铁路路基施工特点及技术手段.ppt

高速铁路 客运专线 路基施工特点及技术手段中南大学土木工程学院徐林荣 一 高速铁路路基技术特点二 客运专线路基地基处理控制要点三 路基工程沉降观测与评估四 路基工程填筑作业关键点五 改良土施工关键控制点六 过渡段及作业关键控制点七 客运专线铁路路基施工质量检测技术八 关于膨胀土路基九 支挡结构 目录 一 高速铁路路基技术特点1 高速铁路路基技术特点 随着铁路向高速化发展 路基标准及施工状况是直接影响列车高速 平稳 舒适和安全的技术指标 主要体现在以下几个方面 1 路基填筑质量标准高 2 路基机床表明采用级配碎石强化结构 3 路 桥及横向构筑物间设过渡段 4 严格控制路基变形和工后沉降 5 路基动态设计 6 路基质量评估 7 地基处理种类多 一 高速铁路路基技术特点2 高速铁路路基要求 由于我国以往的铁路行车速度慢 对路基的要求不高 长期以来对路基工程的重视程度不够 随着早期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 目前 路基在铁路工程中已明确被作为 土工结构物 来看待 作为高速铁路的 土工结构物 对其要求主要有以下四个方面 1 基床的强度高 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 基床的强度高 刚度大 传统普速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 严格控制路基变形和沉降 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及固结沉降 工后沉降的概念 设计的路基工程工后沉降值指路基工程完成后的累计沉降量 沉降评估预测的工后沉降量15mm要求是指铺轨完成后发生的累计沉降量 严格控制路基变形和沉降 路基上铺设无砟轨道的核心问题是沉降控制 无砟轨道对沉降变形 尤其是不均匀沉降特别敏感 由于对沉降控制的要求较高 而影响因素较多 沉降控制已完全超出了处理方法的计算精度 故规定的工后沉降已不再是最初设计的预留值 是一个允许出现的误差值 由于无砟轨道对不均匀沉降的严格要求 预留沉降会导致路基与桥隧很难协调 只有在共同追求不产生工后沉降的基础上才能实现较好的过渡 即零沉降 工后沉降实际上就是零沉降控制基础上的允许偏差 路基刚度的均匀性 列车速度越高 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 为此 需要设置许多过渡段 同时为保证刚度的均匀性 还要注意以下两点 1 轨道几何平顺性2 静态平顺与动态平顺 路基基床结构 有砟轨道基床有表层和底层组成 表层厚度为0 7m 底层厚度为2 3m 一般情况下 基床表层由5 10cm厚的沥青混凝土和60 65cm厚的级配碎石组成 无砟轨道路基表层厚度与无砟轨道的混凝土支承层或混凝土底座的总厚度不应小于0 7m 底层厚度为2 3m 同时支承层或底座外路基面应设防水层 采用5 10CM沥青混凝土或C25混凝土 在德国铁路规范中 相当于有砟轨道的机床部分是从素混凝土持力层算起的 在持力层的级配碎石顶面为平面 级配碎石采用KG2 要求渗透系数Kf 5 10 5m s 而有砟轨道采用KG1时要求的渗透系数Kf 1 10 6m s 地基处理的目的是为了提高地基承载力 减少地基沉降 有时也为了减少地基的渗透性 当天然地基不能满足构筑物稳定或变形控制要求时 