更高速度無砟軌道鐵路線下基礎(chǔ)剛度匹配研究

魏永幸 劉秀波 吳細(xì)水

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司； 北京 100081；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司， 北京 100844)

無砟軌道因具有穩(wěn)定性好，軌道幾何尺寸保持久，維修工作量少等優(yōu)點(diǎn)，已成為300 km/h及以上速度高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主流和首選。與傳統(tǒng)的有砟軌道不同，無砟軌道沒有道砟結(jié)構(gòu)層，其底座板或支撐層直接與路橋隧等線下基礎(chǔ)相連接，線下基礎(chǔ)剛度成為影響軌道剛度的重要因素。因此，對(duì)于無砟軌道鐵路，其線下基礎(chǔ)的剛度匹配問題不僅顯得更加重要，而受到廣泛關(guān)注和重視。魏永幸[1]指出：如何使路基與其他構(gòu)筑物的剛度匹配，與如何控制路基沉降變形、如何保持路基長(zhǎng)期穩(wěn)定，是無砟軌道鐵路路基的三大技術(shù)關(guān)鍵。我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，不同線下基礎(chǔ)連接處的過渡段是高速鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)，個(gè)別運(yùn)營(yíng)高鐵線路在路基與橋梁等構(gòu)筑物過渡段還曾出現(xiàn)過沉降和軌道不平順問題[2-3]。有鑒于此，本文結(jié)合我國(guó)無砟軌道鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，基于軌道剛度與線下基礎(chǔ)剛度的關(guān)系，探討線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配、過渡段縱向剛度匹配及實(shí)現(xiàn)途徑，以期有益于我國(guó)高速鐵路技術(shù)提升，服務(wù)于更高速度高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

1 軌道剛度與線下基礎(chǔ)剛度

列車高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行要求線路保持高可靠性、高穩(wěn)定性、高平順性，因此軌道幾何形位要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，軌道剛度要保持連續(xù)、均勻，行車速度越高，對(duì)軌道的平順性和軌道剛度的均勻、連續(xù)性要求越高。

軌道剛度是列車運(yùn)行輪軌作用下，軌道彈性變形的表征參數(shù)，通常也稱為線路剛度或軌道線剛度，是線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。

軌道支承于線下基礎(chǔ)之上，線下基礎(chǔ)必須持久穩(wěn)定、堅(jiān)固。相關(guān)研究結(jié)果表明，線下基礎(chǔ)的剛度對(duì)于軌道剛度的持久保持十分重要[4-5]。線下基礎(chǔ)剛度是線下基礎(chǔ)在列車及軌道結(jié)構(gòu)荷載作用下產(chǎn)生的彈性變形大小的表征參數(shù)。對(duì)于橋梁而言，線下基礎(chǔ)剛度通常采用列車及軌道結(jié)構(gòu)荷載作用下橋梁產(chǎn)生的撓曲變形來表示；對(duì)于路基而言，線下基礎(chǔ)剛度可用列車及軌道結(jié)構(gòu)荷載作用下路基面產(chǎn)生的彈性變形來表示，魏永幸、邱延峻將其稱之為路基面支承剛度[6]。

軌道剛度與線下基礎(chǔ)剛度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 軌道剛度與線下基礎(chǔ)剛度關(guān)系圖

軌道剛度過大，輪軌作用力會(huì)增大；軌道剛度過小，軌道豎向變形將增大，會(huì)增大輪軌運(yùn)行阻力。為從保證列車高速平穩(wěn)運(yùn)行、減少輪軌作用力出發(fā)，線路縱向的軌道剛度應(yīng)連續(xù)、均勻，橫向不應(yīng)有突變，左右兩股鋼軌的軌道剛度應(yīng)盡量一致。

軌道剛度與軌道結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與線軌道下基礎(chǔ)剛度有關(guān)。軌道剛度 “向下約束”基礎(chǔ)剛度?；A(chǔ)剛度則“向上映射”，影響軌道剛度。

2 線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配

線下基礎(chǔ)主要包括路基、橋梁、隧道。

橋梁墩臺(tái)的豎向剛度通常較大，但對(duì)于大跨橋梁，列車荷載作用下梁的撓曲以及由撓曲引起的梁端轉(zhuǎn)角需加以限制，以滿足列車高速運(yùn)行的需要。

隧道剛度通常也較大，但對(duì)于土質(zhì)隧道的進(jìn)出口段以及特殊地質(zhì)地段，需要對(duì)列車荷載反復(fù)作用引起的地基土累積沉降及剛度變化等問題給予重視，采取可靠的措施進(jìn)行處治。

