中国高速铁路通用建造技术研究及应用

赵 国 堂

(中国铁路总公司， 北京 100844)

自2008年8月1日京津城际高速铁路开通以来，经过10多年的快速发展，我国高速铁路运营里程已经超过29 000 km，占世界高速铁路运营总里程的2/3，位居世界第一。我国高速铁路建设面临的自然环境非常复杂，建设标准高，在国内外均没有成熟经验可借鉴，需要解决的科学问题和技术难题比较多。一直以来，坚持原始创新，以重大工程为平台，通过科技攻关取得重大突破，形成了先进、适用、经济的高速铁路建造技术体系，总体居世界领先水平。

高速铁路建造的主要内容是桥梁、路基、隧道和轨道工程的设计与施工，其工程投资一般占建设项目总投资的80%以上。本文从控制标准、设计理论、结构原理、材料技术和施工方法等方面介绍了工程关键通用建造技术的创新成果，阐述了创新成果对解决建设速度与工程质量控制之间矛盾的意义。

1 标准跨度桥梁建造技术

我国从1990年开始针对高速铁路桥梁特点、设计原则和设计标准开展研究。1999年秦沈客运专线开工建设，研制了跨度24 m预应力混凝土双线整孔简支箱梁并第一次大规模应用，箱梁质量达550 000 t。2003年原铁道部高速办组织开展京沪高速铁路设计暂行规定的研究编制工作，提出了适用于我国移动装备水平和发展方向的ZK荷载图式及桥梁设计技术参数与控制标准[1]，为高速铁路桥梁设计提供了支撑；组织开展了京沪高速铁路全部桥式桥跨的动力学仿真计算分析与评估[2-3]，对标准跨度桥梁采用连续梁与简支梁进行了研究和国际咨询，根据静动力分析结果和技术经济比较，考虑快速建造及复杂地质条件下养护维修的需要，以标准化、系列化、预制架设为目标，选择了截面刚度大、整体性能好的24，32 m跨度简支箱梁作为标准跨度梁型；组织制定了900 t整孔箱梁制运架设备标准；在京沪高速铁路全线开展桩基试验，对比分析了正反循环钻机与旋挖钻机成孔技术，得到不同成孔技术的效率及桩基参数[4]。系列成果支撑了我国高速铁路桥梁建设，目前我国已经建成并开通运营的高速铁路桥梁长度占总营业里程的近50%，其中，以32 m标准跨度为主的简支箱梁桥长度约占桥梁总长度的95%。

1.1 刚度控制技术

高速铁路桥梁和轨道的力学关系较路基、隧道区段复杂。桥梁在各种荷载作用下产生的变形和变位对轨道平顺性的影响非常敏感，桥梁与轨道相互作用是制约跨区间无缝线路发展的重要因素[5]；梁体在列车通过时的振动频率与其自振频率接近时将会产生共振，导致桥梁出现过大的振动响应及轨道失稳，有砟轨道出现“液化”现象[6]，影响高速列车运行安全性和乘坐舒适性。从桥梁结构来说，控制变形和振动的技术参数实质上都属于刚度范畴，因此，高速铁路桥梁结构设计由既有的强度控制转变为刚度控制。在标准跨度桥梁创新体系中，提出了基于刚度控制的梁体技术参数指标，主要包括梁体的竖向挠度、梁端转角、徐变变形及自振频率(基频)等，并提出了控制标准：设计速度350 km/h高速铁路32 m双线整孔无砟轨道简支箱梁竖向挠度不大于20 mm，挠跨比不小于1/1 600，梁端转角不大于1.0‰，徐变变形不大于10 mm，自振频率不小于4.67 Hz。

为保证桥梁刚度，设计时标准跨度桥梁必须有合理的高度(高跨比)和宽度，其中350 km/h高速铁路32 m双线无砟轨道简支箱梁的梁高为3.05 m(高跨比1/10左右)、顶宽为13.4 m、底宽为5.50 m，梁体刚度的设计值：挠度为6.2 mm、挠跨比为1/5 276、梁端转角为0.7‰，与标准刚度相比，设计刚度更大。施工时应严格控制混凝土强度和弹性模量不低于设计值，并控制预施应力时间，确保梁体实际刚度。在试验速度420 km/h内竖向挠度基本上不超过0.4 mm，换算至设计荷载下挠跨比为1/9 000，梁端转角最大值为0.35‰，见图1[7]。可以看出，实际的竖向刚度值约为设计值的2倍，表明桥梁刚度得到很好的控制。

