高速铁路路基及轨道工程第一章

1、高速铁路路基与轨道工程高速铁路路基与轨道工程1.1高速铁路路基工程的特点 严格控制路基工后沉降 路基结构形式的变化路基刚度的匹配1.严格控制路基工后沉降 工后沉降是高速铁路路基设计的主要控制因素，路基发生强度破坏之前，已经出现了不能容许的变形； 我国对无砟轨道的路基工后沉降要求一般不应超过扣件可调高量15mm，路桥路隧差异沉降不超过5mm。基础工后沉降控制基础工后沉降控制无砟轨道有砟轨道可采用填充道砟调整路基允许出现工后沉降（1530 cm）只能通过扣件调整路基不允许出现超过扣件调整范围的沉降（15mm）基础沉降基础沉降高速铁路路基工程特点高速铁路路基工程特点（1）、地基的变形对于浅层软弱地基

2、采用了换填碾压处理、或换填砂垫层处理；对于深层软基的主要地段采用袋装砂井、塑料排水板的排水固结加预压的处理方法；对于工后沉降要求高及路桥过渡段，根据地质条件和经济对比，采用了砂桩、碎石桩、粉喷桩、搅拌桩、旋喷桩等地基处理方法；对于有地震液化的粉土或粉细砂层的地基段，采用了挤密砂桩的处理方法；新建的一些客运专线采用强夯、CFG桩、灰土挤密桩、桩网、桩板等地基处理方法。 路基工后沉降受路基高度、路基填料及填筑质量的影响。 路基压密沉降稳定的时间路基压密沉降完成的时间表，铺设轨道上部建筑后可能发生的工后沉降是否在要求之内； 路基建筑材料的耐久性如路堤填料的水稳性、建筑材料抗环境腐蚀等，能否抵抗可预见

3、的各种自然因素作用而不致产生影响列车行车舒适性的较大的变形（沉降）和变形（沉降）差。（2）、路基本身的变形路基填筑质量标准基床表层采用级配碎石强化结构，K30 、Ev2、Evd、n 指标满足设计要求。基床底层采用A、B组或改良土填筑， K30、Ev2、K 、n满足设计要求基床以下路基采用A、B、C组或改良土填筑， K30、Ev2、K 、n满足设计要求606060路基变形（沉降）包括：列车动荷载作用下路基面弹性变形、列车动荷载作用下路基基床产生的累积变形。 基床累积变形.路堤压密沉降地基压密沉降（3）列车动荷载下的变形路基面弹性变形，是在列车动荷载作用下可恢复的变形，与路基面支承刚度密切有关，采

4、用强化基床，路基面弹性变形很小。路基基床累积变形，是基床岩土在列车动荷载反复作用下出现的不可恢复的塑性变形，与基床岩土材质、动强度、动摸量密切有关。采用强化基床，基床累积变形很小。2.2.路基结构设计路基结构设计采用强化的层状结构采用强化的层状结构设置过渡段设置过渡段 客运专线路基结构设计采用了多层结构系统和设置客运专线路基结构设计采用了多层结构系统和设置过渡段，其标准也较普通铁路有了显著的提高。设计、过渡段，其标准也较普通铁路有了显著的提高。设计、施工及验收暂规对路基变形、基床结构、填料、地基条施工及验收暂规对路基变形、基床结构、填料、地基条件及处理等均有明确规定和严格的要求。件及处理等均有

5、明确规定和严格的要求。 为了提供一个强度高、刚度大且纵向变化均匀、并具为了提供一个强度高、刚度大且纵向变化均匀、并具有长期动力稳定和耐久性以及防渗、抗冻等性能良好的轨道有长期动力稳定和耐久性以及防渗、抗冻等性能良好的轨道基础，各国对路基结构采取了强化措施：基础，各国对路基结构采取了强化措施： 路基结构设计路基结构设计中国中国路 堤路 堑 基床表层的材质和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容许承载力。路基基床由表层与底层组成：基床表层（级配碎石）厚0.7（0.4）m；基床底层（A、B组填料或改良土）

6、厚2.3m。 每 1 5 m 一 条排 水 槽I - I 剖 面 图1 : 1 0 0声 屏 障基 床 底 层基 床 表 层混 凝 土 支 承 层轨 道 板声 屏 障4 %排 水 槽每 1 5 m 一 条防 护 栅 栏铁 路 工 程 用 地 界铁 路 工 程 用 地 界防 护 栅 栏电 缆 槽级 配 碎 石 或 级 配 砂 砾 石A 、 B 组 填 料A 、 B 、 C 组 填 料 或 改 良 土沥 青 混 凝 土厚 0 . 0 8 m沥 青 混 凝 土厚 0 . 0 8 mC 1 5 混 凝 土 预 制 槽C 2 0 混 凝 土 护 肩C 2 0 混 凝 土 护 肩电 缆 槽沥 青 混 凝

