第九章 高速、重载铁路路基解析

1 第三章 高速、重载铁路路基

本章要点：高速、重载铁路对路基的技术要求；高速、重载铁路路基的主要技术标准；高速、重载铁路路基的基床及其过渡段。

第一节 概 述

一、高速、重载铁路发展概况

随着运输工具的现代化，特别是航空和高速公路的迅速发展，铁路运输面临激烈竞争，迫切需要新的运输模式以迎接挑战。1964年，日本诞生了世界上第一条高速铁路一一东海道新干线，运行速度达210km/h。随后，法、德、西班牙等国根据各自国家的特点，竞相发展高速铁路。1981年，法国修建了速度达270km/h的TGV东南线，尔后又修建了时速300km的TGV大西洋线，并于1990年5月13日创下试验速度达515.3km/h的新纪录。目前，全世界最高运行速度在200km/h及其以上的铁路已超过10000km。高速铁路以快捷、安全、舒适、良好的经济和社会效益等优势，在客运市场中赢得了主动。在货运方面，一些国家如美国、加拿大、澳大利亚和南非等，相继发展了适合本国国情的重载运输，降低了运输成本，增强了竞争力。

为适应我国国民经济的高速发展，我国铁路积极稳妥地推进货运重载和客运快速、高速化。继20世纪80年代建设了我国第一条重载铁路一一大秦线后，通过线路改造、车辆和信号设备的更新，相继在一些重要干线（京广、沈山、石德线等）开行了不同形式的重载列车，使这些线路的运输能力有了大幅提高。客运方面，1994年建成了我国第一条准高速铁路一一广深线，速度达160km/h。1998年从瑞典引进摆式列车后，最高速度达200km/h。1999年我国第一条客运专线——秦沈线动工建设，设计速度200km/h。京沪高速铁路也将在21世纪初开始修建。1994年铁道部颁布的《铁路主要技术政策》明确提出要在沿海经济发达、客流集中的东部走廊，发展最高时速250km/h其以上的客运专线。可以预见，我国的高速、重载铁路将在本世纪得到大力发展。

二、高速铁路对路基的技术要求

路基是轨道的基础，对高速行车的线路而言，路基的坚实稳固是线路稳定及列车高速运行的重要保证。高速、高密度行车对路基的作用特点是：轨道及路基振动加剧，路基所受的由列车动荷载产生的重复荷载增大，作用次数增加，土体的疲劳作用加剧；同时，由于行车速度的提高，路基振动及所受动荷载增大，促使基床强度降低和变形发展。此外，由于行车密度增大，养护维修的作业时间受到限制，这些都对作为轨道基础的路基提出了更高的要求。高速铁路路基除满足常速铁路对路基的一般要求外，为适应列车高速运行的要求，尚应满足 2 下列要求：

（一）有足够的强度和经受重复荷载的疲劳强度

由于列车轮轨系统的振动加速度、冲击功能等均与速度的平方成正比，所以随着行车速度的提高，路基所受动荷载及动荷载作用次数将明显增加。为保证高速行车条件下路基的稳定，路基必须具有足够的强度。此外，由于动荷载的作用次数增加，路基土体的疲劳作用加强。日本的试验资料指出：在高速行车的条件下，当重复荷载达100万次时，土的强度将降到80%左右。为了保证高速铁路路基在重复荷载作用下的稳定，路基还应具有足够的经受重复荷载的疲劳强度。

（二）在高速行车条件下路基的弹性变形和累计塑性变形要小

由于轮轨动力作用随轨道不平顺的增大而明显增加，因此，高速铁路对轨道变形有严格的要求。路基是轨道的基础，其变形直接影响到轨道的变形和轮轨动力作用的大小。因此，在高速行车条件下，路基应满足变形小的要求。长期以来，路基的设计均按强度破坏条件进行设计，在高速行车条件下，强度已不成问题，一般在达到强度破坏前，可能已出现了不能容许的过大变形，变形已成为路基设计的控制因素。日本东海道新干线的设计时速为220km，由于在设计中仅对轨道采取了加强措施而忽视了路基的加强，以至从1965年开始，因为路基的下沉，线路变形严重超限，列车运行平均时速降到100～110km，不得不以年均30km以上的速度对路基进行整修。