研究结果表明[8-11]，对于跨度32 m及以下的简支梁，梁体基频限值是梁体刚度的控制性指标。按梁体基频为120/L进行车桥耦合动力分析，跨度24，32 m简支梁在高速列车通过时将产生较大的动力响应，表明120/L的基频限值偏低；当梁体基频不小于150/L时，能够避免梁体自振频率与列车通过时的激振频率接近而发生共振，实现高速行车条件下梁体的稳定。因此，提出当基频不小于150/L时，可以对标准跨度桥梁不进行车桥耦合动力分析，形成了标准跨度桥梁动力性能简化评定方法[12-13]。按既有简支箱梁高度和宽度等主要设计参数检算，32 m无砟轨道简支梁梁体基频实测值见图2[14]。由图2可见，设计基频为4.73～5.07 Hz，与标准限值相当，其实测值为6.2～7.2 Hz，高出标准限值33%，是设计值的1.22倍。跨度32 m简支梁竖向加速度与试验速度的关系，见图3[7]。由图3实测的加速度看，在试验速度420 km/h内不超过0.3 m/s2，远小于桥面铺设无砟轨道的标准限值5 m/s2，表明我国高速铁路简支梁动力问题得到有效控制，提出的动力性能简化评定方法是可行的。

1.2 徐变变形控制技术

徐变上拱变形是预应力混凝土桥梁变形控制的重要内容，也是高速铁路连续多跨简支梁轨道出现周期性高低不平顺的根源，其将导致车体竖向加速度和列车减载率的增大，影响列车高速运行安全性和平稳性[15-16]，见图4。梁体徐变上拱与梁体自重挠度、预加应力产生的拱度、二期恒载产生的挠度以及预加应力与二期恒载上桥时间密切相关。因此，在桥梁设计中采取以下措施：梁体混凝土最大压应力控制在棱柱体抗压强度的0.4倍以内，以使徐变变形与应力呈线性发展；控制恒载作用下梁体上、下截面应力差在3～4 MPa以内，尽量减小未平衡弯矩的数值；施工中加强对高性能混凝土配合比的优化以及过程控制，在混凝土强度和弹性模量达到设计值时方可进行预应力束的张拉；梁体施加二期恒载的时间与预施应力的间隔在60 d以上。这些形成了简单有效的桥梁徐变变形控制技术，实测结果也表明[17-18]，在设计、施工方面采取措施以后，标准跨度桥梁的徐变变形可控制在7 mm以内。

1.3 施工技术

在国外开通运营的高速铁路线路上，日本新干线桥梁比例达45%左右，欧洲高速铁路桥梁比例在10%以内。日本新干线高架桥约占桥梁总长的70%以上，由于地震多发，采用标准的小跨度钢筋混凝土连续刚架结构，跨度多为8 m，当桥梁高度较高时采用10 m跨度，采用桥位现场浇筑方法施工；其他跨度40 m及以下的桥梁以4片预应力混凝土T梁组成的整孔简支梁为主，采用T梁预制、轮胎吊架设、现场灌注混凝土联成整体。法国高速铁路15～25 m小跨度桥梁采用标准的刚构连续梁形式，一般采用鹰架法施工。德国高速铁路主要采用标准跨度的25，44，58 m的预应力混凝土简支箱梁，一般采用现场浇筑、移动支架或连续顶推等方法施工。

为提高桥梁建造速度，我国标准跨度简支箱梁一般采用预制架设技术。由于梁体预制可以与桥梁下部平行作业，在下部结构完成以后，平均每月可完成50～60孔梁的架设，而采用支架现浇和造桥机施工，完成1孔梁分别需要20，10 d左右，预制架设施工进度是现浇梁的20倍以上。桥梁下部结构施工进度主要受桩基控制，针对我国标准跨度桥梁桩基以钻孔灌注桩为主的实际，推广应用钻进速度快、自动化程度高、成孔质量好、现场污染少的旋挖钻机，大大提高了成孔效率，综合考虑旋挖钻机钻进和转场速度，其成孔效率是循环钻机的近10倍[19]。

标准跨度桥梁刚度和变形控制技术以及梁体和桩基快速施工技术已经在高速铁路大规模建设中得到全面应用，有效解决了建设速度与工程质量的矛盾。

2 地基刚性桩加固技术

我国铁路路基自秦沈客运专线开始按土工结构物设计，分为基床表层、基床底层、路基本体和地基等部分。通过对路基基床和本体材料及填筑标准的控制，保证了路基刚度和强度满足高速铁路动力作用的要求，因此，路基沉降变形成为工程质量和工期控制最关键内容。

