張佳楠

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京，102600

0 引言

高鐵的順利運(yùn)行對(duì)地基質(zhì)量的要求相當(dāng)高，所以必須增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性和耐久性。而底土的質(zhì)量水平直接影響高鐵的正常運(yùn)行。一旦地基不穩(wěn)或損壞，將對(duì)高鐵的正常運(yùn)行造成很大影響。新建成的高速鐵路工程包括許多內(nèi)容，施工人員應(yīng)熟悉設(shè)計(jì)和建設(shè)的各個(gè)過程和環(huán)節(jié)，并調(diào)整好承載能力和散射截面，以使各種指標(biāo)參數(shù)在正常范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)和建設(shè)銜接工作相輔相成。同時(shí)施工人員也要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和施工細(xì)則規(guī)定施工活動(dòng)和設(shè)計(jì)內(nèi)容，以增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性，從而確保高速鐵路的順利運(yùn)行。

1 高速鐵路路基的現(xiàn)狀

在分析高鐵地基時(shí)，要注意全面性和完整性。高鐵地基對(duì)土質(zhì)要求高，建設(shè)難度大。有關(guān)人員應(yīng)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和分析地基的作用與意義，利用數(shù)據(jù)分析與資料指導(dǎo)，制定合理的使用行為。可以從高鐵道路的性質(zhì)以及發(fā)展現(xiàn)狀著手，運(yùn)用新型的建筑方式與施工方法對(duì)高鐵道路加以改造。要通過高速鐵路監(jiān)督管理，有效改變傳統(tǒng)地下建筑方式的缺陷，增強(qiáng)地基的安全性與承載力，為高鐵的成功運(yùn)行創(chuàng)造良好保障，進(jìn)而完善高鐵地基的建設(shè)[1]。

1.1 高速鐵路路基的特點(diǎn)

由于高鐵的速度很快，在短時(shí)間內(nèi)地下會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，路基容易變形，影響機(jī)動(dòng)車的正常運(yùn)行。高速鐵路路基是突破軌道、路基的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，集無碴鋼軌于一體的多層次結(jié)構(gòu)體系。高鐵床身也需要進(jìn)行變形控制，為高速系統(tǒng)提供良好的離線軌道基礎(chǔ)，使高鐵能夠順利運(yùn)行，避免超速運(yùn)行事故。路基建筑材料必須具有良好的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，所使用的建筑材料必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并能抵抗地表水的侵蝕，防止地表水進(jìn)入底土，造成下部結(jié)構(gòu)堵塞或失去作用，避免下部結(jié)構(gòu)沉降。高速鐵路的路基變形主要可以從剖面偏移、沉降率和軌道縱向剛度比等方面進(jìn)行控制。如圖1所示。

圖1 高速鐵路路基

1.2 路基發(fā)展情況

通過抑制地基的下沉和變形，使地基的形態(tài)始終保持穩(wěn)定，從而避免高速鐵路列車在行駛過程中脫落。而控制路基的最主要辦法就是直接從基礎(chǔ)復(fù)制品沉降中去做修復(fù)。利用有關(guān)儀器設(shè)備分析底土的充填狀況，通過調(diào)查分析底土的土壤與表層，可以建立水壩。高速鐵路地基的設(shè)計(jì)工作主要可從地基變形與沉降控制、動(dòng)態(tài)地基設(shè)計(jì)、各類地基處理等方面著手。需嚴(yán)格遵循有關(guān)技術(shù)填筑規(guī)范，認(rèn)真查找裝配工程設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，并著重分析與關(guān)注。低等級(jí)與橫向結(jié)構(gòu)之間的過渡是設(shè)計(jì)和施工中的薄弱環(huán)節(jié)。這里的基礎(chǔ)容易出現(xiàn)各種問題和錯(cuò)誤，因此應(yīng)制定適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。考慮到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要改進(jìn)和改變的問題，以及技術(shù)在子行業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用，工作人員要從大局出發(fā)，應(yīng)用新技術(shù)和新程序，確保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[2]。

