新型有軌電車路基設計標準研究與實踐*

柳憲東

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510220，廣州//高級工程師)

當前，發展具有一定運量、投資少、周期短、能耗低并且綠色環保的公共交通方式——新型有軌電車，成為解決城市交通擁堵問題的合理方式，該系統在國外已有廣泛應用，在國內也迅速發展[1]。

新型有軌電車與同屬于城市軌道交通范疇的地鐵和輕軌有較多相似之處，但又具有明顯的自身特點。新型有軌電車與地鐵的技術特征比較如表1所示。

表1 有軌電車與地鐵綜合指標比較

對于有軌電車工程的路基形式與設計標準，雖然國內各實施單位已開展了相關方面的研究和設計，但設計理念各異，未形成國家、行業統一標準。為此，通過對國內主要在建或規劃有軌電車線路的路基結構形式與設計標準進行調研，結合廣州海珠環線開展的專項科研及應用情況，提出了優化的路基形式與設計標準，并對關鍵技術問題予以分析和論述，供同類型工程借鑒參考。

1 國內有軌電車路基結構及工后沉降標準

對北京、上海、武漢等國內十余個地區的有軌電車路基設計標準進行了調研，范圍覆蓋了我國東北、華北、華中、華南等區域，地質條件覆蓋了軟土、硬土等區域。調研得出路基設計主要集中在荷載及路基結構形式。荷載可以通過模擬計算確定，下面主要統計分析路基結構形式。

1.1 路基結構形式

圖1統計了國內主要城市有軌電車路基的調研數據。路基主要采用支撐層+基床表層+基床底層的分層土工結構形式。其中支撐層主要采用100～400 mm素混凝土或鋼筋混凝土材料，基床表層多采用400 mm級配碎石或水穩碎石，基床底層多采用400～800 mm厚A、B組填料或改良土構成，總路基厚度1.1～1.4 m。基床下軟基主要處理方式為攪拌樁或換填加固。

a) 支撐層材料形式b) 基床結構形式c) 路基總厚度

圖1 各地有軌電車基床形式及分層厚度

1.2 工后沉降控制標準

路基沉降主要基于無砟軌道標準，其中有55%絕對沉降值按50 mm控制，70%以上不均勻沉降值按20 mm控制。路橋過渡段與橋梁間折角按1/1 000控制,如圖2所示。

a) 絕對沉降b) 不均勻沉降c) 過渡段與橋梁間的折角

圖2 有軌電車工后沉降設計標準

1.3 地基處理統計分析

按照20～30 mm工后沉降進行地基處理，加固深度多穿透軟土層。

2 有軌電車路基設計原理與優化分析

有軌電車路基的結構型式、填料選擇、工后沉降標準決定了工程造價及工后運營的安全性和舒適性，是有軌電車路基工程設計需考慮的重要問題。有軌電車線路均采用無砟軌道，因此，主要討論無砟軌道的路基設計標準。

2.1 等效荷載

為了簡化計算，同時提高可操作性，通常將道床質量、列車荷載及其他荷載換算成有一定高度的、與路基土有相同密度的作用于路基面上的假想土柱。土柱高度計算公式為：

式中：

h——土柱高度；

P—軌道荷載，需考慮鋼軌荷載、扣件及螺栓、道床板、路面鋪裝或綠化層荷載，綜合疊加;

Q——列車荷載，根據列車軸重、轉向架距離、車輪布置進行換算;

γ——土柱重度，自定義，可取20 kN/m3;

l0——土柱分布寬度，取道床底面寬度，應區分整體道床與碎石道床。

按上述參數計算可知，土柱高度為2.1 m，分布寬度為2.4 m(整體道床)。

2.2 沉降控制標準

2.2.1 不均勻沉降控制標準

為保障行車安全，如發生工后不均勻沉降，通過調整軌道扣件高度形成的線路豎曲線應滿足安全行車要求，即通過扣件調整后，豎向過度曲線半徑應滿足：

v≥0.4R2

有軌電車目前設計的最高速度ν=70 km/h，調整后豎曲線半徑R只要大于1 960 m，滿足扣件允許調高量的限制即可。軌道扣件調高量最高為30 mm，因此允許的工后不均勻沉降值建議控制在30 mm以內。

2.2.2 絕對沉降控制標準

在滿足不均勻沉降要求的基礎上，額外累加的絕對沉降并不直接影響列車的運營安全。但考慮到有軌電車作為地面線路，與周邊道路、綠化、人行區域臨近，如發生過大工后沉降，一方面會導致在雨天線路容易發生積水，影響行車安全；另一方面會導致景觀不協調，因此線路設計時，通常會高出地面10～15 cm。建議絕對沉降控制標準在50～100 mm，放寬絕對沉降控制標準，將對投資成本帶來直接的優化空間。

