高速铁路路堤稳定和地基沉降影响因素敏感性分析

李明

【摘 要】控制路基变形是高速铁路的关键技术之一，也是一个长期困绕工程界的难题。特别是在路基和结构物连接处、路堤和路堑连接处、路堤底部不同地基处理措施连接处等部位易产生的不均匀变形会直接导致线路的不平顺，从而影响高速列车的安全平稳运行。本文主要对高速铁路路堤稳定和地基沉降影响因素进行了分析研究。

【关键词】高速铁路；路堤稳定；地基沉降；控制措施

引言

近年来高速铁路在我国的快速发展，使得具有高平顺、高稳定特性的无砟轨道得到了大量应用，但其仅能通过扣件调高来保证轨道的几何型位。正因如此，无砟轨道对路基变形，特别是对路基不均匀变形的要求比有砟轨道更为严格。目前，我国高速铁路无砟轨道路基一般地段工后沉降要求控制在15mm范围内，过渡段工后沉降差仅允许在5mm以内，并要求不均匀变形折角不大于1/1000。

另一方面，我国的高速铁路路堤通常采用优质填料填筑，而且压实标准较高，一般变形较小，路基面的沉降主要由地基下沉引起。所以，在高速铁路建造中需要对地基沉降，尤其是不均匀沉降进行“毫米级”的严格控制，这无疑给工程建设带来了严峻挑战。

一、高速铁路路堤存在的问题

1、填筑体横向差异沉降

斜坡路堤必然使得路堤横向填筑高度存在差异，路堤横向填筑高度不同就会引起填筑路堤本身横向的差异沉降，斜坡越陡填筑体的高度差越大，造成填筑体本身的横向差异沉降就越大。路堤填筑体本身沉降是指路堤本体在填筑完成以后，路堤自身重力和交通荷载作用下产生的压密和侧向变形引起的沉降，这部分沉降因路堤填料、路堤断面结构形式以及地基条件而不同。根据国外高速铁路的经验和实测资料，路堤填土压实沉降量，当路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，约为路堤高度的0.1%～0.3%；当以细粒土填筑时，约为路堤高度的0.3%～0.5%，可见斜坡地基由路堤横向填筑高度差引起的本体差异沉降很容易就能达到数毫米以上，无砟轨道客运专线应予以充分考虑。

2、斜坡地基土层引起差异沉降

当斜坡地基存在土层时，由于斜坡土体大多为堆积（或冲洪积）形成，大多情况下在斜坡坡脚形成的土层一般厚于斜坡上侧，形成如图2所示的地层，在斜坡上填筑路堤工程，地基在上部填筑体作用下，下部土层厚度较大及填筑土体高度又大，故其下侧地基产生的沉降大于上侧，加剧路基面横向不均匀沉降。此外，即使斜坡地基土层厚度一致，但在外荷载作用下，斜坡地基内的附加应力扩散不再像平面地基条件呈对称的随圆形等值线向深部发展，而是呈不对称性。斜坡地基条件下，由于路堤下方一侧临坡缺少了约束，其承载能力必然降低，同时斜坡地基上填土引起的应力与应变主要集中在下方侧坡脚附近，故在荷载作用下路堤坡脚变形更加明显。附加应力扩散的不对称性随着地基上部荷载的增大或随着地基坡度的增大将变得更加明显，从而造成的路堤不均匀沉降差更大，特别是当斜坡存在软弱地基时，斜坡软弱地基上填土引起的应力与应变集中在下方侧坡脚附近，因此，倾斜地基较水平地基在填土荷载作用下地基失稳的可能性更大，不均匀性变形更加明显。不均匀斜坡土质地层如图1所示。

3、斜坡土质地基加固施工困难

当斜坡地基覆盖较厚的土层时，为满足高速铁路沉降要求，无法采用挖除换填处理，需要对地基进行复合地基加固，斜坡地形复合地基施工较为困难，坡度越大施工越困难。一般通常需要在斜坡地基上挖台阶后再逐级进行复合地基施工，如图2所示。

二、修建高速铁路路堤工程技术

1、斜坡路堤变形控制设计原则

斜坡地基在路堤荷载作用下，路堤下坡一侧坡脚附近地基的剪应变、水平变形均较水平地基大，地面坡度越大或存在软弱地基这种趋势越明显。斜坡地基填方工程，应采取限制或减小地基剪应变、水平变形的措施。具体工程措施可从以下几个方面入手，即清除基岩上薄层土挖台阶填筑或在较厚土层上挖台阶填筑路堤、限制地基侧向变形、提高地基土层强度以增加抵抗变形能力、减小路堤不均匀沉降、控制支挡结构顶部侧向变形等。

2、斜坡地基挖台阶

这是一种简单而有效的措施，一般适用于缓于1∶2.5的斜坡路基，台阶宽度不应小于2m。当地基土层厚度较薄时可采取挖除薄层土层，在基岩上挖台阶再进行路堤填筑，既可保证填筑路堤的稳定性又可有效控制填筑路堤的变形；当土层厚度较厚但计算工后沉降满足高速铁路要求时，可在原地面上挖台阶后再进行路堤填筑。

