高速铁路路基施工关键技术分析与实践

高速铁路路基施工关键技术分析与实践中水集团JHTJ-3标段路基施工阶段性技术总结一、工程概况（一）工程简介京沪高速铁路土建三标段由京沪高速铁路股份有限公司投资建设、铁道第三勘察设计院设计、北京铁城监理公司监理、中国水利水电建设集团公司施工。京沪高速铁路土建三标段位于山东省济南、泰安、曲阜、滕州、枣庄和江苏省徐州境内，起讫里程DIK412+062.27DK667+026.73，正线全长266.62Km，区间内有框架箱涵353座；大中桥梁99座；隧道10座；车站4座。（二）路基工程特点1、路基工程量大三标段路基全长94.19Km，约占全线路基总长的58.2%。三标段路基土石方总量为1068.39万m3。其中，土方开挖129.25万m3、石方开挖312.10万m3、借土填方612.63万m3、渗水土填筑9.88万m3、改良土填筑4.52万m3。2、路基地质复杂、基底处理难度大区间内有液化土路基、黄土路基、岩溶路基、软土及松软土路基等多种不良地质路基，基底处理措施包含了岩溶注浆、CFG桩、搅拌桩、冲击置换碎石墩、强夯、冲击碾压、换填等多种类型，路基加固工点多，施工难度大。3、路基横向结构物多，工后沉降控制难度大路基中框架箱涵、倒虹吸、框构桥等横向结构物多，相应的过渡段多，路基被横向结构物分为若干小段，最小的横向结构物轴线间距42.50m。区间共有近1000段过渡段，是控制差异沉降的重点部位；同时由于路基分段多、长度小，填筑施工高峰难以形成。4、路基预压段较多，预压期长，工期紧三标段预压路基共105段，总长8.4Km。预压段预压时间为710个月，全部为先预压后架梁；预压段施工全部都在工程的关键线路上，对工期的要求非常严格。5、路基与站后工程接口多路基工程与电缆沟槽、综合接地、接触网支柱基础、管线过轨、声屏障基础等站后工程的接口复杂。施工过程中容易产生遗漏，且对路基施工进度有一定影响。（三）工程管理为了保证高速铁路的平顺性、稳定性、耐久性。路基作为高速铁路最基础的一个土工构筑物，就必须具有相应的强度、刚度、稳定性及“零沉降”的特征。路基的变形控制是对土木工程的历史性突破；是对施工能力的巨大挑战。中国水利水电集团三标项目部本着“自强不息、勇于超越”的企业精神，遵照京沪总指“试验先行、样板引路、以点带面、一次达标、全面创优”的质量管理思路；认真分析了高速铁路路基施工的技术难点、控制重点，对路基工程提出以下必须认真坚持的七项强制性措施：1、坚持路基机械化施工。我标段投资260万元购置了BW226 DH-4BVC全自动宝马压路机，开展了压实度在线实时测量的研究，大大提升了路基施工自动化、机械化，体现了“设备保工艺”的理念。2、坚持工艺试验制度，体现“工艺保质量”的理念，以工艺试验成果规范施工。3、坚持强化地基处理、对路基全过程防水；施工过程中坚决消除“水害”对路基的影响。4、坚持对路基质量分层、分区控制，体现精细化管理、精细化施工的理念。5、坚持强化路基薄弱环节的控制，用技术措施解决结构物附近过渡段及路基边缘碾压不实的难题。应用了坡度尺、松铺厚度控制墩等自制工具并采用了水工碾压变态混凝土进行过渡段试验，体现了科学创新理念。6、坚持统筹安排、优化施组；综合考虑桥梁架设、四电接口、路基防护等各项工程的衔接配合，体现路基是一个完整的土工结构物，路基工程是一项综合的系统工程的理念。7、坚持试验检测资料真实性制度，体现诚信企业理念，从根本上树立中国水电的企业信誉。下面我们重点汇报路基工程施工中，遇到的几个关键技术的施工情况和经验教训。二、地质核查、地基处理及防排水系统（一）变形控制的标准1、基底条件京沪高速铁路设计暂行规定中规定：当路堤基底以下压缩层范围内（一般不小于25m）的地基土不符合路基基底技术条件要求时，应进行工后沉降分析。