浅谈高速铁路路基设计方法及技术措施

张佳楠

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京，102600

0 引言

高铁的顺利运行对地基质量的要求相当高，所以必须增强地基的稳定性和耐久性。而底土的质量水平直接影响高铁的正常运行。一旦地基不稳或损坏，将对高铁的正常运行造成很大影响。新建成的高速铁路工程包括许多内容，施工人员应熟悉设计和建设的各个过程和环节，并调整好承载能力和散射截面，以使各种指标参数在正常范围内，设计和建设衔接工作相辅相成。同时施工人员也要严格按照设计图纸和施工细则规定施工活动和设计内容，以增强地基的稳定性，从而确保高速铁路的顺利运行。

1 高速铁路路基的现状

在分析高铁地基时，要注意全面性和完整性。高铁地基对土质要求高，建设难度大。有关人员应进一步认识和分析地基的作用与意义，利用数据分析与资料指导，制定合理的使用行为。可以从高铁道路的性质以及发展现状着手，运用新型的建筑方式与施工方法对高铁道路加以改造。要通过高速铁路监督管理，有效改变传统地下建筑方式的缺陷，增强地基的安全性与承载力，为高铁的成功运行创造良好保障，进而完善高铁地基的建设[1]。

1.1 高速铁路路基的特点

由于高铁的速度很快，在短时间内地下会产生很大的冲击，路基容易变形，影响机动车的正常运行。高速铁路路基是突破轨道、路基的传统结构形式，集无碴钢轨于一体的多层次结构体系。高铁床身也需要进行变形控制，为高速系统提供良好的离线轨道基础，使高铁能够顺利运行，避免超速运行事故。路基建筑材料必须具有良好的强度和水稳定性，所使用的建筑材料必须符合相关标准，并能抵抗地表水的侵蚀，防止地表水进入底土，造成下部结构堵塞或失去作用，避免下部结构沉降。高速铁路的路基变形主要可以从剖面偏移、沉降率和轨道纵向刚度比等方面进行控制。如图1所示。

图1 高速铁路路基

1.2 路基发展情况

通过抑制地基的下沉和变形，使地基的形态始终保持稳定，从而避免高速铁路列车在行驶过程中脱落。而控制路基的最主要办法就是直接从基础复制品沉降中去做修复。利用有关仪器设备分析底土的充填状况，通过调查分析底土的土壤与表层，可以建立水坝。高速铁路地基的设计工作主要可从地基变形与沉降控制、动态地基设计、各类地基处理等方面着手。需严格遵循有关技术填筑规范，认真查找装配工程设计中的薄弱环节，并着重分析与关注。低等级与横向结构之间的过渡是设计和施工中的薄弱环节。这里的基础容易出现各种问题和错误，因此应制定适当的解决方案。考虑到技术标准需要改进和改变的问题，以及技术在子行业发展中的应用，工作人员要从大局出发，应用新技术和新程序，确保产业健康发展[2]。

2 高速铁路路基设计方式

2.1 路基承载量的设计

基础承载量分析设计内容主要包括静载荷设计和动载荷设计。静载荷主要是指对于地面结构所需要施加的静压力，其不可随时间发生变化，各承重构件当前的力学状态结构或工作性能基本上保持不变，构件几乎没有加速度。动载荷包括的主要内容很多，主要包括气锤、空压机曲轴气缸、汽车发动机曲轴。动载荷设计和计算静载荷设计有很大的差距。在某些复杂情况影响下，结构材料的使用条件改变或受力性能结构发生位移变化时，或地下构件受力发生加速度时，影响地下结构应力传递或应力变形发生的是动载荷。常采用土柱变形法设计静载荷，静载荷值是根据相关试验参考数据或试验参考标准而设定的组件载荷的静态基本力学状态值，或载荷特性值维持固定不变，但该组件并没有由此产生加速度。动载荷大小与额定静载荷能力之间通常有相对较大数量级的差异。在一个特定构造状况条件下，当地下构造的某种基本力学条件改变或构造特性的变化，或振动对该结构产生加速度时，直接影响地下构造位置以及变化的是动载荷。在动加载的前提条件下，静态载荷值和动加载不能简单地统一。对直接关乎高速铁路运行安全的动负荷值可以进行动态分析和研究。地面、路桥的平衡也是有条件的。对动负荷值进行深入细致的调查研究，将有助于改善地基的安全性。可以考虑通过对比研究钢道、枕木等工程由底基向底基传递出的动应力及其频率，寻找比较适宜运行的动负荷值，并使之始终在相对适宜的频率区间内保持稳定[3]。

2.2 路基横断面的设计

在设计地下断面时，首先要了解地下断面的构造，并重点考虑地下路肩的设计长度和地下高度。在设计地下段后，要留出所需空间，即地下空间，并配置通信设备和必要的道路标识。设有上述标识的设备，主要可以发挥报警、监视和管理道路的功能。在肩部储备中，适当调节肩宽。而肩宽则需要按照地基的改善程度及稳定状况预留空间，以适应维护要求。背景区域的设计还包括一个重要的内容，就是背景宽度的设计。背景的宽度一般为单线或双线，单线的宽度小于双线的宽度。对于一些特殊的部分，可以相应增加单双线的宽度，以显示实际情况。直线段底部一般单线为8.8m，双线为13.8m。对于曲线段的底部，根据曲线半径，在直线底部外0.5m处添加适当的宽度值0.3m。基材的宽度应灵活适应具体情况，尽量适应实际情况。根据地下及特殊段的实际情况，在设计地下段时，做好现场勘察，深入当地，通过各种设备进行调查，整合相关数据并进行分析[4]。

