高速铁路软土地基路基沉降稳定分析及工后沉降预测

朱建辉

中铁二院土建二院路基所四川成都610031

摘要：我国的高铁技术已经相当的成熟，在世界上，在高铁界享誉美名，不过我国的成功也是经历了一番磨难，也是在大量的论证之后发展到了今天的水平，不仅如此我国在高铁地基沉降方面也有着深厚的造诣，都是我们的一线工作者和策划者智慧的结晶。

关键词：高铁；路基沉降；控制路基沉降

引言

我国经过了十几年的的高铁建设和对原有铁路的改造，已经拥有全世界最大规模和运营速度最快的高铁网络。我国的高速铁路能有这样的长足发展并不是一帆风顺的，而是经过了攻克一个个技术瓶颈，全体成员不懈努力的成果。我国的高铁凭借着建设速度快、成本低、可靠性高的优点在世界上的的很多国家非常的受欢迎，不仅如此，我们的高铁一步步的发展到今天的水平是有着充分的轮着基础的[1]。

1.高速铁路路基沉降对铁路和对工期的影响

高速铁路的路基如果沉降过于严重对铁路的本身危害非常大，高速铁路要为列车的高速行驶提供一个平、顺和稳定的铁轨基础，而路基作为轨道结构的基石，必须在列车运行条件下将线路轨道的沉降百分比保持在要求的标准范围之内，这无疑就是对高速铁路的路基沉降稳定性提出了更高的要求，所以当高速铁路通过软土地基时，地基沉降的稳定性以及工后沉降的预测就成了高铁基设计和施工的关键。路基是铁路的基础，路基的沉降一定会引起铁轨的不平整，导致铁路存在很多安全隐患和害处，其中比较突出的就是起拱、波浪、接缝不水平、碾压车辙、桥头和涵洞端路基沉降、桥梁伸缩缝的跳车等等，严重破坏和影响了列车的快速安全运行[2]。不仅不能满足于客运的要求，而且还会加大运输成本，增加运输时间，增加养护维修费用，减少使用寿命，降低社会经济效益，降低旅客舒适度，危及行车安全等。路基的沉降会给施工难度和施工强度带来很大的困难，在铁轨的铺设时还要调整路基达到一致的高度，并且还需要考虑将来列车运行时不同时间段不同路段和不同地质情况的不同沉降量，会对施工的效率大打折扣。

2.如何控制路基沉降

接下来我们来说一说我国对轨道路基沉降的控制理念，在自重和列车的长期作用下，铁路的路基避免不了会产生一定的下沉变形，从时间而言，路基的沉降可分为路基在填筑过程中至竣工验收前所产生的沉降，以及路基在铺轨完成后所产生的沉降即所谓工后沉降。路基施工沉降是在路基施工过程中产生的沉降，不怎么会影响实际的工程实施，因为要填筑到设计标高后，才会进行铺轨工程的施工。工后沉降是指在铺轨工程全部结束后，整个路基结构产生的沉降，即为路基最终沉降量与铺轨完成时已有沉降量之差。由于工后沉降是指铺设轨道后出现的，因而不能通过控制路基工程本身加以克服的沉降，将会对后期的运营产生较大的影响，是对路基沉降的重点控制对象。通常来说，铁路路基工后沉降一般分为三个步骤，（1）路基填土在自重及上部压力的作用下产生的压密沉降；（2）路基基床在动荷载作用下的弹性变形和累积塑性变形；（3）地基在轨道、路堤自重及列车作用下的残余沉降。第一部分的沉降和路基的填料和压实质量有密切关系，从国外高速铁路的经验和实测资料可以看出，路堤填土的压实压密沉降主要是与路基填筑施工的压实密度相关，该部分沉降一般在路基竣工后一年时间内完成，若施工组织安排妥当，并有一定的放置工期，路基本体的压密沉降可不计入工后沉降。第二部分沉降与列车自重、运行频率、轨道结构以及基床质量有关，由于高速铁路对路基基床结构提出了特殊要求，在列车动荷载作用下一般小于5mm；第三部分是工后沉降的主要组成部分，特别是当地基为软弱粘性土时，沉降量大完成时间长，如果不采取有效的控制措施，下沉量高达数十厘米，时间长达数十年，因此控制路基沉降主要是控制地基的工后沉降。

3.我国对沉降采取主要方法

在天然地基无法满足结构物稳定或沉降要求时就需要对其进行地基处理。目前我国京石、石武、成灌、西宝、贵广等多条高铁线常用的路基地基处理方法有以下几种。

（1）换填垫层法

换填垫层法就是指全部或部分挖除软土，换填砂、砾、卵石、片石等渗水性材料或强度较高的黏性土、灰土等。换填厚度根据置换软弱土的深度以及下卧土层的承载力确定，厚度一般为0.5m~3m。垫层法施工时，应先将处理的湿陷性软土挖出，然后利用挖出的粘性土或其他粘性土作为原料经过筛分后，在最佳含水量的状态下，将其分层回填夯实，单层最大铺设厚度不得大于30cm。

