我国无砟轨道铁路路基技术的进步与发展

魏永幸

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

1 无砟轨道铁路路基特点

无砟轨道，因具有更能持久保持轨道几何形位的突出优势，已成为高速铁路轨道结构的首选，我国高速铁路也主要采用了无砟轨道结构形式[1]。相对于传统的有砟轨道，无砟轨道铁路对线下基础的路基提出了严格的沉降变形限制要求，我国有砟、无砟轨道高速铁路路基沉降变形限制标准对比如表1所示。

表1 我国有砟、无砟轨道高速铁路路基沉降变形限制标准对比表

设计时速/(km/h)轨道累型工后沉降/mm桥路过渡段工后沉降(差异沉降)/mm沉降速率/(mm/a)过渡段折角200～300无砟轨道155-1/1 000300～350有砟轨道503020-250有砟轨道1005030-200有砟轨道1508040-

无砟轨道铁路，其轨道结构直接设置在路基上，路基支承刚度需要与桥、隧等构筑物的刚度相匹配，以满足列车高速运行对线路(钢轨)纵向刚度均匀化的要求。此外，对于无砟轨道铁路，路基沉降导致轨道几何形态的维修实施难度极大，因此，从减小无砟轨道铁路维修工作的角度出发，也要求无砟轨道铁路路基比有砟轨道铁路具有更好的稳定性。

截止2019年，我国已建成高速铁路3.5万km，其中路基长度占比近30%、约1万km，涵盖我国由南到北、从东到西，不同气候、不同地貌、不同地形、不同地质区域。大规模高速铁路建设，极大地促进了我国无砟轨道铁路路基技术的进步与发展。本文梳理、总结了我国无砟轨道铁路路基取得的技术进步，探讨有待进一步提升的技术问题，希望有益于无砟轨道铁路路基技术的进步和发展。

相对于传统的有砟轨道铁路，无砟轨道铁路路基具有三大特点：(1)沉降变形要求严酷，沉降变形限制标准为毫米级；(2)对刚度提出了新的要求，要求路基与其他构筑物刚度匹配；(3)耐久性要求更高，对路基稳定状态的长期保持提出了要求。这也是无砟轨道铁路路基的三大技术关键[2]。

2 无砟轨道铁路路基的技术关键

2.1 路基毫米级沉降变形控制

无砟轨道铁路对路基的工后沉降提出了严酷的毫米级标准的限制要求，这对于利用散粒体岩土材料构筑而成的路基而言，是一项严峻的技术挑战。路基工后沉降，包括地基及路堤工后压密沉降、列车动荷载作用下路基基床产生的累积变形三部分。路基基床累积变形与基床岩土材质、压实度密切有关，采用我国现行铁路规范推荐的双层结构、优质材料、高压实标准的强化基床，实测的基床累积变形很小，一般在5 mm以下。工程实践表明，路堤采用良质填料并控制压实度，工后沉降也较小，一般小于路堤高度的 1/1 000，且大部分在路基竣工后6～12月内完成。地基工后压密沉降，受地基岩土性质及相应地基处理措施的影响较大，不确定因素多，是工程建设的难点，也是工程建设管理的重点。需要特别强调的是：铁路是一个带状工程，沿线地质环境千差万别，如何针对具体工程的地基条件，采用经济、合理的地基处理措施，实现毫米级地基工后沉降的有效控制，是高速铁路建设工程实践中需要高度重视并着力解决的关键技术难题。

2.2 路基与其他构筑物刚度匹配

列车运行速度提高，线路(轨道)纵向刚度的突变，将引起列车振动加剧，引起旅客的不舒适。同时，刚度突变将引起轨道结构应力变化，影响轨道结构的寿命。轨道刚度除与轨道系统各部件刚度有关，还与线下基础支承刚度有关。路基由岩土材料填筑而成，且基于工程经济角度出发，填筑路基的岩土材料一般多利用路堑、隧道开挖的岩土或就近开采的岩土，这些散粒体材料的工程特性差异较大，给路基面支承刚度的精准控制带来困难。因此，如何实现路基与桥、隧等构筑物间纵向刚度匹配，是高速铁路建设工程实践中需要高度重视并着力解决的另一技术难题。

2.3 路基稳定性状态的长期保持

路基工程由岩土材料构成并建造于露天环境，其材料以及建造和使用过程受环境变化的影响大，必须采取可靠的措施，以保证路基性能不受环境或少受环境的影响而保持长期稳定。同时，作为直接承受高速列车动荷载的无砟轨道路基基床，还必须保持其动力性能的长期稳定。如何实现路基性能稳定状态的长期保持，是高速铁路建设工程实践中需要高度重视并着力解决的又一技术难题。

