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京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究

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铁2009年第7期 道建筑 5 Railway Engineering 文章编号:1003.1995(2009)07-0005-06 京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究 孙红林,李丹 430063) (中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉摘要:通过比较发达国家高速铁路路基技术标准,系统研究了包括路基宽度、结构形式、工后沉降、过渡 段、路桥设置等参数的主要技术标准,并对关键技术参数的影响进行了分析,提出了京沪高速铁路路基 工程设计时应注意的问题和有关建议。 关键词:高速铁路路基宽度路基结构 工后沉降过渡段路桥设置 中图分类号:U238;U213.1文献标识码:A 高速铁路路基是承受轨道结构和列车荷载的基 条件(标准)的研究”。分析高速铁路发达国家建设经 验、模型试验、理论分析、现场试验、国际技术咨询相结 础,是铁路工程的重要组成部分,除应具备铁路路基的 基本功能外,还应满足列车高速运行的要求:具有足够 的强度、刚度、稳定性和耐久性,能承受正常施工和正 常使用时可能出现的各种情况,在正常使用时具有良 好的工作性能;在正常维护下具有足够的耐久性,在偶 然事件发生时及发生后仍能保持整体稳定性。 自1991年我国启动高速铁路技术的研究以来,就 合的总体技术路线,于2002年基本形成了符合中国铁 路发展需求的技术标准体系。本文旨在系统研究路基 工程主要技术标准所考虑的因素和关键技术参数,为 京沪高速铁路路基设计和施工提供参考。 1路基面宽度与形式 路基横断面宽度主要取决于线间距、接触网立柱 直高度重视高速铁路路基工程关键技术参数和技术 标准的研究。先后完成了国家“八五”科技攻关项目 “高速铁路线桥隧站设计参数选择的研究”、“九五”国 家重点科技攻关计划专题“高速铁路线桥结构与技术 布置、路肩宽度、轨道结构、曲线超高等,并综合考虑路 基稳定、路基面防排水问题。各国路基面主要设计参 数见表1。 表1世界各国路基面布置主要参数一览 注:*为日本新干线最小、最大值,分别为山阳和东北新干线;()内为中国无砟轨道设计参数。 线间距是指相邻两股道线路中心线之间的最小距 离。主要受列车交会运行时的气动力作用和车体宽度 控制。对于空气动力作用,一方面,要满足列车承受会 车压力波的允许值[△P一];另一方面,要分析研究各 种客运列车交会运行时,作用在列车上的会车压力波 最大值△P一,压力波时变率△P一/△£,以及与交会列 车相邻侧壁净间距Y=D一(曰,+ )/2,其中D为线 间距,曰,为被交会列车宽度,日 为通过列车车头宽 度。根据风洞试验、现场试验及数值分析结果,结合国 外高速铁路D、y值与最高运行速度 的关系,时速 300 km/h车体宽度取3.38 m、3.26 m,确定京沪高速铁 路区间线间距为5.0 m。 路肩宽度除必须满足布设相关轨旁设备的要求 外,也是确保路基稳定的需要,特别是浸水后路堤边坡 的稳定性。日本早期修建东海道新干线时,为节省用 收稿日期:2009.03.20;修回日期:2009.o4-1o 作者简介:孙红林(1973一),男,山西曲沃人,高级工程师。 6 铁道建筑 地路肩宽度一侧为0.5 m,另一侧为1.0 m,但是经运 床以下路堤两部分。基床是指路基上部承受列车动力 营检验后1978年修订路基规范时,将两侧路肩宽度均 作用和水文气候变化影响较大的部分,可分为基床表 提高,路堤为1.2 m,路堑为1.0 m;法国修建巴黎一里 昂TGV时,路肩宽为1.5~2.0 Ill,大西洋TGv时就改 为2.25 m;德国两侧路肩均为1.30 m。基于以上分 层和基床底层两部分。