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1、客运专线路基设计施工关键技术设计施工关键技术岳祖润石家庄铁道学院石家庄铁道学院目录目录l一、国内外高速铁路路基发展现一、国内外高速铁路路基发展现状状l二、铁路客运专线路基基床结构二、铁路客运专线路基基床结构设计设计l三、客运专线路基施工工艺三、客运专线路基施工工艺l四、客运专线工后沉降控制四、客运专线工后沉降控制l五、客运专线路基加固五、客运专线路基加固l六、客运专线桥涵过渡段六、客运专线桥涵过渡段l一、国内外高速铁路路基一、国内外高速铁路路基发展现状发展现状l1.高速铁路路基的要求高速铁路路基的要求l2.国外高速铁路路基国外高速铁路路基l3.国内客运专线的发展国内客运专线的发展1）基床的强度
2、高、刚度大；2）地基沉降很小或没有沉降；3）路基刚度纵向平顺变化；4)良好的耐久性。1.高速铁路路基要求高速铁路路基要求由于我国以往的铁路工程对路基的重视程度不够，使得近年来铁路路基出现的质量问题越来越明显，发生了许多安全事故，造成了严重的经济损失。高速铁路路基要求 随着秦沈客运专线的建设，人们对路基的研究和重视程度也在逐步提高，现在，路基在铁路工程中已明确被作为“土工结构物”来看待，路基工程的地位已得到明显提高。1）、强度高刚度大 一般铁路路基是以强度控制设计，而对于高速铁路，变形控制是路基工程设计的主要控制因素。因为在强度破坏前，可能已出现了不容许的过大变形。1）、路基刚度的均匀性 列车速
3、度越高，要求路基的刚度越大，弹性变形越小。但刚度过大也会使列车振动加大，也不能平稳运行。路基刚度的不平顺则会给轨道造成动态不平顺，所以，要求路基在线路纵向做到刚度均匀、变化缓慢，不允许刚度突变。2）、路基沉降变形主要包括三个方面：列车行驶中路基面产生的弹性变形；长期行车引起的基床累积下沉；路基本体填土及地基的压缩下沉。2）、沉降引起轨道几何平顺性 高速铁路对轨道的平顺性提出了更高的要求，而路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车荷载的基础，它也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节，路基几何尺寸的不平顺，自然会引起轨道的几何不平顺。3）、轨道平顺性 因此，高速铁路路基除应具备一
4、般铁路路基的基本性能之外，还需要满足高速铁路轨道对基础提出的性能要求。不仅要求静态平顺，而且还要求动态条件下平顺。4 4）、在列车运行及自然条件下的稳定性）、在列车运行及自然条件下的稳定性 列车运营时路基不仅承受轨道结构和附属构筑物的静荷载，还要承受列车荷载的长期反复作用。同时，由于路基直接暴露在自然条件下，需要抵抗气温变化、雨雪作用、地震破坏等不良因素的影响。4 4）、在列车运行及自然条件下的稳定性）、在列车运行及自然条件下的稳定性 路基工程必须在这些条件的长期作用下，其强度不会降低、弹性不会改变、变形不会加大。真正做到长寿命，少维修。只有这样，才能高速行车，减少维修费用，并增加运行的安全性
5、。国外高速铁路路基构造要求国外高速铁路路基构造要求 l强化路基基床 l严格控制路基填筑标准 l沉降控制 l加强路基的防排水措施，加强边坡和灾害的防护 国外高速铁路路基构造要求国外高速铁路路基构造要求 重要启示：在基床表面设置防水设施是十分必要的。国外高速铁路发展已经做过了漫长的道路，走过了很多弯路，积累了一些成熟的经验值得借鉴。强化基床表层防水是各国高速铁路的共同特点，只是采用的方式不一样。有的是路基面硬化层，兼有防水效果，如日本；有的是直接设置隔水层，如德国和法国。3.3.我国客运专线的发展我国客运专线的发展 我国在九十年代的“八五”、“九五”时期，就对高速铁路展开了大规模研究。现行客运专线