路基基底技术条件表地层地基条件基岩无碎石、卵石、砾石类无砂类土Ps5.0MPa或N10，且无地震液化可能黏性土00.15MPa或Ps1.2MPa2、工后沉降控制值工后沉降经计算不能满足要求时进行地基处理，并达到路基工后沉降控制值要求。路基工后沉降控制值表工后沉降不均匀沉降过渡段差异沉降形成的折角过渡段差异沉降一般地段桥台过渡段15mm30mm/20m1/10005mm3、地质核查铁路客运专线施工技术指南中明确要求“施工前应核查地质资料，并进行地基处理工艺试验，与设计不符时，反映给有关单位”。4、工程实例三标段内地基处理共有9种处理方式，其中包括：换填、岩溶注浆、CFG桩、灰土挤密桩、强夯及强夯置换碎石墩、冲击碾压、碎石垫层、堆载预压。根据不同的地基处理方式和设计要求，我们按照先核查确认、再组织施工，最终监测数据判定的方式确保地基处理满足设计要求。核查确认主要对地基处理前的地质资料进行复查，当与设计不符合时及时反馈，保证地基处理方式合理可靠。以五工区中国水电三局辖区核实情况为例。路基地质情况核查表桩号范围：DK512+880DK513+099.9核查方法：探坑法设计地质条件原设计处理形式现场核查地质条件建议处理形式 地层：表层为黏土，黄褐色，厚02.1m；粗砂，黄色、灰黄色、灰白色，稍密中密，厚02.6m；再下为片麻岩，灰黄色灰褐色，中细粒变晶结构，节理裂隙发育，片麻状构造，全风化。地下水埋深4.7m。强夯加固地层：表层为黏土，黄褐色，厚01.0m；黏土，灰黑色，厚00.8m；粗砂，黄色、灰黄色、灰白色，稍密中密，厚01.4m；再下为片麻岩，灰黄色灰褐色，中细粒变晶结构，节理裂隙发育，片麻状构造，全风化。地下水埋深0.81.2m。冲击碾压（二）地基处理的质量控制地基处理为隐蔽工程，选派专人全过程严格控制，具体措施如下：1、施工前必须进行工艺试验，并以工艺试验成果为依据全面推广，规范施工。2、地基处理工艺必须有量化的控制标准，实行双指标或多指标组合控制。施工中，执行工艺标准要严格、要坚决，保留好原始施工记录，以备核查分析。3、地基处理验收的关键是对处理后的效果进行检测评定。严格按设计及验标规定的方法和频次进行检测评估。4、工程实例例一：冲击碾压适用范围影响深度一般为13m，可减少施工中对基底造成的扰动，确保地表松散土层的密实性和均匀性。施工方法：冲击碾压采用横向排压法。由QCY360型牵引车拖动YCT25冲击压实机，在缓冲区加速行驶，通过测验区时确保行驶速度应大于12Km/h。当碾压区全部碾压完20遍之后，再从起始点开始，纵向搭接1/6的轮周距碾压5遍，依此类推完成基底冲击碾压。质量检测：冲击碾压最后5遍的沉降量不大于1cm。每100m等间距检查2个断面6点，碾压面下1m深度范围内的土的压实度不低于90%。例二：强夯适用于碎石土、砂类土、低饱和度的粉土和黏性土，砂质黄土等，处理松软土厚度小于6.0m，一般要求地下水位低于6.0m，饱和度Sr60%。工艺试验： 1）物理性能：取样检测干密度、压缩系数、湿陷度；2）力学性能：超静水压力、标量、静力触探、载荷试验；3）工艺参数：单击夯能、总夯击能、点击区、遍数、间歇时间、有效加固深度。过程控制指标：1）单点最后夯击沉降量小于5cm；2）两遍间歇时间视超静水压力而定，一般为1015d；3）总夯击能与地表沉降量满足设计要求；4）加固深度3m。验收检测：1）夯击后34周，待固结后检测为宜；2）每5000m2一般设12个测点，其中6个标贯、3个静力触探、3个荷载试验。例三：CFG桩适用于复合地基，一般桩体穿透地基软弱层，达持力层；桩土共同受力。过程质量控制：1）桩长控制：桩长控制是质量控制的关键。一般采用设计桩长、电流梯度值、孔中取样、操作震感等综合指标控制；2）桩位偏差（一般5cm）：要求比较严格，应及时清土，精心施工，控制好桩位。