2 高速鐵路路基設(shè)計(jì)方式

2.1 路基承載量的設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)承載量分析設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括靜載荷設(shè)計(jì)和動(dòng)載荷設(shè)計(jì)。靜載荷主要是指對(duì)于地面結(jié)構(gòu)所需要施加的靜壓力，其不可隨時(shí)間發(fā)生變化，各承重構(gòu)件當(dāng)前的力學(xué)狀態(tài)結(jié)構(gòu)或工作性能基本上保持不變，構(gòu)件幾乎沒有加速度。動(dòng)載荷包括的主要內(nèi)容很多，主要包括氣錘、空壓機(jī)曲軸氣缸、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。動(dòng)載荷設(shè)計(jì)和計(jì)算靜載荷設(shè)計(jì)有很大的差距。在某些復(fù)雜情況影響下，結(jié)構(gòu)材料的使用條件改變或受力性能結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變化時(shí)，或地下構(gòu)件受力發(fā)生加速度時(shí)，影響地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞或應(yīng)力變形發(fā)生的是動(dòng)載荷。常采用土柱變形法設(shè)計(jì)靜載荷，靜載荷值是根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)或試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)定的組件載荷的靜態(tài)基本力學(xué)狀態(tài)值，或載荷特性值維持固定不變，但該組件并沒有由此產(chǎn)生加速度。動(dòng)載荷大小與額定靜載荷能力之間通常有相對(duì)較大數(shù)量級(jí)的差異。在一個(gè)特定構(gòu)造狀況條件下，當(dāng)?shù)叵聵?gòu)造的某種基本力學(xué)條件改變或構(gòu)造特性的變化，或振動(dòng)對(duì)該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生加速度時(shí)，直接影響地下構(gòu)造位置以及變化的是動(dòng)載荷。在動(dòng)加載的前提條件下，靜態(tài)載荷值和動(dòng)加載不能簡(jiǎn)單地統(tǒng)一。對(duì)直接關(guān)乎高速鐵路運(yùn)行安全的動(dòng)負(fù)荷值可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和研究。地面、路橋的平衡也是有條件的。對(duì)動(dòng)負(fù)荷值進(jìn)行深入細(xì)致的調(diào)查研究，將有助于改善地基的安全性?？梢钥紤]通過對(duì)比研究鋼道、枕木等工程由底基向底基傳遞出的動(dòng)應(yīng)力及其頻率，尋找比較適宜運(yùn)行的動(dòng)負(fù)荷值，并使之始終在相對(duì)適宜的頻率區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定[3]。

2.2 路基橫斷面的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)地下斷面時(shí)，首先要了解地下斷面的構(gòu)造，并重點(diǎn)考慮地下路肩的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和地下高度。在設(shè)計(jì)地下段后，要留出所需空間，即地下空間，并配置通信設(shè)備和必要的道路標(biāo)識(shí)。設(shè)有上述標(biāo)識(shí)的設(shè)備，主要可以發(fā)揮報(bào)警、監(jiān)視和管理道路的功能。在肩部?jī)?chǔ)備中，適當(dāng)調(diào)節(jié)肩寬。而肩寬則需要按照地基的改善程度及穩(wěn)定狀況預(yù)留空間，以適應(yīng)維護(hù)要求。背景區(qū)域的設(shè)計(jì)還包括一個(gè)重要的內(nèi)容，就是背景寬度的設(shè)計(jì)。背景的寬度一般為單線或雙線，單線的寬度小于雙線的寬度。對(duì)于一些特殊的部分，可以相應(yīng)增加單雙線的寬度，以顯示實(shí)際情況。直線段底部一般單線為8.8m，雙線為13.8m。對(duì)于曲線段的底部，根據(jù)曲線半徑，在直線底部外0.5m處添加適當(dāng)?shù)膶挾戎?.3m。基材的寬度應(yīng)靈活適應(yīng)具體情況，盡量適應(yīng)實(shí)際情況。根據(jù)地下及特殊段的實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)地下段時(shí)，做好現(xiàn)場(chǎng)勘察，深入當(dāng)?shù)兀ㄟ^各種設(shè)備進(jìn)行調(diào)查，整合相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析[4]。

2.3 路基基床的設(shè)計(jì)

高速鐵路的基床起著十分關(guān)鍵的作用。因?yàn)榈鼗馁|(zhì)量直接影響道路功能的實(shí)現(xiàn)，底基必須具有合適的抗拉強(qiáng)度、剛性和良好的排水效果。這些功能缺一不可。在認(rèn)識(shí)到路基基床的特點(diǎn)和性能后，要突出路基基床的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮路基基床的優(yōu)點(diǎn)和功能，豐富或增強(qiáng)路基基床的功用。一般來說，基座的結(jié)構(gòu)可包括兩個(gè)部分：一部分是地基的表層，另一部分是地基的下部。從名稱上我們能夠知道，地下的下層與地下的上層之間是相互作用、彼此對(duì)應(yīng)的，而二者又發(fā)揮著不同的功能與價(jià)值。從基材的表面，可逐步細(xì)分為幾級(jí)。而各層又由不同的材質(zhì)所構(gòu)成，各種材質(zhì)又都扮演著不同的角色，并有不同的功能[5]。如圖2所示。

圖2 路基基床的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

3 高速鐵路路基施工技術(shù)

3.1 做好路堤的施工活動(dòng)

