熊林敦

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 軟黏土地段路基沉降控制及工程措施

近代沉積的黏性土特別是松軟土、軟土均具有較大的壓縮性，路基建成后，都會發(fā)生沉降，而且會延續(xù)較長的時間。這可能給運(yùn)營后的高速鐵路行車帶來困難，甚至根本不能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)營。所以地基的沉降控制是一個必需面對的重要問題。

在國外如德國，對鋪設(shè)無砟軌道的路基，地基沉降的控制有著非常嚴(yán)格的要求，認(rèn)為高速鐵路在無砟軌道鋪設(shè)后及運(yùn)營階段軌面高程只能通過扣件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，因此，與有砟軌道相比對下部基礎(chǔ)變形的要求更為嚴(yán)格。并提出了如下觀點(diǎn):①長期運(yùn)營中路基工后殘余沉降量必須小于等于扣件的調(diào)高量減去5 mm;無砟軌道扣件本身最大可調(diào)量為20 mm(已考慮相關(guān)施工、測量誤差等)，無砟軌道路基允許的工后殘余沉降應(yīng)≤15 mm。②如果在路基長度大于20 m的線路范圍產(chǎn)生較均勻的軌道下沉，則路基工后殘余沉降允許達(dá)到第①項(xiàng)的2倍，即≤30 mm，并且在某一線路區(qū)段上的路基的下沉能按豎曲線Ra≥0.4V2e進(jìn)行圓順(式中Ra為豎曲線半徑，Ve為線路設(shè)計(jì)最高速度)，允許工后差異沉降值≤13 mm/50 m。③路橋或路隧交界處的差異沉降不應(yīng)大于5 mm，過渡段沉降造成的路基與橋梁等的折角不應(yīng)大于1/500。④對于使路基產(chǎn)生不可預(yù)測的殘余變形區(qū)段、地下水位高出鋼軌頂面以下1.5 m的路基區(qū)段均不應(yīng)鋪設(shè)無砟軌道。⑤對所有土質(zhì)地基均需進(jìn)行工后沉降分析，對不滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的地基需進(jìn)行處理，要求路基填筑完成后至少應(yīng)有6個月的沉降觀測期，經(jīng)工后沉降評估分析滿足要求時方可鋪設(shè)無砟軌道。

在武廣高速鐵路建設(shè)期間，我國也制定了《客運(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)指南》，對地基沉降作出了詳細(xì)的規(guī)定:“路基在無砟軌道鋪設(shè)完成后的工后沉降，應(yīng)滿足扣件調(diào)整和線路豎曲線圓順的要求。工后沉降一般不應(yīng)超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm……”。與普速鐵路相比，路基工后沉降控制基本建立起趨于“零”沉降概念。

路基沉降包含動力荷載引起的沉降、路基填料自重壓密沉降及路基基底地基壓縮變形沉降3部分，軟土地基壓縮變形又由瞬時變形、正常固結(jié)變形及次固結(jié)變形組成。地基沉降計(jì)算方法有考慮三向應(yīng)力的方法，考慮應(yīng)力路徑的方法，有限元法等，無論采用什么方法，計(jì)算并不是件難事，難的是如何使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。根據(jù)對既有線的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，這些計(jì)算方法的結(jié)果均與實(shí)際沉降量有較大的差距，計(jì)算值往往偏小，所以在以往的設(shè)計(jì)中，通常采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對其進(jìn)行修正。由于高速鐵路對路基工后沉降控制嚴(yán)格，而目前各種計(jì)算方法均有較大的誤差，為簡化計(jì)算，目前地基沉降仍按分層總和法進(jìn)行，對于飽和土地基按太沙基固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算，對于非飽和土地基按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)進(jìn)行計(jì)算，復(fù)合地基加固下臥層沉降計(jì)算時應(yīng)考慮應(yīng)力擴(kuò)散影響。同時，為解決計(jì)算的誤差，確保路基工后沉降滿足無砟軌道鋪設(shè)要求，一般對深厚軟土地段采用堆載預(yù)壓，且應(yīng)有不少于6個月的觀測和調(diào)整期，以保證路基變形符合相關(guān)要求，即地基土層沉降變形完成的時間，采用理論計(jì)算與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法來確定，通過精確的沉降觀測來推算地基的最終沉降量，這是目前解決由于計(jì)算方法誤差問題的唯一選擇。如武廣客運(yùn)專線在軟黏土地基路基設(shè)計(jì)原則中作了如下規(guī)定:路基施工至設(shè)計(jì)高程(有預(yù)壓土方時至預(yù)壓土方的頂面)后，先持續(xù)監(jiān)測不少于6個月的時間，根據(jù)這6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制“時間—填土高—沉降量”曲線，按實(shí)測沉降推算法或沉降的反演分析法，分析并推算總沉降量、工后沉降值以及后期沉降速率，并初步分析推測最終沉降完成時間，以確定鋪軌時間，并根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合工期要求，驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計(jì)措施使地基處理達(dá)到預(yù)定的變形控制要求，當(dāng)評估結(jié)果表明沉降還不能滿足無砟軌道的鋪設(shè)要求時，則研究確定是延長路基擺放時間繼續(xù)監(jiān)測，還是采取(或調(diào)整)地基加固措施(如調(diào)整預(yù)壓土高度、確定預(yù)壓土卸荷時間、調(diào)整或增加地基加固措施等)，即進(jìn)行監(jiān)測—評估—調(diào)整”循環(huán)，以滿足無砟軌道鋪設(shè)要求。