就要对天然地基进行处理形成人工地基 由各种地基处理方法获得的人工地基可以分为三类 一类是对天然地基土体全部进行物理压密 如排水固结法 强夯法 原位压实法等 另一类是换填法 比如用改良土或优质填料换填一定的厚度形成地基 还有一类就是由插入的材料与天然地基土体形成复合地基 近年来 国内外学者在进一步研究竖向增强体和水平向增强体的特点的基础上 为充分发挥桩间土的承载能力 提出了桩网复合结构或桩网复合地基结构 作为复合地基而建立了相应的理论并应用于工程实践 取得了较好的效果 二 高速铁路路基地基处理要点 地基处理的分类 换填法 压密法 复合地基 真空预压 插塑板或沙井类 排水固结 强夯 冲击碾压 重型碾压类 堆载预压和排水固结联合使用 散体桩复合 如碎石桩 砂桩等 柔性桩复合 如石灰 土 桩 旋喷桩 粉喷桩 刚性桩复合 如CFG桩 预制管桩等 用优质填料或改良土 桩网结构 在柔性或刚性桩复合地基顶铺设土工格栅 提高地基的复合效果 真空联合堆载预压是从简单堆载预压传统地基处理方法发展起来的 具有加速固结 缩短工期 不控制填土速率 不需要预压土方等优点 真空管路 真空联合堆载预压 真空预压现场 桩网复合结构是在地基处理过程中 下部土体得到竖向增强体 桩 的加强形成复合地基加固区 在桩顶得到水平向增强体 网 的加强形成复合地基加固区 使网 桩 土三者协同作用 整体共同承担上部荷载 具有沉降变形小而且完成快 工后沉降较易控制 稳定性高 施工方便等优点 桩网结构 地基处理控制要点 1 强夯施工控制要点 1 必须认真核查夯锤的重量和提升高度 确保夯击能量满足设计要求 2 强夯过程中若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时 应及时将坑底整平 3 强夯施工中 每个夯点的夯击次数 每击的夯沉量 夯击间隔时间及施工步骤应符合设计要求 4 强夯施工结束2 4周后 对地基及时进行检测 5 低能量满夯的搭接不得小于四分之一夯锤直径 6 强夯施工中必须加强安全管理 地基处理控制要点 强夯检测 重点是检查有效加固深度应满足设计要求 有效深度范围内地基土应满足 标贯击数修正后的N63 5 10 粘性土Ps 1 2MPa 砂类土Ps 5 0MPa 地基承载力 0 0 15MPa 检测方法和频次应符合相关规定 地基处理控制要点 2 浆体喷射搅拌桩 1 严格控制搅拌机钻头下沉和提升速度 供浆与停浆时间 下钻深度 喷浆高程及停浆面 2 全桩身必须进行复搅 桩端必须原位喷浆搅拌一定时间 以保证成桩质量 3 成桩过程中 如因故停浆 在初凝前继续施工时必须重叠接桩 接桩长度不得小于0 5m 4 浆体喷射搅拌桩应完整性 均匀性 桩身无侧限抗压强度不得小于1 2MPa 完工后28d 再检测桩桩径方向1 4处 桩长范围内垂直钻孔取芯 观察其完整性 均匀性 拍摄取出芯样的照片 取不同深度的三个试样作无侧限抗压强度试验 地基处理控制要点 3 灰土挤密桩 1 按照选定的配比在现场采取措施保证拌合均匀 混合料的含水量应满足土料的最优含水量 其允许偏差不得大于2 2 混合料装填前 应夯实孔底 之后向孔内分层填筑拌合均匀的灰土 夯锤的落距和松填厚度应符合试桩确定的施工参数 一般25 30cm 桩顶夯填高度应大于设计标高15cm 3 成桩24h内采取轻型动力触探仪对成桩质量进行检测 用轻型动力触探击数N10与现场试验确定的干密度进行对比 其压实系数K 0 93 地基处理控制要点 4 