路堤建設(shè)的內(nèi)容和元素很多。從填土材料、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和邊坡設(shè)計(jì)中可以看出路堤建設(shè)的復(fù)雜性和重要性。充填材料時(shí)，必須盡可能按照子結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行相應(yīng)的工作。為了減少底土的沉降，可以選擇合適的材料，保證路堤設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。必須保證路堤和鐵路在自重下的穩(wěn)定性。高鐵下沉變形的原因有很多，其中之一就是路基表面沒有壓實(shí)。路堤的壓實(shí)可以在一定程度上提高路堤的密實(shí)度，提高整個(gè)地基的穩(wěn)定性。壓實(shí)過程同樣需要達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且比較嚴(yán)格。因此，一旦路堤高度低于基礎(chǔ)標(biāo)高，則需要填充基礎(chǔ)表面或提高其厚度，一般來說，在修建高鐵的時(shí)候，都要認(rèn)真研究周邊環(huán)境，并充分考慮一些自然災(zāi)害以及如何合理降低在自然災(zāi)害中的經(jīng)濟(jì)損失。而邊坡設(shè)計(jì)重點(diǎn)面對(duì)自然災(zāi)害，因?yàn)椴煌叨鹊倪吰聲?huì)形成不同的防護(hù)效應(yīng)[6]。

3.1.1 填料

高鐵路堤填充物需要同時(shí)符合下列條件，以減輕雙重沉降，并有較高的安全儲(chǔ)備，以保證路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性：在路堤自身負(fù)荷下的長(zhǎng)期穩(wěn)定；必須盡快完成路堤的卸壓；路堤的動(dòng)力學(xué)特性不會(huì)由于其他各種因素對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響而產(chǎn)生不良的改變。

3.1.2 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

為了保持高鐵路基的穩(wěn)定性，需要提高滾動(dòng)邊坡的壓實(shí)度。例如，當(dāng)路堤的高度小于路基的厚度時(shí)，只能通過加固、更換等措施來實(shí)現(xiàn)天然軟地基的穩(wěn)固性。同時(shí)，還需加強(qiáng)排水，以免基床因浸水而失去強(qiáng)度。

3.1.3 路堤邊坡的設(shè)計(jì)

路基填土結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)狀態(tài)和當(dāng)時(shí)所依處地的自然環(huán)境直接決定高速鐵路路堤邊坡坡度，如有地震、洪水襲擊等，一般邊坡均設(shè)計(jì)在1B1.5～1B2.0。

3.2 做好過渡段的施工活動(dòng)

過渡段（圖3）的施工技術(shù)非常重要。在過渡段的軟邊，通過增加路基的豎向剛度，降低路基結(jié)構(gòu)和軌道的豎向剛度，可以在過渡段的處理和施工中使用相關(guān)設(shè)備。在了解這些因素之后，我們應(yīng)該使用各種材料來降低鋼軌的垂直剛度，如軌下橡膠墊等。在過渡段施工活動(dòng)中，必須充分考慮影響過渡段的因素。

圖3 鐵路斷面過渡段

在過渡段進(jìn)行軟邊處理，提高地面的豎向強(qiáng)度，降低地面工程構(gòu)件的沉降。這些方式的主要功能是通過強(qiáng)化基本構(gòu)造來降低基座和橋臺(tái)之間的強(qiáng)度和沉降差，以降低基座和橋之間線的不規(guī)則性，一般處理方式為加筋土覆蓋法、碎石法、填充法和轉(zhuǎn)移導(dǎo)板法[7]。

在過渡區(qū)段的軟邊處，提高鐵軌的垂直強(qiáng)度。該技術(shù)主要利用提高鋼軌強(qiáng)度來減少小橋之間的鋼軌剛度變化率。具體的解決方式包括：通過調(diào)節(jié)軌道枕直徑和間隙大小來增加鋼軌剛性；通過提高履帶排的彎曲模量來提高履帶剛性；通過提高履帶床的厚度來增加履帶剛度。

在過渡段施工時(shí)，必須采用在鋼道、枕木和道砟底板下安裝橡膠墊片（板）以減小鐵軌的豎向強(qiáng)度。對(duì)于剛性構(gòu)件上的鐵軌，如鐵路橋梁和軌道，可通過改變軌道下墊片和軌線下墊片（無碴）的強(qiáng)度，使其剛性值改變?yōu)檐泜?cè)剛性值。因此，通過改變橡膠墊可以減小鐵軌的垂直強(qiáng)度及鐵軌與橋面間的軌道強(qiáng)度。

4 結(jié)語

綜上所述，高鐵的地下地基規(guī)劃非常重要。只有做好地下工程，才能保證鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行。路基設(shè)計(jì)和土木工程與鐵路運(yùn)行密切相關(guān)。相關(guān)單位工作人員要重視基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等工作，理論分析聯(lián)系施工實(shí)際，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論分析方法進(jìn)行地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)查，整合分析相關(guān)工程數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)測(cè)試設(shè)備手段和技術(shù)，做好高鐵沿線的基礎(chǔ)地下施工設(shè)計(jì)工作，確保路基質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定性。