高速鐵路路基及軌道工程第一章

高速鐵路路基與軌道工程1.1高速鐵路路基工程的特點(diǎn)嚴(yán)格控制路基工后沉降路基結(jié)構(gòu)形式的變化路基剛度的匹配1.嚴(yán)格控制路基工后沉降工后沉降是高速鐵路路基設(shè)計(jì)的主要控制因素，路基發(fā)生強(qiáng)度破壞之前，已經(jīng)出現(xiàn)了不能容許的變形；我國(guó)對(duì)無(wú)砟軌道的路基工后沉降要求一般不應(yīng)超過(guò)扣件可調(diào)高量15mm，路橋路隧差異沉降不超過(guò)5mm?；A(chǔ)工后沉降控制無(wú)砟軌道有砟軌道可采用填充道砟調(diào)整路基允許出現(xiàn)工后沉降（15～30cm）只能通過(guò)扣件調(diào)整路基不允許出現(xiàn)超過(guò)扣件調(diào)整范圍的沉降（15mm）基礎(chǔ)沉降基礎(chǔ)沉降高速鐵路路基工程特點(diǎn)（1）、地基的變形對(duì)于淺層軟弱地基采用了換填碾壓處理、或換填砂墊層處理；對(duì)于深層軟基的主要地段采用袋裝砂井、塑料排水板的排水固結(jié)加預(yù)壓的處理方法；對(duì)于工后沉降要求高及路橋過(guò)渡段，根據(jù)地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)對(duì)比，采用了砂樁、碎石樁、粉噴樁、攪拌樁、旋噴樁等地基處理方法；對(duì)于有地震液化的粉土或粉細(xì)砂層的地基段，采用了擠密砂樁的處理方法；新建的一些客運(yùn)專線采用強(qiáng)夯、CFG樁、灰土擠密樁、樁網(wǎng)、樁板等地基處理方法。路基工后沉降受路基高度、路基填料及填筑質(zhì)量的影響。

路基壓密沉降穩(wěn)定的時(shí)間——路基壓密沉降完成的時(shí)間表，鋪設(shè)軌道上部建筑后可能發(fā)生的工后沉降是否在要求之內(nèi)；

路基建筑材料的耐久性——如路堤填料的水穩(wěn)性、建筑材料抗環(huán)境腐蝕等，能否抵抗可預(yù)見(jiàn)的各種自然因素作用而不致產(chǎn)生影響列車行車舒適性的較大的變形（沉降）和變形（沉降）差。（2）、路基本身的變形路基填筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基床表層采用級(jí)配碎石強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，K30、Ev2、Evd、n指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。基床底層采用A、B組或改良土填筑，K30、Ev2、K、n滿足設(shè)計(jì)要求基床以下路基采用A、B、C組或改良土填筑，K30、Ev2、K、n滿足設(shè)計(jì)要求606060路基變形（沉降）包括：列車動(dòng)荷載作用下路基面彈性變形、列車動(dòng)荷載作用下路基基床產(chǎn)生的累積變形。（3）列車動(dòng)荷載下的變形路基面彈性變形，是在列車動(dòng)荷載作用下可恢復(fù)的變形，與路基面支承剛度密切有關(guān)，采用強(qiáng)化基床，路基面彈性變形很小。路基基床累積變形，是基床巖土在列車動(dòng)荷載反復(fù)作用下出現(xiàn)的不可恢復(fù)的塑性變形，與基床巖土材質(zhì)、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)摸量密切有關(guān)。采用強(qiáng)化基床，基床累積變形很小。2.路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用強(qiáng)化的層狀結(jié)構(gòu)設(shè)置過(guò)渡段

客運(yùn)專線路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和設(shè)置過(guò)渡段，其標(biāo)準(zhǔn)也較普通鐵路有了顯著的提高。設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收暫規(guī)對(duì)路基變形、基床結(jié)構(gòu)、填料、地基條件及處理等均有明確規(guī)定和嚴(yán)格的要求。