CFG桩CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称 目前已属于刚性桩的范畴 CFG桩复合地基是在总结碎石桩地基加固法的缺点基础上逐步发展起来的一种地基处理技术 CFG桩一般采用长螺旋钻孔泵压法和振动沉管法 两种工艺的利与弊 适应条件 地基处理控制要点 4 CFG桩在成桩过程有以下问题必须事先给予足够的重视 1 桩体施工完成2 3小时 在桩体混凝土初凝前采用自重小于3t的小型挖掘机直接挖除打桩弃土 并采用小型运输车转运至CFG桩施工区以外 清运时不得对设计桩顶标高以下的桩身造成损害 不可扰动桩间土 不可破坏工作面未施工的桩位 2 要设专人负责指挥清理桩间土 尽量采用小型机械和人工开挖 开挖过程中 挖掘机头部不允许碰撞桩体 3 截桩应采用适宜的工器具和方法 不得造成桩顶设计标高以下的桩体断裂和扰动桩间土 地基处理控制要点 5 其它地基处理措施简介插塑板 袋装砂井 砂桩 砂桩 碎石桩 地基处理控制要点 铺设土工格栅应注意的问题1 铺设土工合成材料的下承层表面应整平 压实 并清除表面坚硬凸出物 2 应将土工合成材料强度高的方向置于路堤主要受力方向 3 土工合成材料的连接应牢固 受力方向连接强度不低于设计抗拉强度 4 土工合成材料铺设时 必须拉紧展平插钉固定 并应与路基面密贴不得有褶皱扭曲 地基处理控制要点 5 铺设多层土工合成材料时 其上 下层接缝应交替错开 错开距离不宜小于0 5m 6 严禁碾压及运输等设备直接在土工合成材料上碾压或行走作业 地基处理控制要点 三 路基工程沉降观测与评估 路基工程的工后沉降在设计中均有明确的要求 但是对于客运专线路基工程 从路基施工初期就要展开沉降观测 路基工程沉降观测以路基面沉降和地基沉降观测为主 路基沉降观测断面的设置及观测方法以设计为主 一般沉降观测断面的间距不应大于50m 对于地势平坦 地基条件均匀良好 高度小于5m的路堤或路堑可放宽到100m 对于地形 地质条件变化较大地段应适当加密 每个路桥过渡段距桥台起点10m处 30m处应分别设置观测断面 三 路基工程沉降观测与评估 其他如观测精度 观测频率 评价方法和判别标准均参照 客运专线无碴轨道铺设条件评估技术指南 沉降观测的方法一般有观测桩 沉降板 沉降杯 剖面沉降仪 水平测斜仪等 三 路基工程沉降观测与评估 这些沉降观测凡方法中最常用的是沉降板方法 沉降板由钢底板 金属测杆 40mm厚壁镀锌铁管 及保护套管 直径不小于 75mm 壁厚不小于4mm的硬PVC管 组成 钢底板尺寸为50cm 50cm 厚1cm 沉降板的埋设主要注意以下几点 1 沉降板应埋在褥垫层顶部嵌入10cm 采用中粗砂回填密实 2 保护套管略低于沉降板测杆顶 并在其管内的测杆周围填筑相应填料保护套管 3 保持测杆连接牢固 每次连接后及时测量读数 4 路基填土作业中沉降观测杆周围要设钢筋护栏予以保护 四 路基工程填筑作业关键点 网格布料 防止离析控制虚铺厚度 控制虚铺厚度 网格布料 钢筋边桩 四 路基工程填筑作业关键点 基本工艺 填料翻开晾晒 填料洒水 四 路基工程填筑作业关键点 碾压重叠宽度 40cm 四 路基工程填筑作业关键点 台阶长度 2m 高度 0 6m 四 路基工程填筑作业关键点 桥涵过渡段以及路基接头这里不提过渡段的施工 只说路基先做时预留的结合台阶 这部分大家都知道重要 但是普遍施工质量不高 突出问题是端部超长填筑多而压实效果差 后期施作过渡段时结合不好 在路基上形成薄弱区 