高速铁路路基设计

一、概述二、路基结构及要求三、路基变形控制四、路基填料分类与填筑五、路堤、路堑、低路堤六、地基处理七、过渡段一、概述京沪高速铁路设计暂行规定（2004-12-30）新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定（2005-4-25）新建时速200-250公里客运专线铁路设计暂行规定（2005-8-10）客运专线无砟轨道铁路设计指南（2005-10-09）新建时速300-350公里客运专线铁路设计暂行规定（2007-3-15）高速铁路设计规范（试行）（2009-12-1）2008年4月26日召开《高速铁路设计规范》编制大纲审查会卢春房副部长在编制大纲审查会上指出：这次大会是我国高速铁路体制建设的重要步骤---建立中国高速铁路建设完善的体系，实现自主创新、自我发展，完善铁路技术标准等等建立和完善中国高速铁路标准体系的条件已经具备、时机成熟：1、开展了广泛深入的理论研究（上世纪90年代就做了大量的工作）高速度：300~350km/h；高密度：最密3分钟一趟列车；高可靠性：保证旅客的安全、舒适。2、逐步积累了实践经验3、创新成果不断涌现4、建造技术更加成熟从大纲审查会我们可以看到：1、铁道部领导的重视。2、对这本规范给予很高的希望：建立完善的中国高速铁路技术体系、并且要推出国门、走向世界。2008年4月26日召开《高速铁路设计规范》编制大纲审查会2008年11月19日召开《高速铁路设计规范》征求意见稿审查会2009年4月7日召开《高速铁路设计规范》送审稿审查会2009年12月1日正式颁布实施《高速铁路设计规范》（试行）TB10020--2009高速铁路是指速度为250～350km/h的高速旅客列车专用铁路。（近期兼顾货运的高速铁路还应执行相关的规范）路基主体工程应按土工结构物进行设计，设计使用年限为100年。路基排水设施结构设计使用年限为30年，路基边坡防护结构设计使用年限为60年。路基作为轨道的基础，必须具有变形小、强度高、刚度大且纵向变化均匀、长期稳定和耐久等特性，以确保列车高速、安全、舒适、平顺运行并最大程度减少维修工作量。路基工程应加强地质调绘和勘探、试验工作，查明基底、路堑边坡、支挡结构基础等的岩土结构及其物理力学性质，查明不良地质情况，查明填料性质和分布等，在取得可靠的地质资料基础上开展设计。路基设计应符合防灾减灾要求，提高路基抵抗连续强降雨、洪水及地震等自然灾害的能力。高速铁路路基关键技术：路基结构路基变形控制路基填料地基处理技术过渡段（路基排水、防护、支挡工程）（接口设计）1、各国路基标准横断面A、法国TGV二、路基结构及要求基床由覆盖层20~35cm，封堵层35~50cm，上层土方100cm组成，覆盖层及封堵层均有各自严格的级配要求。B、德国高速铁路(300km)13.70(14.0)3.65(4.05)4.703.65(4.05)1.60(1.90)1.60(1.90)路基面(保护层顶面)基床面保护层防冻层0.45德国高速铁路路基(有碴)断面示意图0.2～0.35≥0.7基床由保护层≥20cm，防冻层（40cm）组成，采用工厂配制的矿物材料混合物填筑。B、德国高速铁路(300km)Rheda型无碴轨道，双块式轨枕断面示意图B、德国高速铁路(300km)C、日本新干线基床表层：沥青混凝土厚5cm，级配碎石厚30cm或厚65cm；基床底层：厚230~265cm。D、京沪高速铁路路基基床由表层与底层组成。有砟轨道表层级配碎石或级配砂砾石厚0.7m，k30≥190Mpa，EVd≥55MN/m。基床底层厚2.3m，K30≥130～50Mpa，EVd≥40MN/m。高速规范无砟轨道支承层（或底座板）底部路基面可设计为水平或设置0.5%横向坡度，支承层（或底座板）边缘路基面向两侧设置不小于4%的横向排水坡。有砟轨道路基面形状应为三角形，由路基面中心向两侧设置不小于4%的横向排水坡。曲线加宽时，路基面仍应保持三角形。