為了提供一個(gè)強(qiáng)度高、剛度大且縱向變化均勻、并具有長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定和耐久性以及防滲、抗凍等性能良好的軌道基礎(chǔ)，各國(guó)對(duì)路基結(jié)構(gòu)采取了強(qiáng)化措施：

路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——中國(guó)

基床表層的材質(zhì)和強(qiáng)度應(yīng)能承受列車荷載的長(zhǎng)期作用，剛度應(yīng)使列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的彈性變形控制在一定范圍內(nèi)，厚度應(yīng)使擴(kuò)散到其底層面上的動(dòng)應(yīng)力不超出基床底層土的容許承載力。路基基床由表層與底層組成：基床表層（級(jí)配碎石）厚0.7（0.4）m；基床底層（A、B組填料或改良土）厚2.3m。

線路縱向剛度均勻化控制剛度線路縱向剛度變化剛度突變，動(dòng)力不平順3.路基剛度路基面支承剛度即是列車及軌道荷載與在列車及軌道荷載作用下的路基面豎向位移的比值。

采用強(qiáng)化路基基床，其路基面支承剛度較高，列車及軌道荷載作用下的豎向位移很小。實(shí)測(cè)無(wú)砟軌道路基面動(dòng)位移一般在0.1mm以內(nèi)。為防止或限制基床結(jié)構(gòu)累積變形，應(yīng)對(duì)路基面動(dòng)變形限制，即對(duì)路基面支承剛度進(jìn)行控制，建議路基面支承剛度限值為200MPa/mm。路橋及橫向構(gòu)筑物間設(shè)置過(guò)渡段路橋及橫向構(gòu)筑物間的過(guò)渡段，是以往設(shè)計(jì)及施工中的薄弱環(huán)節(jié)，也是既有線發(fā)生路基病害的重要部位。由于橋臺(tái)與路堤的剛度相差顯著，高速列車通過(guò)時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及列車自身會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而降低列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適度，加快結(jié)構(gòu)物和車輛的損壞。為保證列車高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)舒適，對(duì)路橋過(guò)渡段采用了剛度過(guò)渡的設(shè)計(jì)方法。在橋臺(tái)后一定范圍內(nèi)，采用剛度較大的級(jí)配碎石作為過(guò)渡填筑段，與路堤相接處采用1：2的斜坡過(guò)渡。路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

為了有效地控制工后沉降量及沉降速率，需要開展路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。根據(jù)沉降觀測(cè)資料及沉降發(fā)展趨勢(shì)、工期要求等，采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整預(yù)壓土高度，確定預(yù)壓土卸荷時(shí)間，以及鋪軌前對(duì)路基進(jìn)行評(píng)估及合理確定鋪軌時(shí)間，以確保鋪軌后路基工后沉降量與沉降速率控制在允許范圍內(nèi)。路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的成果可以為后續(xù)的軌道工程打下了良好的基礎(chǔ)。1.2、高速鐵路軌道工程的特點(diǎn)

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)和普通鐵路軌道結(jié)構(gòu)一樣,由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學(xué)性質(zhì)絕然不同的材料承受來(lái)自列車車輪的作用力,它們的工作是緊密相關(guān)的。任何一個(gè)軌道零部件的性能、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)影響所有其他零部件的工作條件,并對(duì)列車運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響,因此軌道結(jié)構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng),要用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行研究。

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要類型：有砟軌道和無(wú)砟軌道。砟（zhǎ）：巖石、煤等的碎片。在鐵路上指作路基用的小塊石頭。傳統(tǒng)的鐵路軌道通常由兩條平行的鋼軌組成,鋼軌固定放在枕木上,之下為小碎石鋪成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火車壓力、幫助鐵軌承重的作用,防止鐵軌因壓力太大而下陷到泥土里。此外,路砟小碎石還有幾個(gè)作用：減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等。這就是有砟軌道。