造成路基刚度变化不均匀 上图可以看出已经造成了明显的二次台背填筑 无法保证结合部位的质量 公路工程也有同样的问题 填土要求 在桥台后预留一定长度的路堤填筑段并做出台阶 待过渡段施工条件成熟后与过渡段一起施工 未留台阶 使过渡段施工时路基填料和过渡段填料结合不好 过渡段层厚和路基层厚不匹配时应切除虚边 四 路基工程填筑作业关键点 过渡段和同时填筑的路基段 填土的分层厚度和过渡段一致 四 路基工程填筑作业关键点 临时排水路堤填筑作业时必须做好临时排水 防止对降雨冲毁未成型的路基 路基面路拱要明显 4 的横坡 以利排水 五 改良土施工关键控制点 填料的改良分为物理改良和化学改良两类 物理改良主要是在填料中掺入粗粒料 中粗砂 以改善其级配条件 或掺入较细颗粒 粘粒 通过提高其粘粉比增强其强度指标 而化学改良主要是通过对填料加入掺和料 促使土与掺合料之间发生化学作用 从而使土的结构与性质发生较大的变化 使之成为较好的路基填料 掺和料一般为石灰 水泥 粉煤灰 土壤固化剂及其他有机及无机材料 通常使用较多的是水泥和石灰 水泥宜适用于改良不均匀系数Cu 10 Ip 12且WL 40 的粘性土 石灰宜改良粘粒 d 0 002mm 含量大于10 及Ip 12的粘性土 改良填料的粉碎和拌和是保证改良土路堤质量的关键因素之一 石灰与黏性土拌和的均匀性 直接影响改良土的实际改良效果 目前对改良填料粉碎与拌和常用的方法归纳为两种 厂拌法和路拌法 五 改良土施工关键控制点 厂拌法集中在某一场地 通常在取料厂 用固定式拌合机拌和水泥土混合料 用自卸卡车将拌成的混合料运送到铺筑工地 然后进行摊铺和压实 路拌法采用这种方法时 先将要改良的土 沿线路挖的就地土或从附近取土坑中挖的经选择的土 摊铺在下承层上 整形后在上摊铺掺入料 然后用拌和机进行拌和 并进行整平和压实 五 改良土施工关键控制点 压实系数达不到要求的原因水泥改良粉粘土后 土中粘粒含量降低 土粒间粘聚力减小 同时碾压时侧向不存在约束 导致压实系数偏低 同时由于作业时间长 出现延时压实情况也会导致压实系数偏低 改良土压实与检测的时效性水泥土碾压6 8遍基本上达到最佳效果 超过8遍以后 由于施工时间长 水分损失过多 压实系数增长幅度很小 有时会下降 在水泥的初凝时间内完成碾压和检测 施工现象碾压时表面出现横向裂缝 水分散失快 极易造成起皮 分层现象 五 改良土施工关键控制点 填筑压实国内碾压设备主要以自行式振动压路机及三轮压路机为主导 最佳的碾压方式为 1 静压2遍 基本稳定土体和压实表层 2 弱振2 3遍 保证深层土体密实 3 继续静压2 3遍 压实弱振时破坏的表层 并使之平整 光洁 改良土不适合强振碾压 应采用弱振或静压 六 过渡段关键控制点 高速铁路 客运专线 的过渡段不仅是路桥过渡段 只要路基结构发生变化的地段均设置过渡段 一般有路桥过渡段 路涵过渡段 堤堑过渡段 路隧过渡段 半挖半填过渡段等 过渡段的施工特点是作业环境狭小 特别是底部不能有效利用大型设备 同时要和相邻路基做好衔接 六 过渡段关键控制点 六 过渡段关键控制点 倒梯形的过渡段 六 过渡段关键控制点 六 过渡段关键控制点 1 结合部位在有些设计使用倒梯形方式 有些使用正梯形过渡段 不论何种方式 过渡段和路基的结合部位是过渡段施工中应该给与足够重视 倒梯形可以在路基先填筑的情况下较容易地处理 但倒梯形在路基填筑完成的情况下后期一定要注意过渡段和缺口区域路基同时填筑 2 路堤与路堑过渡段当路堤与路堑连接处为坚硬岩石时 