高速铁路路基过渡段

高速铁路路基与桥梁过渡段土木与安全工程学院杨红亮目录一，设置过渡段的原因二，路桥过渡段变形不一致的原因三，路桥过渡段的受力与变形特点四，路桥过渡段的处理方法一，设置过渡段的原因铁路线路是由不同特点、性质迥异但又相互作用、相互依存、相互补充的构筑物(桥、隧、路基等)和轨道构成的。由于组成线路的结构物强度、刚度、变形、材料等方面的巨大差异，因此必然会引起轨道的不平顺。为了满足列车平稳舒适且不间断地运行，必须将其不平顺控制在一定范围之内。轨道的不平顺有静不平顺和动不平顺之分。静不平顺是指轮轨接触面不平顺，如钢轨轨面不平顺、不连续(接头、道岔)、车轮不圆顺等；动不平顺是指轨下基础弹性不均匀，如扣件失效、枕下支承失效、路基不均匀以及桥台与路基、路堤与路堑、路基与隧道等过渡段的弹性不均匀等。与桥梁连接处的路堤一直是铁路路基的一个薄弱环节，由于路基与桥梁刚度差别很大，一方面引起轨道刚度的变化，另一方面，路基与桥台的沉降也不一致，在桥路过渡点附近极易产生沉降差，导致轨面发生弯折。当列车高速通过时，必然会增加列车与线路的振动（如下图），引起列车与线路结构的相互作用力的增加，影响线路结构的稳定，甚至危及行车安全。在路基与桥梁之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少路基与桥梁之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，保证列车安全、平稳、舒适运行的目的。二，路桥过渡段变形不一致的原因

由于路基与桥台本身所用材料的不同，桥台的竖向位移,塑性变形等比路堤小的多。路桥过渡段作为柔性路堤与刚性桥台的结合部位，在结构上是塑性变形和刚度的突变体(如图)。只有当柔性路堤的塑性变形相对为零或其值的大小所引起的轨面弯折(轨道不平顺)满足高速行车的要求时，才不会出现（下图）所示的情况。而由散体材料组成的柔性路堤发生变形是不可避免的，因此，必须从过渡段的地基条件、软基的处理方法、填料选择、压实标准、质量检测上采取措施，以减少两者之间的塑性变形差，实现平稳过渡。1，路基与桥梁结构的差异现在许多既有线路都是修筑在条件差并未经很好处理的软弱地基土上的。在软土地基上，路桥过渡段的路基和桥梁的工后沉降量是不同的，因此在路桥过渡处必然有沉降差。路桥过渡段由于其结构的原因，桥头路基的填筑高度较大，产生的基础应力也较高，因此,地基在路桥过渡段产生的沉降较其他路段要大一些。地基土的性质及结构不同，所产生的沉降和沉降达到稳定所需要的时间也不同。对于粉土地基和中、低压缩性的黏土地基，其全部完成沉降需要几年时间；对于高压缩性黏土地基、饱和软黏土地基，则其全部完成沉降需要十几年甚至几十年时间。所以，地基工后沉降是地基造成桥头跳车的重要成因2，地基条件的差异3，桥台后路堤填料桥台后路堤填料一般全是填土。由于施工的原因，往往作业面相对狭小，碾压质量不易控制，其压实度达不到设计要求。即使施工时压实度全部达到了设计的要求，但因运营时路堤填土本身的自重和动荷载的作用，也将使路堤填土进一步压缩变形，使得路桥过渡处出现沉降差。桥台前的防护工程由于受到水平土压力的作用，将产生一定的水平位移。这一水平位移将会导致路桥过渡处路堤出现沉降变形。路桥过渡处常会产生细小的伸缩裂缝，经过地表水或雨水的渗透后，会使路堤填土出现病害，强度降低，产生沉降。或由于水的渗透流动带走填料中的细颗粒土，使得路桥过渡处出现沉降变形。4，设计及施工问题设计时对路桥过渡区段的施工碾压过程考虑不周，对填料的要求不严格，桥台后的排水设计考虑不周，都将影响其施工质量。施工时对工期或工序安排不当，以至使路桥过渡区段的填土碾压工作安排在施工工期的尾部，被迫赶工期，不能够很好地控制填土压实质量，使得填土本身出现沉降变形。施工时对路桥过渡区段的回填料不按设计要求填筑，或采用不良填料，或碾压厚度超过要求，或压实度达不到设计要求，都将造成质量缺陷。施工时碾压器械配置欠佳，压实功率不够，不进行分层次质量检查，也会使压实质量达不到控制要求。5，重桥轻路意识的影响