3）桩体强度（C15）及桩径（2cm）均容易达到设计及验标要求。4）预留桩长及截桩头的控制对CFG桩成本影响很大，一般选用“软截桩”，即采用专用切割机具截桩。质量验收检测：桩身完整性检测采用低应变法，检测频率为10%；承载力检测采用静荷载试验法，检测频率为2，且每个工点不少于3根。（三）防排水系统水是路基质量的“天敌”，对路基施工、运营全过程进行防排水，消除隐患，保护路基，防止路基水害是提高路基稳定性、耐久性的第一要务。我们重点做了以下工作：1、做好设计防排水系统的核查一要核查边沟、边坡平台截水沟、截水槽、坡脚排水沟等地表排水系统；二要核查线间排水，基床、路肩排水及与电缆沟槽衔接等基床排水系统；三要核查明沟、渗沟、渗水盲沟、渗井等地下排水系统；四要核查路基排水与周边排水网络的标高顺坡及孔道顺接，并将检查结果报设计处理。2、做好施工中的临时排水系统通过引、排、疏、截等方法降低水位，防止水的浸流、聚合、下渗，保证排水渠道的畅通。（1）通过自制坡度尺测控，保证路基横断面及边坡的坡度。（2）路堤每隔20m在路基边坡修筑临时排水沟，并与坡脚排水沟连通。（3）路堑施工前先挖好临时侧沟，保证施工面不受积水侵害。（4）涵洞因截断排水沟造成积水，设集水井抽水或另行绕行排水。（5）截断、隔离一切能流向施工区域的地表水、地下水。3、做好防排水主体工程，确保防排水功能（1）认真确定截排水设施的位置、断面尺寸、坡度、标高。（2）认真做好泄水孔进水侧、挡墙背后、泄水孔周围等处的反滤层。工艺方法及排水管质量要符合设计要求。不同粒径散料的反滤层的碎石粒径应符合D154d85。（3）认真做好过渡段中各层面的渗排水施工及涵洞的防水施工。（4）认真做好隔水层的施工。最下层排水孔底部及挡墙背后连续反滤层顶部设3050cm厚不透水料隔离层，防止地表水下渗。三、路基填料填料是路基压实的基础，不良填料无法满足路基压实度及力学指标的要求。三标段标范围内部分取土场填料指标不能令人满意。例如：DK496+265.27DK514+786.04区段内的4个取土场（供应基床底层58.20万m3填筑用料）的填料，多属于全风化、强风化花岗片麻岩，为砂类土B组填料，基床底层填筑碾压后不能满足设计指标，为此我们对路基填料进行了大量的室内试验和室外检测工作。（一）填料要求（1）填料的分类：铁路路基设计规范（TBJ447-2005）中，填料的分类主要依据土类和小于0.075mm细颗粒含量两个指标来划分，并考虑与压实要求相关性质和适用条件。填料分成A、B、C、D、E五个组。其中E组是严禁使用的填料，如有机土。（2）填料采用标准：基床表层应采用级配碎石；基床底层应采用A、B组填料或改良土，最大粒径10cm；基床以下路堤应采用A、B组填料和C组碎石类、砾石类填料，最大粒径15cm。C组细砾土应改良，宜同时考虑边坡加筋、坡面防护等措施，以确保路基填筑强度与长期稳定。（3）工艺试验：不同填料、不同改良措施填筑前应进行工艺试验。在料场选定及工艺试验中，除对填料做常规试验外，应加强对填料水稳性、抗风化性、渗水性、软化性能、矿物成分、单轴饱和抗压强度等试验。（4）对易受水害、浸水路堤、易受洪水冲刷的路基底层及本体，应采用渗水性好、水稳性好、黏土颗粒少的A、B组填料。（5）对全风化花岗岩填料，使用时要做压实试验，筛分划分组别后，定性为B组的也可能达不到设计指标，仍需进行改良。（6）相邻填层、两渗水土间填料必须满足D154d85；非渗水土与渗水土间填料应满足D150.5mm；否则应用土工布做隔离层。