400 km/h高速鐵路路基設計主要技術標準探討

付銘川 周 成 李安洪 周和祥

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

高速鐵路路基是承受軌道結構和列車荷載的基礎，是鐵路工程的重要組成部分，除應具備鐵路路基的基本功能外，還應滿足列車高速運行的要求，具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性。目前，國內鐵路路基設計技術標準僅適用于350 km/h及以下速度的高速鐵路，尚無400 km/h高速鐵路路基系統全面的研究。中國鐵路設計集團有限公司與中國鐵道科學研究院集團有限公司對現有高速鐵路線下基礎能否滿足400 km/h高速列車的運營條件進行了初步論證；西南交通大學在京滬高速鐵路試驗段上開展了420 km/h條件下的現場實測，積累了部分實測數據；中鐵二院工程集團有限責任公司依托俄羅斯莫喀高速鐵路對400 km/h 高速鐵路路基基床結構、填料、過渡段、地基處理及監測等開展了研究，但研究側重于低溫嚴寒環境下的路基結構性能。

基于此，本文結合成渝中線高速鐵路(預留400 km/h提速條件)的設計研究，通過論述400 km/h高速鐵路路基的設計重點，對比分析350 km/h與400 km/h高速鐵路路基設計的迥異點，闡述400 km/h高速鐵路路基存在的問題，為更高速度鐵路路基的設計提供指導。

1 路基面寬度

路基橫斷面寬度根據線間距、路肩寬度、接觸網支柱及基礎類型等因素計算確定，并綜合考慮路基穩定性及路基面防排水問題。世界各國路基面寬度主要參數如表1所示。

表1 世界各國路基面寬度主要參數表[1]

線間距指相鄰兩股道線路中心線之間的最小距離，是無砟軌道路基面寬度受速度影響的主要因素，主要受列車交會運行時的氣動力作用和列車寬度控制。結合國內外高速鐵路線間距、列車交匯相鄰側壁凈間距和列車運行速度的關系，350 km/h無砟軌道線間距為5.0 m。當列車速度為400 km/h，線間距為3 m和 6 m時，車體頭尾部的壓力分布基本一致，這說明線間距變化對400 km/h列車車體上的壓力分布影響很小[2]。因此，400 km/h高速鐵路采用5.0 m線間距滿足設計要求，從而確定400 km/h高速鐵路路基面寬度為13.6 m。

2 路基基床結構及壓實標準

路基基床是指路基上部受列車動力作用和水文氣候變化影響最大的土層，其狀態直接影響列車運行的速度和平穩性，分為基床表層和基床底層兩個部分?；脖韺幼鳛榫€路的基礎，直接承受列車劇烈的動力作用，是路基最重要的部分?，F行規范[3]對350 km/h及以下速度高速鐵路的路基基床厚度及其壓實標準等作出了規定，對于400 km/h高速鐵路尚無明確規定。

2.1 路基基床控制標準

路基基床結構設計對列車荷載作用下的基床強度、變形和應變控制準則進行了規定。

基床結構層動應力滿足強度要求，其計算式為：

(1)

式中：σ——基床結構層動應力(kPa)；

R——基床結構層動強度(kPa)；

K——安全系數。

基床結構動變形滿足變形要求，其計算式為：

ω≤Cω

(2)

式中：Ω——計算變形值(mm)；

Cω——動變形限制值(mm)，無砟軌道取0.22 mm(軌道結構外側邊緣位置)。

基床結構動應變滿足長期穩定變形要求，其計算式為：

ε≤Cε

(3)

式中：E——計算動應變；

Cε——臨界應變。

400 km/h高速鐵路基床控制標準參照350 km/h無砟軌道制定，采用動應力、動變形和動應變控制，保證基床結構在列車荷載的作用下不發生強度破壞、動應變不超過規定限值，基床填料處于快速穩定狀態，從而持久保持路基的長期服役性能。

