更高速度無砟軌道鐵路線下基礎剛度匹配研究

魏永幸 劉秀波 吳細水

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司； 北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844)

無砟軌道因具有穩定性好，軌道幾何尺寸保持久，維修工作量少等優點，已成為300 km/h及以上速度高速鐵路軌道結構的主流和首選。與傳統的有砟軌道不同，無砟軌道沒有道砟結構層，其底座板或支撐層直接與路橋隧等線下基礎相連接，線下基礎剛度成為影響軌道剛度的重要因素。因此，對于無砟軌道鐵路，其線下基礎的剛度匹配問題不僅顯得更加重要，而受到廣泛關注和重視。魏永幸[1]指出：如何使路基與其他構筑物的剛度匹配，與如何控制路基沉降變形、如何保持路基長期穩定，是無砟軌道鐵路路基的三大技術關鍵。我國高速鐵路運營實踐表明，不同線下基礎連接處的過渡段是高速鐵路線路的薄弱環節，個別運營高鐵線路在路基與橋梁等構筑物過渡段還曾出現過沉降和軌道不平順問題[2-3]。有鑒于此，本文結合我國無砟軌道鐵路建設及運營實踐，基于軌道剛度與線下基礎剛度的關系，探討線下基礎縱向剛度匹配、過渡段縱向剛度匹配及實現途徑，以期有益于我國高速鐵路技術提升，服務于更高速度高速鐵路的建設和運營。

1 軌道剛度與線下基礎剛度

列車高速列車安全平穩運行要求線路保持高可靠性、高穩定性、高平順性，因此軌道幾何形位要滿足相關標準要求，軌道剛度要保持連續、均勻，行車速度越高，對軌道的平順性和軌道剛度的均勻、連續性要求越高。

軌道剛度是列車運行輪軌作用下，軌道彈性變形的表征參數，通常也稱為線路剛度或軌道線剛度，是線路結構設計的一個重要參數。

軌道支承于線下基礎之上，線下基礎必須持久穩定、堅固。相關研究結果表明，線下基礎的剛度對于軌道剛度的持久保持十分重要[4-5]。線下基礎剛度是線下基礎在列車及軌道結構荷載作用下產生的彈性變形大小的表征參數。對于橋梁而言，線下基礎剛度通常采用列車及軌道結構荷載作用下橋梁產生的撓曲變形來表示；對于路基而言，線下基礎剛度可用列車及軌道結構荷載作用下路基面產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剛度的關系如圖1所示。

圖1 軌道剛度與線下基礎剛度關系圖

軌道剛度過大，輪軌作用力會增大；軌道剛度過小，軌道豎向變形將增大，會增大輪軌運行阻力。為從保證列車高速平穩運行、減少輪軌作用力出發，線路縱向的軌道剛度應連續、均勻，橫向不應有突變，左右兩股鋼軌的軌道剛度應盡量一致。

軌道剛度與軌道結構有關，也與線軌道下基礎剛度有關。軌道剛度 “向下約束”基礎剛度。基礎剛度則“向上映射”，影響軌道剛度。

2 線下基礎縱向剛度匹配

線下基礎主要包括路基、橋梁、隧道。

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

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

按照現行規范推薦的基床結構及填筑材料、控制參數建造的路基，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定級配碎石填筑，其路基面支承剛度一般為500～1 000 MPa/m。

線下基礎縱向剛度匹配的核心是做好路基與橋、隧等構筑物的剛度控制，并做好相鄰兩種結構間的剛度銜接。

3 過渡段縱向剛度匹配

3.1 實現過渡段縱向剛度匹配的技術路徑

路基與橋、隧構筑物縱向剛度匹配通常可采取兩種途徑來實現：

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

(2)設置剛度過渡的結構。在橋臺與路基之間設置過渡結構，實現橋梁與路基的剛度過渡。

3.2 減小路基與橋、隧構筑物沉降和剛度差異的結構措施

實際工程中，路基與橋、隧構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問題耦合疊加，使得過渡段問題變得十分復雜。

不同線下基礎之間出現沉降差，通常會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，重者甚至會影響行車安全，不得不限速運行。

不同線下基礎之間出現剛度差，在輪軌力作用下會產生不均勻變形，被稱為軌道動不平順，軌道動不平順也會引起輪軌作用力的變化，影響輪軌系統使用壽命，長期以往還可能引起軌道結構及線下基礎的劣化。軌道平順性較好的路橋過渡段實測軌面動變形如圖2所示。典型的軌道平順性較差的路橋過渡段實測軌面動變形如圖3所示，在路橋連接處有明顯的突變點。