2.3 路基基床的设计

高速铁路的基床起着十分关键的作用。因为地基的质量直接影响道路功能的实现，底基必须具有合适的抗拉强度、刚性和良好的排水效果。这些功能缺一不可。在认识到路基基床的特点和性能后，要突出路基基床的优点，充分发挥路基基床的优点和功能，丰富或增强路基基床的功用。一般来说，基座的结构可包括两个部分：一部分是地基的表层，另一部分是地基的下部。从名称上我们能够知道，地下的下层与地下的上层之间是相互作用、彼此对应的，而二者又发挥着不同的功能与价值。从基材的表面，可逐步细分为几级。而各层又由不同的材质所构成，各种材质又都扮演着不同的角色，并有不同的功能[5]。如图2所示。

图2 路基基床的设计数据

3 高速铁路路基施工技术

3.1 做好路堤的施工活动

路堤建设的内容和元素很多。从填土材料、压实标准和边坡设计中可以看出路堤建设的复杂性和重要性。充填材料时，必须尽可能按照子结构功能进行相应的工作。为了减少底土的沉降，可以选择合适的材料，保证路堤设计的科学合理性。必须保证路堤和铁路在自重下的稳定性。高铁下沉变形的原因有很多，其中之一就是路基表面没有压实。路堤的压实可以在一定程度上提高路堤的密实度，提高整个地基的稳定性。压实过程同样需要达到相应的技术标准，而且比较严格。因此，一旦路堤高度低于基础标高，则需要填充基础表面或提高其厚度，一般来说，在修建高铁的时候，都要认真研究周边环境，并充分考虑一些自然灾害以及如何合理降低在自然灾害中的经济损失。而边坡设计重点面对自然灾害，因为不同高度的边坡会形成不同的防护效应[6]。

3.1.1 填料

高铁路堤填充物需要同时符合下列条件，以减轻双重沉降，并有较高的安全储备，以保证路堤的长期稳定性：在路堤自身负荷下的长期稳定；必须尽快完成路堤的卸压；路堤的动力学特性不会由于其他各种因素对路堤稳定性的影响而产生不良的改变。

3.1.2 压实标准

为了保持高铁路基的稳定性，需要提高滚动边坡的压实度。例如，当路堤的高度小于路基的厚度时，只能通过加固、更换等措施来实现天然软地基的稳固性。同时，还需加强排水，以免基床因浸水而失去强度。

3.1.3 路堤边坡的设计

路基填土结构的物理性质状态和当时所依处地的自然环境直接决定高速铁路路堤边坡坡度，如有地震、洪水袭击等，一般边坡均设计在1B1.5～1B2.0。

3.2 做好过渡段的施工活动

过渡段（图3）的施工技术非常重要。在过渡段的软边，通过增加路基的竖向刚度，降低路基结构和轨道的竖向刚度，可以在过渡段的处理和施工中使用相关设备。在了解这些因素之后，我们应该使用各种材料来降低钢轨的垂直刚度，如轨下橡胶垫等。在过渡段施工活动中，必须充分考虑影响过渡段的因素。

图3 铁路断面过渡段

在过渡段进行软边处理，提高地面的竖向强度，降低地面工程构件的沉降。这些方式的主要功能是通过强化基本构造来降低基座和桥台之间的强度和沉降差，以降低基座和桥之间线的不规则性，一般处理方式为加筋土覆盖法、碎石法、填充法和转移导板法[7]。

在过渡区段的软边处，提高铁轨的垂直强度。该技术主要利用提高钢轨强度来减少小桥之间的钢轨刚度变化率。具体的解决方式包括：通过调节轨道枕直径和间隙大小来增加钢轨刚性；通过提高履带排的弯曲模量来提高履带刚性；通过提高履带床的厚度来增加履带刚度。

在过渡段施工时，必须采用在钢道、枕木和道砟底板下安装橡胶垫片（板）以减小铁轨的竖向强度。对于刚性构件上的铁轨，如铁路桥梁和轨道，可通过改变轨道下垫片和轨线下垫片（无碴）的强度，使其刚性值改变为软侧刚性值。因此，通过改变橡胶垫可以减小铁轨的垂直强度及铁轨与桥面间的轨道强度。

4 结语

综上所述，高铁的地下地基规划非常重要。只有做好地下工程，才能保证铁路的稳定运行。路基设计和土木工程与铁路运行密切相关。相关单位工作人员要重视基础设计等工作，理论分析联系施工实际，运用系统工程理论分析方法进行地质现场勘察调查，整合分析相关工程数据，利用先进测试设备手段和技术，做好高铁沿线的基础地下施工设计工作，确保路基质量的持续稳定性。