6、铁路路基的技术标准及主要参数，是在上述研究成果的基础上，吸收了国外高速铁路路基施工和建设的经验；在设计过程中借鉴、消化、吸收了国外铁路设计新方法和新标准；结合秦沈线的实际情况，并经有关部门多次组织国内专家的论证而最终确定的。秦沈客运专线路基l 客运专线的主要特点：高速、舒适、安全、准客运专线的主要特点：高速、舒适、安全、准时的运送旅客。这一特点需要高度平顺和稳定的时的运送旅客。这一特点需要高度平顺和稳定的轨下基础。轨下基础。l 路基设计和施工是关键。秦沈客运专线采取的路基设计和施工是关键。秦沈客运专线采取的技术措施：路基按结构物设计，严格选择路堤填技术措施：路基按结构物设计，严格选择路堤填料，
7、提高路基填筑强度与密实度，控制路基工后料，提高路基填筑强度与密实度，控制路基工后沉降，重视路基的强度、刚度和过渡段的施工质沉降，重视路基的强度、刚度和过渡段的施工质量，严格控制施工工序和施工质量监测。量，严格控制施工工序和施工质量监测。l 地基处理措施：地基处理措施：l 路堤基底铺设渗水土或砂垫层；路堤基底铺设渗水土或砂垫层；l 松软土层以塑料排水板、袋装砂井、砂桩、碎松软土层以塑料排水板、袋装砂井、砂桩、碎石桩处理，必要时，结合填土预压；石桩处理，必要时，结合填土预压；l 软土层以粉喷桩、搅拌桩、或旋喷桩处理；软土层以粉喷桩、搅拌桩、或旋喷桩处理；l 液化地基以砂桩、碎石桩处理。液化地基以砂
8、桩、碎石桩处理。客运专线路基松软地基里程松软地基里程铺轨后第一年沉降速率铺轨后第一年沉降速率 （cm/year）铺轨后第二年沉降速率铺轨后第二年沉降速率 （cm/year）DK265+23000.018 +2700.60.013 +3450.30.025 +3600.60.02 +4000.60.025 +4400.10.018 +56000.008 +6000.60.013 +6400.40.005 +6800.30.02秦沈客运专线路基l 1999年年8月月16日正式开工。日正式开工。l 2002年年12月月31日全线建成。日全线建成。l 2003年年1月月1日全线联调和动车组试运日全线联
9、调和动车组试运l行满足设计要求。行满足设计要求。l 全线总投资全线总投资161.2亿元。亿元。l 综合指标综合指标3984万元万元/公里。公里。秦沈客运专线工期及投资l 为给时速为给时速300公里客运专线设计、施工和技术公里客运专线设计、施工和技术装备选型提供技术储备，选择了山海关至绥中北装备选型提供技术储备，选择了山海关至绥中北区间区间66.8公里综合试验段。最小曲线半径公里综合试验段。最小曲线半径5500米，米，路基不同处理措施，不同类型的桥梁，沙河、狗路基不同处理措施，不同类型的桥梁，沙河、狗河特大桥无碴轨道，接触网采用镁铜导线，下行河特大桥无碴轨道，接触网采用镁铜导线，下行线为全补偿简
10、单链形悬挂，上行线为全补偿弹性线为全补偿简单链形悬挂，上行线为全补偿弹性链形悬挂。链形悬挂。秦沈客运专线高速综合试验l 2001年年12月，采用月，采用“神州号神州号”内燃动车组，内燃动车组，2M+4T编组，试验最高速度编组，试验最高速度210.7公里公里/小时。小时。l 2002年年9月，采用月，采用“先锋号先锋号”动力分散型动车动力分散型动车组，组，4M+2T编组，试验最高速度编组，试验最高速度292公里公里/小时。小时。l 2002年年11月月-12月，采用月，采用“中华之星中华之星”动力集动力集中型电动车组，中型电动车组，2M+9T编组，试验最高速度编组，试验最高速度305.9公里公里