圖2 軌道平順性較好的路橋過渡段實測軌面動變形圖

圖3 軌道平順性較差的路橋過渡段實測軌面動變形圖

路基工程是由巖土材料通過施工機械，在露天環境填筑而成的。目前，路基沉降、路基剛度還不能精確計算、精準控制。因此，為有效克服路基與橋、隧構筑物之間可能存在的沉降差與剛度差，筆者認為，有必要設置減小路基與橋、隧構筑物沉降和剛度差異的結構措施，如在路橋過渡段設置鋼筋混凝土搭板[7](如圖4所示)；當兩橋(隧)之間距離較短時，為避免頻繁設置過渡段，可在兩橋(隧)之間設置鋼筋混凝土樁-板結構(也稱為樁-板結構路基)[8-9](如圖5所示)等。值得一提的是，在缺乏合格填料的區段，可利用路塹或隧道開挖棄方(非良質填料)填筑樁-板結構路基的路堤，其工程造價可較橋梁工程減少30%，同時還可減少棄碴量，經濟效益和環境效益均十分顯著。

圖4 路橋過渡段設置鋼筋混凝土搭板示意圖

圖5 兩橋(隧)之間設置鋼筋混凝土樁板結構示意圖

4 做好過渡段剛度匹配的幾點建議

實際工程中，如何進一步做好路基與橋、隧構筑物之間剛度匹配，筆者認為須從以下三個方面著手開展工作。

(1)做好軌道結構與線下基礎協同設計

一方面，應根據不同的基礎條件，設計合理的軌道結構，包括軌道板、鋼軌、扣件系統等。另一方面，作為軌道結構的基礎，基礎“向上映射”影響軌道結構性能，線下基礎是為軌道結構服務的，應滿足軌道結構“向下約束”的條件。從這一點講，在確定軌道結構條件后，線下基礎應嚴格按照軌道結構的要求進行設計，并做好不同線下基礎的剛度銜接，確保線路縱向軌道結構剛度的連續、均勻。但當線下基礎施工完成后，軌道結構設計則應再根據線下基礎的施工現狀和線下基礎的剛度檢測結果，進行針對性的優化。因此，從設計理念上，要樹立軌道結構與線下基礎一體化的思路，做好軌道結構與線下基礎的協同設計。

(2)做好線下基礎縱斷面設計

不同的線下基礎之間應進行工程性能匹配設計。具體地說，就是應進行線下基礎縱斷面設計[10]。線下基礎縱斷面設計的根本目的是做好不同線下基礎之間的設計協同。線下基礎縱斷面設計主要包括：①不同線下基礎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，不同線下基礎的沉降控制措施(包括設計參數、計算模型、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”管線布設是否一致等。

(3)優先采用減小路基與橋、隧構筑物沉降與剛度差異的結構措施

由于路基材料、構筑方法的特殊性，實際工程中，路基與橋、隧等構筑物之間無法完全避免沉降變形差異和剛度差異的出現，因此，建議優先設置減小沉降差異、保證剛度匹配的結構措施。針對更高速度的無砟軌道鐵路，建議：①在路橋、路隧過渡段設置減小沉降差異、剛度差異的鋼筋混凝土搭板。②當兩橋(隧)之間距離較短時，為避免頻繁過渡，在兩橋(隧)之間設置等鋼筋混凝土樁-板結構路基。③在缺乏合格填料的區段，優先采用樁-板結構路基(非良質填料填筑路堤)保證路基面“零”沉降、等剛度，確保路基與橋、隧構筑物的剛度匹配。

5 結論與展望

本文從軌道剛度與線下基礎剛度的關系入手，討論了線下基礎縱向剛度的匹配的問題以及實現路基過渡段縱向剛度匹配的技術關鍵、技術路徑。得出以下主要結論：

(1)對于更高速度的無砟軌道鐵路，應更加重視不同線下基礎的剛度匹配，以保障軌道結構剛度均勻化。

(2)做好線下基礎的縱向剛度匹配，要樹立協同設計理念，做好軌道結構與線下基礎的協同設計，做好不同線下基礎的協同設計。

(3)路基與橋、隧構筑物之間設置減小沉降差異、保證剛度匹配的結構措施，可有效實現線路剛度均勻化。

建議今后應進一步開展以下研究：

(1)開展軌道結構與線下基礎的協同設計研究，明確接口的界面參數。

(2)研發路基面支承剛度快速檢測裝備，鋪設軌道結構前對路基面支承剛度進行檢測，據此優化軌道結構設計，以更好地實現線路剛度的連續、均勻。