基床表层作为轨道的基础,直 接承受列车剧烈的动力作用,是路基最重要的部分。 稳定的路基是轨道结构实现强度高、刚度大且纵向变 析,将京沪高速铁路两侧路肩宽度确定为1.4 m。 有砟轨道曲线地段因外轨超高引起路基面加宽值 化均匀、并具有长期动力稳定和耐久性、防渗、抗冻性 的基础,各国对基床表层均采取了强化措施,路基结构 主要参数见表2。表2中, 为高速列车的允许速 根据曲线半径确定;无砟轨道因整体结构具备较高的 横向稳定性,原则上曲线地段路基面不加宽,当轨道结 构和接触网支柱等设施的设置等有特殊要求时,根据 度,km/h;LA为洛杉矶磨耗率,%;MDE为台佛儿压碎 率,%;E 为二次变形模量,MPa;Kh为压实系数;GW、 GU、GL、GT、GE、SW:SI、SU、ST为德国路基规范规定的 具体情况计算确定。由于高速铁路对工后沉降控制标 准、填料质量和压实标准均提出了很高的要求,因此, 高速铁路路基宽度不考虑地基沉降和填料沉落加宽 值。 粗颗粒优质填料符号;D 为葡式密度对应的压实系 数;A群、B群、经改良处理的c群为日本路基规范规 定的粗颗粒优质填料、细粒土改良土符号;A组、B组 2路基结构及材料 根据承载特点和重要性可将路基划分为基床与基 填料或改良土为中国路基规范规定的粗颗粒优质填 料、细粒土改良土符号。 表2各国基床结构尺寸及材料 2.1基床厚度确定 的条件下经道床部分传递扩散后,速度为300 km/h时 作用于路基面的最大动应力水平约100 kPa;当深度约 为3.0 m时,动应力与自重应力之比为0.2。因此,将 基床厚度定为3.0 m。 对于无砟轨道结构,一般由一个轨道单元(10根 轨枕)承担一个转向架,作用于路基面的有效振动加速 通过车辆一轨道一路基的耦合作用,高速列车动 轮载通过道床传递至路基本体,在沿深度传递过程中 逐渐扩散衰减,影响亦逐渐降低。至某一深度处,当列 车荷载引起的动应力只占自重荷载的一小部分时,就 不会引起土体的累积塑性变形增长,对土体的影响可 忽略不计。试验研究表明,当动静应力比在0.2以下 度和振动幅值显著降低,动应力<50 kPa。但沿深度 衰减幅度较有砟轨道小,在轨道板以下3.0 m深度处 时,一百万次动荷载作用下,土样的塑性累积变形< 0.2%,而且很快能达到稳定。因此,把动静应力比0.2 振动速度约为有砟轨道的1.13倍,与有砟轨道动应力 作为确定动应力有效作用范围的依据,并依此确定基 床厚度。在此深度以下,一般不再考虑动荷载土体的 水平基本相当。因此,对无砟轨道结构基床厚度(包括 HGT层或支座)也按3.0 m考虑,基床应力分析详见图 1,基床结构与材料见图2。 影响。轨底动应力实测与理论分析表明:有砟轨道是 由5根轨枕承担高速列车转向架动轮载,在轨面平顺 2009年第7期 京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究 7 O 0盈llI 罂f醐1I  鼎l t一 I骥c 醐l餐 图l 基床应力分析 ( )碎石基床表面 2.2基床表层功能、厚度及材料要求 基床表层需具备以下功能:能使列车运行时产生 弹性变形且控制在一定范围内,能使扩散到底层面上 的动应力不超出基床底层的承载能力,并能防止道砟 压入基床或基床土进入道床,防止地表水侵入基床土 中导致基床软化、冻胀等基床病害。为此,基床表层必 须具有较大的强度承受外力作用并避免遭到破坏;具 有足够的刚度,抵抗过大变形或产生累积塑性变形的 能力;具有较高的稳定性和耐久性,避免其刚度与强度 在条件变化时发生改变。其次能有效扩散上部应力, 抵御气候变化对基床底层的作用和影响。 基床表层厚度由两个条件确定:①在列车荷载作 用下,路基顶面变形量不大于3.5 rnm;②作用在基床 底层顶面的动应力不大于填土允许应力。综合变形控 制与强度控制两方面的计算结果,取基床表层厚为 0.7 m,基床底层厚2.3 m。路堑基床表层厚度由地基 土的土质和强度控制。德国采用地基土的E 值确定 基床表层的厚度见图3。 I I, \ 基床表层的 2值 、. ~ 、 、 \ 最低胄、 \\ ! CBR/% 5 10 15 1. 