设计和施工中重桥轻路的意识是影响路桥过渡段施工质量的又一因素。目前在铁路建设工程中，桥梁建设不仅工程规模大，投资多，而且有时还是保证线路正常通车的关键。从以往的施工过程看，往往是路桥分家，重桥轻路。桥梁施工中集中了大量精干的工程技术人员，而路基施工都未能投入必要的技术力量。在设计中没有把路桥过渡区段作为一种结构物来考虑，没有较为合理的设计要求。在施工过程中路桥过渡区段又是质量控制的薄弱环节。往往在铺轨架桥时，或正常运营一段时间后，路桥过渡区段的问题才明显出现。除以上主要原因外，在路桥过渡段，影响线路运行质量的因素还有：（1）桥上轨道技术状态和种类。桥上是有碴轨道还是无碴轨道，桥上轨枕垫刚度值的大小，都与传递到桥台后路堤上的作用力的大小有关。（2）路桥过渡段轨道技术状态和种类。过渡段内钢轨和轨枕类型以及钢轨是否有接头或损伤，与传递到路堤上的作用力大小有关。（3）机车车辆的类型、运行速度和技术状况。过渡段内动荷载(轴重与轮轨冲击力)的大小与机车车辆的类型、运行速度和技术状况等有关。1，路桥过渡段轨面弯折分析

路桥过渡段路堤的变形控制，主要需考虑两个问题：①将桥背土路基与桥台交界处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉降；②严格控制过渡段线路的轨面弯折变形，使之满足高速行车的要求。对于第一个问题，采用诸如碎石类材料倾斜填筑、加筋土路堤结构、钢筋混凝土过渡板等处理措施一般就能较好地解决。对于第二个问题，就目前的条件而言，只能根据列车/线路系统的分析理论，建立路桥过渡段的振动分析模型，进行全面系统的动力学计算。

三，路桥过渡段的受力与变形特点

根据高速铁路路桥过渡段列车/线路系统动力学的计算分析，在过渡段长度L=20m、行车速度v=350km/h条件下，路桥间由于路桥结构的工后沉降不一致引起的轨面弯折（如图所示形式）的限制值应为θ≤1.5‰～2.5‰。轨面弯折限制值2，路桥过渡段合理长度的设置我国高速铁路路桥过渡段的合理长度的设置重点考虑了以下两方面的关系：（1）路桥过渡段轨道竖向刚度的变化与过渡段长度的关系：路桥过渡段轨道竖向刚度的变化对高速行车的稳定性有一定的影响。根据列车/线路系统动力学分析的结果，随着过渡段长度的增加，车体振动加速度、轮轨接触力等指标均减小。但是，理论上，列车以350km/h高速通过时，过渡段长度大于15～20m后，各项指标的变化就非常微小了，再继续增加过渡段的长度，几乎无任何作用。理论计算分析还表明，过渡段长度缩短至10m甚至5m时，虽然车体的加速度、轮轨接触力等指标有一定的变化，但其数值仍处于比较低的水平，不能作为过渡段长度设置的控制因素。（2）路桥过渡段的工后沉降差的限值与过渡段长度的关系：由路桥过渡段工后沉降差引起的轨面弯折对高速行车的平稳性有显著的影响。根据列车/线路系统动力学分析的结果，在理论上，列车以350km/h高速通过时，将轨面变形的弯折角控制在1.5‰～2.5‰以内，就能保证高速列车的正常运行。基于京沪高速铁路路桥过渡段的工后沉降为5cm的标准。1.5‰～2.5‰的弯折角可得过渡段长度为20～33m。如果考虑轨道的正常维修作业（起拨道捣固）周期，由路桥过渡段的工后沉降差引起的轨面弯折可能并没有这么大，因此过渡段长度的设置可根据起拨道捣固周期进行适当调整。四，路桥过渡段的处理方法

日本铁道建筑物设计标准解说中认为,在路堤与桥台等结构物连接处,由于路堤和结构物的沉降不同,在路基顶面容易产生台阶,还由于动力特性的剧变,列车通过时容易产生轨道变形,使旅客感觉不舒服。为了减少这些缺陷,在路堤和结构物之间设计缓冲区,填筑压缩性小的填料粒径级配为M-10的碎石和粒径级配为MS-40的炉渣碎石,也可使用低标号混凝土等,并达到˃150MPa的压实程度,日本新干线主要采取如下种路桥过渡方式1)引堤方式在桥台与路基之间设置一定一长度并逐渐减薄的正梯形高密度填土引提,以实现刚性桥台与柔性路基间轨道综合模量刚度的平顺过渡，引堤采用压缩性小，级配良好的材料进行填筑1，日本2)补强方式在桥台背后一定长度的路基范围内使用有加筋材料的填土进行补强,以形成上部轨道刚度的平稳过渡3)搭板方式在桥台背后设置一定长度的纵向搭板梁,以实现刚度的平稳过渡日本引堤过渡示意图2，德国

德国高速铁路的路一桥过渡段一般采用倒梯形结构,桥台台背部位填筑渗水材料,并设有渗水管,渗水材料与路堤填上之间的填料按颗粒不均匀系数u及夯实度要求进行控制,要求u≥5,一般使用级配良好的砂砾石或级配碎石填筑.过渡方式如图德国倒梯形过渡段示意图