2.2 路基面荷載分布模式及大小

基床結構不同深度處的動應力σ可根據路基面荷載分布模式，按Boussinesq理論計算。在一個轉向架的雙軸荷載作用下，路基面承受的列車荷載可簡化為縱向梯形、橫向均勻的分布模式。因此，高速鐵路無砟軌道路基面車輛荷載可簡化為梯形荷載分布模式[4]，如圖1所示。

圖1 路基面荷載分布模式圖

路基面動應力σs0計算式為：

(4)

式中：φk——動力系數；

P——車輛軸重(kN)；

B——支承層或底座寬度(m)；

W——路基面上單軸載縱向影響范圍的一半(m)；

L——轉向架固定軸距(m)。

動力系數分極限荷載動力系數φk1和常遇荷載動力系數φk2。極限荷載動力系數φk1對路基結構產生極限動力作用，適用于路基結構強度控制設計；常遇荷載動力系數φk2對路基結構的長期服役性能產生影響，適用于路基結構動變形和動應變設計。建立車-軌-路耦合動力學模型，采用99%分位數不平順譜[5]，分析列車在400 km/h和5 km/h速度條件下的基床動應力比值，可得極限動力系數φk1=2.146；采用70%分位數不平順譜，可得常遇荷載動力系數φk2=1.491。

2.3 基床厚度

400 km/h無砟軌道高速鐵路中列車荷載引起的累積變形效應區域定義為路基基床，控制基床以下路基填料的循環應變不超過填料快速穩定狀態應變閾值?；矂討Σ捎们笆鎏菪魏奢d分布模式，取滿載軸重P=17 t，底座寬度B=3.1 m，W=3.5 m，L=2.5 m，驗算路基動應力沿深度分布規律，基于Boussinessq理論計算列車荷載下的路基極限動應力和常遇動應力，路基動靜應力沿深度分布規律如圖2所示。

圖2 400 km/h動靜應力隨深度變化圖

基床厚度不僅與列車動荷載相關，還取決于基床以下路基填料的地基系數K30值。因此，對于400 km/h高速鐵路無砟軌道的基床結構設計，采用結構強度控制和應變控制分析其基床以下路基填料的地基系數，當基床厚度分別為2.3 m、2.7 m、3.0 m時，基床以下路基填料的K30值分別為100 MPa/m、90 MPa/m和80 MPa/m。綜合考慮現行規范要求及成渝中線高速鐵路填料料源性質，選取基床厚度為2.7 m，基床以下路基填料K30值不小于90 MPa/m。

2.4 400 km/h條件下路基基床結構設計標準

采用動力仿真及基床結構分析方法，得出列車荷載作用下400 km/h高速鐵路的基床結構設計標準[6]。

(1)路基基床結構表層采用級配碎石、底層采用A、B組填料的結構型式時，相對350 km/h無砟軌道高速鐵路，在400 km/h條件下，路基基床動應力增大，基床底層地基系數應滿足K30≥150 MPa/m，基床結構應滿足的標準如表2所示。

表2 400 km/h條件下基床結構設計標準表(一)

(2)結合成渝中線高速鐵路區域地質、氣象特點，對全斷面瀝青混凝土強化表層基床在400 km/h條件下的適應性和設計參數進行分析研究。采用0.1 m瀝青混凝土強化基床表層的結構型式時，400 km/h基床結構為0.1 m瀝青混凝土+0.3 m級配碎石層+2.3 m基床底層，基床底層地基系數應滿足K30≥145 MPa/m，全斷面瀝青混凝土表層強化基床結構設計標準如表3所示。

表3 400 km/h條件下基床結構設計標準表(二)

因此，成渝中線高速鐵路基床結構采用表層0.4 m 厚級配碎石+底層2.3 m厚A、B組填料的結構型式，選取局部段落進行0.1 m厚全斷面瀝青混凝土強化基床表層的試驗研究。

3 工后變形控制標準

工后變形是指鋪軌完成、驗收合格后路基自身以及地基產生的變形量。從變形來源分析，主要有列車作用下基床自身變形、路基本體在自重作用下的固結變形和地基在列車與路基作用下的固結變形。