3 我国高速铁路建设面临的路基问题和取得的成果

我国自2004年起，连续、持续开展了大规模的高速铁路建设。我国大规模高速铁路建设具有以下特点：(1)涵盖不同气候、不同地貌、不同地形、不同地质环境；(2)建设工期短，项目建设工期一般在3～5年，个别为2～3年。结合大规模的高速铁路建设，攻克了无砟轨道铁路路基面临的一个又一个技术难题，取得不断进步，树立起无砟轨道铁路路基技术进步的一个又一个里程碑。

3.1 首次实现土质路基上铺设无砟轨道的突破

遂渝无砟轨道试验段是我国首条无砟轨道试验铁路。结合试验段，中铁二院、中国铁科院等单位系统开展了无砟轨道铁路路基修建关键技术的试验研究，重点是路基毫米级沉降控制技术、路基与其他构筑物刚度匹配技术的试验研究[3]。

(1)路基毫米级沉降控制技术试验研究

针对试验铁路路堤地基条件，采用了5种不同的地基处理措施，即CFG桩复合地基、强夯动力固结、桩-网结构路基、桩-板结构路基以及挖除软弱土层的换土法[4-6]。其中的桩-网结构路基、桩-板结构路基是首次使用的新结构，其横断面示意如图1所示。

图1 桩-网结构路基、桩-板结构路基横断面示意图

(2)路基与其他构筑物刚度匹配技术试验研究

针对遂渝无砟轨道试验铁路的实际及试验研究需要，设置了路桥过渡段、路涵过渡段、路隧过渡段、桥隧间短路基、路堤与路堑过渡段共5种类型的路基过渡段，分别采取了级配碎石和A、B组填料提高路基支承刚度，以及采用混凝土和水泥稳定级配碎石填料来实现路基与桥、隧、涵等构筑物之间的刚度匹配，在路桥过渡段设置钢筋混凝土过渡搭板，在桥隧间短路基采用水泥稳定级配碎石全长等刚度过渡措施等技术方案[7-8]。实车测试数据表明，列车通过路基与桥、隧、涵等构筑物的过渡段时运行平稳，过渡段动力学指标沿线路纵向变化不大，实现了路基过渡段支承刚度沿线路纵向的渐变过渡。

遂渝无砟轨道试验铁路于2007年建成，首次实现了在土质路基上成区段铺设无砟轨道，积累了无砟轨道铁路路基设计施工经验，研发的相关技术包括：桩-网结构路基、桩-板结构路基、高强度CFG桩复合地基，以及水泥稳定级配碎石提高路基刚度、桥隧间全长等刚度短路基、路桥过渡段间设置钢筋混凝土搭板等，在后来的大规模高速铁路建设中得到推广应用。

“遂渝线无砟轨道关键技术研究与应用”获2010年度国家科技进步一等奖。“无砟轨道桩网结构路基及其构筑方法”获2016年度中国发明专利优秀奖。

3.2 构建了我国无砟轨道铁路路基理论与技术体系

随后，结合武广高速铁路武汉试验段、严寒地区成高子试验段等，中国铁科院、中铁二院、西南交通大学等单位先后、持续开展了无砟轨道铁路路基设计理论、长期稳定性保持理论、路基防排水技术体系、沉降评估体系等试验研究，构建了我国无砟轨道铁路路基设计理论与技术体系，为我国大规模高速铁路建设提供了理论及技术支撑。

(1)基于层状体系的无砟轨道铁路路基结构设计方法

从满足动力性能出发，路基基床应采用性能良好的材料填筑，而从工程经济性出发，路基基床表层以下不同厚度，应选用满足性能要求但经济性更好的不同材料来填筑。理论上，合理的无砟轨道铁路路基结构是一个多层体系，自上而下，材料性能的要求由高到低。无砟轨道铁路路基层状体系如图2所示。

图2 无砟轨道铁路路基层状体系图

概化的无砟轨道铁路路基层状体系，自上而下，包括无砟轨道板、无砟轨道支承层、路基基床表层、路基基床底层、路基填筑层或天然岩土层。一般地，无砟轨道面板采用预制或现浇钢筋混凝土，无砟轨道支承层采用连续摊铺的低掺量混凝土，路基基床表层采用级配碎石或水泥稳定级配碎石，路基基床底层采用A、B组填料填筑，路基填筑层因地制宜采用合格填料填筑，天然岩土层需满足承载能力及变形限制的要求。总体而言，自上而下，各结构层的支承刚度由大到小，厚度则由小到大，使无砟轨道面板具有足够的支承刚度，在高速列车作用下，其弹性变形在允许范围内，且同时具有较好的经济性。

