速铁路设计规范(试行)》作为设计参考，虽然京津运营多年、武广运营也一年多，其他大多都在建设中，但每条客运专线所处的外部环境、地形地貌、地质条件都不一样，遇到的问题也有所不同，比如普遍遇到的软岩填料、桥隧间短路基的处理、合福客运专线等高边坡的设计等问题，希望通过共同探讨来寻求一个合理的设计解决方案。

［1］牛志荣，等.复合地基处理及其工程实例［M］.北京:中国建材工业出版社，2000.

［2］铁路工程技术手册编写委员会.路基［M］.北京:中国铁道出版社，1992.

［3］中华人民共和国铁道部.铁建设［2009］172号 铁路边坡防护及排水工程设计补充规定［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国建设部.GB50007—2002 建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［7］周全能，姜领发.客运专线路基沉降特征及其影响因素分析［J］.铁道标准设计，2010(2):15-19.

［8］乐 红，余 飞，韩 卓，等.武广铁路客运专线超载预压路基沉降评估技术［J］.铁道标准设计，2010(2):11-14.

［9］汤晓光，陈善雄，许锡昌，等.论铁路客运专线沉降变形评估标准与合理控制［J］.铁道标准设计，2010(2):1-3.

［10］杨广庆，等.高速铁路路基设计与施工［M］.北京:中国铁道出版社，1999.

［11］地基处理手册编写委员会.地基处理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993.

［12］李小和.武广客运专线软岩填料工程特征及填筑技术的研究［C］∥铁路客运专线建设技术交流会论文集.武汉:长江出版社，2005.