路基填料分组表填料分类一级名称ABCD碎石类级配良好的碎石、含土碎石级配不好的碎石、含土碎石，细粒含量15%30%的土质碎石细砾含量大于30%的土质碎石砾石类级配良好的粗圆砾、粗角砾、细圆砾、细角砾，级配良好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾级配不好的粗圆砾、粗角砾、细圆砾、细角砾，级配不好的含土粗圆砾、含土粗角砾、含土细圆砾、含土细角砾，细粒含量15%30%的土质粗圆砾、土质粗角砾、土质细圆砾、土质细角砾细砾含量大于30%的土质粗圆砾、土质粗角砾、土质细圆砾、土质细角砾砂类土级配良好的砾砂、粗砂、中砂，含土砾砂、含土粗砂、含土中砂、含土细砂级配良好细砂、级配不好的砾砂、粗砂、中砂，细砾含量大于15%的含土砾砂、含土粗砂、含土中砂级配不好的细砂，含土细砂，粉砂细砾土低液限粉土、粉质黏土、黏土高液限粉土、粉质黏土、黏土（二）料源情况以DK496+265.27DK514+786.04区段内的4个取土场为例。4个取土场的土料为强风化花岗片麻岩。土料特征为：缺少大颗粒构成整体骨架结构，又缺乏粘性颗粒将散状体胶结在一起，颗粒级配较窄，定名为砂类土B组料。该种土料作为基床以下路堤填料可满足设计要求；现基床以下路堤填筑约60万m3，检测结果满足设计指标要求。取土场填筑材料基本情况表取土场名称曲率系数Cc不均匀系数Cu最大干密度（g/cm3）最优含水量（%）分类定名孔家村0.676.952.068.6砂类土砾砂B组青后庄0.6913.762.1010.2砂类土砾砂B组孔家洼0.638.482.0310.0砂类土砾砂B组马 亭0.937.082.1310.1砂类土砾砂B组基床以下路堤填筑检测结果统计表检测项目检测点数最大值最小值平均值规范要求K30605185112129110Ev260276.74554.545n327530222731（三）基床底层填料改良试验采用素土进行了不同铺料厚度、不同碾压遍数的多次试验，并进行了K30、Ev2、Evd和n的检测。检测成果表明，K30仅有个别点能满足基床底层填筑质量指标要求，Ev2、Evd的检测成果有约50%的检测结果能满足基床底层填筑质量指标要求，n检测结果均能满足基床底层填筑质量指标要求。对此，我们分别进行了三类改良试验：（1）掺黏土物理改良：我们进行了10%、15%和20%黏土掺量的填筑试验，掺用黏土后基床底层填料的孔隙率均满足要求，Ev2检测结果也基本满足要求；但是K30的检测结果大部分不满足要求，Evd的检测结果也有50%左右不满足要求，并且K30、Evd有随黏土掺量增大而逐步降低趋势，说明在填料中掺用黏土后刚度降低，对于基床底层填筑质量有不利影响。（2）掺石灰化学改良：我们进行了8%、10%和12%石灰掺量的填筑试验，掺用石灰后基床底层填料的n和Ev2检测结果均满足要求；但是K30和Evd的检测结果也有部分不满足要求，需要石灰掺量达到12%以上才能全部满足要求。（3）掺碎石物理改良：我们进行了15%、20%、25%和30%碎石掺量的填筑试验，在15%以上的碎石掺量条件下的n和Evd均满足基床底层填筑要求；15%20%掺量条件下的Ev2仅有个别点不满足要求；而K30指标在碎石掺量为25%时，仍有部分不满足要求，在30%碎石掺量时所有K30指标均高于设计要求。（4）结论：各检测点的K30碎石掺量曲线内插结果表明，在级配碎石掺量为27%时，各项指标能满足设计要求；根据专家意见，目前基床底层采用掺拌28%碎石物理改良的方法施工，各项指标满足设计要求。四、路基填筑施工工艺过程控制（一）压实指标基床以下路堤压实标准填料压实标准砂类土及细砾土碎石类及粗砾土A、B、C组填料及改良土K30（Mpa/m）110130Ev2（Mpa）4545n（%）3131基床底层压实标准填料压实标准砂类土及细砾土碎石类及粗砾土A、B组填料K30（Mpa/m）130150Ev2（Mpa）6060Evd（Mpa）3535n（%）2828（二）施工方法及质量控制1、控制施工程序：施工前必须进行填筑试验，施工过程中必须严格按照试验得出的参数实施；填筑前必须进行基底检查，基底满足设计要求或处理合格后才能进行填筑施工；后铺筑层填筑前必须进行先铺筑层的检查，各项指标合格后才能进行后铺筑层的填筑施工。