工程应用中，无砟轨道铁路路基层状体系可进一步简化为面层、基层、底层的三层体系[9]，如图3所示。

图3 路基三层体系图

面层的支承刚度可按式(1)计算。

(1)

式中：E0——路基面支承刚度(MPa/m)；

E1，E2，E3——路基结构分层材料弹性模量(MPa/m)；

h1，h2，h3——路基结构分层厚度(m)。

根据上述理论，通过对一段路基中不同断面的路基竖向刚度进行组合设计，可以调整线路纵向路基面支承刚度，实现路基面支承刚度的调控，从而实现路基与其它构筑物刚度的匹配。

(2)无砟轨道铁路路基变形稳定状态及保持技术

路基由岩土材料构筑而成，其变形特性具有随荷载增加、随时间推移而累积的特点。西南交通大学罗强[10]等人基于岩土材料随时间的变形特性试验研究，提出可以将路基状态划分为快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏4种状态。对于无砟轨道铁路，从保持路基稳定性、减小因路基变形引起无砟轨道维修量的角度出发，应将路基状态控制在快速稳定状态；同时，提出无砟轨道路基设计应在强度、变形控制的基础上，增加累积变形控制指标作为设计参数。

路基“四状态”划分、无砟轨道路基“三参数”设计的思路，为无砟轨道铁路路基毫米级沉降变形的控制提供了理论依据，对于无砟轨道路基长期稳定性保持具有重要的理论和工程意义。

(3)无砟轨道铁路路基防排水体系及路基面沥青防水层

减小环境变化对路基稳定状态的影响，对保持路基状态的长期稳定十分重要。各种环境因素中，降水是最为普遍、也是最为不利的因素。无砟轨道铁路应建立路基防排水体系[11]，如图4所示。

图4 无砟轨道铁路路基防排水体系示意图

无砟轨道铁路路基防排水体系包括三个部分：①路基面防排水系统，包括路基面防水材料和路基填料的抵御水侵蚀能力；②地下水排疏系统，包括路堤基底地下排水和路堑基床换填底部地下排水；③地表水排疏系统，包括路基面防排水层和边坡防排水设施(如边坡防护与排水以及侧沟、天沟、排水沟等)。

选用合理的路基面防水材料，防止降雨径流下渗至路基内部，是控制路基变形、保证路基稳定的重要措施。遂渝无砟轨道试验铁路，武广高速铁路武汉试验段等，在无砟轨道两侧的路基面铺设了防水型沥青混合料SAMI(Surface Asphalt Mixture Impermeable)[12]。笔者还曾提出全断面沥青混凝土基床表层兼做防水层的技术方案，并组织开展了相关试验研究[13]。中国铁道科学研究院结合哈齐、郑徐、牡佳等多条高速铁路，开展了沥青混凝土性能，长期变形特性等的设计研究。

(4)基于无砟轨道铺设条件的路基沉降变形预测评估方法

无砟轨道铁路路基沉降变形限值标准达到毫米级，但作为以岩土作为材料或介质的土工构筑物，目前尚无可以准确计算毫米级精度变形的实用的设计方法，且路基施工过程质量控制环节多，受天气、人员素质等“柔性”因素影响大，这是高速铁路建设必须克服解决的技术难题。

结合遂渝无砟轨道试验铁路，采取了对路基竣工后的沉降进行监测、根据监测数据预测沉降趋势、依据无砟轨道铺设条件对是否可进行无砟轨道铺设及其措施进行评估的方法[14]。这个方法，后来得到不断完善，被称为无砟轨道铁路路基沉降评估，并作为工程建设的一个重要环节纳入了高速铁路建设管理程序之中。

桥梁基础的摩擦桩、涵洞基础，浅埋或不良地质地段的隧道都存在一定沉降变形的可能，且存在与路基工程的差异沉降问题，需与路基同时进行沉降监测、评估，确认沉降稳定且预测工后沉降满足要求后方可铺设无砟轨道。在对路基、桥梁、隧道和过渡段等不同结构物的基础沉降变形预测评估完成后，进行区段或全线的综合评估，确认区段或全线是否满足铺设无砟轨道的要求。

