覆盖型岩溶段高速铁路地基处理方案浅析

张杰

【摘 要】目的：我国高速铁路发展迅猛异常，已经逐步遍及祖国各地。我国又是可溶岩广泛分布的国家，所占面积占国土总面积的1/3以上，高速铁路通过覆盖性岩溶地区不可避免。岩溶病害和路基沉降是控制覆盖性岩溶段高速铁路路基质量的两大问题，采取何种切实可靠的方案和优化方案是目前的重要课题。结论：覆盖岩溶地表稳定地段，应以控制路基沉降为主；岩溶病害地段，应病害和沉降兼顾。客运专线不同速度目标值所采取的路基加固手段不同，高速铁路应以桩板结构为宜，桩板结构以落地收敛式为好。

【关键词】覆盖型岩溶；高速铁路；速度目标值；路基加固；桩板结构；落地收敛式

【Abstract】Research purposes： High-speed railway of China has grow quickly， and has gradually spread all over the country. The karst is widely distributed in about over 1/3 of the total land area of China. Building high-speed railway on covered Karst area is inevitable， so the two key problems of control the quality of Karst area high-speed railway is karst disease and subgrade settlement. So feasible design scheme and optimization is an important subject. Research results： According to the different speed target value of Passenger Dedicated Line by taking different reinforcement scheme. Control the settlement of the roadbed in karst stable section； Consideration to disease and settlement of karst disaster section； the High-speed railway should adopt pile-plank structure of landing convergence type.

【Key words】Covered karst； High-speed railway； Speed target value； Subgrade reinforcement； Pile-plank structure； Landing convergence type

高速铁路发展的今天，路基对基础的要求非常严格。对于路基而言，不仅仅是稳定性的问题，沉降已成为重要的标准。高速路基主要按照“以人为本”的理念，采用“安全、可靠”的技术，特别关注地基沉降的问题，以保证列车运行安全、高速、平稳、舒适。同时，不同速度目标值对地基沉降的要求不同（表1）。

表1 路基工后沉降量与速度目标值对照表

Table 1 Comparison table of settlement after construction and speed target value

1 地基处理的基本原则

铁路路基的地基处理，不仅仅解决稳定问题，路基沉降控制也非常重要。尤其对于高速铁路，工后沉降量控制的难度远大于路基稳定控制。

1.1 不同等级的铁路地基处理方案概述

不同的线路等级，不同的速度目标值，除对路基本体的压实标准不同外，对软基的工后沉降量也有不同要求（如表1所示）。为满足上述要求并避免浪费，必须对软基采用不同的加固措施。

（1）Ⅱ级铁路路基加固原则

线路通过第四系软弱土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于30cm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如：基础换填、砂垫层、插塑板、袋装砂井、碎石桩、粉喷桩等处理方法。

（2）Ⅰ级铁路路基加固原则

线路通过第四系松软土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于20cm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如基础换填、砂垫层、插塑板、袋装砂井、碎石桩、粉喷桩、旋喷桩等处理方法。

（3）客运专线200km/h铁路路基加固原则

线路通过第四系松软土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于15cm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如：基础换填、砂垫层、插塑板、袋装砂井、碎石桩、粉喷桩、旋喷桩等处理方法。

（4）客运专线250km/h铁路路基加固原则

线路通过第四系松软土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于10cm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如基础换填、砂垫层、粉喷桩、旋喷桩、打入摩擦桩、CFG桩等处理方法

（5）客运专线300～350km/h高速铁路有砟轨道铁路路基加固原则

线路通过第四系松软土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于5cm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如松软土层厚度≤3m时，可采用基础换填；松软土层较厚时，可采用打入摩擦桩、CFG桩等处理方法。

（6）客运专线300～350km/h高速铁路无砟轨道铁路路基加固原则

线路通过第四系松软土层，经过地层沉降检算，当工后沉降量大于15mm时，路基需采用加固措施。

具体加固方案应根据不同地质条件，采用相应可行的措施。如松软土层厚度≤3m时，可采用基础换填；松软土层较厚时，可采用打入摩擦桩、CFG桩、桩板结构等处理方法。

线路速度目标值越高，路基基底的处理标准越高，设计措施应越坚固、牢靠。

1.2 高速铁路岩溶病害路基的处理原则

该种路基不仅具有岩溶病害，同时具有路基不稳定和地基沉降问题。因此岩溶病害地基处理应包括两个方面的问题：①岩溶病害的整治；②软弱地基的处理，必须保证岩溶病害的根治和高速铁路工后沉降的标准，确保线路质量。