由于高速铁路路基基床和本体的沉降在施工期能够完成，工后沉降主要是地基的沉降变形。为研究地基沉降控制技术，2003年在京沪高速铁路设立了昆山路基试验段，围绕高速铁路有砟轨道路基工后沉降控制标准对地基采用塑料排水板加真空预压、粉喷桩、浆喷桩、砂桩等方式进行处理，经过18个月的稳定期，采用塑料排水板处理区段最大累计沉降量为1 863 mm，采用桩体处理区段最大累计沉降量为301 mm。放置48个月后按铺设无砟轨道进行评估，不能满足路基工后沉降15 mm标准的要求。从而再次对路基进行了堆载预压，历时9个月后卸载，累计沉降量为70～94 mm，预测工后沉降最大值为8 mm。昆山路基试验段试验结果表明，增加放置时间对软土地基工后沉降中占比重较大的次固结沉降影响很小，采用桩体加固技术有利于加快地基沉降稳定。

为此，2005年开展了CFG桩复合地基系统研究，并在京沪高速铁路设立了青县、凤阳路基试验段，在CFG桩复合地基作用机理、沉降计算方法、施工技术等方面取得系列成果[20-31]。2008年京沪高速铁路开工建设以后，结合廊坊、济南、宿州等路基工程开展预制管桩、载体桩等刚性桩复合地基试验研究，进一步完善了刚性桩复合地基技术。

由于软土、松软土在我国广泛分布，刚性桩复合地基技术在高速铁路地基加固处理中得到全面应用。

2.1 刚性桩复合地基作用机理

典型的刚性桩加固地基结构主要有桩网和桩筏两种形式：桩网结构由上部路堤、加筋碎石褥垫层、桩(帽)、桩间土和下卧层组成；桩筏结构由上部路堤、筏板、碎石褥垫层、桩、桩间土和下卧层组成。作用机理主要包括3个方面的内容：

(1) 桩顶面桩土荷载分担机理。桩网结构随着路堤填筑高度的增加，桩和桩间土沉降出现差异，桩间土上部路基质量向桩顶转移，剩余荷载将作用于土工格栅表面，引起拉伸变形产生拉力，并通过拉力竖向分量进一步传递到桩体，见图5。以上应力重分布作用称为土拱效应和拉膜效应[20,25-26,32]，从而可以有效均化上部填土荷载，协调桩和桩间土的荷载分担[20,27-28]，提高复合地基承载力，减少复合地基总体沉降量。

桩筏结构主要通过筏板均化其上填土传递到地基的荷载，再通过褥垫层调节桩土荷载分担比。由于褥垫层厚度较小，调节分配到桩间土的荷载主要取决于桩顶刺入量，荷载主要由桩体承担，从而使桩分担荷载的比例高于桩网结构，见图5。荷载将传递到比较坚硬的下卧层，加固区沉降量较小，可减少地基总沉降量，并使路基横截面上沉降变形趋于一致。根据京沪高速铁路青县路基试验段测试结果[20,22]，在地层条件基本一致条件下，A区的桩网结构桩体分担荷载为60%左右，而不同桩长、桩间距、桩径的B，C，D区桩筏结构桩体分担荷载在80%以上，且桩筏结构在横截面上的沉降盆矢跨比和桩顶刺入量均明显小于桩网结构[20,29]，见图6。

(2) 加固区桩土相互作用机理。我国高速铁路刚性桩以水泥粉煤灰碎石(CFG)桩和预制预应力钢筋混凝土管桩(PHC桩)为主要桩型，特殊情况下采用钻孔灌注桩。相比于传统的散体材料桩和低黏结强度桩(柔性桩)，刚性桩刚度和强度较高，可以施工的桩长更长，能进行地基加固的深度更大。在刚性桩加固区内，见图7，桩间土承担了部分荷载，桩周软弱土于上覆填土荷载作用下在一定范围内的沉降量超过桩身，使得桩侧产生竖直向下的负摩阻力[30]；而桩和桩间土相对位移为零的位置，桩周不产生摩阻力，该截面轴力最大，称为桩土等沉面，也是桩土沉降中性点；中性点以下位置的桩间土沉降量低于桩体结构，桩体表面摩阻力表现为竖直向上的正摩阻力。桩侧负摩阻力提供了抵抗桩间土下沉的阻力，有利于减少桩间土的沉降。

(3) 下卧层支承作用机理。刚性桩加固区传递到下卧层的荷载包括刚性桩传递荷载和桩间土传递荷载，由于桩端下刺作用，将在桩端形成应力集中。总之，由于下卧层土体比加固区土体坚硬，从而可以减少深厚软土地基总沉降量；而且一般情况下下卧层力学性质较好、渗透系数较大，其固结速度较快，总体上减少了地基固结时间，地基沉降能在短时间内趋于稳定。

2.2 刚性桩复合地基沉降计算方法

复合地基的总沉降包括加固区沉降和下卧层沉降两部分。既有计算方法假设同一土层内的受力和变形的关系服从胡克定律，总体上可归纳为分层总和法，即

( 1 )