一般在路堤一侧20m至路堑一侧不小于5m范围设置过渡段 路堤与路堑连接处顺原地面纵向挖成1 2的坡面 坡面上开挖台阶 台阶高度一般为0 6m 六 过渡段关键控制点 3 过渡段施工过渡段设计填料一般为级配碎石掺一定比例的水泥混合料 这种填料的施工要注意一下关键点 1 混合料的级配必须在配合比设计的级配范围内 2 现场必须配备必要的检测设备 检查水泥剂量是否达到配合比要求 混合料的含水量是否接近最佳含水量等 3 严格控制混合料出盘后在最好在2个小时内已完成压实作业 特殊情况下最好不要超过3小时 和水泥改良土一样存在延迟效应 六 过渡段关键控制点 4 填筑工艺施工前应选择有代表性的过渡段作为试验段进行工艺性试验 确定施工工艺参数 过渡段应与相邻的路堤及锥体按一整体同时施工 并将过渡段与连接路堤的碾压面按大致相同的水平分层高度同步填筑并均匀压实 七 客运专线路基施工质量检测 路基检测的目的一方面可以评价路基施工过程中或竣工后路基的质量 检验路基是否达到了设计要求 验证路基是否具有足够的强度能够承受列车动荷载的作用 同时又具备保证列车安全 舒适运行的合理刚度 另一方面 可以掌握施工过程的质量情况 促进施工单位改进施工工艺 加强施工质量管理 保质保量地完成施工任务 目前 路基检测的项目主要有五大类 压实度K 孔隙率n K30 Ev2 Evd 七 客运专线路基施工质量检测 压实度K环刀法用于不含砾石颗粒的细粒土和无机结合料改良土 灌水法用于粒径不大于60mm的粗粒料 灌砂法用于粒径不大于20mm的粗粒料 核子湿度密度仪用于细粒土和砂类土 七 客运专线路基施工质量检测 压实度检测中需注意问题 1 最大干容重与填料的一致性击实试验的频率填料其它试验的频率2 检测坑中填料颗粒超标问题的处理3 检测方法的适应问题4 标准砂的使用标定保持5 改良土检测的时效性 七 客运专线路基施工质量检测 地基系数K30K30平板载荷试验在日本最早得到较为普遍的应用 自1985年大秦线施工引入后在铁路建设中已经逐步推广应用 K30平板载荷试验适用于粒径不大于载荷板直径1 4的各类土和土石混合填料 由于K30的荷载板直径只有300mm 因此对所填路基土的颗粒粒径和级配有一定的限值 否则颗粒粒径过大 级配不均匀 对K30的测试结果就会带来较大的误差 难以真实反映路基的压实情况 K30的定义为 K30 P0 1 25 800P0 MPa m 七 客运专线路基施工质量检测 K30检测应注意的问题 1 被测土体表面状态 平整 松散2 干湿状态填料在压实后宜在2至4h内进行试验 主要是为了防止填层碾压完成后 表层含水率的变化 而影响测试结果 七 客运专线路基施工质量检测 静态变形模量Ev2在荷载板试验应用过程中 常用的加载方式有单循环静载和二次循环静载 为了更有效地分析土的变形性质和承载能力 西德采用了二次循环静载法 其为变形模量Ev2 七 客运专线路基施工质量检测 静态变形模量Ev2检测注意问题1 Ev2检测中最关注的还是记录Ev1 比较Ev2 Ev1的比值 一般Ev2 Ev1 3 0为佳 当3 0 Ev2 Ev1 3 5时 Ev1应不小于Ev2规范规定值的60 2 试验中必须认真控制加载速度和保持每级荷载的稳定标准 2min 七 客运专线路基施工质量检测 动态变形模量Evd通过测试冲击动荷载的大小 板及板周围一定范围内填土面的动变形 利用专用的信号采集及数据处理软件 来求算路基土层的动模量 承载板的沉陷值越大 被测点的承载能力越小 动模量也越小 反之 越大 