2、控制摊铺厚度：（1）放线：上料前测量人员依照设计资料精确测放路基边线及线路中心线，并在路基两侧各加宽50cm，以保证边坡压实质量。（2）画网格：根据每辆运输车运输的方量，沿线路横纵向用白石灰将路基分成5m8m的方格网，以控制运输车辆卸土密度。（3）控制松铺厚度：采用沿填筑边线两侧设置填筑厚度标杆，在标杆间加密设置虚铺厚度控制墩，并在路基中线部位加密土台的方法控制整个填筑面的虚铺厚度。虚铺厚度控制在35cm左右。（4）摊铺：采用推土机粗平，平地机精平；平整过程中人工配合清除有机物、大块石料，找平补料。3、控制含水量：（1）根据填料室内试验的最佳含水率n1%进行控制；（2）含水率较低时可洒水闷料，过大时翻拌晾晒；（3）考虑到运输过程中含水量的损失，可按1.21.3倍的含水量控制。4、控制平面坡度（1）摊铺时先用推土机初平，形成不小于4%的横坡；再用平地机精平，保证每层的标高、平整度、坡度及均匀的填土厚度。（2）摊铺完静压一遍，查找集料窝并进行处理，级配较差的现场拌合修补。5、控制击实功（1）碾压机械选型。三标段有各种功率不同型号的压路机，不同的功率有相应的最佳摊铺厚度：2045cm。（2）碾压组合方式：用26t振动压路机碾压8遍，碾压组合方式为静压1遍、弱振4遍、强振2遍、静压1遍收面，行走速度不超过4Km/h。（3）搭接处理：碾压按轮宽2/3叠加碾压，再按轮宽1/3叠加碾压。各区段交界处，应进行重叠碾压，纵向搭接长度不应小于2m，沿线路纵向行与行之间压实重叠不应小于40cm，上下两层填筑接头应错开不小于3m。（三）填筑检测1、按照验标规定检测，检测顺序：K30EvdEv2n；检测频次按照验标执行。K30、Evd、Ev2沿线路每100m每填高约90cm抽样检验4点，其中距路基边缘2m处左、右各1点，路基中部2点。n检测沿线路每100m每压实层抽样检验6点，其中左、右距路肩边线1m处各2点，路基中部2点。2、检测过程中应保留Ev2/Ev1的比值，作为压实情况的参考。当Ev2/Ev13时，反应路基压实质量可能出现问题，应分析改进。3、K30、Ev2、Evd、n值都有一定的相关性，应对比分析检测数据，发现异常和离散的数据，查找原因、改进工艺或测量方法。4、测量数据分析（路基本体为例）： （1）Ev2/Ev1比值全部3，反应压实情况较好。（2）以松铺35cm；静压1遍+弱振4遍+强振2遍+静压1遍组合，行速2Km/h，压实效果较好。（3）n、K30、Ev2各数据存在明显的相关趋势，但依然存在离散数据。（四）新型压实工艺的研究1、为了推广压实工艺的机械化、自动化程序，我们购进体现现代最近碾压技术的宝马BW226DH-4BVC26型压路机，并在路基填筑中予以应用，取得了初步成果，显现了现代碾压技术的优越性，其主要特点如下：设备组成：包括主机、传感器、电脑、打印机、操作显示屏五部分组成。2、压实厚度及日产量均大于一般压路机，因此具有较大提高功效的潜力。3、能在工作中在线直接测量压实度的动态模量Evib，而Evib与Ev2、Ev1有一定的相关性，这较大的减轻了检测工作量。4、通过计算机输入要求的压实指标后，设备可自动调整振幅，改变击实功，同时可调整运行速度、振动频率，达到预期的压实指标，为提高压实质量打下了基础。5、具体工作及工艺参数正在进行试验。 五、过渡段工程施工过渡段施工是路基工程中，结构最复杂、压实指标最高、机压盲区最多、对高速列车运行平顺性、舒适度影响最大的一个关键工程。无砟轨道改成“纵连式”型板后，桥路过渡段施工更为困难，为此，我们进行了重点试验研究。