2 淺層軟地基的處理

對位于丘間谷地、水塘、階地等表層黏性土、軟土地段的路基，采用換填、強(qiáng)夯、碾壓等處理措施是以往普速鐵路設(shè)計(jì)中常用的方法，可根據(jù)各線的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，其施工簡便，一般也能滿足路基對工后沉降及穩(wěn)定的要求。但對于要求“零”沉降的無砟軌道高速鐵路而言，簡單地采用拋石擠淤、強(qiáng)夯、碾壓等處理措施很難滿足路基對變形及剛度的要求。在武廣高速鐵路武漢試驗(yàn)段及烏龍泉至花都段都曾設(shè)計(jì)有強(qiáng)夯、碾壓等處理措施，但經(jīng)試驗(yàn)成功的很少，大部分都修改了設(shè)計(jì)。因此，對淺層的黏性土、軟土地基，建議采用換填、CFG樁、小方樁等措施進(jìn)行加固，慎用強(qiáng)夯等處理措施。

3 地基加固方法

為滿足路基工后沉降趨于“零”沉降的要求，目前已運(yùn)營或正在勘察設(shè)計(jì)的客運(yùn)專線特別是無砟軌道線路普遍采用剛性樁進(jìn)行地基加固，如鉆孔樁、管樁、CFG樁等，使用較多的樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基，目前一般按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2002)進(jìn)行設(shè)計(jì)與沉降估算;在設(shè)計(jì)過程中，樁上碎石墊層與土工格柵主要起均布應(yīng)力與均勻沉降作用，不作為受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

而在德國，CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基按群樁理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，拉筋是用來傳遞樁所承載的應(yīng)力的，作為受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮土工格柵樁間形成的拱，應(yīng)力重分布作用與薄膜作用(樁與土之間沉降差異引起土工格柵的應(yīng)變和張應(yīng)力)等的影響。路堤穩(wěn)定性計(jì)算還應(yīng)考慮路堤沿土工格柵面滑移破壞。

鑒于CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基在我國建筑部門設(shè)計(jì)中已取得一定的成功經(jīng)驗(yàn)，且經(jīng)施工、使用驗(yàn)證是滿足使用要求的，所以CFG樁樁網(wǎng)復(fù)合地基目前可按復(fù)合地基進(jìn)行整體穩(wěn)定和沉降設(shè)計(jì)計(jì)算，其上的碎石墊層與土工格柵視為褥墊層。同時建議結(jié)合工程實(shí)踐對土工格柵的受力狀態(tài)進(jìn)行研究，以完善相關(guān)的設(shè)計(jì)理論。

4 路堤邊坡高度的控制

路堤建成后發(fā)生的變形如前所述主要由3部分組成，實(shí)驗(yàn)表明列車荷載作用下發(fā)生的變形其數(shù)值是有限的，且主要作用在基床范圍，可通過改善基床的材質(zhì)和提高基床的密實(shí)度來控制;路基地基壓縮變形沉降一般要在運(yùn)營后幾年甚至幾十年的時間才能完成，路堤邊坡高度越大對地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大，影響深度亦越深，地基產(chǎn)生的塑性變形也就越大，目前客運(yùn)專線大多可通過地基加固，采用切實(shí)可行的加固措施如樁板結(jié)構(gòu)等，將樁打入硬層等來應(yīng)對，但若不對路堤高度進(jìn)行控制，地基加固費(fèi)用將越來越高;而路基填料自重壓密沉降，根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)K30≥70 MPa/m時，路堤本體的壓縮下沉為填土高度的0.1% ～0.3%(砂性土)及0.2% ～0.5%(黏性土)，我國普速鐵路的經(jīng)驗(yàn)表明，壓實(shí)系數(shù)達(dá)到0.9，路基下沉約為路堤高度的0.1%，但是，20世紀(jì)50年代對質(zhì)量一般的工點(diǎn)觀測記錄表明，下沉可達(dá)到1% ～3%。