3.3 实现了无砟轨道铁路路基毫米级工后沉降的有效控制

路基工后沉降控制的重点，一是路堤沉降，二是地基沉降。路堤采用优质填料并控制压实度，其工后沉降较小，一般小于路堤高度的1 /1 000，且大部分在路基填筑施工后6～12月完成，通过合理安排无砟轨道施工时间，可减小或消除路堤压密沉降的影响。但对于长达几百公里乃至上千公里的高速铁路，无论是从优质填料的来源，还是从工程的经济性方面考虑，都需重视对隧道、路堑挖方中非良质填料利用的技术研究。结合高速铁路工程建设，针对特殊气候、特殊地质、特殊环境，基于无砟轨道铁路路基毫米级沉降控制需求，开展了非良质填料利用、特殊地基加固处理等技术的研究与创新，实现了无砟轨道铁路路基毫米级沉降的有效控制。取得了系列突出创新成果。

(1)研发了严寒地区高速铁路路基防冻胀技术

结合哈大高速铁路，铁科院、中国铁设等单位开展了严寒地区高速铁路路基防冻胀技术的试验研究。实验研究表明，路基基床级配碎石层存在“微冻胀”现象，控制级配碎石的含泥量，可在一定程度上减小微冻胀的量，将级配碎石的含泥量控制在3%以内，微冻胀变形一般不超过5 mm[15]。对严寒地区，要严格控制路基基床表层级配碎石层的含泥量，同时要采取设置渗沟降低地下水位、设置路堤式路堑、设置沥青混凝土等路基面防水层阻止地表水下渗等综合措施。

为强化严寒地区高速铁路路基面防水，笔者曾提出采用路基全断面铺设沥青混凝土防水+采用渗透性能良好的级配碎石排水的“上封-下排”路基基床上部结构方案，以防为主，防排结合，以实现有效控制路基基床冻涨变形[16]。

(2)研发了干旱戈壁区高速铁路路基稳定保持技术

结合兰新高速铁路，中铁一院等单位开展了干旱地区戈壁粗粒土填筑高速铁路路基技术试验研究。试验研究表明，戈壁粗粒土填筑体存在“湿陷性”[17]，采用戈壁粗粒土填筑的高速铁路路基，存在沉降超标的现象。戈壁粗粒土中细粒土含量低，级配不良，填筑压实参数虽然满足规范要求，但存在后期沉降变形超标的现象。针对戈壁粗粒土的“湿陷性”，采用掺石粉改良等填筑工艺，实现了干旱戈壁区高速铁路路基稳定状态的保持。

(3)研发了亚热带台风暴雨区高速铁路路基防护技术

结合海南环岛高速铁路，中铁二院等单位开展了路基抗雨水冲刷的试验研究，对路基边坡渗流破坏、冲刷破坏机理以及路基填料选择、填筑工艺控制、路基边坡防渗抗冲结构等进行了系统的试验研究，提出了亚热带台风暴雨区高速铁路路基填料渗透性参数与填筑工艺、小间距截水骨架内固土网垫植草护坡、路基面防水层和路肩截排水构造等技术改进措施，其防护技术参数如表2所示。

表2 亚热带台风暴雨区高速铁路路基防护技术参数表

(4)研发了红层泥岩非良质填料高速铁路路基填筑技术

结合遂渝、成渝、渝万高速铁路，中铁二院等单位开展了红层泥岩非良质填料高速铁路路基填筑技术的试验研究，从红层泥岩工程特性、填筑工艺及参数、红层泥岩路基动力特性、红层泥岩路基长期稳定性以及工程示范等方面进行了系统研究。提出了高速铁路路基红层泥岩填料判别指标、红层泥岩填料制备标准、红层泥岩高速铁路路基关键参数、红层泥岩填筑工艺及控制参数等红层泥岩非良质填料高速铁路路基填筑技术[18-19]，其填筑技术参数如表3所示。

表3 红层泥岩非良质填料高速铁路路基填筑技术参数表

(5)研发了岩溶区高速铁路路基防塌控沉技术

结合武广、贵广等岩溶地区高速铁路，中铁二院等单位开展了高速铁路路基岩溶地基处理技术的试验研究。针对岩溶地基存在溶洞、溶槽、溶隙及其对高速铁路路基的危害，提出了岩溶区高速铁路路基“防塌+控沉”的设计思路，并研发了“充填注浆防塌+桩板结构控沉”的高速铁路岩溶地基处理技术，横断面示意如图5所示。针对富水岩溶区充填注浆，还开发了 “驱水”充填注浆工艺[20]，提高了富水岩溶区充填注浆的有效性。