（一）过渡段结构1、结构类型：根据衔接的结构类型不同，过渡段分为路桥、路涵、路隧、路堤与路堑、半挖半填等多种形式；其中路桥过渡段结构最复杂，是我们工艺试验的重点。2、路桥过渡段组成：一般情况下由基坑、台后路基、两侧包边土、锥体、C20混凝土块、无砂混凝土板、空心砖隔离层、软式透水管等八部分组成。无砟轨道采用型板后，台后过渡段内又增加了端刺、摩擦板等构件。从而大大增加了施工难度，工法、工序都有待进一步细化试验。3、路桥过渡段的位置：桥台台尾为路堤时，设置倒梯形过渡段，过渡段长度L=n（H-h）+a，且20m。a取35m；n取25。（二）过渡段填料及压实标准1、过渡段使用填料要求（1）级配碎石：用于一般路基基床表层，级配范围满足表内要求；针片状含量20%；软质、易碎质含量10%；黏土、有机物2%。级配碎石级配范围表筛孔尺寸mm5040302010520.50.075通过率%10093.990.4278.8361.6447.6740.1420.357.42级配范围10090100809365854570305515351020410（2）级配碎石掺5%水泥：用于台后过渡段及基床表层。（3）C20砼块：符合铁路客运混凝土补充验收标准。（4）无砂混凝土：粗集料粒径510mm，石灰比（重量比）1：6，水灰比（重量比）0.42，水泥用量253Kg/m。水泥采用PO32.5级普通硅酸盐水泥。（5）空心砖：孔向下放置，质量满足普通混凝土小型空心砌块GB8239-1997的规定。（6）台后级配碎石水泥浆：叁桥通4302A-18设计图纸中要求水泥浆渗入量为每方级配碎石掺入0.125t。2、基底压实标准（1）桥台基坑回填，路堤基底原地面整平碾压后K3060Mpa/m。（2）叁桥通4302A-18-5设计图纸中要求“锥体以下基础回填部分，必须严格夯实，压实标准K30130Mpa/m、n28%”。3、过渡段水泥级配碎石填筑压实标准：K30150Mpa/m、Evd50Mpa、Ev280Mpa/m、n28%。（三）过渡段施工工艺施工程序和方法与路基基本相似，施工中要重点解决以下问题：1、同步施工问题过渡段分区较多，过渡段级配碎石填筑应与相邻两侧包边土、锥体同时施工，并将过渡段级配碎石与连接路堤的碾压面按大致相同的水平高度分层，做到分层同步，填筑均匀压实；同步施工后，各区界面间基本上不按台阶法施工；但对于路堤路堑、半挖半填等过渡段相互衔接仍应采用台阶法。2、掺水泥级配碎石施工问题（1）填料拌合完成后应立即使用，现拌现用，不能存放，最多2小时内用完。（2）实施细则中水泥掺量中为35%，而设计中PO32.5水泥掺5%，实际上PO42.5水泥掺5%量偏大，强度偏高。（3）要使用集料拌合站拌合，才能拌合均匀，应当注意的是计量问题，集料拌合站多是用变频器变频实现间接计量，因此应加强校准。（4）因掺水泥后路基强度过高，K30、Ev2数值离散性较大。3、关于大型压实机压实盲区的处理为保护桥台、涵身不受振动破坏，靠近结构物2m范围内禁止使用大型碾压设备；另外路基边缘、沉降观测桩周边都不宜使用大型碾压设备。这些区域我们称为“大型压实机压实盲区”。提高盲区的压实度通常有三种方法。（1）级配碎石的级配达到最优化，使其级配曲线接近曲线的中值。（2）采用小型夯机减少摊铺厚度进行压实。（3）按叁桥通4302A设计图纸要求级配碎石加水泥浆的方法施工。经过实践，采用上述方法压实度均能有所提高，但在该区域内很难检测K30与Ev2（因无法停放反力架）。在德国是用密实度Dpr0.98的标准进行评估，但国内尚没有相应标准。4、工程实例DK500+938梁家庄中桥京方桥台过渡段试验情况如下：该段水泥级配碎石分五个摊铺层，摊铺厚度30cm，松铺厚度35cm，松铺系数为1.1