式中：Si为第i层土层沉降量；σi为第i层土层上附加应力增量；Ei为第i层土层的压缩模量；Hi为第i层土层厚度。

加固区压缩沉降的计算一般采用复合模量法和应力修正法。其中，复合模量法考虑了加固区内刚性桩的加强作用，采用面积置换率加权模量作为复合模量Ecsi，将Ecsi代入式( 1 )中替代Ei计算各分层沉降变形，Ecsi表示为

Ecsi=mEpsi+(1-m)Essi

( 2 )

式中：Epsi为第i层土层内桩体的弹性模量；Essi为第i层土层的压缩模量；m为加固区面积置换率。

应力修正法忽略加固区内刚性桩增强体的存在，根据桩间土的附加应力增量和桩间土压缩模量计算天然地基的沉降量，乘以修正系数得到复合地基的沉降量。修正系数μs与加固区面积置换率m和桩土分担比n有关，可表示为

( 3 )

下卧层沉降的计算一般采用应力扩散角法和Boussinesq方法求解各土层附加应力，由式( 1 )计算下卧层压缩沉降。

采用既有沉降计算方法计算图6中4个区的沉降值见表1，与实测结果相比，计算值是实测值的5～10倍。可以看出，用其指导设计施工将会采取更为强化的措施，需增加施工工程量，将增加工程投资，并影响工程进度。

表1 总沉降计算值与实测结果对比

为提高刚性桩复合地基沉降计算的精确性，在京沪高速铁路技术创新中，考虑桩和桩间土共同承受荷载，地基应力是两部分荷载作用结果的叠加，提出了采用Mindlin-Boussinesq(M-B)联合求解地基附加应力的方法[20-21,24，31]。采用M-B方法对京沪高速铁路青县路基试验段A，B区地基附加应力进行计算，两区地层条件一致，桩长为24 m，桩径为0.5 m，桩间距A区为1.7 m，B区为1.8 m，得到的地基附加应力分布规律见图8。由图8可以看出，Boussinesq解没有反映出桩端集中荷载的作用，在路基填筑荷载作用下随深度呈单一的衰减规律；Mindlin解则在加固区内出现土体受拉现象，与重力作用下土体不会发生受拉相矛盾，但是其桩端附加应力突增与实际情况相符。为此，将Mindlin解和Boussinesq解相叠加，得到的附加应力变化规律与刚性桩复合地基数值分析结果和实测的土中应力场相近[33]，能够反映地基附加应力实际分布规律。

在采用M-B联合求解地基附加应力基础上，提出运用e-lgp曲线法求解地基沉降的方法[20,31]。由于次固结是软弱土体最重要的特征，在压缩沉降中占比较大，在压缩沉降计算中引入反映土体固结和次固结的e-lgp曲线不仅直接表征了软弱土体变形特点，还能够反映出软弱土体的固结变形主要是孔隙比变化导致土体骨架变形的机理。M-B联合e-lgp曲线计算地基沉降的步骤：(1) 由M-B求解各土层的附加应力增量p；(2) 再由e-lgp曲线得到孔隙比及其变化值。由下式得到各土层的压缩沉降值

( 4 )

式中：Δei为第i层土层孔隙比在附加应力增量p下的变化量；e0i为第i层土层初始孔隙比。

采用M-B联合e-lgp曲线方法计算图6中4个区的沉降值见表2，与实测结果在同一量级内，与表1相比，计算值和实测值更为接近，可以作为软弱土体刚性桩复合地基沉降的计算方法。

表2 地基沉降计算值与实测结果对比

随着刚性桩复合地基创新成果的推广应用，软弱土层地基的沉降和稳定得到有效控制。京沪高速铁路青县路基试验段A，B区沉降曲线[20,34]见图9，由图9可以看出，路基土填筑完成后沉降趋于稳定的时间桩筏结构约为70 d、桩网结构约为90 d，桩筏结构由于筏体的荷载均化作用，有利于路基沉降的收敛。目前，经过7年多的运营检验，路基变形一直处于稳定状态。

3 隧道建造技术

隧道工程一般是高速铁路建设中的控制性工程。目前，我国高速铁路运营线路上隧道长度超过5 000 km，占线路总长度的23%左右，随着铁路建设向中西部地区的扩展，隧道的比例越来越大。由于我国高速铁路需要穿过高地应力、高地温、深部岩溶、活动断裂带、断层破碎带、湿陷性黄土等复杂地层，设计速度350 km/h的双线隧道断面积达到100 m2，开挖面积超过130 m2，在复杂地层超大断面隧道建造技术方面开展了大量工作，逐步形成了中国隧道建造理论，并在钻爆机械化施工技术方面取得突破，支撑了大规模隧道建设。

