CN114250654B - 高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法 - Google Patents

高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法，从上到下依次包括基床表层、基床底层上部和基床底层下部；侧面设置有面板，面板下部设置有条形基础；基床表层为级配碎石制备，上部设置有多个加强筋，加强筋形成防翻浆格室；基础表层底部设置有防排水层，防排水层从一侧向另一侧倾斜；防排水层位于下部一侧对应面板处设置有排水孔；基床底层上部为掺杂短纤维的泡沫轻质土制备，其内部设置有土工格栅；基床底层下部为泡沫轻质土制备；本发明结构具有更高的强度、稳定性和耐久性，能够有效减小路基沉降、翻浆冒泥等病害，提高施工效率，减小建设开支和运维成本，适应高速铁路无砟轨道路基在特殊土区域及过渡段的建造需求。

Description

高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法
技术领域
本发明涉及高速铁路路基技术领域，具体涉及高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法。
背景技术
随着我国高速铁路的建设与发展，许多线路不可避免的经过膨胀土、软土和湿陷性黄土等特殊土及多雨地区。在特殊土地区进行路堤与过渡段建设及其运营过程中，面临以下问题：(1)采用传统的路基结构型式和施工方法，在特殊土地基上建造路堤时，由于填料自重大，沉降变形大；为控制工后沉降以满足设计要求，需要对特殊土地基进行加固，往往加固费用会占到总造价的约三分之二，加固花费巨大；(2)在建造过渡段路基时，由于施工作业面区域狭小，中大型压实机械无法进场，致使基床压实质量难以保证。因此为保证过渡段路基刚度并满足不均匀沉降控制要求。现有工艺是采用倒梯形过渡段结构及提高填料标准，虽然有一定的工程效果，但长期运营后还是不可避免的发生不均匀沉降，同时工程费用及造价较高。(3)后期运营过程中，传统土质路基受水的浸湿软化，在列车动载作用下形成沿道砟空隙向路基表面涌出的泥浆，产生翻浆冒泥现象，致使道床脏污、道砟板结及基床弹性减小，大大降低了线路运行质量，导致后期维护费用大幅增加。
为解决特殊土地区路基建设采用传统填料自重大，沉降变形大的问题并满足过渡段路基刚度及不均匀沉降控制需求。如专利号为2015101130596一种泡沫轻质混凝土铁路路基结构，提出了一种泡沫轻质混凝土铁路路基结构，这种结构虽然可以减小路基本体自重，减少路基沉降。但是其结构型式固定，不适合过渡段等施工作业面狭小区域采用，在无预应力施加的条件下，受施工荷载和运营荷载影响，要达到路基预期强度和耐久性所需泡沫轻质土密度应不低于1200kg/m3，导致路基造价翻倍，经济性下降。
路基基床表层产生翻浆冒泥病害的原因是：在雨季期间，水的渗入并在基床表层局部区域蓄积，使该区域级配碎石填料迅速达到饱和状态，在列车高周频动载作用下使得该区域形成动力流固耦合效应，导致该区域级配碎石填料产生翻浆病害。因此防止翻浆冒泥产生的根本措施也应该从如何有效控制路基的含水量或改善列车动应力在基床中的传播两个方面入手。防止翻浆的主要手段，目前是采用将水泥掺入级配碎石封闭水的渗流通道及树脂砂浆等材料填充底座板之间的伸缩缝的主动防护处理工艺，虽有一定的效果，但随着材料的劣化及列车动载作用不可避免地产生水泥开裂问题，同样会导致水分渗入，使基床含水量上升，同时该工艺排水能力十分有限，总体而言抵制翻浆能力较差，翻浆现象仍频繁出现。
目前翻浆冒泥主要处理技术也有同时采用主动防护(采用防水结构)和被动防护(排水结构)相结合的方法。如专利号为201310221787X季节性冻土地区无砟轨道高速铁路路堑基床结构；专利号为201820622943无砟轨道防排水路基基床结构等。上述均能实现防水和排水的功能，但是不具备抗翻浆的能力。如果局部路段由于填料质量和施工条件影响导致基床表层填料渗透性较差，仍然会产生翻浆的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种在提高基床防排水能力的同时，从源头抑制翻浆冒泥病害发生的高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构及施工方法。