按照現(xiàn)行規(guī)范推薦的基床結(jié)構(gòu)及填筑材料、控制參數(shù)建造的路基，路基面支承剛度一般在200 MPa/m左右，路橋過渡段采用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石填筑，其路基面支承剛度一般為500～1 000 MPa/m。

線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配的核心是做好路基與橋、隧等構(gòu)筑物的剛度控制，并做好相鄰兩種結(jié)構(gòu)間的剛度銜接。

3 過渡段縱向剛度匹配

3.1 實(shí)現(xiàn)過渡段縱向剛度匹配的技術(shù)路徑

路基與橋、隧構(gòu)筑物縱向剛度匹配通常可采取兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：

(1)設(shè)置高剛度材料(如水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石)的楔形體路基過渡段。摻入5%～8%的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石后，填筑體的剛度可提高2～3倍，這是我國(guó)目前通常采用的方法。

(2)設(shè)置剛度過渡的結(jié)構(gòu)。在橋臺(tái)與路基之間設(shè)置過渡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橋梁與路基的剛度過渡。

3.2 減小路基與橋、隧構(gòu)筑物沉降和剛度差異的結(jié)構(gòu)措施

實(shí)際工程中，路基與橋、隧構(gòu)筑物之間還存在不同程度的沉降差異，沉降差與剛度差兩個(gè)問題耦合疊加，使得過渡段問題變得十分復(fù)雜。

不同線下基礎(chǔ)之間出現(xiàn)沉降差，通常會(huì)引起軌道幾何形位的變化，從而引起軌道靜不平順。軌道靜不平順引起晃車，輕者影響乘車舒適性，重者甚至?xí)绊懶熊嚢踩?，不得不限速運(yùn)行。

不同線下基礎(chǔ)之間出現(xiàn)剛度差，在輪軌力作用下會(huì)產(chǎn)生不均勻變形，被稱為軌道動(dòng)不平順，軌道動(dòng)不平順也會(huì)引起輪軌作用力的變化，影響輪軌系統(tǒng)使用壽命，長(zhǎng)期以往還可能引起軌道結(jié)構(gòu)及線下基礎(chǔ)的劣化。軌道平順性較好的路橋過渡段實(shí)測(cè)軌面動(dòng)變形如圖2所示。典型的軌道平順性較差的路橋過渡段實(shí)測(cè)軌面動(dòng)變形如圖3所示，在路橋連接處有明顯的突變點(diǎn)。

圖2 軌道平順性較好的路橋過渡段實(shí)測(cè)軌面動(dòng)變形圖

圖3 軌道平順性較差的路橋過渡段實(shí)測(cè)軌面動(dòng)變形圖

路基工程是由巖土材料通過施工機(jī)械，在露天環(huán)境填筑而成的。目前，路基沉降、路基剛度還不能精確計(jì)算、精準(zhǔn)控制。因此，為有效克服路基與橋、隧構(gòu)筑物之間可能存在的沉降差與剛度差，筆者認(rèn)為，有必要設(shè)置減小路基與橋、隧構(gòu)筑物沉降和剛度差異的結(jié)構(gòu)措施，如在路橋過渡段設(shè)置鋼筋混凝土搭板[7](如圖4所示)；當(dāng)兩橋(隧)之間距離較短時(shí)，為避免頻繁設(shè)置過渡段，可在兩橋(隧)之間設(shè)置鋼筋混凝土樁-板結(jié)構(gòu)(也稱為樁-板結(jié)構(gòu)路基)[8-9](如圖5所示)等。值得一提的是，在缺乏合格填料的區(qū)段，可利用路塹或隧道開挖棄方(非良質(zhì)填料)填筑樁-板結(jié)構(gòu)路基的路堤，其工程造價(jià)可較橋梁工程減少30%，同時(shí)還可減少棄碴量，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益均十分顯著。

圖4 路橋過渡段設(shè)置鋼筋混凝土搭板示意圖

圖5 兩橋(隧)之間設(shè)置鋼筋混凝土樁板結(jié)構(gòu)示意圖

4 做好過渡段剛度匹配的幾點(diǎn)建議

實(shí)際工程中，如何進(jìn)一步做好路基與橋、隧構(gòu)筑物之間剛度匹配，筆者認(rèn)為須從以下三個(gè)方面著手開展工作。

(1)做好軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)協(xié)同設(shè)計(jì)