7、土厚 0 . 0 4 m沥 青 混 凝 土厚 0 . 0 4其 中 强 风 化 硬 质 岩 路 堑 地 段 基 床 表 层 以 下 换 填 0 . 5 m ； 软 质 岩 及 土 质 路 堑 换 填 0 . 7 m 。注 ： 路 堑 标 准 横 断 面 图 适 用 于 软 质 岩 石 类 、 强 风 化 硬 质 岩 类 及 一 般 土 质 路 堑 。2 、 双 线 无 碴 轨 道 路 堑 标 准 横 断 面 图厚 0 . 0 4 m沥 青 混 凝 土沥 青 混 凝 土厚 0 . 0 8 m0 . 5电 缆 槽A 、 B 组 填 料级 配 碎 石 或 级 配 砂 砾 石C 2 0 混 凝 土 护

8、 肩厚 0 . 0 4 m沥 青 混 凝 土0 . 5C 1 5 混 凝 土 侧 沟厚 0 . 2 mM 7 . 5 浆 砌 片 石厚 0 . 3 m电 缆 槽C 2 0 混 凝 土 护 肩沥 青 混 凝 土厚 0 . 0 8 m混 凝 土 支 承 层轨 道 板挖 除 换 填 层基 床 表 层1 、 双 线 无 碴 轨 道 路 堤 标 准 横 断 面 图线路纵向刚度均匀化控制线路纵向刚度均匀化控制刚度线路纵向刚度变化线路纵向刚度变化刚度突变，动力不平顺3.3.路基刚度路基刚度 路基面支承刚度即是列车及轨道荷载与在列车及轨道荷载作用下的路基面竖向位移的比值。 采用强化路基基床，其路基面支承刚度较

9、高，列车及轨道荷载作用下的竖向位移很小。实测无砟轨道路基面动位移一般在0.1mm以内。 为防止或限制基床结构累积变形，应对路基 面动变形限制，即对路基面支承刚度进行控制，建议路基面支承刚度限值为200MPa/mm。路桥及横向构筑物间设置过渡段路桥及横向构筑物间的过渡段，是以往设计及施工中的薄弱环节，也是既有线发生路基病害的重要部位。由于桥台与路堤的刚度相差显著，高速列车通过时对轨道结构及列车自身会产生冲击，从而降低列车运行的平稳性和舒适度，加快结构物和车辆的损坏。为保证列车高速运行时的平稳舒适，对路桥过渡段采用了刚度过渡的设计方法。在桥台后一定范围内，采用刚度较大的级配碎石作为过渡填筑段，与路

10、堤相接处采用1：2的斜坡过渡。路基动态设计 为了有效地控制工后沉降量及沉降速率，需要开展路基动态设计。根据沉降观测资料及沉降发展趋势、工期要求等，采取相应的措施，如调整预压土高度，确定预压土卸荷时间，以及铺轨前对路基进行评估及合理确定铺轨时间，以确保铺轨后路基工后沉降量与沉降速率控制在允许范围内。路基动态设计的成果可以为后续的轨道工程打下了良好的基础。 1.2、高速铁路轨道工程的特点 高速铁路轨道结构和普通铁路轨道结构一样,由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质绝然不同的材料承受来自列车车轮的作用力,它们的工作是紧密相关的。任何一个轨道零部件的性能、强度和结构的变化都会影响所有

11、其他零部件的工作条件,并对列车运行质量产生直接的影响,因此轨道结构是一个系统,要用系统论的观点和方法进行研究。 高速铁路轨道结构主要类型：有砟轨道和无砟轨道。高速铁路轨道结构主要类型：有砟轨道和无砟轨道。 砟（zh）：岩石、煤等的碎片。在铁路上指作路基用的小块石头。 传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成,钢轨固定放在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用,防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。此外,路砟小碎石还有几个作用：减少噪音、吸热、减震、增加透水性等。这就是有砟轨道。 有砟轨道是铁路的传统结构。它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸

12、噪特性好等优点。但随着行车速度的提高,有砟轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的激振严重,轨道破损和变形加剧,从而使维修工作量显著增加,维修周期明显缩短。 根据德国高速铁路的资料,当行车速度为250300 km/h时,其线路维修费用约为行车速度为160200 km/h时的2倍;速度为250300km/h时,通过总重达3亿吨后道砟就需全部更换。 基于这一情况,许多专家认为,从经济角度和维修管理角度看,高速铁路应采用无砟轨道。特别是在桥隧结构上,由于无砟轨道减少了二期恒载和建筑高度,采用无砟轨道更为有利。除此以外,无砟轨道还具有使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石砟飞溅