本发明采用的技术方案是：
一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构，从上到下依次包括基床表层、基床底层上部和基床底层下部；侧面设置有面板，面板下部设置有条形基础；基床表层为级配碎石制备，上部设置有多个加强筋，加强筋形成防翻浆格室；基床表层底部设置有防排水层，防排水层从一侧向另一侧倾斜；防排水层位于下部一侧对应面板处设置有排水孔；基床底层上部为掺杂短纤维的泡沫轻质土制备，其内部设置有土工格栅；基床底层下部为泡沫轻质土制备。
进一步的，所述基床表层厚度为0.4m；基床底层上部厚度为0.6m；基床底层下部厚度为1.7m；翻浆格室为多个加强筋阵列式排列形成，设置在基床表层上表面下2cm处。
进一步的，所述防排水层坡度为2％。
进一步的，所述防排水层包括排水板和两布一膜，两布一膜设置在排水板下方；排水板为凹凸型排水板。
进一步的，还包括设置在面板内侧的立柱，土工格栅两侧分别连接两个立柱；立柱下部埋设在条形基础内。
进一步的，所述面板为多个预制板连接构成，上下两个预制板上分别设置有预埋环，两个相邻预制板通过连接钢筋连接；立柱通过拉杆连接连接钢筋。
进一步的，所述立柱靠近土工格栅一侧设置有多个工字钢；多个工字钢通过固定钢筋连接；土工格栅两侧分别连接设置在对应侧的固定钢筋。
进一步的，所述基床底层上部中的短纤维为耐碱玻璃纤维，纤维直径为15μm；短纤维的长度为6mm；其在泡沫轻质土中按质量百分比掺杂量为0.6％；土工格栅为双向玻璃纤维土工格栅，网格尺寸为12～15cm×cm；土工格栅设置在基床底层上部上表面以下0.3m处。
进一步的，所述基床底层下部底面设置有底部土工格栅；底部土工格栅两侧分别连接到条形基础内设置的钢筋。
一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：施工准备工作完成后，绑扎两侧条形基础钢筋，将底部土工格栅两侧分别连接到两侧条形基础钢筋上，浇筑条形基础；安装固定设置在面板内侧的立柱和面板；
步骤2：分层分区泵送浇筑泡沫轻质土形成基床底层下部，单次浇筑高度为0.5～0.8m，单节浇筑长度为15～20m，每节之间形成伸缩缝，缝宽2cm；伸缩缝内填充聚苯乙烯泡沫板；浇筑到设计高度后，在表面覆盖塑料薄膜进行保湿养护；
步骤3：浇筑泡沫轻质土至土工格栅设计位置；
步骤4：布设土工格栅，用铁丝绑扎网格角点形成绑扎点；采用紧线器连接固定钢筋；在紧线器和土工格栅之间设置立模；两侧的立模和立柱之间均形成第二次浇筑区，两侧立模之间形成第一次浇筑区；首先对第一次浇筑区进行浇筑；浇筑至设计高度后，采用人工抹面的方式在基床底层上部表面设置横向排水坡；
步骤5：基床底层上部养护成型后，剪断铁丝，回收紧线器；将立模拆除；浇筑第二次浇筑区；
步骤6：在基床底层上部表面铺设两布一膜和排水板形成防排水层；
步骤7：填筑级配碎石至防翻浆格室设计位置，填筑过程中进行压实，压实度合格后转入步骤8；
步骤8：张拉防翻浆格室，张拉完成后采用U型钢筋固定在基床表层；填筑级配碎石至基床表层设计高度，即完成施工过程。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用在基床表层设置防翻浆格室，能够改善基床表层的应力分布，减少静、动应力对基床表层的不良影响，提高基床稳定性；
(2)本发明设置有凹凸型排水板和两布一膜组成的防排水层，在基床表层形成了有效的排水通道和防水屏障，能够提高基床表层的排水能力，有效防止水汽下侵对基床底层造成不良影响，从源头上防止路基病害发生；
(3)本发明基床底层上部设置有土工格栅，预先对泡沫轻质土施加侧向约束力，有效提高了泡沫轻质土在竖向荷载作用下的力学性能，增强了基床底层的强度和稳定性；
(4)本发明基床底层上部形成的预应力-复合加筋-高强泡沫轻质土结构、陶粒混凝土预制面板和条形基础协同实现了基床预应力，有效提高了基床整体的强度和稳定性；