床面上 2 Pa 图3德国铁路路堑基床换填最小厚度 日本采用地基土的地基系数K 值确定基床表层 的厚度,见图4。京沪高速铁路结合沿线气候条件、土 质特征、强度、地下水和地基土水稳性,采用0~0.7 m fb)矿渣基床表层 图2基床结构与材料 基床表层厚度,并需对不满足基床底层要求的地段采 取以挖除换填为主的处理措施。 2·5 2 O \ l 5 i .魁 聪1、 0 、 ‘\. 、0.5 、 0 10 20 3O 40 5O 60 7O 80 地基系数K3o/(MPa/m) 图4 日本新干线路堑基床换填最小厚度 级配碎石是欧洲铁路和我国公路部门基床表层普 遍采用的材料。只要保证组成材料质量,使混合料具 有良好级配,并控制好细粒土的含水量及塑性指数,施 工时将混合料搅拌均匀,在最佳含水量附近压实,就能 形成较高的力学强度和一定的水稳性。因此,选择将 级配碎石作为基床表层的首选材料。 秦沈客运专线对采用上述结构、材料的动应力和 动变形进行了实车试验测试,结果表明:基床表面动应 力为49.5~83.7 kPa时,基床动变形均<1 mm;路基中 动应力在路基面下0.7 m和3.0 m处的衰减系数分别 为0.39和0.10。但阻水试验结果表明:级配碎石的渗 透系数K平均为2.4×10一cm/s。如果在雨季长时间 降雨或冬季冻融反复作用下,可能产生冻害或翻浆冒 泥等病害。结合沿线降雨分布和气温变化等气候特 点,按照北部防冻、南部防渗的要求,在基床表层表面 增设5—10 enl沥青混凝土防排水层。 2.3基床底层 能在动力作用下保持稳定是对材质的基本要求, 由于某些外部原因,土体含水量增加也不会导致强度 的大幅度降低。因此,基床底层应优先采用A组、B组 填料,避免使用水稳性差的c级细粒填料。当不得不 8 铁道建筑 使用C组细粒填料时,应进行改善水稳性处理。 2.4基床以下路堤及填料 等灾害。高速铁路必须适当提高路基填料质量和压实 标准,确保路基在各种条件下的稳定性。基床以下路 堤应优先选用A组、B组填料和C组碎石、砾石类填 料,当选用C组细粒土填料时,应根据填料性质进行 改良,见表3。 根据我国既有铁路的经验教训,填料质量对路基 工作性状的影响显著,特别是受洪水或河流冲刷、强降 雨影响和长期受水浸泡的路堤,易发生冲刷边坡、坍塌 表3基床以下路堤填料及压实标准 京沪高速铁路沿线可取用的填料共分4类,根据 大量室内和现场试验结果,采用填料利用或改良方案。 3工后沉降控制标准及方法 3.1工后沉降概念 ①第四系全新统冲积层粉质黏土及粉土、坡残积粉质 黏土,属c组细粒土,用作路堤填料需改良。塑性指 数<11时掺入5%的水泥;当塑性指数>11时掺入 5%的石灰。主要技术参数:无侧限抗压强度不小于 工后沉降是指建(构)筑物“上部关键部位竣工验 收后整个构筑物体系所产生的沉降量”,也可称为“残 余沉降量”。路基工程是指铺轨工程完成后已发生的 700 kPa,浸水饱和72 h无崩解,强度衰减率<40%,现 场取样强度不小于450 kPa。夯后浸水饱和强度不小 沉降量与最终沉降量之差。路堤建成后发生的沉降变 形主要有:在列车荷载作用下基床发生的变形;路堤本 体在自重作用下的压密沉降;支承路基的地基压密沉 于160 kPa。②第四系上更新统黏土,属c组、D组填 料,用作路堤填料需掺人5%的石灰改良。当含水量 >26%时,需经凉晒后方可进行改良。主要技术参数: 降。大量实测数据表明控制工后沉降主要是控制地基 的工后沉降,特别是软弱地基,不仅沉降量大而且沉降 需延续较长时间。 3.2工后沉降控制标准 无侧限抗压强度不小于800 kPa,浸水饱和72 h无崩 解,强度衰减率<40%,现场取样强度不小于500 kPa, 浸水饱和强度不小于200 kPa。③软岩及其风化物。 易风化软质岩不能用于正线路基填筑,其余软质岩也 不能用作基床底层、过渡段及浸水地段路基填料。还 对某些地层即使采取一些地基处理措施,绝对消 除工后沉降几乎是不可能的。比较可行的办法是将工 后沉降控制在允许范围之内,使其不影响列车运行的 高速、安全、舒适。对于有砟轨道,工后沉降标准主要 从两方面来考虑:首先要确保构筑物自身及交通运输 要适当提高压实标准并控制路堤填筑高度不大于8 m。