德国铁路土工建筑物规范要求,在土工建筑物向人工构造物过渡时,应采取适宜措施,以达到尽可能小的沉陷差和道床模量的渐次过渡。在从土工建筑物到人工构筑物的过渡结构时,必须遵守建筑物的回填规程。回填材料应该是透水的级配粗粒料,应该特别认真地铺设夯实,并在台背后壁设渗流墙用于排水。

南非公司Spoornet在重载线路Coalline的一处隧道进出口过渡区域分别铺设了梯子型和型轨枕两种类型的轨道结构。根据每个月进行的一次轨道状态测试数据表明,该两种轨道结构的工作状态良好,变形小且均匀。3,西班牙

西班牙马德里一塞维利亚高速铁路赫塔费一科尔多瓦段要求过渡段进行必要的工程设计,使不同地段的刚度差异有合适的过渡,并对过渡段铺设完成后的变形特性进行监测西班牙高速铁路过渡段典型结构4，韩国

韩国首尔一釜山高速铁路路一桥过渡段的典型结构如下图所示。各部分的填料要求为：

A:最大粒径不大于63mm的硬碎石加3％水泥,厚0.7m。B:最大粒径不大于63mm的硬碎石C:最大粒径不大于63mm的普通碎石加3％水泥D:最大粒径不大于63mm的普通碎石韩国高速铁路过渡段经典结构5，我国路桥过渡段设计1，路堤与桥台连接设计(1)过渡段长度按下式计算，且不小于20m式中L:过渡段长度（m）

H:台后路堤高度（m）

h:基床表层厚度（m）

a:常数（3~5m）

n:常数2~5（2）台尾过渡段设计方式级配编号通过筛孔质量百分率（%）50403025201052.50.50.075110095～100

60～90

30～6520～5010～302～102

10095～100

60～90

30～6520～5010～302～103

10095～100

50～8030～6520～5010～302～10

过渡段路堤基床表层应满足相关要求，并在与桥台连接的20m范围内基床表层的级配碎石内掺入适量的水泥，表层以下以级配碎石分层填筑，填筑压实标准应满足K30≥150MPa/m、孔隙率n<28%。碎石的级配范围应符合下表的规定（3）以武广高速铁路为例1）桥与路堤过渡段

路基路堤与桥相连接不小于4倍桥台高度范围内,且不小于20m的路基基床表层级配碎石中掺人5％的水泥,基床表层以下过渡段顶宽3的正梯形部分采用级配碎石掺人5％水泥,其后设置一段倒梯形的过渡段,采用A、B组填料,设置形式见图2）桥与路堑过渡段

桥台台尾为土质、极软岩或强风化硬质岩路堑时,桥台基坑回填混凝土,基坑外路堑表层20m范围内换填级配碎石掺5％水泥，当台尾为硬质岩时,过渡段范围内采用混凝土进行回填,设置形式见图3）路堤与横向构筑物过渡段

路基面距横向结构物顶的垂直高度小于2m时,涵洞两侧不小于20范周内的基床表层采用级配碎石掺5％水泥填筑,表层以下涵顶及每侧顶宽2m的正梯形采用级配碎石掺5％水泥填筑,其外侧再设置底宽3m的倒梯形A、B组填料过渡段,形式如图

路基面至横向结构物顶不小于2m时。涵洞两侧不小于20m范围内的基床表层采用级配碎石掺5%水泥填筑,涵顶以下每侧顶宽2m的正梯形采用级配碎石掺5%水泥填筑,其余部位按路基相同部位正常填筑,形式如图

路堤与弱一微风化硬质岩路堑连接时,自路堑一侧沿原硬质岩坡面按1:2的坡率横向开挖台阶,台阶高度0.6m左右。过渡段基床表层20m范围内填掺入5%水泥的级配碎石,表层以下自路堤一侧分层填筑级配碎石掺5%水泥。级配碎石与路堤填料之间的分界线与线路走向保持垂直,使轨道板下基础保持均质,设置形式见下图。路堤与强风化硬质岩、软质岩或土质路堑连接时,过渡段设置较为简单,路堑一侧沿坡面按1:2的坡度挖台阶,然后按路堤各部位的填料层填筑即可,填筑时特别注意相接处的压实质量4）路堤与路堑过渡段5，总结

综合国外高速铁路国家和国内处理路桥过渡段的经验，归结起来主要有以下几类。（1）.在过渡段较软一侧，增大路基基床的竖向刚度，减少路基结构的沉降。该类处理方法的主要目的是通过加强路基结构来减少路基与桥台之间在刚度与沉降方面的差异，进而减少路桥间线路的不平顺

1）加筋土路堤法：加筋土加强桥过渡段土工合成材料增加基床刚度

加筋土路堤法是在过渡段路堤填料（必要时也可包括地基）中埋设一定数量的加筋材料，形成加筋土路堤结构2）碎石填料填筑法

碎石填料填筑法是