11、/小时；小时；2M+3T编组，试验最高速度编组，试验最高速度321.5公公里。里。l 结论表明：中国铁路已进行了客运专线工程、结论表明：中国铁路已进行了客运专线工程、运营实践，秦沈客运专线达到了预期目标。运营实践，秦沈客运专线达到了预期目标。秦沈客运专线高速综合试验一、基本情况一、基本情况重重要要奖奖项项特色研究方向特色研究方向l隧道和地下工程施工新技术；隧道和地下工程施工新技术；l新型桥梁施工监测关键技术；新型桥梁施工监测关键技术；l桥梁抢修与应急结构工程；桥梁抢修与应急结构工程；l地基变形与加固处理信息化技术；地基变形与加固处理信息化技术；l土工合成材料工程应用研究；土工合成材料工程应用研
12、究；l地质超前预报与防灾减灾研究。地质超前预报与防灾减灾研究。跟踪国家重点工程建设，参与重跟踪国家重点工程建设，参与重大项目的科学研究，是试验中心大项目的科学研究，是试验中心近年来的主攻方向近年来的主攻方向三项重点课题，累计经费三项重点课题，累计经费150150万万l利用二布一膜加固路基研究利用二布一膜加固路基研究l缓和曲线竖曲线合理选型缓和曲线竖曲线合理选型l2424m m箱梁振动特性研究箱梁振动特性研究秦秦沈沈客客运运专专线线五项重点课题总经费460万 l青藏铁路冻土路基沉降变形预测试验研究l青藏铁路多年冻土地区沼泽路基稳定性研究l青藏铁路隧道施工机械性能及配套技术研究l青藏铁路隧道施工通
13、风技术及施工温度场研究l青藏铁路轨道不平顺及养护工艺研究青青藏藏铁铁路路发挥地域优势，积极拓展省内发挥地域优势，积极拓展省内的合作领域的合作领域l南南水水北北调调工工程程石石家家庄庄西西明明渠渠与与引引水水隧隧洞洞比选研究比选研究l南水北调大型渡槽架设施工技术研究南水北调大型渡槽架设施工技术研究南南水水北北调调两项重点课题总经费100余万元l省交通厅立项的“20米足尺折线先张梁力学性能试验”l石家庄市第一座斜拉桥的计算机模拟力学分析和施工控制研究项目l净化水项目l省自然科学基金等项目面面向向河河北北发挥铁路行业的专发挥铁路行业的专业特长，巩固在铁路业特长，巩固在铁路建设中的骨干作用建设中的骨干
14、作用2003年获得河北省科技进步一等奖 l改善施工环境l加强劳动保护，l有效地提高了隧道施工的安全性l明显加快了施工进度 l通风管厂每年的经济效益过亿元长长达达隧隧道道通通风风l20032003年获得河北省科技进步二年获得河北省科技进步二等奖。等奖。l大大降低对繁忙干线运营的干大大降低对繁忙干线运营的干扰，比传统方法节约扰，比传统方法节约70%70%的时间的时间l据北京铁路局的统计，为国家据北京铁路局的统计，为国家节省资金几千万元。节省资金几千万元。铁铁路路繁繁忙忙干干线线桥桥梁快速换架技术梁快速换架技术l拼装式龙门吊；拼装式龙门吊；l对梁、道碴和轨道整体拆装；对梁、道碴和轨道整体拆装；l操作
15、空间大，占时少操作空间大，占时少l采用有轨和轮胎式运梁车互补运输采用有轨和轮胎式运梁车互补运输l多点同时作业。多点同时作业。加强与企业的横向联合。科加强与企业的横向联合。科研人员始终坚持面向企业、面研人员始终坚持面向企业、面向施工第一线，以解决生产中向施工第一线，以解决生产中的实际问题为方向，使科研成的实际问题为方向，使科研成果尽快转化为生产力。果尽快转化为生产力。拉西瓦黄河大桥钢管混拉西瓦黄河大桥钢管混凝土拱桥施工监控凝土拱桥施工监控l主主拱拱肋肋最最大大吊吊装装重重量量3535t t。结结构复杂，技术难度大。构复杂，技术难度大。l试试验验对对其其进进行行全全过过程程施施工工控控制制，并进行