3.1 设计理论

隧道设计理论研究围岩变形与支护的关系，目前世界上知名的设计理论有新奥法和新意法。其中，新奥法针对的是开挖后的围岩，通过控制爆破、锚喷支护和施工量测等一系列措施，在支护系统同围岩共同变形过程中保护、利用和调动围岩的自承能力，发挥围岩承载环的主动作用使围岩成为支护体系组成部分，以控制隧道的收敛变形。新意法则以稳住掌子面前方的围岩与支护好开挖后的围岩相兼顾，以岩石变形控制分析为基础，通过控制开挖面上的挤压变形和前方的预收敛变形控制隧道的总变形，在措施上不仅采取相应的防护措施及加固手段降低掌子面前方核心围岩的应力及增加围岩强度，而且要求二次衬砌和仰拱与掌子面保持适当距离，对隧道提供连续的约束作用。

我国隧道理论研究与工程实践紧密结合，首先掌握了围岩变形的时空演化规律[35-38]，为围岩稳定性控制和支护作业提供了依据。围岩变形在掌子面前后分为4个阶段，见图10。其中，在第Ⅱ阶段末，围岩变形释放应力基本结束，应当进行初期支护。随后围岩变形速率趋于减小，在第Ⅲ阶段末施作二次衬砌，以提供支护体系安全储备。

其次，掌握了不同围岩的变形机理。隧道开挖以后，周边岩层将发生弹塑性变形，表层一定范围内丧失整体稳定性无法实现长期自稳，形成一定厚度的松动圈，需要进行及时支护。松动圈以外整体稳定性较好而且能够承担一定荷载的围岩，若采取及时有效的支护和干预则可保持其稳定性[39-41]。

通过掌握不同地质特性隧道的全过程围岩变形特征可以确定合理的支护时机，通过掌握围岩变形机理可以确定合理的初期支护参数，逐步形成以全过程围岩变形和稳定性控制理论及支护-围岩协同作用结构设计方法(图11)[42-43]，提出 “早预报、管超前、弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的隧道建造总体原则。与新奥法和新意法相比，中国隧道建造方法以控制变形为核心，以围岩分级分类为基础，充分发挥支护-围岩协同作用，对设计施工指导性强、适用面广。

3.2 钻爆机械化施工技术

我国高速铁路隧道主要以钻爆法施工为主，根据地质条件、断面开挖宽度的不同，采用了台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)、双侧壁导坑法等分部方法和全断面法等开挖方式，其中分部施工法对围岩适应性强，但步序多、支护封闭不及时、对围岩扰动大、安全不易保证、质量控制困难、进度缓慢、工效较低；全断面法适宜采用机械化施工，进度快，工效高，但要求围岩整体性好，在软弱破碎围岩应用时，需要进行超前加固及掌子面封闭。

钻爆法施工隧道的支护多采用复合式衬砌结构，以喷锚支护为初期支护，与二次衬砌组合而成复合式支护体系。初期支护在洞室开挖后立即实施，通过喷射混凝土直接控制围岩的松弛，用其强度抵抗发生位移的围岩，通过与围岩的黏结把轴力传递到围岩，并及时封闭岩面、填充裂隙、维护和提高围岩的整体性，防止应力集中、掉块、坍塌；锚杆支护是通过锚入岩体内部的钢筋与岩体融为一体，利用锚杆的悬吊、组合拱、减跨及挤压加固作用，将围岩中的节理、裂隙窜成一体，提高围岩的整体性，改善围岩的力学性能，从而发挥围岩的自承能力，形成围岩-支护协同作用体系。二次衬砌位于初期支护内缘，由一定厚度的混凝土或钢筋混凝土构成，一般认为其是支护体系的安全储备。

我国高速铁路钻爆机械化装备的基本配置见图12，其中开挖区的核心装备是三臂凿岩台车，即可以钻取岩芯实现超前地质预报，又能够完成爆破孔的钻进。

初期支护区的核心装备是湿喷混凝土机械手、锚杆钻注一体机和自行式液压栈桥，其中喷射混凝土机械手在控制回弹率、提高作业效率、防治职业病、减少作业环境污染及降低成本等方面具有突出优点。自行式液压栈桥对复杂繁琐的仰拱施工极为重要，既可以加快仰拱作业的进度，利于仰拱及时施作，使隧道支护形成完整的断面受力体系，提高支护结构承载力，保证施工安全，又能够方便掌子面的设备在仰拱作业时安全通过进入作业区，减少工序间的相互干扰，提高隧道施工总体效率。