填土的壓密下沉屬永久下沉，必須采取措施進(jìn)行控制。首先，在勘察期間應(yīng)根據(jù)地基條件確定一個合理的橋路分界高度，即對路堤邊坡高度進(jìn)行控制，如滬昆客運(yùn)專線規(guī)定:地質(zhì)條件較好的丘陵山區(qū)橋路分界高度建議為6～8 m;河流階地或鄰近大中城市地區(qū)橋路分界高度不超過5 m;儲、滯洪區(qū)等水害頻發(fā)段和杭紹平原一帶廣泛分布深厚軟弱地基，原則上以橋通過，當(dāng)需要采用路堤形式通過時，填高應(yīng)控制在4.0 m以內(nèi)。其次，在作路基設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)填土的高度在材質(zhì)、壓實(shí)密度等方面提出合理的要求，事實(shí)上，根據(jù)日本、德國高速鐵路的經(jīng)驗(yàn)，填土的總壓密下沉中有相當(dāng)一部分是施工過程中就完成了的，并且1年內(nèi)下沉漸趨穩(wěn)定。由此完全可以通過施工組織的合理安排來解決，如目前客運(yùn)專線普遍采用的:路基施工完后預(yù)壓或放置6個月，再進(jìn)行后續(xù)施工。

路堤邊坡高度的控制與地基條件、路基填料、地基加固方法、施工組織等有密切的關(guān)系，在沒有充分的依據(jù)條件下，目前個人以為客運(yùn)專線無砟軌道路基高度應(yīng)不超過8 m為宜。同時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測、收集和研究客運(yùn)專線在不同填料不同壓實(shí)密度(或其他相關(guān)指標(biāo))等的情況下，路基填料自重壓密的沉降值或比值，以積累經(jīng)驗(yàn)。

5 深路塹高邊坡

《鐵路邊坡防護(hù)及排水工程設(shè)計(jì)補(bǔ)充規(guī)定》(鐵建設(shè)［2009］172號)中規(guī)定:“……路塹邊坡高度在土質(zhì)及風(fēng)化破碎軟質(zhì)巖地段不應(yīng)超過15 m，硬質(zhì)巖石地段不應(yīng)超過30 m，中～強(qiáng)膨脹巖土地段不應(yīng)超過10 m……”，在實(shí)際工作中特別是山區(qū)鐵路很難做到。比如合福鐵路(合肥—福州)在初步設(shè)計(jì)階段路基邊坡最高的達(dá)70 m(位于古田車站)，高度超過30 m的工點(diǎn)有將近200個;杭(州)黃(黃山)鐵路淳安車站路塹邊坡最高達(dá)50 m，超過30 m的工點(diǎn)亦有將近20處。在施工設(shè)計(jì)時經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，但仍難滿足上述補(bǔ)充規(guī)定的要求。這些高邊坡大多位于車站內(nèi)，因考慮車站的通視條件及多線隧道施工的難度和場地的限制，仍按路基進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡管在設(shè)計(jì)中采取了加強(qiáng)措施，爭取做到萬無一失，但仍給今后的運(yùn)營帶來一定的安全考問。如何解決類似這樣的路基高邊坡問題，筆者以為除加強(qiáng)山區(qū)鐵路的選線外，有沒有更好的安全可靠的結(jié)構(gòu)措施，有待我們今后的努力。

6 路基填料的選擇

高速鐵路路基填料的選擇是十分重要的，在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》中對路基各部位填料的要求都有較詳細(xì)的規(guī)定。