16、了有限元仿真预测。并进行了有限元仿真预测。l确确保保了了施施工工安安全全和和顺顺利利高高精精度度合拢合拢l拉拉西西瓦瓦水水电电站站黄黄河河大大桥桥已已于于2003年年10月通车运营月通车运营。l主主桥桥为为上上承承式式钢钢管管混混凝凝土土拱拱桥桥，主主跨净跨跨净跨132132m m。兰州市小西湖黄河兰州市小西湖黄河大桥施工监控大桥施工监控l双向六车道。一次张拉到位。双向六车道。一次张拉到位。l主梁的施工采用悬臂灌注法，主梁的施工采用悬臂灌注法，l施工难度大，要求合拢精度高。施工难度大，要求合拢精度高。l开发出专用的软件用于施工控制。开发出专用的软件用于施工控制。l预预应应力力混混凝凝土土双双塔
17、塔单单索索面面部部分分斜拉桥，桥长斜拉桥，桥长300300m m。l使使该该桥桥于于20032003年年9 9月月以以高高精精度度顺顺利竣工。利竣工。实力雄厚的专业能力调整专业 室所合并 健全规章岩土与结构实验中心结构工程实验室地下工程实验室土工实验室建筑材料实验室道路实验室水利学实验室工程地质实验室测量实验室国防交通研究所抢修教研室结构工程研究所结构设计教研室地下工程研究所地下工程系防灾减灾研究所工程地质系桥梁工程研究所桥梁工程系图图1 1 岩土与结构实验中心机构设置岩土与结构实验中心机构设置集中式和分布式两用高分辨率地震仪集中式和分布式两用高分辨率地震仪面波速度剖面面波速度剖面地震反射剖面
18、地震反射剖面地质雷达检测衬砌中钢筋分布图地质雷达检测衬砌中钢筋分布图二、铁路客运专线路基基床结构设计原理二、铁路客运专线路基基床结构设计原理l1、动力测试试验成、动力测试试验成l2、基床设计方法、基床设计方法测试目的与内容测试目的与内容通过测试路基在高速列车作用下的动力反应，检验两种不同填料的路基动力特性。包括基床稳定性、动刚度及其对列车竖向加速度的影响。评价C类土填筑高速铁路路基的可行性。主要测试内容为：测试列车运行条件下基床的动应力、动变形、动刚度、竖向加速度；测试列车运行条件下二布一膜的动应力和动变形特性。压力盒动力标定压力盒动力标定v土土压压力力盒盒的的选选型型与与标标定定。根根据据详
19、详细细调调研研，选选择择了了注注油油式式和和柱柱塞塞式式土土压压力力盒盒，进进行行了了室室内内扫扫频频标标定。定。v标标定定表表明明上上述述两两种种土土压压力力盒盒在在要要求求的的频频带带内内的的频频响响特特性性优优良良，均均能能够够满满足足路路基基振动测试的要求振动测试的要求土压力盒频响标定设备土压力盒频响标定设备压力盒动力标定压力盒动力标定v土土压压力力盒盒的的选选型型与与标标定定。根根据据详详细细调调研研，选选择择了了注注油油式式和和柱柱塞塞式式土土压压力力盒盒，进进行行了了室室内内扫扫频频标标定。定。v标标定定表表明明上上述述两两种种土土压压力力盒盒在在要要求求的的频频带带内内的的频频
20、响响特特性性优优良良，均均能能够够满满足足路路基基振动测试的要求振动测试的要求土压力盒频响标定曲线土压力盒频响标定曲线拾振器和位移计标定拾振器和位移计标定v加加速速度度拾拾振振器器的的作作用用是是测测试试路路基基面面上上的的加加速速度度和和相相对对动动位位移移。为为了了检检验验拾拾振振器器性性能能，对对其其进进行行了了室室内内频频响响标标定定和和现现场场预预演演。室室内内频频响响标标定定选选择择不不同同频频率率和和振振幅幅，在在专专用用振振动动台台上上进行进行加速度计室内标定装置加速度计室内标定装置现场预演现场预演v现现场场预预演演的的目目的的是是模模拟拟现现场场测测试试，检检验验测测试试仪仪