有砟軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它具有彈性良好、價(jià)格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點(diǎn)。但隨著行車速度的提高,有砟軌道不均勻下沉產(chǎn)生的120Hz以下頻率范圍的激振嚴(yán)重,軌道破損和變形加劇,從而使維修工作量顯著增加,維修周期明顯縮短。根據(jù)德國(guó)高速鐵路的資料,當(dāng)行車速度為250～300km/h時(shí),其線路維修費(fèi)用約為行車速度為160～200km/h時(shí)的2倍;速度為250～300km/h時(shí),通過(guò)總重達(dá)3億噸后道砟就需全部更換。

基于這一情況,許多專家認(rèn)為,從經(jīng)濟(jì)角度和維修管理角度看,高速鐵路應(yīng)采用無(wú)砟軌道。特別是在橋隧結(jié)構(gòu)上,由于無(wú)砟軌道減少了二期恒載和建筑高度,采用無(wú)砟軌道更為有利。除此以外,無(wú)砟軌道還具有使用壽命長(zhǎng)、線路狀況良好、不易脹軌跑道、高速行車時(shí)不會(huì)有石砟飛濺等優(yōu)點(diǎn),因此無(wú)碴軌道在國(guó)外高速鐵路上獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,其鋪設(shè)范圍已從橋梁、隧道發(fā)展到土質(zhì)路基和道岔區(qū),無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路上的大量鋪設(shè)已成為發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)線路穩(wěn)定、平順，有利于鋪設(shè)無(wú)縫線路和高速行車維修工作量少堅(jiān)固耐久、整潔美觀，使用壽命長(zhǎng)在隧道、地鐵中減少開挖面積無(wú)砟軌道的缺點(diǎn)一旦破壞整修困難扣件彈性要好無(wú)砟軌道的定義

無(wú)砟軌道：用整體混凝土結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有砟軌道中的軌枕和散粒體碎石道床的軌道結(jié)構(gòu)。（TZ216-2007）

無(wú)砟軌道的軌枕本身是混凝土澆灌而成，而路基也不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上。

無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)：無(wú)砟軌道由長(zhǎng)鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、CA砂漿、混凝土底座及凸形擋臺(tái)組成。

CA砂漿：即水泥瀝青砂漿，一般采用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成。作用為使板式軌道具有一定的彈性，并固定軌道結(jié)構(gòu)的位置，同時(shí)消除混凝土構(gòu)件施工誤差。常用CA砂漿配方：干粉料主要為水泥、砂、礦物摻合料等。

縱向連接錨固鋼筋預(yù)設(shè)斷裂位置軌道扣件灌漿孔橫向預(yù)應(yīng)力典型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖承軌道臺(tái)底座砼/支承層砼

無(wú)砟軌道的分類：國(guó)際上目前比較常見(jiàn)的無(wú)砟軌道有：日本的板式軌道德國(guó)的雷達(dá)2000型無(wú)砟軌道旭普林型無(wú)砟軌道博格板式軌道日本新干線板式軌道雷達(dá)2000型無(wú)砟軌道旭普林型無(wú)砟軌道

博格板式軌道

國(guó)內(nèi)高速鐵路常用的有：

CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅠ、Ⅱ型雙塊式無(wú)砟軌道道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道：預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層，鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)澆注的鋼筋混凝土底座上，由凸形擋臺(tái)限位，適應(yīng)ZPW－2000軌道電路的單元軌道板無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道：預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層，鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場(chǎng)澆筑的具有滑動(dòng)層的鋼筋混凝土底座（橋梁）上，適應(yīng)ZPW－2000軌道電路的連續(xù)軌道板無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式。

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道：預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層，鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場(chǎng)澆注的鋼筋混凝土底座（橋梁）上，并對(duì)每塊板限位，適應(yīng)ZPW－2000軌道電路的連續(xù)軌道板無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式。