一方面，應(yīng)根據(jù)不同的基礎(chǔ)條件，設(shè)計(jì)合理的軌道結(jié)構(gòu)，包括軌道板、鋼軌、扣件系統(tǒng)等。另一方面，作為軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)“向上映射”影響軌道結(jié)構(gòu)性能，線下基礎(chǔ)是為軌道結(jié)構(gòu)服務(wù)的，應(yīng)滿足軌道結(jié)構(gòu)“向下約束”的條件。從這一點(diǎn)講，在確定軌道結(jié)構(gòu)條件后，線下基礎(chǔ)應(yīng)嚴(yán)格按照軌道結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并做好不同線下基礎(chǔ)的剛度銜接，確保線路縱向軌道結(jié)構(gòu)剛度的連續(xù)、均勻。但當(dāng)線下基礎(chǔ)施工完成后，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則應(yīng)再根據(jù)線下基礎(chǔ)的施工現(xiàn)狀和線下基礎(chǔ)的剛度檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。因此，從設(shè)計(jì)理念上，要樹立軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)一體化的思路，做好軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)的協(xié)同設(shè)計(jì)。

(2)做好線下基礎(chǔ)縱斷面設(shè)計(jì)

不同的線下基礎(chǔ)之間應(yīng)進(jìn)行工程性能匹配設(shè)計(jì)。具體地說，就是應(yīng)進(jìn)行線下基礎(chǔ)縱斷面設(shè)計(jì)[10]。線下基礎(chǔ)縱斷面設(shè)計(jì)的根本目的是做好不同線下基礎(chǔ)之間的設(shè)計(jì)協(xié)同。線下基礎(chǔ)縱斷面設(shè)計(jì)主要包括：①不同線下基礎(chǔ)連接處剛度差異的檢查與處理。檢查剛度是否匹配，剛度過渡措施是否滿足要求等。②不同線下基礎(chǔ)連接處沉降差異的檢查與處理。檢查差異沉降是否滿足要求，不同線下基礎(chǔ)的沉降控制措施(包括設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算模型、工程布置、施工組織等)是否合理，是否有效銜接或存在干擾等。③不同線下基礎(chǔ)連接處工程接口的檢查與處理。檢查平面與高程是否一致，排水措施是否有效銜接，“四電”管線布設(shè)是否一致等。

(3)優(yōu)先采用減小路基與橋、隧構(gòu)筑物沉降與剛度差異的結(jié)構(gòu)措施

由于路基材料、構(gòu)筑方法的特殊性，實(shí)際工程中，路基與橋、隧等構(gòu)筑物之間無法完全避免沉降變形差異和剛度差異的出現(xiàn)，因此，建議優(yōu)先設(shè)置減小沉降差異、保證剛度匹配的結(jié)構(gòu)措施。針對(duì)更高速度的無砟軌道鐵路，建議：①在路橋、路隧過渡段設(shè)置減小沉降差異、剛度差異的鋼筋混凝土搭板。②當(dāng)兩橋(隧)之間距離較短時(shí)，為避免頻繁過渡，在兩橋(隧)之間設(shè)置等鋼筋混凝土樁-板結(jié)構(gòu)路基。③在缺乏合格填料的區(qū)段，優(yōu)先采用樁-板結(jié)構(gòu)路基(非良質(zhì)填料填筑路堤)保證路基面“零”沉降、等剛度，確保路基與橋、隧構(gòu)筑物的剛度匹配。

5 結(jié)論與展望

本文從軌道剛度與線下基礎(chǔ)剛度的關(guān)系入手，討論了線下基礎(chǔ)縱向剛度的匹配的問題以及實(shí)現(xiàn)路基過渡段縱向剛度匹配的技術(shù)關(guān)鍵、技術(shù)路徑。得出以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)于更高速度的無砟軌道鐵路，應(yīng)更加重視不同線下基礎(chǔ)的剛度匹配，以保障軌道結(jié)構(gòu)剛度均勻化。

(2)做好線下基礎(chǔ)的縱向剛度匹配，要樹立協(xié)同設(shè)計(jì)理念，做好軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)的協(xié)同設(shè)計(jì)，做好不同線下基礎(chǔ)的協(xié)同設(shè)計(jì)。

(3)路基與橋、隧構(gòu)筑物之間設(shè)置減小沉降差異、保證剛度匹配的結(jié)構(gòu)措施，可有效實(shí)現(xiàn)線路剛度均勻化。

建議今后應(yīng)進(jìn)一步開展以下研究：

(1)開展軌道結(jié)構(gòu)與線下基礎(chǔ)的協(xié)同設(shè)計(jì)研究，明確接口的界面參數(shù)。

(2)研發(fā)路基面支承剛度快速檢測(cè)裝備，鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)前對(duì)路基面支承剛度進(jìn)行檢測(cè)，據(jù)此優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以更好地實(shí)現(xiàn)線路剛度的連續(xù)、均勻。