21、器器的的工工作作状状态态、外外部部干干扰扰、熟熟悉悉现现场场测测试试操操作作，确确保保现现场场测测试试的的可可靠靠度度。室室外外预预演演在在铁铁道道学学院院校校园园外外西西侧侧京京广广线线上上进进行。行。传感器布置与测试传感器布置与测试根据测试目的要求，三个断面布设土压力盒29个；加速度拾振器18个；位移计2个；二布一膜应变片20个。测试布置测试布置4、加速度拾振器布置。主要布置在路基面，横断面方向的位置有：外碴脚、外轨下、线路中心、内轨下和内碴脚。用于测试路基面在列车作用下的竖向加速度、速度和动位移。加速度计 测试布置测试布置5、路基面动位移测试位移计布置。在路基面钻孔，在钻孔中设置固定基准
22、桩，桩外设置护管，在固定基准桩上安装电阻应变式位移计，测试外轨下路基面的位移，用于动刚度计算固定基准桩及其一阶振型固定基准桩及其一阶振型二布一膜动变形测试分析二布一膜动变形测试分析时速249公里列车作用下的二布一膜动应变路基面动位移测试分析路基面动位移测试分析图10时速200公里通过时的路基面动位移时程动应力测试分析动应力测试分析图11时速201公里时路基面动应力时程曲线动应力测试分析动应力测试分析路基面动应力均值及其冲击系数路基面动应力均值及其冲击系数动应力均值静压力均值冲击系数均值先锋号58.9中华之星49.6421.18奥星63.447.41.33表1 路基动应力(kPa)序号工况土压力
23、盒埋设位置DK274+800断面DK274+920断面DK275+000断面车头车尾车头车尾车头车尾92002年12月05日9时35分，中华之星+4节车厢，下行线下行,车速为212km/h1路基面上里碴脚33.97/65.23/59.88/2路基面上线路中线7.42/42.96/16.47/3路基面上外碴脚15.16/83.95/58.88/4基床表层底面里碴脚16.37/5基床表层底面内轨下17.46/6基床表层底面外轨下13.78/7基床表层底面外碴脚5.45/102002年12月05日10时34分，奥星+4节车厢+中华之星，下行线上行,车速约为200km/h1路基面上里碴脚42.0734
24、.5389.7679.5965.5952.512路基面上线路中线11.549.5553.9547.1017.8715.133路基面上外碴脚25.8919.48116.63106.5463.5558.884基床表层底面里碴脚21.0517.44/5基床表层底面内轨下22.4918.65/6基床表层底面外轨下20.9617.16/7基床表层底面外碴脚9.047.30/序号工况车速km/h传感器埋设位置DK274+800DK274+920DK275+000位移计891拾振器（位移档）位移计891拾振器（位移档）891拾振器（位移档）外轨下0.2360.1440.2290.2370.2359中华之星+
25、4节车厢,绥中北沈阳212内轨下/0.034/线路中/0.251/外轨下0.1680.140.245无信号0.17110奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/线路中/0.242/外轨下0.1350.1200.190无信号0.21111中华之星+4节车厢,绥中北沈阳237内轨下/0.027/线路中/0.260/外轨下0.1960.1650.2900.2300.18113奥星+4节车厢+中华之星，沈阳绥中北200内轨下/0.04/线路中/0.226/外轨下0.1620.1290.190无信号0.219动应力特性动应力特性 经过对所有测试结果的统计，路基面动应力最大值为84kPa，小于暂