主要技术参数:最大粒径10 em,细粒含量25%~ 40%,不均匀系数c ≥20,级配曲线曲率系数C =l一 3。④硬质岩及其风化物可分为两类:一类是硬质岩岩 块、强风化硬质岩及构造和风化形成的碎块石土,属优 质A、B组填料,主要技术参数:最大粒径10 em,细粒 含量<30%,不均匀系数C ≥12。第二类是全风化 系统的安全;其次减少工后维修工作量。因此应重点 研究分析两层关系,使两者取得某种平衡。日本新干 线规定:有砟轨道工后沉降量一般地段应不大于l0 em,沉降速率应<3 era/年,桥路过渡段应不大于5 em。 法国高速铁路规定:滤水层验收后最初沉降应<2 cm, 最后一次捣固之后和运行第一列高速列车前,或在滤 水层验收后18个月内沉降完全稳定,30 m范围内每 年的最大沉降差为4 mnl,200 m范围内每年的最大沉 层,呈砂状,属C组粗粒填料,作为基床底层填料时需 掺人20%~25%碎石进行改良。 2009年第7期 京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究 9 降差为10 mm。德国有砟轨道要求路基每年沉降不超 过1~2 cm,路基不均匀沉降造成的轨道变形按轨道竖 曲线半径R ≥O.4v ,R 为竖曲线半径, 为列车速 度。 结合京沪高速铁路沿线地质条件、我国地基处理 技术的现状,综合分析两方面的关系,确定有砟轨道路 基工后沉降量一般地段不大于5 cm,桥路过渡段不大 于3 cm,初年沉降速率应<2 cm/年。 无砗轨道采用整体式混凝土基础,工后沉降控制 标准主要取决于扣件的可调整量。对于调高量为30 mln的扣件,扣除施工误差+6 mm/一4 mm,仅有20 i/l/n 可以调整,再考虑列车运行时需要预留5 Inln余量,实 际留给运营期间的允许调整量仅为15 mm。对于不均 匀沉降的控制,路基的允许工后沉降量在纵向轨排扣 件调整后,通过圆顺线路后也能够满足运营要求。德 国铁路规定:一般情况下允许的最大工后沉降量为扣 件允许调高量减去5 toni后即15 mm。特殊情况下,长 大区段高路堤均匀沉降若能够通过竖曲线调整来消除 沉降的影响,60 ITlm的最大沉降也是允许的。总之,工 后沉降应能通过扣件调整、圆顺,将线路竖曲线参数维 持在设计允许的范围内。因此,无砟轨道路基工后沉 降量设计标准为15 mln,竖曲线圆顺作为轨道养护维 修的控制标准。对于路桥、路涵等过渡段沉降造成的 折角,日本新干线板式轨道规定折角不大于1/1 000, 德国无砟轨道规定不大于1/500。我国采用不大于 1/1 000进行控制。在轨道结构中采用特殊过渡措施后 可以承受5 mill的差异沉降,因此,路桥或路隧交界处 的差异沉降<5 mill。 3.3工后沉降控制的几个关键问题 京沪高速铁路由北向南沿线软弱地基广泛分布, 工程特性的差异较大。沉降控制应着重把握以下几个 方面的问题:①首先应采用机动钻探、土工试验和多 种原位测试相结合的综合勘察方法,详细查明地基土 成因类型、空间分布、地层结构、物理力学指标,特别是 不同荷载水平的变形指标,以及变形与时间的关系;② 高速铁路路基设计时通常按“零”沉降考虑,排水固结 法由于存在太多不确定因素且需要很长的工期,已难 以适应高速铁路路基地基处理的要求,应以改善地基 总沉降的复合地基处理方法为主,对沉降难以有效控 制的地段,应以桥梁方案通过。③在路基施工过程中 必须开展动态观测分析,通过沉降观测资料预估后期 沉降量、发展趋势,达到有效控制工后沉降的目的。④ 高速铁路施工组织设计应为路基工程安排合理的工 期,使路基施工完成后预留一定的放置时间。⑤设计 时应考虑不同方法处理和不同结构物之间的纵向差异 沉降,设置过渡措施,且保证必要的放置时间。 4过渡段设置形式 由于桥后路基填土与钢筋混凝土桥台的刚度差 异,会使列车动力特性突变。再加上沉降差异,将进一 步加剧两者之间的差别。当高速列车通过过渡段时, 轮轨动力加剧,运行质量变差,舒适度降低。还会加速 轨道质量恶化、桥梁支座损坏和车辆部件、轮轨磨损; 长此以往将导致路基一侧基床承载和抗变形性能降 低,严重时必将影响到列车运行速度,甚至危及到行车 安全。