350 km/h無砟軌道路基地段工后沉降應滿足扣件調整和線路豎曲線圓順的要求，扣除施工引起的誤差和列車動載引起的動變形[7]，工后沉降一般不應超過15 mm；沉降比較均勻路基工后沉降的限制為30 mm，且調整軌面高程后的豎曲線半徑應滿足：

Rsh≥0.4ν2sj

(5)

式中：R——軌面圓順的豎曲線半徑；

νsj——最高設計速度。

差異沉降不應大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于1/1 000。

根據路基基床控制標準，基床結構動應變需滿足在列車循環荷載作用下基床填料處于快速穩定狀態，即在列車循環荷載作用下基床不發生長期累積變形。在此前提下，列車時速提升引起的列車動力作用增加不會對路基工后沉降造成影響，因此400 km/h工后沉降控制標準可沿用350 km/h的設計標準，即工后沉降一般地段不應大于15 mm，路橋、路隧、路涵交界處的差異沉降不應大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于 1/1 000。

4 過渡段形式

路基與其他構筑物、不同路基結構、不同地基處理形式間可能存在變形或剛度差異時均需設置過渡段。

4.1 現行規范標準

根據TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》設計要求，350 km/h無砟軌道高速鐵路一般采用倒梯形過渡段，填料采用級配碎石摻3%水泥填筑，壓實標準按壓實系數K≥0.95、地基系數K30≥150 MPa/m、動態變形模量Evd≥50 Mpa控制。路橋分界處沉降差異造成的錯臺不大于5 mm，不均勻沉降造成的折角不大于 1/1 000，橋臺臺背過渡段梯形底部沿線路方向長5.0 m。

4.2 400 km/h過渡段設計標準

過渡段支撐剛度變化對過渡段動力學性能影響不大，過渡段工后沉降差引起的軌面彎折變形對行車的影響十分顯著，是影響平順性的主要控制因素[8-9]?，F有過渡段在橋臺臺背處無法進行大型機械碾壓施工，采用小型機械夯實又難以滿足標準要求，易出現沉降控制指標超限(不滿足差異沉降折角不得大于 1/1 000要求)。

當列車運行速度提高至400 km/h時，軌面不平順所引起的動力作用更大。為避免路橋分界處產生差異沉降，減小不均勻沉降造成的折角，可在橋臺臺后設置鋼筋混凝土搭板，如圖3所示。CRTSⅢ型軌道板搭板的優選值為9.872 m。

L-過渡段長度；H-臺后路堤高度；h-基床表層厚度；a-過渡段梯形底部沿線路方向長度，取5.0 m；n-常數，不小于2；l-兩塊軌道板結構的長度圖3 橋路過渡段設計圖

除橋路過渡段外，400 km/h高速鐵路其他過渡段設計原則與350 km/h一致。

4.3 短路基設計

“遂渝線兩橋(隧)之間短路基設計參數試驗研究”指出： 250～300 km /h高速鐵路兩橋(隧)之間短路基長度小于60 m時，應按全長等剛度剛性路基設計[10]。動力學仿真計算結果顯示， 400 km/h條件下，短路基車體垂向加速度、輪軌力和輪重減載率3個控制指標均有所增大，但未超過限制值。因此， 400 km/h 高速鐵路橋橋(隧)之間路基應控制差異沉降，減小剛度變化，避免橋橋(隧)頻繁過渡，設計措施可采用級配碎石、混凝土填筑或樁板結構加固等方式。

5 路肩支擋工程

路肩支擋工程結構在各種荷載組合作用下應滿足強度、穩定性和耐久性的要求，結構類型的選擇及設置位置的確定應安全可靠、經濟合理，便于施工、維修、養護[11]。2019年頒布的《鐵路路基支擋設計規范》取消了速度目標值和鐵路等級的限制，但路肩支擋結構適用范圍為速度350 km/h及以下高速鐵路。

5.1 路肩擋墻控制標準

TB 10025-2019《鐵路路基支擋結構設計規范》采用總安全系數法設計擋土墻，期抗滑動穩定性和抗傾覆穩定性控制條件為：

(6)

(7)