因此 动模量能反映该处的承载力 八 关于膨胀土路基 1 膨胀土的基本性质定义 膨胀土系指土中含有较多的粘粒及其亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分 它具有遇水膨胀 失水收缩特征 是一种特殊膨胀结构的粘性土 1 裂隙性 土体内部存在三个方向的裂隙 土体受各种裂隙作用被切割成形状各异 大小不等的块体 风化越强块体积越小 主要是应力和收缩造成 2 超固结性 超固结土比正常固结土存在较大的水平应力 同时超固结土也是应变软化性材料 残余强度远远低于峰值 这两点对于边坡稳定性极为不利 3 膨胀性 强亲水性矿物的吸水膨胀和超固结的卸荷膨胀 八 关于膨胀土路基 2 膨胀土的分类膨胀土主要通过野外和试验两个部分的工作进行判别和分类 试验指标为 八 关于膨胀土路基 3 膨胀土边坡的破坏形式坡面冲蚀表层溜坍深层坍滑滑坡 浅层破坏 控制边坡形状和坡度额设计 膨胀土地段易造成隧道围岩变形开裂 内鼓和坍塌 路堑边坡剥落 冲蚀 臌胀 坍滑 路基基床变形 翻浆冒泥等病害 设计中对线路通过地段 尽量降低填方高度与挖方深度 路基基底以处理 八 关于膨胀土路基 4 膨胀土路堑 1 集中力量 连续 快速施工 分段完成 2 尽量避免雨季施工 当有困难不能避免时 应保证在施工中排水通畅 不出现积水现象 3 路堑基床换填应紧随开挖完成 防止底土暴露时间过长 当有困难时应留有厚度不少于0 5m的保护层 4 天沟 吊沟 排水沟 侧沟的铺砌必须及时作好 并保证排水通畅 5 路堑开挖必须从上到下逐层进行 6 路堑边坡上不能堆积弃土 7 桩间挡土墙或挡板的施工速度要快 1 一般要求抗滑桩是一项质量要求高的工程 抗滑桩的施工质量直接关系到工程的成败 因此 控制施工质量显得特别重要 施工时必须坚持质量第一原则 推行全面质量管理 抗滑桩多采用灌注桩 要特别把好成孔 包括钻孔和清孔 下钢筋笼和灌注混凝土等几道关键工序 每一工序完毕时 均应及时进行质量检验 上道工序不清 下道工序就不能进行 以免留存隐患 施工时每一工地应设专职质量检验员 对施工质量进行全面检查监督 质量责任落实到人 落实到每一根桩 灌注桩的质量控制 主要是指钻孔 清孔 钢筋笼制作 安放 混凝土配制 灌注等工艺工序过程的质量标准和控制方法 应以设计文件和国家或行业标准为准 制定出切合工程实际和易于操作的具体标准和要求 九 支挡结构 1 抗滑桩质量控制 2 质量检验及质量标准a 抗滑桩桩孔的施工应该视为滑坡的再勘探过程 监理应该要求施工单位地质工程师及时做好地质编录 发现异常及时反馈设计单位 b 桩孔开挖过程中严格按照设计标号及时施工钢筋混凝土护壁 设计无规定时不低于C20 单次施做长度1 1 5米 c 每日挖孔作业前要检测孔底是否存在有害气体 孔深超过10米时应该配备通风设备 d 桩孔开挖中滑带位置 厚度等各种特征点的施工和检验记录 e 桩底积水超过100mm时应排除后再浇注混凝土 若排不干积水 则按照水下混凝土施工 公路标准6mm min f 混凝土的施工质量控制标准参照各部门的要求 九 支挡结构 2 锚索质量控制 1 预应力锚索设计方面的几个关键问题 a 允许锚固力是拉拔试验得到的极限拉拔力除以2 2 5的安全系数而得 允许锚固力又是设计锚固力的1 2 1 5倍 设计锚固力根据滑坡推力和安全系数确定 b 锚索最优倾角由理论公式但应大于11 c 相邻锚索不宜等长 相邻可差2 5m d 锚索间距应大于4m 否则应进行群锚效应检算