二次衬砌区的核心装备是模板台车，其是衬砌混凝土浇筑的平台，关系到衬砌施工质量和效率。

从钻爆法施工特点看，超前地质预报、控制爆破、喷锚支护和二次衬砌作业最为关键。我国在综合超前地质预报技术、精准爆破技术和衬砌混凝土技术等方面进行了不断创新。

(1) 综合超前地质预报技术

在隧道开挖前及施工过程中对隧道周围及掌子面前方的地质情况进行探测，识别和预测隧道掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，能有效地避免工程地质病害、减少处治费用、确保施工安全和进度、节约成本。超前地质预报是长大隧道确保施工安全、提高施工效率的重要保障。

目前，超前地质预报一般采用综合预报方法，特别是对掌子面前方含水构造等不良地质，形成了远、中、近距离结合，二维定性探测与三维精细探测结合，靶向钻孔验证的探水技术体系。远距离采用隧道地震波法(TSP法)，探测距离约100～150 m，可预报断层、岩性交界和定性探水；中距离采用瞬变电磁法，探测距离约50～100 m，定性探水，二维定位；近距离采用隧道激发极化法(TIP法)，探测距离30 m，周边30 m×30 m，三维定位，估算水量；TIP法探测完成后，现场采用靶向超前钻孔雷达与跨孔电阻率CT技术，能够获取钻孔周围含水构造的空间展布和赋存形态，逐步形成隧道含水构造等不良地质综合超前预报技术体系，见图13[44-45]。

(2) 精准爆破技术

减少爆破开挖对围岩的扰动，防止围岩产生较大变形和松动圈，是保持和利用围岩自承能力的关键。由于大断面隧道爆破开挖时单次爆破药量大，爆破产生的振动对围岩、初期支护和二次衬砌的影响更加严重，爆破在隧道内壁产生的振动损害远大于常规小断面隧道。因此，控制爆破技术对围岩自承能力和支护的影响尤其重要。通过对大量观测数据的分析[46]，掌握了爆破振动在隧道内壁的衰减规律，以及爆破振动对初期支护及二次衬砌的影响，提出不同围岩的爆破参数。采用光面爆破与预裂爆破相结合的精准爆破模式能显著降低爆破振动及对围岩的损伤，取得了良好的爆破效果，见图14。

(3) 衬砌混凝土施工技术

一般认为二次衬砌是支护体系的安全储备，但是高速铁路隧道受列车高速通过时的空气动力效应的影响，一旦衬砌存在初始缺陷，很容易发生疲劳伤损，将会产生掉块、坍塌，对行车安全带来威胁。因此，确保高速铁路隧道衬砌质量尤为重要。

衬砌后的空洞或二次衬砌与初期支护间的空隙，是隧道衬砌常见病害，主要是模板台车后衬砌混凝土不密实所致。最新研制的智能型模板台车具有自动测量衬砌厚度、计算浇筑混凝土方量、带压浇筑、自动振捣作业、自动换管浇筑、实时传输数据，显示灌注进度等功能，其自动振捣和带压浇筑功能，能够保证衬砌混凝土的密实性。

混凝土裂缝是隧道衬砌最为常见的病害。由于以往对衬砌混凝土缺乏养护手段，其质量保障性很差。在衬砌台车基础上研发的带模养护系统可很好地解决衬砌混凝土养护问题，见图15，该系统密封效果好，加热升温快；微米级雾化加温，水源适应性强；智能化程度高，可实现移动终端远程控制；隧道断面适应性强，可快速就位。京张高速铁路实际应用情况表明，对模筑混凝土进行汽雾养护，促进了混凝土的初期水化反应，增进了初期和长期强度的增长，特别是早期强度的提高，有利于衬砌及时承载和加快施工进度，见图16。

随着钻爆机械化施工技术的应用，隧道施工质量和效率得到大幅提升。特别是采用全断面法以后，郑万高速铁路Ⅳ级和Ⅴ级围岩变形较台阶法减小25%～35%，Ⅳ级围岩月进尺最高达到115 m，较指导性施工组织要求的75 m提高53%；Ⅴ级围岩月进尺最高达到85 m，较指导性施工组织要求的45 m提高89%，见图17。成兰铁路Ⅳ级围岩采用全断面机械化开挖工法施工，最高月进度为160 m，平均月施工进度达到120 m。

4 无砟轨道建造技术

我国高速铁路确立了设计速度350 km/h线路采用无砟轨道的技术路线。在秦沈客运专线开展板式无砟轨道和长枕埋入式无砟轨道试验的基础上，专门设立了遂渝客运专线和武广高速铁路无砟轨道试验段，对CRTSⅠ，Ⅱ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道进行试验研究；为适应我国高速铁路运营环境和全面自主化的需要，研发了CRTSⅢ型板式无砟轨道。通过无砟轨道结构的系统创新，提出了列车荷载、温度荷载和基础变形荷载标准，构建了多层结构计算模型，掌握了无砟轨道结构原理，建立了精测精调及机械化施工体系，形成了完善的无砟轨道设计施工成套技术，为建成高平顺、高稳定、少维修的线路奠定了基础。目前，我国高速铁路无砟轨道铺设延展长度已经超过30 000 km，占线路总长的50%以上。