有砟轨道路堤、路堑的两侧路肩宽度，双线不应小于1.4m，单线不应小于1.5m。无砟轨道双线路堤标准横断面示意图基床以下路堤基床底层基床表层4%单位：m3.03.02.30.44.34.3线间距1:m1:m4%4%4%4%4%有砟轨道双线路堤标准横断面示意图基床底层4%基床表层1:1.75基床以下路堤单位：m1:m1.41.20.51.31.41.20.51.34.4线间距4.40.72.31:1.751:m3.13.14%4%4%4%4%2、基床厚度确定原则高速规范对基床要求：基床表层的强度应能承受列车荷载的长期作用，刚度应使列车运行时产生的弹性变形控制在一定范围内，厚度应使扩散到其底层面上的动应力不超出基床底层土的承载能力。其填料应具有较高的强度及良好的水稳定性、防冻性和压实性能，能够防止道砟压入基床及基床土进入道床，防止地表水侵入导致基床软化及产生翻浆冒泥、冻胀等基床病害。基床表层厚度：“高速铁路路基设计技术条件研究”中提出基床表层厚度由以下两个方面原则确定：强度控制：以作用在基床底层顶面的动应力不大于填土允许应力为控制条件。变形控制：在列车荷载作用下，以路基顶面变形量不大于3.5mm为控制条件；列车动应力由轨道、道床传至路基本体，沿深度逐渐衰减。在路基某一深度处，列车荷载引起的动应力只占路基自重荷载的一小部分，在此深度以下，动荷载对路基的影响很小。高速铁路路基基床厚度按列车荷载产生的动应力与路基自重应力之比为0.2的原则确定。计算结果表明：当动应力与自重应力之比为0.2时，深度约为3.0m，因此将基床厚度定为3.0m。当基床表层变形模量E1=210MPa，基床底层变形模量E2=34MPa时，基床表层厚度70cm，能够满足ω0＜3.5mm的变形控制条件。按填土允许应力控制条件时，根据“高速铁路路基设计技术条件研究”报告，得到基床下部填土允许动强度与基床表层厚度的关系，当压实度K=1.0时，基床表层厚度约需0.6m左右；若压实度K=0.95，则基床表层厚约需0.8m左右。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0.7m。高速规范基床结构：路基基床分为基床表层和基床底层，路基基床表层（无砟轨道含轨道支承层或底座板）厚度为0.7m，底层厚度为2.3m，总厚度为3.0m。3、路肩宽度的确定确定的原则：路基稳定的需要：特别是浸水后路堤边坡的稳定性。路肩部分设置接触网支柱、电缆槽、通信、信号设备等。满足养护维修的需要。确保人员安全避让距离的需要：尽管高速铁路是全封闭的，运行期间人员不能进入线路范围，但世界各国依然考虑人行的安全问题，德国在线路设计规范中把离线路中心3.5m以外作为安全区。根据国外高速铁路一些国家的路肩宽度设置来看，日本早期修建的东海道新干线时，路肩宽度一侧为0.5m，另一侧为1.0m，但是1978年修订路基规范时，则提高到两侧路堤均为1.2m，路堑为1.0m；法国修建巴黎—里昂TGV时，路肩宽为1.5～2.0m，大西洋TGV时就改为2.25m；德国两侧均为1.3m。因此，基于以上分析，将路基两侧路肩宽度定1.0~1.4m。京沪高速铁路相关的试验研究资料表明，目前我国“规范”所采用的基床结构及标准，其动力响应值可满足客运专线高速运行的要求。4、各国路基面结构尺寸国别项目法国德国日本中国速度v（km/s）230270300230-300200-300200250300-350断面宽度s（m）13.4013.6013.9013.7-14.011.4012.1~12.313.413.6~13.8线间距a（m）4.04.24.54.74.34.44.64.8~5.0距接触网距离b（m）3.13.653.13.13.1路肩宽度c（m）2.0-2.21.65-1.901.0-1.41.01.41.4基床表层（m）h1（cm）20-3520-355607070h2（cm）35-504530-60基床底层（cm）100120-135235-265190230230基床厚度（cm）170200-250300250300300三、路基变形控制高速规范要求：路基工后沉降值应控制在允许范围内，地基处理措施应根据地形和地质条件、路堤高度、填料及工期等进行计算分析确定。