13、等优点,因此无碴轨道在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用,其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区,无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。无砟轨道的优点无砟轨道的优点线路稳定、平顺，有利于铺设无缝线路和高速行车维修工作量少坚固耐久、整洁美观，使用寿命长在隧道、地铁中减少开挖面积无砟轨道的缺点无砟轨道的缺点x一旦破坏整修困难扣件弹性要好无砟轨道的定义无砟轨道的定义 无砟轨道：无砟轨道：用整体混凝土结构代替传统有砟轨道中的轨枕和散粒体碎石道床的轨道结构。（TZ216-2007） 无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。 无砟轨道的结构

14、：无砟轨道的结构：无砟轨道由长钢轨、扣件系统、轨道板、CA砂浆、混凝土底座及凸形挡台组成。 CACA砂浆：砂浆：即水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳化沥青、砂及各种掺和料混合而成。作用为使板式轨道具有一定的弹性，并固定轨道结构的位置，同时消除混凝土构件施工误差。常用CA砂浆配方：干粉料主要为水泥、砂、矿物掺合料等。干粉料主要为水泥、砂、矿物掺合料等。 典型无砟轨道结构示意图典型无砟轨道结构示意图承轨道台承轨道台底座砼底座砼/ /支承层砼支承层砼 无砟轨道的分类：无砟轨道的分类：国际上目前比较常见的无砟轨道有：日本的板式轨道德国的雷达2000型无砟轨道旭普林型无砟轨道 博格板式轨道日本新干线板式轨道

15、日本新干线板式轨道雷达雷达20002000型无砟轨道型无砟轨道旭普林型无砟轨道旭普林型无砟轨道 博格板式轨道博格板式轨道 国内高速铁路常用的有： CRTS、型板式无砟轨道 CRTS、型双块式无砟轨道 道岔区轨枕埋入式无砟轨道 CRTS CRTS 型板式无砟轨道：型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场浇注的钢筋混凝土底座上，由凸形挡台限位，适应ZPW2000 轨道电路的单元轨道板无砟轨道结构型式。 CRTS CRTS 型板式无砟轨道：型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇筑的具 有滑动层的钢筋混凝土底座（桥梁）上，适应ZPW2

16、000 轨道电路的连续轨道板无砟轨道结构型式。 CRTS CRTS 型板式无砟轨道：型板式无砟轨道：预制轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层或现场浇注的钢 筋混凝土底座（桥梁）上，并对每块板限位，适应ZPW2000 轨道电路的连续轨道板无砟轨道结构型式。 CRTSCRTS型双块式无碴轨道：型双块式无碴轨道：将预制的双块式轨枕组装成轨排，以现场浇注混凝土方式将轨枕浇入均匀连续的钢筋混凝土道床内，并适应ZPW2000 轨道电路的无碴轨道结构型式。 CRTSCRTS型双块式无碴轨道：型双块式无碴轨道：将预制的双块式轨枕通过机械振动法嵌入现场浇注的均匀连续的钢筋混凝土道床内形成整

17、体，并适应ZPW2000 轨道电路的无碴轨道结构型式。 道岔区轨枕埋入式无砟轨道：道岔区轨枕埋入式无砟轨道：将预制混凝土岔（轨）枕组装成标准道岔轨排，现浇入混凝土形成均匀连续钢筋混凝土道床，并适应ZPW-2000轨道电路的无砟轨道结构。无砟轨道系统设计的关键技术无砟轨道系统设计的关键技术1. 无砟轨道的结构选型无砟轨道的结构选型 无砟轨道结构选型应符合施工性、维护性、动力性、适应性和经济性的 5 个基本原则。l 施工性的核心是施工速度l 维护性的核心是少维护l 动力性的核心是轨道弹性l 适应性的核心是工程实际l 经济性的核心是生命周期无砟轨道的设计原则：无砟轨道的设计原则： 从工程建设的实际出

18、发 , 坚持结构设计的自主创新, 工程材料国产化 以列车荷载、温度荷载、基础变形为设计主线 充分考虑裂纹控制、耐久性和经济性要求 把握轨道刚度和动力特性对环境的协调 兼顾站前、站后接口界面和施工维护对无砟轨道设计的要求。无砟轨道的减振降噪：无砟轨道的减振降噪： 无砟轨道降噪：无砟轨道降噪：无砟轨道噪声主要表征为轮轨滚动噪声和轨道板结构辐射噪声两方面。为使轨道低噪化 , 使用定期打磨钢轨和钢轨无缝化的基本方法，或者在无砟轨道表面上设置吸音板 。 无砟轨道减振：无砟轨道减振：轨道减振的基本方法是降低轨道的支承刚度 , 同时尽可能提高轨道的参振质量 , 以减小线路下部结构物的振动。无砟轨道的耐久性：