4.1 计算模型及结构特点

我国高速铁路无砟轨道主要有CRTSⅠ，Ⅱ，Ⅲ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道等4种类型。从纵向特征划分，CRTSⅠ和Ⅲ型板式无砟轨道结构为单元结构，CRTSⅡ型板式无砟轨道为纵向连续结构，双块式无砟轨道除桥上为单元结构外，路基和隧道内为纵向连续结构；从竖向特征划分，CRTSⅠ，Ⅱ型板式无砟轨道为3层结构，CRTSⅢ型和双块式无砟轨道为2层结构。

对于层状结构的无砟轨道，构建了弹性地基多重叠合梁、梁-板-板和梁-实体等计算模型，这3种模型的差别在于无砟轨道各结构层及层间连接方式不同，在理论体系上基本属于弹性力学范畴。3种计算模型中的钢轨均简化为欧拉梁或铁木辛柯梁。无砟轨道结构层简化为梁或板可以根据计算分析目的确定，从理论上来说，由于各结构层厚度远小于长度和宽度，符合弹性薄板的结构特点，简化为弹性薄板模拟更为合理。如果仅分析轨道板/道床板和底座/支承层的受力特征，层间关系采用弹簧模拟是可行的；如果要考察CA砂浆层的受力及伤损特点，则需要将其实体化，可以用薄板进行模拟，层间关系按接触处理。

梁-实体模型除钢轨用梁模拟、扣件用弹簧模拟外，无砟轨道结构层及下部基础均采用有限元实体单元模拟，可以实现精细化的处理，也可以分析弹塑性变形，从而应用越来越多[47]。

列车荷载弯矩一般采用单轮静荷载加权动力系数后得到的动荷载来计算；基础变形直接将工后沉降限值作用在路基基床表层是不适宜的，因为工后沉降主要来自于地基，需要考虑地基沉降向基床表层的传递，传递过程中波长将增大、幅值将有所衰减[48]。

温度荷载既可以采用Westergaard方法和Winkler弹性地基板计算温度梯度下的翘曲应力，也可以采用梁-板-板模型和梁-实体模型计算温度梯度下的翘曲应力和温度幅度变化下的伸缩变形，从而指导混凝土结构的配筋设计和裂纹控制[49]。

从结构方面分析，CRTSⅠ型板式无砟轨道较为完美，轨道板和底座板均为平板，在承受列车荷载及基础变形荷载作用时受力较为均衡，在整体温度作用下单元结构纵向应力自然放散，不存在明显的结构薄弱处及应力集中点；板下CA砂浆充填层具有隔离和吸能作用，可以均化荷载传递。但是，温度梯度下轨道板翘曲产生的边角处应力集中会导致CA砂浆层的伤损，同时，由于CA砂浆对原材料和环境的敏感性，质量控制难度大，出现伤损情况比较多，养护维修量大，不能保证轨道结构同寿命。

CRTSⅡ型板式无砟轨道拟通过CA砂浆的黏结形成竖向约束体系，通过板间连接形成纵向连续结构，通过桥上的侧向挡块及路基、隧道区段支承层下摩阻力实现横向限位。结构体系成立的关键在于CA砂浆的黏结作用，一旦黏结失效将威胁结构体系的安全。同时，板间接缝的初始缺陷及接缝浇筑混凝土硬化时温度差异引起的初始应力不同也使纵向压杆稳定体系难以维持，高温下胀板问题将会发生。CA砂浆面临着CRTSⅠ型板式无砟轨道同样的问题，由于路基上支承层抗冻胀和抗冻融能力差，不宜在严寒地区使用[50]。

CRTSⅢ型板式无砟轨道构建了预制轨道板与现浇充填层协同受力、变形和振动的复合板体系，吸收了CRTSⅠ型板式无砟轨道单元结构的优点，采用自密实混凝土(SCC)替代CA砂浆，可实现轨道结构同寿命。但是，由于凹槽对底座板结构上的削弱，容易形成应力集中区[50]，在施工期和运用中将出现裂缝。

双块式无砟轨道结构简单，桥上为单元结构，限位方式和CRTSⅢ板式无砟轨道的凹槽相同；路基和隧道区段为纵向连续结构，道床板下设支承层，通过层间摩阻力限位。路基上的支承层存在抗冻胀和抗冻融能力差问题，不宜在严寒地区应用。