26、规提出的基床表层设计值93kPa。测试成果测试成果 路 基 面 的 动 位 移 在 0.2mm-0.3mm附近。实测的路基最大动应力低于暂规中提出的设计参考值。3.5mm。测试成果测试成果7.5中华之星牵引奥星行驶时，B类土路基面加速度一般在7-13m/s2之间，C类土路基面加速度一般在4-11m/s2之间；B类土路基面加速度一般大于C类土路基面加速度。奥星牵引中华之星行驶时，奥星所引起的路基面加速度较大，一般在4-28m/s2之间，为中华之星的2-3倍。测试成果测试成果7.6试验点的卓越振动频率：B类土路堤约为3.5Hz；C类土路堤约为5.9Hz。由此可见，不同填料的路堤，动力性能差别较大。
27、列车的激励频率如果与卓越频率接近或重合，会引起路基共振。列车动应力与轴重的关系列车动应力与轴重的关系列车动变形与车速的关系列车动变形与车速的关系动应力沿深度的衰减2、基床设计方法、基床设计方法 路堤试验段实测基床动应力与轴路堤试验段实测基床动应力与轴重和行车速度之间存在以下关系：重和行车速度之间存在以下关系：=2.4P(1+8.3x10-5v)。=2.6P 准静态准静态(车速车速5kmh)时。时。然后根据应力分布和沉降要求确然后根据应力分布和沉降要求确定基床厚度。定基床厚度。三、客运专线路基施工工艺三、客运专线路基施工工艺1、路基构造2、规范演变3、路基填筑工艺试验4、路基填筑工艺流程及技术要
28、点5、Evd试验检测简介1、路基构造、路基构造2、规范演变、规范演变l补充了检测标准补充了检测标准l增设了强化层增设了强化层l提高了填料规格提高了填料规格l完善了过渡段形式完善了过渡段形式l提高了工后沉降要求提高了工后沉降要求3、填筑试验、填筑试验3、填筑试验、填筑试验3、填筑试验、填筑试验关于击实标准的思考关于击实标准的思考l击实仪器的改进击实仪器的改进l大于大于40mm粒径的击实方法）粒径的击实方法）4、填土施工工艺流程、填土施工工艺流程表层级配碎石制备表层级配碎石制备表层级配碎石填筑施工表层级配碎石填筑施工场拌施工场拌施工路拌施工路拌施工5、Evd试验检测简介试验检测简介四、客运专线工后
29、沉降控制四、客运专线工后沉降控制l1、设计计算、设计计算l2、地基处理措施、地基处理措施l3、沉降观测与沉降预测方法、沉降观测与沉降预测方法l4、沉降控制动态设计、沉降控制动态设计1设计计算设计计算2地基处理措施地基处理措施l浅层处理浅层处理l深层处理深层处理l复合地基复合地基3沉降观测与沉降预测沉降观测与沉降预测l沉降观测沉降观测l沉降预测沉降预测沉降预测沉降预测沉降预测沉降预测l工后沉降预测采用双曲线法。沉降与时间的关系工后沉降预测采用双曲线法。沉降与时间的关系可表示为：可表示为：l变换为直线形式：变换为直线形式：l根据式（根据式（5）变换测试数据，得到一组直线。则）变换测试数据，得到一组直线。则1/b即为最终沉降量。见图即为最终沉降量。见图4-12。根据最终沉降量。根据最终沉降量和图和图4-11中的竣工沉降量，就可求出预测工后沉中的竣工沉降量，就可求出预测工后沉降值。降值。沉降预测沉降预测信信息息化化施施工工技技术术图4-13五、客运专线路基加固五、客运专线路基加固六、客运专线桥涵过渡段六、客运专线桥涵过渡段