（三）路基应有与轮轨系统匹配的合理刚度

为了满足高速行车对变形的要求，路基应有足够的刚度，但如果刚度太大，弹性很差又会使钢轨所受的轮载增大，所以路基必须具有合理的刚度，既要为轨道提供一个坚实稳定的基础，以减少变形，同时又要保持适当的弹性。德国著名的高速铁路专家Eisenmann指出：铁路路基作为承受轨道和列车荷载的基础，如果选择了合理的刚度，则能明显地影响轮载的分配，可以使轨面的最大支承力减少60%～70%，而且还可改善基床动应力的分布，减弱重复荷载的动力作用，减少列车荷载对线路的不良影响。

第二节 高速铁路路基的主要技术标准

一、路肩宽度

路肩虽不直接承受列车荷载，但对保证路基受力部分的稳固十分重要。高速铁路的路肩宽度除满足一般路基的要求外，还应考虑高速铁路维修机具和维修方式的特点以及在路肩上待避作业人员安全待避限界的要求。

高速铁路虽说是高标准、高质量的线路，但小型维修、紧急补修还是不可避免的，因此仍需考虑临时搁置小型养路机具及零星工具的位置。高速铁路的区间较长，不能使用轨道摩托车，因此，必要时，路肩宽度还要考虑使用摩托车的需要。

虽说高速铁路是全封闭的，但养护维修人员在列车经过时还是要在路肩上待避的，高速列车经过时会产生较大的风压，直接影响到在路肩上待避的养护维修人员的安全。关于作业 3 人员的安全待避距离，日、法等国均做过大量试验，日本的试验结果认为，速度为250km/h时距车体0.8m安全的；法国的试验结果认为，速度为350km/h时距车体1.0m安全的。

由于高速、重载铁路对路堤的填筑密度及强度均有较高要求，为达到要求，必须采用重型碾压机械，为满足施工要求，路肩也应有足够宽度。此外，路肩宽度还应为路堤下沉与道床边坡坍落留有适当余地。

广深准高速铁路的路肩宽度为：路堤0.8m，路堑0.6m；大秦重载铁路的路肩宽度为：路堤不小于0.8m，或一侧不小于1.0m，另一侧不小于0.6m，路堑不小于0.6m。我国高速铁路路肩宽度根据行车速度、机车外形等，通过现场试验并参考其他国家的资料确定为：路堤一侧为1.0m，另一侧为1.4m或两侧均为1.2m；路堑两侧均为1.0m。其他国家高速铁路路肩宽度见表3-2。

二、路基面形状及宽度 图3-1 路基标准横断面图 4 高速铁路一般为双线，路基面形状一般为三角形，设有由中心向两侧的4%的排水坡。在曲线地段，路基加宽时，仍保持三角形路基面形状不变。

路基面宽度与轨道类型、正线数目、道床肩宽、边坡以及线间距、路肩宽度等因素有关。由于高速铁路采用重型轨道结构，加大了线间距和路肩宽度，因此高速铁路路基面宽度较一般铁路宽。《京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定》要求直线地段的双线路基面宽度，路堤为13.4m，路堑为13.0m，标准横断面如图3-1所示。

曲线地段的高速铁路路基面宽度应根据曲线半径的大小按表3-1进行外侧加宽，加宽值在缓和曲线内渐变。

表3-1 曲线地段路基面加宽（m）

曲 线 半 径(m) 曲 线 外 侧 加 宽 值(m)

14000≥R≥11000 0.3

11000≥R≥7000 0.4

7000≥R≥5500 0.5

5500>R 0.6

广深准高速铁路直线双线地段路基面宽度为：非渗水土地段路堤宽不小于11.8m，路堑宽不小于11.4m；渗水土地段路堤宽不小于10.8m，路堑宽不小于10.4m。其他国家高速铁路双线直线地段的路基面宽度见表3-2。