在不同工程类型之间设置一定长度过渡段,可 有效减小路基与不同工程类型之间的差异沉降,实现 不同结构之间的刚度平顺过渡。 4.1过渡段的形式及长度 过渡段常用的形式包括正梯形和倒梯形两种。由 于列车动荷载主要影响路基上部基床部分,正梯形过 渡形式路基面3.0 m以下级配碎石对过渡效果的贡献 很小,造成纵向过渡太突然,特别是高填方桥台。因 此,过渡段的形式采用倒梯形断面形式更为合理。 理论上过渡段长度应根据设计速度求得动载最佳 变形曲线确定。 rd≥o.4v: (1) AS,≤2 一^/4厂———  r2 一l詈J (2) 式中,rd为曲线半径; 为设计速度;AS,:S 一S。, AS,为任意两点的沉降差。 但基于经济合理性和实际经验综合分析,目前过 渡段广泛采用L=口+nh,0为常数,大于3 m,h为填 高,11,为梯形斜边坡率,且过渡段长L不小于20 m进 行控制。式中常数。主要考虑同一转向架之间的轮 距和施工最小长度,20 m主要考虑两个转向架之间的 距离。过渡效果随着梯形斜边坡率变缓趋于更加平 顺,但坡率不宜小于1:5。常用的过渡段形式详见 图5。 4.2过渡段设置方法 过渡段的设计应在详细分析设置目的的基础上, 根据地基、地形、工程结构类型及分布等具体条件,按 照地基处理、路基结构、轨道结构等三个层次相互匹配 的原则确定合理的过渡形式。对于地基需深层处理或 沉降不能准确预估地段,地基处理过渡段仍是过渡段 设计的核心问题,其最小长度不宜<30 m;对于低填方 地段桥路过渡段,应在全断面最小长度要求的条件下, 调整纵向坡率可达到合理过渡的效果;低填浅挖过渡 段可根据基床换填厚度,在挖方部分设置过渡段;两桥 或桥隧之间距离较小时,可调整纵向坡率,加强基床的 10 铁道建筑 图5过渡段设置示意图(单位:in) 强度、刚度,结合纵向沉降控制设置过渡段。 5路桥工程类型设置原则 路桥工程类型的划分原则对工程建设标准和工程 投资影响很大。一般情况下路基造价比桥梁低。桥路 划分除考虑经济造价之外,尚需考虑以下因素。①沉 降控制可靠性:路堤过高时工后沉降控制难度将进一 步加大,而桥梁可大大提高工后沉降控制的可靠性;② 土地资源:路堤过高,永久性占用大量土地,从长远看 并不经济;③填料来源:一般在填料丰富地区,桥路分 界高度可适当提高,特别是在丘陵山区路桥比例应尽 量控制填挖平衡;但在土源缺乏地区,可适当降低桥路 分界高度;④工程类型分布与运营舒适性的要求:从施 工组织、质量控制与运营舒适性角度分析,应将两桥之 间短路基连通,还要尽量避免在涵洞等横向构筑物密 集地段采用路基方案。 综合考虑以上因素,京沪高速铁路全线桥路按以 下原则划分:①地基条件良好且附近有优质填料来源 时,以填挖平衡为基本原则,桥路分界高度为8 m,城 市附近为5 m且应满足城市规划、发展要求;②对深厚 层第四系地层地基,沉降难以准确计算或难以有效控 制地段,以及满足沉降要求工期控制地段,原则上以桥 梁或特殊结构物通过。③内涝或长期浸水地段、两桥 之间间距较小地段以及横向构筑物密集地段,原则上 以桥梁通过。④土地资源匮乏且需远运优质填料的地 段,应以桥梁通过为主。 6 结束语 在调研分析、模型试验、理论分析、现场试验和国 际技术咨询的基础上,针对高速列车安全、舒适、平顺 运行对高速铁路路基工程提出的要求,结合我国的国 情和铁路发展趋势,围绕路基宽度、路基结构、沉降控 制、过渡段及路桥设置等主要技术问题,确定的系统的 路基工程主要技术标准总体上是可靠、合理和可行的。 京津城际的顺利开通运营已给予了充分证明。但京沪 高速铁路沿线地形地质条件更为复杂,系统地研究分 析标准的制订过程、影响因素、关键参数及有关建议, 将更加有利于结合工点的具体条件把握关键技术问 题,合理应用和执行技术标准,从而为我国建设世界一 流高速铁路提供强有力的保证。 参 考 文 献 [1]中华人民共和国建设部.GB50068--2001 建筑结构可靠 度设计统一标准[s].北京:中国建筑工业出版社,2001. 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