(5)本发明为直立型预应力路基结构，该结构具有更高的强度、稳定性和耐久性，能够有效减小地基变形和沉降，适应高铁无砟轨道路基在特殊土区域及过渡段的建造需求，同时还能有效降低地基处理费用，缩短施工时间，预防路基翻浆冒泥病害的发生，降低运维成本。
附图说明
图1为本发明中高速铁路无砟轨道复合加筋基床结构示意图。
图2为本发明中排水孔布置位置示意图。
图3为本发明实施例中土工格栅张拉后侧向绑扎示意图。
图4为本发明实施例中条形基础、固定立柱及混凝土面板布置示意图。
图5为本发明实施例中工字钢固定立柱布置、混凝土面板与立柱安装示意图。
图6为本发明实施例中紧线器与土工格栅两侧分别浇筑示意图。
图中：1-基床表层，2-基床底层上部，3-基床底层下部，4-面板，5-条形基础，6-排水孔，7-土工格栅，8-绑扎点，9-固定钢筋，10-工字钢，11-紧线器，12-立柱，13-拉杆，14-预留安装槽口，15-连接钢筋，16-预埋环，17-连接缝，18-立模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构，从上到下依次包括基床表层1、基床底层上部2和基床底层下部3；侧面设置有面板4，面板4下部设置有条形基础5；基床表层1为级配碎石制备，上部设置有多个加强筋，加强筋形成防翻浆格室；加强筋阵列式排布；基床表层1底部设置有防排水层，防排水层从一侧向另一侧倾斜；防排水层位于下部一侧对应面板4处设置有排水孔6，如图2所示；基床底层上部2为掺杂短纤维的泡沫轻质土制备，其内部设置有土工格栅7；基床底层下部3为泡沫轻质土制备。
基床表层1厚度为0.4m；基床底层上部2厚度为0.6m；基床底层下部3厚度为1.7m；防翻浆格室为多个加强筋阵列式排列形成，设置在基床表层1上表面下2cm处。
防翻浆格室加筋层所用土工格室基于强流固耦合作用发生于基床表层1以下15cm范围。所以使用时布置于基床表层1表面以下2cm处，格室高度为150mm，焊接距离为360mm，格室片厚度为1.5mm。
防排水层坡度为2％，包括塑料排水板和两布一膜，两布一膜紧贴设置在排水板下方；排水板为凹凸型排水板。所用的布重为450g/m2，膜厚为1.0mm。塑料排水板采用抗压强度大，耐久性好的凹凸型排水板，凹凸高度为25mm，厚度为1mm。抑制防翻浆格室设置的加筋层和防排水层共同作用，形成防翻浆型格室加筋防排水系统，可以实现良好的防排水能力和抑制翻浆冒泥病害效果。
基床底层上部2中设置土工格栅7形成预应力-复合加筋-高强泡沫轻质土结构，采用的泡沫轻质土湿密度为700kg/m3，其掺入的短纤维为与泡沫轻质土和易性最好的耐碱玻璃纤维，纤维直径为15μm，长度为6mm，掺量为0.6％。土工格栅为双向玻璃纤维土工格栅，网格尺寸为12cm×12cm，径向、纬向断裂强度为≥150kN/m，横向张拉后格栅内应力不低于断裂强度的60％。张拉后布置于基床底层表面以下0.3m处。基床底层下部3底面设置有底部土工格栅；底部土工格栅两侧分别连接到条形基础5内设置的钢筋。底部土工格栅结构和土工格栅7结构相同。
基床底层下部3浇筑的泡沫轻质土湿密度为600kg/m3。还包括设置在面板4内侧的立柱12，土工格栅7两侧连接分别连接两个立柱12；立柱12下部埋设在条形基础5内。面板4为多个预制板连接构成，上下两个预制板上分别设置有预埋环16，两个相邻预制板通过连接钢筋15连接；立柱12通过拉杆13连接连接钢筋15。立柱12靠近土工格栅7一侧设置有多个工字钢10；多个工字钢10通过固定钢筋9连接；土工格栅7两侧分别连接设置在对应侧的固定钢筋9。
面板4集中预制，规格为60cm(高)×90cm(长)×6cm(厚)，较常用尺寸更大，并采用容重轻、抗渗性好、施工适应性强及和易性优良的陶粒混凝土进行薄板浇筑，避免因面板块数多，重量大导致面板预制、安装和勾缝等工作量上升，降低施工效率，同时面板混凝土等级不低于C25；制作时保证其外露面平整，无变形、弯曲以及凹凸不平的现象产生；施工时安装牢固、顺直、接缝严密、相邻面板无错台等问题。
条形基础5为混凝土现浇基础，混凝土等级不低于C25，宽度取120cm，高度取50cm，用于固定立柱12和陶粒混凝土面板4；立柱采用工字钢10，埋置于条形基础5中，以保证底部土工格栅和土工格栅7预应力施加效果；两侧条形基础5采用底部土工格栅进行连接，以提供足够的“杆端反力”，在提高土工格栅预应力施加效果的同时，防止在土工格栅张拉作用下导致条形基础移位。