（2）水泥土搅拌桩复合地基

水泥搅拌桩复合地基作为地基加固新技术之一，水泥土搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土、粉土、粉细砂、中粗砂、饱和黄土等土层，利用水泥作为固化剂的主体，通过搅拌机械，将地基土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土之间所产生的一系列物理和化学反应，使土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体，借鉴以前的地基处理的成功经验，提出了深层搅拌法加固饱和软土地基的方法，加固后的地基承载力可提高一倍以上，工程费用比常用的混凝土灌注桩低20到25％，经济效益明显[3]。

（3）旋喷桩复合地基

旋喷桩兴起于二十世纪七十年代的高压喷射注浆法，八、九十年代在全国得到全面发展和应用。实践证明此法对处理淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等有良好的效果。

旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得20～40MPa的能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使地基得到加固。施工中一般分为两个工作流程，即先钻后喷，再下钻喷射，然后提升搅拌，保证每米桩浆土比例和质量。

（4）水泥粉煤灰碎石桩复合地基

水泥粉煤灰碎石桩简称CFG桩，适用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土地基，是在碎石桩的基础上发展起来的，以一定配合比率的石屑、粉煤灰和少量的水泥加水拌和后制成的一种具有一定胶结强度的桩体。CFG桩因其在沉降方面具有独特优势，已成为高速铁路地基加固广泛应用的方法。

（5）桩板结构

对于深厚软弱地基、湿陷性黄土地基、桥隧间短路基过渡段等基础变形控制严格的地段可以采用桩板结构。桩板结构是一种能很有效控制沉降的一种方法，其造价较高，在无砟轨道铁路上有适当应用。

桩板结构由钢筋混凝土桩、托梁和承载板，或钢筋混凝土桩和承载板组成，桩一般选用机械成孔灌注桩，也可以采用预制打入（压入）桩。

（6）孔内深层强夯挤密法

它是先成孔，再向孔内填料以重锤在孔内进行冲击夯实，使填料向孔周侧向挤压，而形成一种复合地基，其特点：加固深度大、夯击能量大、桩体是不等径串珠状、填充材料很广泛。

（7）冲击压实技术

冲击压实技术主要是利用运动中的三叶或五叶凸形轮来产生瞬间的竖向振动荷载，振动荷载向路基快速传递能量，传给路基的能量是压缩波、剪切波和瑞利波联合传递的。压缩波的质点运动是属于平行波阵面方向的一种拉压运动，这种波使孔隙水压力增大，土的结构发生变化，由疏松变为紧密。使解体的土颗粒移动、错位，这样的多次重复，使土颗粒处于密实状态。

4.我国目前加速固结沉降的方法是堆载预压法

堆载预压法的基本原理是，利用堆载作用预先将路基填筑土石方充分压缩固结，达到基本上消除设计永久荷载长期作用下所产生的沉降，使铁路的路基在使用过程中不产生大的沉降变形。可分为超载预压和等载预压。其适用于对压缩性大、透水性好的泥炭地基及压缩性大、透水性较差但施工工期较长的软土地基处理。在前面几种地基处理方法的基础上进行堆载预压，能快速、有效、可靠的控制路基沉降，使工后沉降达到控制标准。同时，采用高精度测量设备对路基工程进行实时的沉降观测加强过程监控，指导合理的施工工序，从而确保路基工程的正常使用寿命和安全性。堆载

预压法现在是我国比较成熟的方法，相比于前面的几种方法，此法更快、更可靠。

对工后路基的实时观测也是非常重要的，随时随地掌握路基的沉降情况，有利于更好地了解和解决路基可能发生的突发情况，避免不必要的损失。虽然我国在这方面采取了许多的举措，但是在实际的工作中沉降控制仍有许多方面的问题需要解决，其中工后沉降控制的标准有待提高，现在的标准仅仅对于无砟轨道的不均匀控制沉降控制标准，但是从理论来说沉降的控制是对不均匀的沉降控制，不过有砟轨道是通过控制工后沉降的量来保证线路的均匀沉降。尽管这样，对情况复杂的地质环境的沉降也应该因地制宜，不能统一概括。

结论：总而言之，我国的高铁已经取得了全世界瞩目的成绩，就连英国的首相卡梅伦也对我国的高铁称赞不已。而路基作为整条铁路的最重要的也是最底层的建筑，路基的质量也决定了整条铁路的质量，并且也决定了列车的舒适度和安全。

5.结论

高速铁路的路基如果沉降过于严重对铁路的本身危害非常大，高速铁路要为列车的高速行驶提供一个平、顺和稳定的铁轨基础，而路基作为轨道结构的基石，必须在列车运行条件下将线路轨道的沉降百分比保持在要求的标准范围之内，这无疑就是对高速铁路的路基沉降稳定性提出了更高的要求，所以当高速铁路通过软土地基时，地基沉降的稳定性以及工后沉降的预测就成了高铁基设计和施工的关键。

参考文献：

[1]朱凌.京沪高速铁路CFG桩复合地基路基沉降预测分析[D].西南交通大学，2014.

[2]任文峰，王星华，韩晓飞.高速铁路软土路基沉降试验研究[J].水利与建筑工程学报，2010，04：65-68.

[3]王祥.高速铁路软土路基采用粉喷桩处理的沉降预测与控制[J].岩石力学与工程学报，2007，08：1728