CRTSⅠ型雙塊式無(wú)碴軌道：將預(yù)制的雙塊式軌枕組裝成軌排，以現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土方式將軌枕澆入均勻連續(xù)的鋼筋混凝土道床內(nèi)，并適應(yīng)ZPW－2000軌道電路的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式。

CRTSⅡ型雙塊式無(wú)碴軌道：將預(yù)制的雙塊式軌枕通過(guò)機(jī)械振動(dòng)法嵌入現(xiàn)場(chǎng)澆注的均勻連續(xù)的鋼筋混凝土道床內(nèi)形成整體，并適應(yīng)ZPW－2000軌道電路的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式。

道岔區(qū)軌枕埋入式無(wú)砟軌道：將預(yù)制混凝土岔（軌）枕組裝成標(biāo)準(zhǔn)道岔軌排，現(xiàn)澆入混凝土形成均勻連續(xù)鋼筋混凝土道床，并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。無(wú)砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)1.無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)選型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型應(yīng)符合施工性、維護(hù)性、動(dòng)力性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性的5個(gè)基本原則。施工性的核心是施工速度維護(hù)性的核心是少維護(hù)動(dòng)力性的核心是軌道彈性適應(yīng)性的核心是工程實(shí)際經(jīng)濟(jì)性的核心是生命周期無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)原則：

從工程建設(shè)的實(shí)際出發(fā),堅(jiān)持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自主創(chuàng)新,工程材料國(guó)產(chǎn)化以列車荷載、溫度荷載、基礎(chǔ)變形為設(shè)計(jì)主線充分考慮裂紋控制、耐久性和經(jīng)濟(jì)性要求把握軌道剛度和動(dòng)力特性對(duì)環(huán)境的協(xié)調(diào)兼顧站前、站后接口界面和施工維護(hù)對(duì)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)的要求。無(wú)砟軌道的減振降噪：

無(wú)砟軌道降噪：無(wú)砟軌道噪聲主要表征為輪軌滾動(dòng)噪聲和軌道板結(jié)構(gòu)輻射噪聲兩方面。為使軌道低噪化,使用定期打磨鋼軌和鋼軌無(wú)縫化的基本方法，或者在無(wú)砟軌道表面上設(shè)置吸音板。

無(wú)砟軌道減振：軌道減振的基本方法是降低軌道的支承剛度,同時(shí)盡可能提高軌道的參振質(zhì)量,以減小線路下部結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)。無(wú)砟軌道的耐久性：影響無(wú)砟軌道耐久性的因素主要有:結(jié)構(gòu)型式、混凝土和各種特殊材料的品質(zhì)、施工質(zhì)量控制等方面?？瓦\(yùn)專線無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命要求按60年設(shè)計(jì),并作為軌道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的依據(jù)。板式無(wú)砟軌道在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)板下砂漿墊層的裂縫、剝離及碎裂；而雙塊式無(wú)砟軌道的傷損主要表現(xiàn)在道床板混凝土的裂紋及其擴(kuò)展等傷損。因此，應(yīng)開發(fā)相應(yīng)的修補(bǔ)材料和設(shè)備，制訂無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的維修標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法。高速鐵路路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修改和完善路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；無(wú)砟軌道路基基床厚度200－350km/h沒(méi)有區(qū)分確定；地基剛度的標(biāo)準(zhǔn)，直接關(guān)系到地基處理的成本。新技術(shù)的應(yīng)用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式的選取、設(shè)計(jì)計(jì)算理論及不同地質(zhì)條件下的施工工藝尚未成熟；樁板結(jié)構(gòu)是無(wú)砟軌道新的結(jié)構(gòu)形式，其工作原理、動(dòng)力特性和設(shè)計(jì)理論等需要開展研究。.樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基由樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與上部路堤組成，其中樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是一種剛性樁基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土剛性樁（群）和樁頂以上的加筋墊層共同組成。

遂渝無(wú)砟軌道試驗(yàn)段樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基橫斷面設(shè)計(jì)圖