2.3 基床形式的確定

有軌電車路基形式一般采用支撐層+基床表層+基床底層的分層土工結構形式。目前國內大多數有軌電車多采用現澆整體道床，路基層上方需要設置素混凝土底膜層，為提高路基剛度的連續性，建議設置支撐層。支撐層建議采用100～200 mm厚混凝土材料，特殊地段如地基剛度變化大、跨越管線、跨越其他地下建構(筑)物等情況可根據需要局部配置鋼筋,形成鋼筋混凝土結構,提高整體剛度。

2.4 基床總厚度的確定

列車的動應力沿深度逐漸衰減，一般將動應力影響較大的部分定義為基床層。根據壓實土的動態三軸試驗表明，當動、靜應力比值在0.2以下時，加載10萬次的塑性累計變形在0.2%以下，而且很快能達到穩定。

動應力沿路基深度的分布，可采用Boussinesq理論計算，即在長方形均布荷載作用下，荷載中心下深度z處的垂直應力為：

式中：

P0——等效荷載強度;

m=a/b,n=z/b,其中a、b——等效荷載分布1/2的長度、寬度。

根據計算，當基床總厚度達到1.3 m時，可滿足動應力衰減至自重應力20%的條件，如圖3所示。同時考慮200 mm厚素墊層，剩余部分基床總厚度按1.1 m控制。

圖3 基床動靜應力曲線圖

2.5 基床設計標準的確定

對于基床各層厚度的確定主要考慮基床變形控制和基床強度控制。基床變形控制，目的是保證列車運行平順，基床表層產生的應變不會導致表面鋪裝開裂或塑性變形過大，降低基床表層壽命，以列車荷載作用下路基頂面變形量≥4 mm標準控制；基床強度控制，列車荷載通過基床表層傳遞給基床底層填土產生的動應力須小于其允許動強度。計算簡圖如圖4所示。

注:E1、E2分別為基床表層、底層變形(彈性)模量

2.5.1 變形復核

對于由分層結構組成的彈性地基，采用Boussinesq理論，中心點的沉降W0可用下式計算：

式中n1=h/b,q=E1/E2，μ為泊松比,其中h為基床表層厚度。

基床表層填料的組成參照鐵路路基規范路塹基床設計標準及部分研究成果選取基床表層、基床底層填料屬性及相應參數，部分設計參數及材料如表2所示。

表2 路基各層材料及參數表[2-4]

根據試算，當路基表層厚度在400 mm時，路基層壓縮值約為3.7 mm，滿足設定條件要求。

2.5.2 動應力復核

結合法國鐵路實測試驗結果，壓實度K為0.85時，路基面下200～400 mm左右，動強度與動應力曲線相交，即表層厚度400 mm時，已滿足動應力衰減要求，如圖5所示。

圖5 基床動荷載與動強度關系圖

綜上，建議基床表層厚度≥400 mm，基床底層可取700 mm。

2.6 地基處理標準

基床下軟基可視情況進行換填或其他加固等地基處理措施形成復合地基。

地基處理主要目的有兩方面，一方面為控制總工后沉降，另一方面滿足下臥層強度承載要求。目前常見的地基處理方法主要包括換填法和復合地基法。應結合不同地段條件，選擇合理的處理措施，同時結合有軌電車荷載的特點、沉降控制標準綜合考慮，并充分發揮天然地基的共享，突出有軌電車的經濟性特點，如表3所示。

表3 不同條件下的地基處理

對于表3提到的第三種條件下的軟基處理方案合理選擇是控制投資的關鍵，特別是沉降控制標準，絕對沉降按5～10 cm控制。而加固深度，建議充分考慮地基土自身剛度、強度(特別是軟土區域的隨深度修正)，做到加固強度與經濟性的平衡。

采用有限元軟件Midas模擬相同軟土深度情況下，對不同地基處理深度的加固效果進行試算。輸入條件如下：上層軟土厚度15 m，下層硬土厚度5 m，材料參數如表4所示，車輛荷載采用4節編組列車，列車最大軸重為12.5 t。建立地層-結構有限元模型,模擬分析路基在列車荷載作用下的沉降變化。其中，原狀地層及加固地層采用摩爾庫倫本構進行剛度置換(按道床下方設置3根φ600 mm、縱向間距1.2 m加固體考慮，置換率約為30%)，鋼軌及軌枕采用彈性本構。

表4 巖土參數表

整體計算模型尺寸(長×寬×高)為60 m×30 m×20 m。

在列車荷載作用下，加固深度分別為6 m、9 m、12 m情況下,路基中心最大沉降值分別為13.7 mm、10.1 mm、6.6 mm，如圖6所示，累加路基層壓縮沉降3.7 mm后，工后沉降分別為17.4 mm、13.8 mm、10.3 mm，均小于工后沉降絕對控制值50 mm，同時也滿足差異沉降值20 mm/20 m。