一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：施工准备工作完成后，还包括进行场地平整相关工作；
绑扎两侧条形基础5钢筋，将底部土工格栅两侧分别连接到两侧条形基础5钢筋上，浇筑条形基础5；安装固定设置在面板4内侧的立柱12和面板4；将面板4下端通过设置在条形基础5上的预留安装槽口14连接条形基础5。条形基础5上设置有横向固定钢筋，底部土工格栅两侧通过横向固定钢筋连接条形基础5。
面板4为多块预制陶粒混凝土面板连接构成，上下两片面板4由直径为6mm的连接钢筋15穿过预埋环16焊接固定。上下两片面板4之间采用M15水泥砂浆勾缝填充，形成连接缝17。连接钢筋15与直径为6mm的拉杆13焊接，如图4所示。拉杆13和工字钢10焊接固定。将用于土工格栅7张拉所需的横向固定钢筋9焊接在固定立柱12上，横向钢筋连接位置与土工格栅7布置位置相同，如图5所示。
步骤2：分层分区泵送浇筑泡沫轻质土形成基床底层下部3，单次浇筑高度为0.5～0.8m，单节浇筑长度为15～20m，每节之间形成伸缩缝，缝宽2cm；伸缩缝内填充聚苯乙烯泡沫板；浇筑到设计高度后，在表面覆盖塑料薄膜进行保湿养护；单个浇筑区顶面面积为200m2。
步骤3：浇筑泡沫轻质土至土工格栅7设计位置；
步骤4：首先检查土工格栅7质量，对双向玻璃纤维土工格栅进行张拉，保证横纵向张拉后格栅内应力不低于断裂强度的60％。如图3所示，每间隔两个网格，用铁丝绑扎网格角点形成绑扎点；采用紧线器11将铁丝与固定钢筋9紧密连接并收紧，对土工格栅7产生张拉预应力，其立面示意图如图6所示。在紧线器11和土工格栅7之间设置立模18；两侧的立模18和立柱12之间均形成第二次浇筑区，两侧立模18之间形成第一次浇筑区；首先对第一次浇筑区进行浇筑；浇筑至设计高度后，采用人工抹面的方式在基床底层上部2表面设置横向排水坡，坡度为2％。
步骤5：基床底层上部2养护成型后，剪断铁丝形成预应力结构体系，回收紧线器11；将立模18拆除；浇筑第二次浇筑区。
步骤6：在基床底层上部2表面铺设两布一膜和排水板形成防排水层；两者共同组成防翻浆型格室加筋基床表层的防排水层。防排水层与混凝土面板接触位置，间隔1.5m设置直径为5cm的PVC管形成排水孔，如图2所示。同时，“两布一膜”与混凝土面板交接处预留15cm靠搭在混凝土面板4内侧。“两布一膜”纵向搭接宽度为15cm。
步骤7：填筑级配碎石至防翻浆格室设计位置，填筑过程中进行压实，压实度合格后(检测压实系数K、地基系数K30等指标)转入步骤8；
步骤8：张拉防翻浆格室，张拉完成后采用U型钢筋固定在基床表层1，保证张拉后土工格室可复原并不发生变形或破坏；填筑级配碎石至基床表层1设计高度，进行质量检测，检测过程如步骤7，即完成施工过程。
本发明提出防翻浆型加筋基床表层，在基床表层形成了具有柔性的抑制翻浆格室加筋层，能够改善基床表层的应力分布，减少静、动应力对基床表层的不良影响，提高基床稳定性；同时通过设置塑料排水板和两布一膜复合排水层，在基床表层形成了有效的排水通道和防水屏障，能够提高基床表层的排水能力，有效防止水汽下侵对基床底层造成不良影响，从源头上防止路基病害发生；抑制翻浆格室加筋层与复合排水层共同构成防翻浆加筋基床结构体系，最大程度上防止基床翻浆病害发生。通过设置预应力-复合加筋-高强泡沫轻质土基床底层上部，在该位置形成了强度更高的预应力复合加筋层；通过张拉土工格栅预先对泡沫轻质土施加侧向约束力，有效提高了泡沫轻质土在竖向荷载作用下的力学性能，增强了基床底层的强度和稳定性；预应力-复合加筋-高强泡沫轻质土基床底层上部、陶粒混凝土面板与条形基础协同实现了基床预应力，有效提高了基床的整体强度与稳定性，充分发挥了各类材料的性能。
本发明结构整体上是一种直立型预应力路基结构，主要由防翻浆型加筋基床表层和预应力基床底层组成，相较于传统路基结构，该结构具有更高的强度、稳定性和耐久性，能够有效减小地基变形和沉降，适应高速铁路无砟轨道路基在特殊土区域及过渡段的建造需求；同时还能够有效降低地基处理费用，缩短施工时间，预防路基翻浆冒泥病害的发生，降低运维成本。

Claims (6)