表3-2 国外高速铁路轨道及路基宽度

国别 日本 法国 德国 意大利

线名

项目 东海道 山阳 东北 上越 北陆 东南 大西洋 曼海姆-

斯图加特 汉诺威-

维尔茨堡 罗马-

佛罗伦萨

最高设计速度(km/h) 220 260 260 260 260 300 300 250 250 货120客250

最高运营速度(km/h) 210 230 240 240 260 270 300 250 250 250

轴重 15t(100系)

>12t(300系) 动车

16.8t(250km/h)

拖车

16.0t(250km/h)

机车

21.0t(210km/h)

22.5(120km/h) 动车19.5t

拖车13.5t 12.5t

(ETR450)

18t

(ETR500)

轨道 有碴54% 有碴12%

板式50% 有碴5%

板式90% 有碴1%

板式95% 板式 有碴 有碴 有碴 有碴 有碴

钢轨(kg/m) 52～60 60 60 60 60 UIC60 UIC60 UIC60

轨枕 长2.4m混凝土枕，1700根/km 长2.3m双块式混凝土枕，1667根/km 长2.6m混凝土枕，1667根/km 长2.6m

混凝土枕

道床 枕下30cm 枕下35cm 枕下30cm 枕下35cm

线间距(m) 4.2 4.3 4.3 4.3 4.3 4.2 4.2 4.7 4.7 4.0

路基面宽度

(m) 10.7 11.60

11.60 11.60 11.60

(11.20) 13.00 13.00 13.50～13.70 13.50～13.70 11.00,新建线增至13.00

路肩宽度

(m) 一侧0.5

另侧1.0 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 SES马道外0.9 1.3 1.3 安全限界基柱外1.0

5 三、高速铁路路基的设计荷载

铁路路基面上作用有列车荷载和轨道荷载。列车荷载和轨道荷载是确定路基本体构造要求的一个重要依据，其大小是按铁路等级和道床结构来确定的。

我国的高速铁路采用有碴轨道结构，其标准与《铁路路基设计规范》（TBJ1-96）中的I级重型轨道相近，钢轨为60kg/m，轨枕为III型混凝土枕，枕长2.6m，1600～1680根/km，道碴厚≥35cm，碴肩宽50cm。

轨道及列车荷载换算的土柱高度及分布宽度如表3-3所示。

表3-3 轨道和列车荷载换算土柱高度及分布宽度

列车活载种类 设计轴重(kN) 钢 轨(kg/m) 轨 枕

(根/km) 道床厚度(m) 道床顶宽(m) 道床坡度

分布宽度(m) 计算高度(m)

填料容重(kN/m3)

18 19

ZK标准荷载 220 60 1667 0.35 3.6 1:1.75 3.4 2.9 2.8

中-22活载 220 60 1667 0.35 3.6 1:1.75 3.4 3.4 3.2

在高速运行的列车荷载作用下，路基保持长期稳定是保证列车高速运行的基础。要使路基保持长期稳定，不产生任何危及正常运行的变形，就必须了解列车在运行时通过钢轨、枕木、道床传到路基面的动应力幅值及其频率，以及震动加速度及位移的大小。在列车荷载作用下，路基动应力的幅值与机车车辆运行情况、线路及其基础状态等有关，受诸多因素的影响（如机车车辆类型、轴重、运行速度、线路结构及状态、线路平面、纵断面、线路平顺情况、钢轨类型、枕木类型及间距、道碴种类及厚度、路基土质及稳定程度等），而无法用简单的数学模型来表达，应采取实测与理论分析相结合的办法来分析。

（一）高速铁路路基设计动应力幅值

作用在轨道上的轮重实际上由两部分组成：①机车车辆（包括货物）静轴重；②机车车辆与轨道的相互作用而产生的附加作用力。前者对于特定的机车车辆是一个常数，后者是与诸多因素有关的一个随机变量。大量的实测表明，轮轨作用力的大小可以用下述关系式表达：