3、限制地基侧向变形技术措施

限制地基的侧向变形，可有效保证斜坡地基路堤的稳定。限制地基侧向变形的方法，可分为被动限制和主动限制两种技术措施。被动限制：斜坡路堤可采用在下坡一侧坡脚设置钢筋混凝土侧向约束桩，侧向约束桩的设置既可有效提高路堤的稳定性，又可限制地基的侧向变形，当地基沉降较大不能满足高速铁路路基沉降控制要求时，先在路堤基底施作复合地基，在复合地基下方侧设置侧向約束桩；当斜坡坡度较大，地基既需要侧向约束又要进行收坡时，可在斜坡下方侧设置桩基托梁、路肩桩板墙等工程，如图3所示。

主动限制：采用高强度的钢筋混凝土桩基础（如桩网结构），由桩基础承担路堤及上部荷载，减小斜坡地基承担的荷载和沉降变形。工程实践中，桩基础结构主要应用在斜坡地基存在软弱土层如软土、淤泥质土、泥炭土等条件非常差的软弱土层时，特别是软弱土层下为倾斜基岩时，修建高速铁路路基其对沉降和稳定要求难以得到满足，这种情况下通常采用钢筋混凝土桩网（筏）结构进行加固，或钢筋混凝土桩的桩顶可采用横、纵梁进行连接成框架结构增强群桩的整体受力效果和抗滑、抗剪能力，如图4所示。

4、减小路堤不均匀沉降技术措施

路堤在横向和纵向当地基条件发生较大变化或填方高度差异较大时，填筑路堤会形成横向或纵向的不均匀沉降，从而引起上部结构产生附加应力，对铁路结构和铁路的运营产生不利影响。当斜坡路堤地基为浅层土层或基岩时，可通过清除浅层土在基岩上挖台阶设置路基纵向和横向路堤路堑过渡段解决纵向、横向刚度不一致和填筑高度差不同造成的差异沉降；当地基为较厚土层时，可进行分区复合地基加固，在路堤下方侧复合地基加固桩间距加密，减小路基不均匀沉降；当为陡坡路基时，可通过在陡坡下方一侧设置支挡结构收坡，为解决陡坡路基支挡结构下部路基填筑施工困难和为减少填筑陡坡路基的不均匀沉降，可在填筑路堤底部填筑压实困难的部分采用级配碎石掺水泥、浆砌片石或素混凝土等进行填筑。

5、提高地基土层强度技术措施

斜坡地基路堤应优先采用限制地基侧向变形的措施，但基于以下原因，必要时应采取地基加固措施，以提高地基土层强度：（1）减小地基沉降的需要；（2）地基存在软弱土层，采取地基加固，以减小侧向约束桩的受力和增强软弱地基整体性以形成土拱效应，充分发挥侧向约束桩的作用；（3）采取地基加固，还能起到防止潜在滑动面向上移动，出现跨越桩顶的越顶破坏。高速铁路常用的提高地基土层强度技术的措施有：水泥土搅拌桩、水泥砂浆桩、水泥旋喷桩、低强度素混凝土桩等，其共同特点是，桩间距通常为桩径的2～5倍，在路堤填土荷载的作用下，桩与桩间土相互作用，共同承载。复合地基设计包括稳定检算和沉降检算，稳定检算时复合地基加固处理部分应采用复合地基的抗剪强度指标，复合地基沉降检算一般采用分层总和法，按复合模量进行计算。

由于斜坡地基的坡度效应，斜坡地基在路堤荷载作用下产生竖向沉降的同时，将伴随发生一定的水平位移，实际沉降一般较计算值略大，高速铁路斜坡路基设计应高度重视，特别是斜坡软弱地基的加固，高速铁路路基要考虑斜坡路堤下方一侧外部一定距离内外界环境变化对斜坡路堤稳定和变形的影响，其下方一侧地基加固宽度应适当加宽，和限制地方的挖填方影响，尤其是上方一侧的填方堆载和下方一侧的挖方影响。

结束语

路基是高速铁路线路的基础组成，是保证列车平稳、安全运营的关键部分。高速铁路路基病害的形成过程较为复杂，不仅受地质、设计、施工因素影响，同时与铁路工务部门的管理养护也有一定的关联。因此，对于既有高速铁路路基病害的整治，应就不同地域、不同特点的路基病害采取不同的整治措施，在判明成因的基础上，针对关键因素确定适宜的施工方案，做到因地制宜，有的放矢，避免反复治理的现象发生。

参考文献：

[1]TB10001—2005，铁路路基设计规范[S].

[2]TB10106—2010，铁路工程地基处理技术规程[S].

[3]TB10621—2009，高速铁路设计规范[S].

[4]虞先溢.高速铁路路基沉降变形分析方法与评估实践[D].成都：西南交通大学，2011.