1.一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，基床结构从上到下依次包括基床表层(1)、基床底层上部(2)和基床底层下部(3)；侧面设置有面板(4)，面板(4)下部设置有条形基础(5)；基床表层(1)为级配碎石制备，上部设置有多个加强筋，加强筋形成防翻浆格室；基床表层(1)底部设置有防排水层，防排水层从一侧向另一侧倾斜；防排水层位于下部一侧对应面板(4)处设置有排水孔(6)；基床底层上部(2)为掺杂短纤维的泡沫轻质土制备，其内部设置有土工格栅(7)；基床底层下部(3)为泡沫轻质土制备；
还包括设置在面板(4)内侧的立柱(12)，土工格栅(7)两侧分别连接两个立柱(12)；立柱(12)下部埋设在条形基础(5)内；所述面板(4)为多个预制板连接构成，上下两个预制板上分别设置有预埋环(16)，两个相邻预制板通过连接钢筋(15)连接；立柱(12)通过拉杆(13)连接连接钢筋(15)；所述立柱(12)靠近土工格栅(7)一侧设置有多个工字钢(10)；多个工字钢(10)通过固定钢筋(9)连接；土工格栅(7)两侧分别连接设置在对应侧的固定钢筋(9)；
施工方法包括以下步骤：
步骤1：施工准备工作完成后，绑扎两侧条形基础(5)钢筋，将底部土工格栅两侧分别连接到两侧条形基础(5)钢筋上，浇筑条形基础(5)；安装固定设置在面板(4)内侧的立柱(12)和面板(4)；
步骤2：分层分区泵送浇筑泡沫轻质土形成基床底层下部(3)，单次浇筑高度为0.5～0.8m，单节浇筑长度为15～20m，每节之间形成伸缩缝，缝宽2cm；伸缩缝内填充聚苯乙烯泡沫板；浇筑到设计高度后，在表面覆盖塑料薄膜进行保湿养护；
步骤3：浇筑泡沫轻质土至土工格栅(7)设计位置；
步骤4：布设土工格栅(7)，用铁丝绑扎网格角点形成绑扎点；采用紧线器(11)连接固定钢筋(9)；在紧线器(11)和土工格栅(7)之间设置立模(18)；两侧的立模(18)和立柱(12)之间均形成第二次浇筑区，两侧立模(18)之间形成第一次浇筑区；首先对第一次浇筑区进行浇筑；浇筑至设计高度后，采用人工抹面的方式在基床底层上部(2)表面设置横向排水坡；
步骤5：基床底层上部(2)养护成型后，剪断铁丝，回收紧线器(11)；将立模(18)拆除；浇筑第二次浇筑区；
步骤6：在基床底层上部(2)表面铺设两布一膜和排水板形成防排水层；
步骤7：填筑级配碎石至防翻浆格室设计位置，填筑过程中进行压实，压实度合格后转入步骤8；
步骤8：张拉防翻浆格室，张拉完成后采用U型钢筋固定在基床表层(1)；填筑级配碎石至基床表层(1)设计高度，即完成施工过程。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，所述基床表层(1)厚度为0.4m；基床底层上部(2)厚度为0.6m；基床底层下部(3)厚度为1.7m；防翻浆格室为多个加强筋阵列式排列形成，设置在基床表层(1)上表面下2cm处。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，所述防排水层坡度为2％。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，所述防排水层包括排水板和两布一膜，两布一膜设置在排水板下方；排水板为凹凸型排水板。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，所述基床底层上部(2)中的短纤维为耐碱玻璃纤维，纤维直径为15μm；短纤维的长度为6mm；其在泡沫轻质土中按质量百分比掺杂量为0.6％；土工格栅(7)为双向玻璃纤维土工格栅，网格尺寸为12～15cm×cm；土工格栅(7)设置在基床底层上部(2)上表面以下0.3m处。
6.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道复合加筋预应力基床结构的施工方法，其特征在于，所述基床底层下部(3)底面设置有底部土工格栅；底部土工格栅两侧分别连接到条形基础(5)内设置的钢筋。
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