19、无砟轨道的耐久性： 影响无砟轨道耐久性的因素主要有: 结构型式、混凝土和各种特殊材料的品质、施工质量控制等方面。客运专线无砟轨道结构的使用寿命要求按60 年设计 , 并作为轨道结构耐久性设计的依据。板式无砟轨道在使用过程中，会出现板下砂浆垫层的裂缝、剥离及碎裂；而双块式无砟轨道的伤损主要表现在道床板混凝土的裂纹及其扩展等伤损。因此，应开发相应的修补材料和设备，制订无砟轨道结构的维修标准和管理办法。高速铁路路基技术标准的修改和完善路基工后沉降控制标准；无砟轨道路基基床厚度200350km/h没有区分确定；地基刚度的标准，直接关系到地基处理的成本。新技术的应用桩网结构形式的选取、设计计算理论及不同

20、地质条件下的施工工艺尚未成熟；桩板结构是无砟轨道新的结构形式，其工作原理、动力特性和设计理论等需要开展研究。.桩-网结构路基桩-网结构路基由桩-网结构基础与上部路堤组成，其中桩-网结构基础是一种刚性桩基础，由钢筋混凝土刚性桩（群）和桩顶以上的加筋垫层共同组成。 路 堤桩 网 结 构 路 基 遂渝无砟轨道试验段桩-网结构路基横断面设计图 关于桩-网结构路基设计钢筋混凝土桩-网结构 RC pile-mesh structure：由钻孔灌注或预制打入的钢筋混凝土桩（群）与桩帽及加筋垫层组成的结构。钢筋混凝土桩-阀结构 RC pile-raft structure：由钻孔灌注或预制打入的钢筋混凝土桩（

21、群） 、垫层及钢筋混凝土阀板组成的结构。CFGCFG桩桩CFG桩是CFG桩水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement fIying-ash gravel pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。对于津京、郑西、武广客运专线，由于是350km/h无砟轨道标准，为了有效地控制地基沉降，在软土和松软土地基段大量采用CFG桩进行地基处理。其处理深度30m以内较经济。CFG桩可用振动沉管机施工，也可用螺旋钻机。而选用哪一类成桩机和什么型号，要视工程的具体情况而定。对于成孔要求质量高的地区，使用长螺旋钻孔管内泵压成桩工艺。郑西客运专线试验段地

22、基处理路基填筑堆载预压与沉降观测铁路路基科研试验段简介郑西客运专线湿陷性黄土试验段位于陕西省华阴市坪塬村，试验段总长140m，地基处理采用了强夯、水泥土挤密桩和柱锤冲扩桩三种方法。路基本体和基床底层采用8石灰和5水泥改良土填筑，基床表层采用级配碎石填筑，3m堆载预压进行路基沉降观测。试验段进行了地基处理前检测、地基处理和路基填筑施工工艺、路基填筑工艺、地基处理和路基填筑试验检测、路基沉降观测及路基浸水等科研项目。路基填筑检测静态变形模量EV2动态变形模量EVD地基系数K30压实度（粒土压实系数K、粗粒土碎石类土孔隙率n）静态变形模量静态变形模量 Ev2通过直径300mm圆形承载板和加载装置对地

23、面进行第一次加载和卸载后，再进行第二次加载，用测得的承载板下应力和与之相对应的承载板中心沉降量S，来计算变形模量EV2及EV2EV1值的试验方法。静态变形模量静态变形模量 Ev2试验步骤试验步骤安放好测试仪器预加0.01MPa荷载约30S，待稳定后卸除荷载，将表调零。第一次加载至少分6级，以约0.08MPa的增量逐级加载，达到0.5MPa或者沉降5mm后，进行卸载。按最大加载的50、25、0分三级卸载。依照第一次加载进行第二次加载，直到加到第一次最大荷载的倒数第二级。每级加载或卸载在1min内完成，每级荷载维持2min。动态变形模量动态变形模量 Evd 动态变形模量动态变形模量Evd （dynamic modulus of deformation）是指）是指土体在一定大小的竖向冲击力土体在一定大小的竖向冲击力Fs和冲击时间和冲击时间ts作用下抵抗变作用下抵抗变形能力的参数。形能力的参数。 Evd =1.5r /s 其中：其中：Evd动态变形模量（动态变形模