在技術(shù)上必須滿足規(guī)范要求外，考慮環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等因素應(yīng)盡量利用沿線隧道、路塹棄方，這就涉及到軟巖能否作填料的問題。武廣、杭長、合福、杭黃客運(yùn)專線等大多經(jīng)過丘陵低山區(qū)，沿線均分布有泥質(zhì)砂巖、泥巖、黏土巖、千枚巖、泥質(zhì)板巖、砂礫巖等軟巖，如果這些軟巖棄砟能利用作為路堤填料，不僅可以解決填料缺乏的問題，而且能避免大量棄砟占用農(nóng)田，污染環(huán)境，并達(dá)到節(jié)省投資的目的。從國內(nèi)外資料來看，都應(yīng)盡量利用隧道、路塹棄砟作路堤填料，包括易風(fēng)化軟巖塊和軟巖風(fēng)化巖塊，軟巖塊和軟巖風(fēng)化巖塊作填料有其自身的特點(diǎn)，其粒徑組成會隨著碾壓過程及裸露時間長短而變化，它不能像硬石質(zhì)填料一樣可以采取控制顆粒級配來達(dá)到最佳密度，也就是說壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)不能采用碎石類土、砂類土的標(biāo)準(zhǔn)，也不能像細(xì)粒土作擊實(shí)試驗(yàn)一樣將軟質(zhì)巖塊全部破碎成土樣，控制含水量而達(dá)到最佳狀態(tài)，所以也不能采用細(xì)粒土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)檐泿r大多極易風(fēng)化，還具有一定的崩解和膨脹性，壓實(shí)不夠，巖塊還會受到大氣、水等外力因素作用而產(chǎn)生風(fēng)化和脹縮，引起路基變形?？傊壳斑€沒有采用軟巖作為高速鐵路路堤填料的成熟技術(shù)和相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在武廣客運(yùn)專線的建設(shè)過程中，就發(fā)現(xiàn)挖方地段大多為軟巖，為此重點(diǎn)對白堊系泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、元古界泥質(zhì)板巖進(jìn)行了一些相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場填筑試驗(yàn)，結(jié)果表明，對于碾壓破碎難度較大的弱、未風(fēng)化軟巖通過采用摻和中粗砂、礫石土等粗顆粒土進(jìn)行物理改良;對全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化易碾壓破碎的軟巖采用摻和水泥或石灰進(jìn)行化學(xué)改良，并采取適當(dāng)?shù)氖┕すに嚰胺浪O(shè)計(jì)措施，軟巖是完全可以作為路基本體填料的。但不同的軟巖其工程性質(zhì)差別較大，不但涉及到改良方案，還與施工組織、施工工藝等有關(guān)，今后應(yīng)加強(qiáng)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

7 路基的排水

水是路基的大敵，排水系統(tǒng)設(shè)置不合理、排水設(shè)施過水?dāng)嗝娌蛔慊蚺潘O(shè)施淤塞、排水不暢等，都會引起嚴(yán)重的路基病害，2010年贛龍線水害充分說明了這一點(diǎn)。在排水系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中，排水設(shè)施的合理布置和其過水?dāng)嗝娴脑O(shè)計(jì)是非常重要的兩個環(huán)節(jié)。路基排水設(shè)施應(yīng)與橋涵、隧道、房屋、農(nóng)田等排水建筑物相順接，以求水流通暢;排水設(shè)施的過水?dāng)嗝娉叽缧韪鶕?jù)流量的大小經(jīng)水力計(jì)算確定，以保證有足夠的過水能力，在2005年開始實(shí)施的路基設(shè)計(jì)規(guī)范已將路基排水設(shè)施設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期由原來的25年改為50年，另外為確保排水設(shè)施的質(zhì)量，目前在建的鐵路客運(yùn)專線在材質(zhì)上也作了詳細(xì)的規(guī)定:側(cè)溝、天溝、排水溝應(yīng)采用混凝土澆筑或預(yù)制拼裝，不得采用漿砌片石。鐵路客運(yùn)專線路基排水系統(tǒng)無論從設(shè)計(jì)水量的大小、設(shè)施的材質(zhì)等標(biāo)準(zhǔn)都較過去有所提高，應(yīng)該說對路基的穩(wěn)定、列車的安全運(yùn)營是有保證的。但也有個別地方因地形、交通設(shè)施等的限制，采用集中排水的方式抽排水，在暴雨時可能會導(dǎo)致路基臨時性泡水引起病害，這種情況在勘察設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。

8 結(jié)語

目前客運(yùn)專線路基設(shè)計(jì)主要以《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》作為設(shè)計(jì)參考，雖然京津運(yùn)營多年、武廣運(yùn)營也一年多，其他大多都在建設(shè)中，但每條客運(yùn)專線所處的外部環(huán)境、地形地貌、地質(zhì)條件都不一樣，遇到的問題也有所不同，比如普遍遇到的軟巖填料、橋隧間短路基的處理、合?？瓦\(yùn)專線等高邊坡的設(shè)計(jì)等問題，希望通過共同探討來尋求一個合理的設(shè)計(jì)解決方案。

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