圖6 模擬計算線路中心豎向沉降值

3 工程實踐

3.1 廣州海珠環島新型有軌電車項目概況

廣州海珠環島新型有軌電車試驗段工程線路全長約7.7 km，其中路基段長度約7 km，采用全地面敷設。

沿線地勢平坦，軟土發育充分，主要地層由上至下主要為<1>人工填土、<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥質土、<2-2>淤泥質粉細砂、<2-3>中粗砂、<6>全風化砂巖、<7>強風化砂巖、<8>中風化砂巖。其中軟土地層最大埋深約15 m。地層參數如表5所示。

表5 地層參數值

3.2 設計標準

路基工程設計標準須滿足路基強度、剛度等承載要求。

1) 無砟軌道線路路基工后不均勻沉降不應超過20 mm，沉降比較均勻時允許的工后沉降為50 mm。

2) 路基基床表層厚度≥0.4 m，底層厚度應≥0.7 m。

3) 基床表層填料應優先選用A、B組填料，基床底層填料優選用A、B、C組填料，也可結合場地條件采用改良土。

4) 軟土及其他類型厚層松軟地基上的路基應進行路基穩定性、沉降檢算。當穩定安全系數、工后沉降不符合規定時，應進行地基處理。采取不同加固措施地段應采取一定的過渡措施。

3.3 路基斷面設計與地基處理方式

依據沿線地層、周邊環境條件的不同，路基形式及加固方式靈活采用了素墊層結合換填、翻挖回填+水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等不同方式，具體處理方式如圖7所示。

圖7a)方案，主要用于越江路段(5.3 km)，軟土厚度(含淤泥質粉細砂層)0.4～15.0 m不等。設計采用方案為：素墊層(0.2 m)+換填水穩砂路基層(1.1 m)+換填水穩砂地基表層(0.4 m)+基底碾壓(考慮2 m處理深度)，開挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度3.5 m。

圖7b)方案，主要用于規劃路段(0.3 km)。軟土厚度(含淤泥質粉細砂層)5～11 m不等，設計方案為：素墊層(0.2 m)+翻挖回填改良層(0.4 m)+攪拌樁復合地基處理(含基床底層)，開挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度3.6～10.6 m。

第3種方案，主要用于新港路地鐵8號線正上方(1.4 km)，采用全深度雜填土回填層6～10 m不等，設計方案為：素墊層(0.2 m)+旋噴樁復合地基處理(5～9 m處理深度)，開挖總深度2.23 m，軌道下方總處理深度5.2～9.2 m。

3.4 實際運營效果

廣州海珠環島試驗段有軌電車自2014年底開通以來，已安全運營近4年。圖8、圖9為沿線布置位移監測點最新測量數據，直接反映了各段路基的工后沉降情況。

圖8 換填段路基工后沉降監測示意圖

圖9 攪拌樁、旋噴樁段路基工后沉降監測示意圖

可以看出，換填段路基基床主要采用水穩砂層，對深厚軟土主要采用表層換填結合地層重型碾壓，工后沉降平均值6～7 mm，最大值12 mm，大部分監測點沉降值小于10 mm。攪拌樁、旋噴樁段基床表層采用了改良土或復合地基層，軟土層加固采用了復合地基，工后沉降平均值控制在4～5 mm，最大值7 mm，大部分監測點沉降值小于6 mm。各類加固措施均能有效控制路基工后沉降值在50 mm范圍內(甚至未超過20 mm)，研究成果得到了成功的驗證。

海珠環島試驗段有軌電車路基工程采用以上設計標準，路基工程平均造價約700萬元/km，低于同期其他城市甚至地質較好地區的有軌電車路基工程造價。

4 結論

1) 有軌電車路基的工后沉降標準及地基處理方式，決定了路基方案、造價水平。合理的沉降標準應是經濟性和功能性的最佳結合。其既是路基設計的依據，同時又是檢驗成效的標準。

2) 通過理論分析和實踐表明，有軌電車路基的總工后沉降標準采用50 mm，甚至進一步放寬至100 mm、填料要求采用水穩砂、改良土、復合地基，同時適當優化基床高度，是合理可行的。

3) 對基床下軟弱土層，采用不設置路肩、倒梯形換填方式路基，可減少對周邊環境的影響，同時大大縮短工期及降低造價。采用復合地基，充分利用地基土承載力，選擇適當的持力層，而非必須嵌固到硬土層，既可以滿足整體工后沉降控制要求，也可達到客觀的經濟性。