1.2.1 岩溶病害的整治

1）岩溶地表稳定性评价[2]

（1）地表塌陷具备的主要因素

岩溶发育程度、覆盖土层性质、自然气候因素、人类生产活动是地表塌陷的主要四大因素。其中岩溶发育程度是必备条件，是内在因素和先决条件；覆盖土层性质和自然气候因素是地表塌陷的外在条件；自然气候条件和人类活动因素是地表塌陷的诱发因素。

（2）影响地表塌陷最活动因素

①土石界面岩溶裂隙通道是地表塌陷的内在因素和先决条件；

②人类生产活动是地表塌陷最活跃的外在条件，是与塌陷同步产生的控制因素。

（3）岩溶地表整治的基本原则

①岩溶地表处于稳定状态时，路基设计仅考虑地基沉降问题。如松软土层厚度≤3m时，可采用基础换填；松软土层较厚时，可采用打入摩擦桩、CFG桩等处理方法。

②岩溶地表处于塌陷状态或评价为不稳定状态时，路基设计既要考虑岩溶地表塌陷的病害整治问题（如岩溶地表注浆），同时还要考虑软基沉降问题。如松软土层厚度≤3m时，可采用基础换填；松软土层较厚时，可采用CFG桩、桩板结构等处理方法。

2）岩溶地表塌陷的整治措施

岩溶地表塌陷的稳定性不解决，其他的软弱地基的加固措施（如袋装砂井、碎石桩、粉喷桩、旋喷桩、CFG桩）均没有稳定存在的基础，最终导致整体基础的破坏。所以，首先应对岩溶地表塌陷的地质灾害进行整治。

目前岩溶地表塌陷的整治主要手段是地表注浆[1]，将病害的根源和内在因素控制，才有条件进一步解决沉降问题。

1.2.2 解决软基工后沉降问题

对于覆盖型岩溶区稳定问题解决之后，随之解决软基工后沉降问题。根据沉降量检算和速度目标值的要求，可分别采用袋装砂井、碎石桩、粉喷桩、旋喷桩、CFG桩。个别地段采用桩板结构。速度目标值越高，工后沉降量要求越小，设计措施从复合型地基（柔性-半刚性）向刚性结构转化。

1.2.3 桩板结构的提出

对于处在岩溶病害地区的高速铁路，铁路路基要确保“安全、高速、平稳、舒适”，工程整治需分两步走，先整治病害求得稳定，后整治路基的沉降。因此设计施工要综合考虑整治病害、基底加固两类不同工种的工期和造价。

对于速度目标值200～250km/h的客运专线，设计采用上述柔性复合型地基基本可以解决。随之速度目标值进一步提高至300～350km/h高速铁路的有砟轨道时，工后沉降量不应大于5cm，路基基础可采用半刚性结构（如CFG桩）。当时速300～350km/h高速铁路的无砟轨道时，工后沉降量仅为15mm，从某种严格意义来讲，基底应近于零沉降，路基基础宜采用半刚性-刚性结构（如桩板结构）。

覆盖型岩溶病害地区，高速铁路（V=300～350km/h）无砟轨道由于工后沉降的严格要求，因此提出桩板结构的概念，即岩溶病害地段，应用桩板结构来替代注浆结合CFG桩地基加固模式（组合型整治）。

1.2.4 组合型整治与桩板结构优缺点分析

（1）组合型整治的缺点

组合型整治即所谓岩溶病害整治和松软地基加固的组合。

①岩溶病害注浆加固是地表稳定整治的一种最常见、最有效的方法。该种办法在理论上是成立的，并已被多项加固路基成果所证明。但由于多种因素的控制、干扰，使注浆成功的不确定性增加。此外，岩溶病害路基注浆只能解决岩溶地表塌陷稳定问题，不能解决软弱地基沉陷问题。

②第四系物理力学指标极差的深厚软土，地基沉陷加固采用强度较高的CFG桩，也难将工后沉降控制在15mm之内。其原因有：桩顶碎石垫层的柔性变形；桩间的侧向应力约束小。