4.2 施工关键技术

无砟轨道施工关键技术包括轨道板和轨枕等预制构件的生产、结构层的施工以及测量调整等技术。在预制混凝土构件生产方面，形成了成熟的长线台座和基于流水机组法的轨道板高精度高效率智能制造技术；通过京沪高速铁路技术创新，突破了混凝土高早强技术，提出了采用非缓凝型聚羧酸减水剂制备高早强混凝土材料的技术路线。

非缓凝型聚羧酸减水剂与普通聚羧酸减水剂相比，其分子结构主链相对较短，而侧链较长(聚氧乙烯侧链聚合度大于100)，见图18。分子的形状由传统的梳形变成了倒T形，侧链长度远远超过主链长度，侧链之间的距离也大于普通聚羧酸减水剂中短侧链之间的距离。

普通聚羧酸减水剂掺入混凝土中后，会吸附在水泥颗粒表面并完全覆盖其表面，从而阻隔了水泥颗粒与水分子的接触，延迟了水泥水化进程。而非缓凝型聚羧酸减水剂由于具有长的侧链和短的主链，在具有很强的空间位阻分散作用的同时，长的侧链会改善其在水泥颗粒表面的吸附状态，可以让水分进入到水泥颗粒中，保证水泥的正常水化，促进细小钙矾石晶体的生成。同时主链中羧基与钙离子等形成的络合物具有较大的溶解性，为水泥的不断水化提供了条件，加速水泥矿物中C3A和C3S的水化速度，从而提高混凝土早期强度发展[51-54]。京沪高速铁路采用P·Ⅱ42.5或P·O42.5水泥、粉煤灰和矿粉、粗细集料等通用混凝土原材料，以及非缓凝型聚羧酸减水剂，混凝土16 h强度和弹性模量可以达到强度等级的80%，24 h能够完成1个生产循环[55]。

应用非缓凝型聚羧酸减水剂的高减水作用，在保持混凝土相同工作性能的情况下，大幅降低混凝土单方用水量，使得混凝土内部水泥石的孔隙率减小，孔结构得到改善，且增强了集料-水泥石之间界面结构强度，从而显著提高混凝土的耐久性。超早强混凝土抗碳化、氯盐侵蚀、抗冻融性能比较，见图19。图19中标养28 d为掺非缓凝聚羧酸减水剂的混凝土，蒸养12 h+标养28 d为掺普通聚羧酸减水剂的混凝土，其余原材料相同[42]。通过对减水剂性能的优化，采用非缓凝聚羧酸减水剂制备的超早强混凝土28 d碳化深度降低32%，56 d氯离子渗透系数降低14.3%，动弹性模量降至60%时的冻融循环次数由223次提升至278次，耐久性明显提升。从而解决了一般早强剂带来的混凝土耐久性差、强度倒缩、收缩增加等问题，也解决了采用超细水泥和复合型早强矿物掺和料存在的原材料产量低、成本高的问题，在无砟轨道预制构件生产中得到全面应用。

在无砟轨道结构层施工方面，创建了基于高精测控的铺设成套技术和装备体系，攻克了空间线形复杂、下部基础多变等条件下无砟轨道高精度建造技术难题。目前，无砟轨道单工作面月进度可达6 km以上，配合钢轨精调技术，线路均衡质量指标TQI可达2.0 mm以内，为我国无砟轨道成为世界上平顺性最好的轨道提供了支撑。

5 结论

论文总结了高速铁路发展过程中在桥梁、路基、隧道和无砟轨道方面的创新成果，得出以下结论：

(1) 针对我国高速铁路标准跨度桥梁应用比例大、通过速度高的特点，构建了基于刚度控制的设计理论及成套技术参数体系，建立了基于变形控制、梁轨体系协同结构设计方法，形成了以制运架模式为主的成套施工技术，创立了中国桥梁先进成熟的技术体系，支撑了我国高速铁路桥梁的建设。

(2) 创建了高速铁路刚性桩加固地基技术，通过桩顶荷载分配分担、加固区负摩阻区作用及下卧层支承传递，显著减少了加固区软弱土层次固结沉降量及时间，可有效控制路基总沉降，加快路基稳定，并提出了沉降计算方法。目前刚性桩加固地基技术已广泛应用于我国高速铁路工程，有效保证了高速铁路路基工后沉降的控制。

(3) 我国已经构建了高速铁路隧道全过程围岩变形控制理论及支护-围岩协同作用设计方法，创新了钻爆机械化施工技术，高速铁路隧道施工效率大为提高，围岩变形得到有效控制。

(4) 我国高速铁路无砟轨道构建了较为完善的设计计算理论和方法，掌握了4类主要无砟轨道结构原理，创新了高早强混凝土制备路线，形成了无砟轨道施工成套技术，为我国高速铁路全面、系统应用无砟轨道奠定了基础，实现了轨道的高平顺、高稳定，确保了高速铁路高速、平稳、正点运行。