式中：Kc——抗滑動安全系數；

R——總抗滑力(kN)；

T——總滑動力(kN)；

K0——抗滑動安全系數；

My——總的抗傾覆力矩(kN·m)；

M0——總的傾覆力矩(kN·m)。擋土墻穩定性安全系數如表4所示。

表4 擋土墻穩定性安全系數表

5.2 400 km/h路肩擋土墻適應性研究

400 km/h列車荷載作用下，路肩擋土墻墻背土壓力增大，擋土墻側向變形引起的路基面附加沉降變形相應增加。為判定現行高速鐵路路肩擋土墻設計標準在400 km/h條件下的適用性，利用FLAC3D有限差分軟件，以6 m重力式路肩擋土墻為例，梯形雙軸荷載作用模式為設計工況，以梯形雙軸荷載縱向中心處沿路基橫斷面方向平面為對稱面，建立有限差分對稱模型進行計算分析。

列車荷載作用下，擋土墻滑動或繞墻趾轉動引起軌道結構外側邊緣和軌道結構中心對應位置處路基基床跟隨變形。以0.22 mm變形限值為控制標準，分析400 km/h條件下擋土墻抗滑動安全系數、抗傾覆安全系數與基床動變形的關系，得到以下結論：雙線重力式路肩擋土墻抗滑移安全系數為1.30；抗傾覆安全系數為1.6～1.7。

400 km/h條件下，重力式路肩擋土墻抗傾覆安全系數大于現行規范正文要求，但滿足條文說明的規定。因此，400 km/h高速鐵路重力式路肩擋墻抗滑移安全系數取1.5，抗傾覆安全系數取1.8。

6 路橋類型設計原則

傳統認知認為橋梁比路基工程投資高，鐵路以路基方案通過為選線首選原則。然而，隨著經濟的發展，土地資源保護意識和自然環境保護逐步增強，對鐵路橋路工程投資的理解也在發生改變。

以成渝中線高速鐵路6.0 m填高的路堤為例，因填料匱乏，價購合格AB組填料的綜合單價為 266元/m3，級配碎石的綜合單價為420元/ m3，用地的綜合單價為25.4萬元/畝。區間路基雙線路堤用地指標68.1畝/km，橋梁用地指標27.5畝/km，路橋投資對比分析如表5所示。

路基靜態投資的主要影響因素為土石方，填料單價直接影響路基公里指標。

結合過渡段設計標準，成渝中線高速鐵路路橋劃分原則為：(1)400 km/h高速鐵路軌道平順性要求更高，宜減少橋橋(隧)之間頻繁過渡；(2)差異沉降較大或不均勻沉降造成折角不滿足要求的地段，原則上以橋代路；(3)基底地質情況良好地段，橋路分界高度一般為8.0 m，城市附近為6.0 m，軟土、松軟土地段橋路分界高度一般為6 m，深厚軟基難以控制沉降地段原則上以橋通過；(4)考慮用地影響因素，填方地段宜以橋梁工程通過。

7 結論

本文通過對400 km/h路基基床、過渡段、支擋結構等主要技術標準進行探討，得出以下主要結論：

(1)400 km/h高速鐵路采用5.0 m線間距可滿足設計要求，此時其路基面寬度為13.6 m。

(2)400 km/h條件下，若基床采用表層0.4 m厚級配碎石+底層2.3 m厚A、B組填料的結構型式，基床底層K30≥150 MPa/m；若基床表層采用0.1 m瀝青混凝土+0.3 m級配碎石層+2.3 m基床底層的結構型式，基床底層K30≥145 MPa/m。

(3)400 km/h高速鐵路過渡段以控制差異沉降為主，橋路過渡段宜設置鋼筋混凝土搭板，其他過渡段設計與350 km/h高速鐵路一致。短路基可采用C25混凝土填筑或樁板結構加固，以消除差異沉降。

(4)400 km/h條件下，路肩擋土墻抗滑移安全系數取1.5，抗傾覆安全系數取1.8。

(5)綜合考慮線路平順性和投資等因素，土地資源匱乏且需遠運優質填料的山區高速鐵路，填方地段宜以橋梁通過為主。