图5 岩溶区高速铁路路基防塌控沉地基处理横断面示意图

(6)研发了湿陷性黄土高速铁路路基地基处理技术

结合世界上第一条在黄土地区修建的郑西高速铁路，中铁二院、中铁一院等单位开展了湿陷性黄土高速铁路路基地基处理技术的试验研究。基于现场浸水试验，确定了场地湿陷下限和最大湿陷量，并提出了孔内夯扩灰土桩复合地基、桩-板结构路基等湿陷性黄土高速铁路路基地基处理技术。孔内夯扩灰土桩复合地基采用孔内夯扩灰土，提高孔周土体的密实度，消除黄土湿陷性。桩-板结构路基利用桩基础穿越湿陷性黄土层，有效管控黄土湿陷不确定性对高速铁路路基的危害和影响。湿陷性黄土区高速铁路桩-板结构路基横断面示意如图6所示。

图6 湿陷性黄土区高速铁路桩-板结构路基横断面示意图

(7)研发了山区斜坡地段高速铁路路基新结构、新技术

结合沪昆、云桂、成贵等复杂艰险山区高速铁路，中铁二院开展了山区斜坡地段高速铁路路基技术的试验研究。基于无砟轨道铁路路基毫米级沉降变形的要求，对陡坡路基支挡结构横向外倾变形与路基竖向沉降变形的相互关系以及陡坡路基支挡结构横向外倾变形限值与控制方法等进行了试验研究。提出了基于变形控制的支挡结构设计方法，提出的无砟轨道铁路支挡结构横向外倾变形限值已纳入行业技术规范。同时，研究揭示了斜坡软弱地基路堤变形破坏机理，提出了“坡脚锚固桩防滑+复合地基控沉”的斜坡高速铁路路基技术方案。还针对岩堆、滑坡等不良地质地段路基，研究提出了兼具抗滑、承载功能的抗滑桩-板结构以及能抵抗高吨位滑坡推力的椅式抗滑桩、框架式抗滑桩等山区斜坡地段“防滑-控沉”高速铁路路基新型结构，突破了高速铁路建设禁区。山区斜坡地段高速铁路路基新结构示意如图7所示。

图7 山区斜坡地段高速铁路路基新结构示意图

4 我国无砟轨道铁路路基的技术进步

基于3.5万km高速铁路建设的实践经验和持续的技术创新，我国无砟轨道铁路路基技术取得了长足的进步。归纳总结主要体现在以下四个方面。

(1)建立了一套无砟轨道铁路路基设计理论。建立了基于层状体系的无砟轨道铁路“路轨一体”结构设计模型，首次提出路基变形“四状态”划分及“三参数”控制法，为无砟轨道铁路路基毫米级沉降控制提供了理论支持。

(2)建立了路基与桥、隧等构筑物连接刚度协调匹配技术体系。建立了路基竖向刚度调控方法，创新了路基与桥、隧等构筑物连接刚度调控结构与技术，实现了高速铁路线路纵向刚度的均匀化。

(3)创新了不同区域、复杂环境、特殊地质条件下路基毫米级沉降变形控制技术。研发了红层泥岩、戈壁粗粒土等非良质填料利用技术，创新了桩-板结构、桩-网结构、高强度桩复合地基、孔内夯扩灰土桩等特殊岩土、复杂地质毫米级地基沉降控制技术，研发了椅式抗滑桩、框架式抗滑桩等山区斜坡地段“防滑-控沉”高速铁路路基新结构，实现了无砟轨道铁路路基毫米级沉降的有效控制。

(4)创新了无砟轨道铁路路基稳定状态长期保持技术。构建了路基防排水体系，研发了无砟轨道全断面沥青防水层，研发了级配碎石“微冻胀”变形控制技术，创新了不同气候、不同环境条件下路基边坡防护技术，实现了台风、多雨、干旱、严寒等不同气候环境路基的有效防护和稳定状态保持。

5 有待进一步研究的问题

无砟轨道铁路路基毫米级沉降变形的控制是个复杂的系统工程，从工程实践看，还有个别工点沉降控制不理想、个别工点甚或出现“上拱”的现象。基于系统优化，进一步开展特殊岩土“微变形”机理、特殊环境路基长期稳定状态保持、非良质填料改良与填筑、基于建设工期的地基处理措施优化等的研究，基于无砟轨道铁路“路轨一体”结构设计理论，开展“路-轨”协同设计、结构层支承刚度限值以及施工过程控制检测参数等的研究，对进一步提升无砟轨道铁路路基设计水平、建设质量具有重要意义。

6 结论与展望

伴随我国大规模高速铁路建设，我国已成功修建高速铁路路基约1万km，涵盖了不同气候、不同地貌、不同地形和不同地质环境，由此积累了丰富的工程实践经验，取得了丰硕的创新成果，形成了无砟轨道铁路路基的领先技术优势。下一步，要在此基础上深化无砟轨道铁路路基设计理论研究，发挥好、使用好这一领先技术优势，更好地服务于“一带一路”建设，服务全球高速铁路建设。