關(guān)于樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)鋼筋混凝土樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)RCpile-meshstructure：由鉆孔灌注或預(yù)制打入的鋼筋混凝土樁（群）與樁帽及加筋墊層組成的結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土樁-閥結(jié)構(gòu)RCpile-raftstructure：由鉆孔灌注或預(yù)制打入的鋼筋混凝土樁（群）、墊層及鋼筋混凝土閥板組成的結(jié)構(gòu)。CFG樁CFG樁是CFG樁水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱(即cementfIying-ashgravelpile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。對(duì)于津京、鄭西、武廣客運(yùn)專線，由于是350km/h無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)，為了有效地控制地基沉降，在軟土和松軟土地基段大量采用CFG樁進(jìn)行地基處理。其處理深度30m以內(nèi)較經(jīng)濟(jì)。CFG樁可用振動(dòng)沉管機(jī)施工，也可用螺旋鉆機(jī)。而選用哪一類成樁機(jī)和什么型號(hào)，要視工程的具體情況而定。對(duì)于成孔要求質(zhì)量高的地區(qū)，使用長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓成樁工藝。鄭西客運(yùn)專線試驗(yàn)段地基處理路基填筑堆載預(yù)壓與沉降觀測(cè)鐵路路基科研試驗(yàn)段簡(jiǎn)介鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土試驗(yàn)段位于陜西省華陰市坪塬村，試驗(yàn)段總長(zhǎng)140m，地基處理采用了強(qiáng)夯、水泥土擠密樁和柱錘沖擴(kuò)樁三種方法。路基本體和基床底層采用8％石灰和5％水泥改良土填筑，基床表層采用級(jí)配碎石填筑，3m堆載預(yù)壓進(jìn)行路基沉降觀測(cè)。試驗(yàn)段進(jìn)行了地基處理前檢測(cè)、地基處理和路基填筑施工工藝、路基填筑工藝、地基處理和路基填筑試驗(yàn)檢測(cè)、路基沉降觀測(cè)及路基浸水等科研項(xiàng)目。路基填筑檢測(cè)靜態(tài)變形模量EV2動(dòng)態(tài)變形模量EVD地基系數(shù)K30壓實(shí)度（粒土壓實(shí)系數(shù)K、粗粒土碎石類土孔隙率n）靜態(tài)變形模量Ev2通過(guò)直徑300mm圓形承載板和加載裝置對(duì)地面進(jìn)行第一次加載和卸載后，再進(jìn)行第二次加載，用測(cè)得的承載板下應(yīng)力σ和與之相對(duì)應(yīng)的承載板中心沉降量S，來(lái)計(jì)算變形模量EV2及EV2／EV1值的試驗(yàn)方法。靜態(tài)變形模量Ev2試驗(yàn)步驟安放好測(cè)試儀器預(yù)加0.01MPa荷載約30S，待穩(wěn)定后卸除荷載，將表調(diào)零。第一次加載至少分6級(jí)，以約0.08MPa的增量逐級(jí)加載，達(dá)到0.5MPa或者沉降5mm后，進(jìn)行卸載。按最大加載的50％、25％、0分三級(jí)卸載。依照第一次加載進(jìn)行第二次加載，直到加到第一次最大荷載的倒數(shù)第二級(jí)。每級(jí)加載或卸載在1min內(nèi)完成，每級(jí)荷載維持2min。動(dòng)態(tài)變形模量Evd動(dòng)態(tài)變形模量Evd（dynamicmodulusofdeformation）是指土體在一定大小的豎向沖擊力Fs和沖擊時(shí)間ts作用下抵抗變形能力的參數(shù)。

Evd=1.5×r×σ/s

其中：Evd——?jiǎng)討B(tài)變形模量（MPa）；

r——圓形剛性荷載板的半徑150mm；

σ——荷載板下的最大沖擊動(dòng)應(yīng)力，它是通過(guò)在剛性基礎(chǔ)上