需要补充说明的是：即使在隐伏岩溶的稳定区的路基，除已按桥梁设计通过地段外，对于厚层软土、软黏土沉降难以控制的路基，仍有必要考虑桥梁方案通过。

③覆盖型岩溶病害地区组合型整治，工期只能先后排序，不能平行作业、重叠交叉利用；造价单独列算；两项总和工期较长、造价较高。

（2）桩板结构的优缺点

优点：

①桩端伸入稳定基岩，解决路基基底工后沉降问题；

②设计、施工的理论、方法、检查、监理都比较成熟；

③工期安排有序，不易受其他因素干扰；

④质量控制有章可循，成功把握性高。

缺点：

①路基造价较高；

②路基病害塌陷和不稳定地区，未经过地表注浆整治，一旦地表产生塌陷会出现如下问题：板下土层塌陷不易及时发现、无法及时回填；桩位可能产生土的侧向推力。

2 高速铁路无砟轨道桩板结构的型式特点

2.1 路基限高的选用

路基限高应通过沉降量检算来选择。路堑本身挖方，减轻了土体自重荷载，已降低了线路标高，对加固方案及造价不起控制作用；路堤填高则控制加固方案的选择，与工程数量的大小和造价的高低有密切关系。

高速铁路路基填方不能过高，特别无砟轨道更应如此，否则工后沉降无法满足要求。一旦路基过高，应以桥梁方案通过。

高速铁路在地基软弱地段路堤限高一般不宜超过4～6m，这样降低了附加荷载（土柱高度），有利保障工后沉降量的标准，最大程度降低路基工程数量。

2.2 路堤基底整治桩板型式及优缺点

路堑的桩板结构最为单一，型式只有一种，如图1所示。

路堤的桩板结构型式有三种（见图2）。

（1）落地式桩板结构（图2a）：

承重板平行置于地面（或整平地面）之上。

优点：

①施工工序简单，先后次序清楚、明确；

②填筑土质量保障性强；

③受列车动荷载作用较小。

缺点：

①上覆附加荷载大，桩板工程数量大，造价相对较高；

②铁路路基占地宽；

③填筑土数量最多。

（2）擎起式桩板结构（图2b）：

承重板高举于地表之上，与路肩标高相同。

优点：

①路基没有填筑土，工后沉降基本不存在；

②承重板数量少，相应支撑桩数量少，比接地式少30%～50%。

缺点：

①桩板施工应在夯填土之后，增添了填土的数量；工序较为繁琐，相互存在一定的干扰。

②桩板两侧夯填保护土体，占地宽度较大。

③桩长度悬于地表之上，数量略有增加。同时应考虑桩板结构的变形和悬臂端的受力机理。

④夯填土体应有护坡防护，桩可能存在侧向推力。

（3）落地收敛式桩板结构（“U”型槽式）（图2c）：

承重板平行置于地面之上，其宽度基本与路肩宽度相同。路堤边坡采用路肩挡墙（或坡脚墙）收敛。

优点：

①桩板工程数量少。其特点：桩的数量比接地式少30%～50%，路堤越高，减少比例越多；承重板数量少。

②铁路路基占地最窄。在陡坡地段更具有收敛路堤边坡的优势。

③和落地式桩板结构相比，填土数量减少。

缺点：

①施工工序较为复杂。除桩板之外，还有路肩墙及“U”型槽中的压密路基填土的施工，需要程序的顺畅和质量的保证，同时确保路基排水的设施。上述问题通过相应的技术措施可以得到合理的解决。

②增加路肩墙的工程数量。

3 小结

（1）覆盖岩溶地表稳定地段，应以控制路基沉降为主；岩溶病害地段，应病害和沉降兼顾。

（2）客运专线不同速度目标值所采取的路基加固手段不同。

（3）覆盖性岩溶段高速铁路应选用桩板结构。其中落地收敛式桩板结构，路堤填筑土采用先填土压密，后施工挡墙的程序，确保了填土压实密度和路堤排水的畅通，另外，落地收敛式工程数量最少，造价最省，建议桩板结构选型时采用落地收敛式。

【参考文献】

[1]吴治生，等.岩溶病害路基注浆机理及设计[J].路基工程，2004（5）：47-49.WU Zhi-sheng，et al. Mechanism and design of subgrade grouting in Karst zone[J].Subgrade Engineering， 2004（5）： 47-49.

[2]吴治生.岩溶塌陷地表稳定性分析及工程地质分区[J].铁道工程学报，2006（4）：6-9.WU Zhi-sheng. Analysis of Stability of Subsidence Surface in Karst Area and Zoning for Engineering Geology[J]. Journal of railway engineering society，2006（4）：6-9.

[3]吴治生，等.岩溶与铁道工程和环境地质的研究[R].武汉：铁道第四勘察设计院，2004. WU Zhi-sheng，et al. Researching of railway engineering and environmental geology in Karst zone[R]. WuHan： The Fourth Survey and Design Institute of China Railway， 2004.

[4]TB10001-2005 铁路路基设计规范[S]. TB10001-2005 Code for design on subgrade of railway[S].

[责任编辑：杨玉洁]