对路基与桥台及路基与横向结构物过渡段、地层变化较大处和不同地基处理措施连接处，应采取逐渐过渡的地基处理方法，减少不均匀沉降。路基施工应进行系统的沉降观测，铺轨前宜根据沉降观测资料进行分析评估，确定路基工后沉降满足要求后方可进行轨道铺设。工后沉降：目前高速铁路设计规范定义为“铺轨工程完成以后，路基设施产生的沉降量”，即：示意图中△S3。各国根据自身情况对沉降控制都提出了严格标准，我国高速铁路工后沉降控制标准：300、350km/h高速铁路路基工后沉降不大于5cm（路桥过渡3cm），年沉降速率应小于2cm/年。250km/h客运专线工后沉降不大于10cm（路桥过渡段5cm),年沉降速率应小于3cm/年。［200km/h客运专线工后沉降不大于15cm（路桥过渡段8cm),年沉降速率应小于4cm/年。］我国无砟轨道客运专线工后沉降路基工后沉降量一般不应超过扣件允许的沉降调高量15mm；沉降比较均匀、长度大于20m的路基，允许的最大工后沉降量为30mm；并且调整轨面高程后的竖曲线半径应满足：Rsh≥0.4vsJ2Rsh----轨面圆顺的竖曲线半径（m)；vsJ----设计最高速度(km/h)路桥或路隧交界处差异沉降不应大于5mm,过渡段沉降造成的路基和桥梁或隧道的折角不应大于1/1000。。变形控制是高速铁路路基设计施工的关键，路基的变形一般分为两类，即：路基基床动变形（弹性变形及塑性变形）和路基本体及地基的压密变形。路基面动变形：路基面动变形是由列车动荷载引起的基床变形。动变形与列车轴重、行车速度、轨道状态、以及基床结构、材料，压实度等关系密切。动变形包括弹性变形和塑性变形，它对乘车舒适度、轨道平顺性的日常养护维护等均有影响。路基面动变形弹性变形：路基面的弹性变形直接反映了路基的综合刚度，与路基结构类型、基床表层厚度、基床底层刚度有关。塑性变形：路基基床承受的是高速列车长期动荷载，大量试验证明土体在长期动荷载反复作用下，其塑性变形也随之增大，当动应力值大于某一定值（临界动应力）时，随着震动次数的增加，塑性变形将逐步发展直至破坏，这种情况是不允许出现的。变形控制：在列车荷载作用下，以路基顶面变形量不大于3.5mm为控制条件；根据计算，当基床表层变形模量E1=210MPa，基床底层变形模量E2=34MPa时，基床表层厚度70cm，能够满足ω0＜3.5mm的控制条件。秦沈实测值：0.47-0.94mm。路基本体的压缩变形：实测资料表明：当填料及压实度满足要求时，路基本体压密沉降仅占填土高度的0.1-0.5%，且完成的时间较快（一般在一年左右可完成），故工后沉降主要是由地基沉降引起的沉降量。沉降估算与测算设计阶段的沉降估算：根据地质条件、土层物理力学参数、填土高度、地基加固措施、工期等计算总沉降量及工后沉降量。由于地层的不均匀性、参数选取的精度、计算方法的局限性，以及施工过程的影响等因素，此时沉降计算只能是一种估算。下图为某路堤实测沉降过程曲线与理论沉降过程对比图，实测值与计算值明显有较大差别，其精度难以满足客运专线高标准要求施工阶段的沉降测算：根据实测沉降观测资料，利用数学方法对后期沉降速率、总沉降量、以及工后沉降值进行计算分析，根据沉降测算资料确定铺轨时间。这是确保客运专线路基，尤其是松软土路基沉降得到有效控制的重要手段。沉降估算与测算预测加载预压时间：如下示意图，在施工期任意时刻Tn时，可根据拟合曲线计算出满足工后沉降（ΔS2)的时间t2，预测还需预压的时间(T2-Tn)，指导下步施工计划的安排预测施工期沉降：合理预留沉降量△SnntS∞2△St32tt1ts0P沉降测算方法路基沉降预测应采用曲线回归法测算方法：利用实测沉降数据推算工后沉降方法很