上海轨道交通土路基填筑标准探讨摘 要 土路基在城市轨道交通中主要用于地面段线路,包括地面正线、车辆段、停车场等,是城市轨道交通线路下部建筑结构的重要组成部分。试通过对上海市城市轨道交通先后使用的土路基填筑标准,以及与铁路相关标准的比较和分析,结合上海地区的特点,对上海轨道交通土路基填筑的基床填料、压实指标等标准提出一些参考建议。关键词 城市轨道交通 土路基 填料 压实 标准1前 言 随着上海轨道交通建设的大发展,有必要对轨道交通的路基有一个再认识的过程,也就是说,城市轨道交通并不完全等同于国家铁路,两者之间的区别。首先是国家铁路路基的承载对象与城市轨道交通的差异较大,国铁轴重23ｔ,而地铁16ｔ,轻轨14ｔ;其次城市的区域性特点与国铁适用范围存在明显差异。无论是采用《地铁设计规范》相关标准,还是直接套用现行国家铁路标准,实施轨道交通路基填筑时都存在一定的局限性。目前最新版本的《地铁设计规范》有关路基部分完全套用国家铁路路基设计规范Ⅲ级线路的标准,虽然解决了此前设计中常套用国家铁路标准的现象,但如此套用仍有不尽合理之处。 这一客观存在的问题,需要我们对轨道交通路基填筑的标准进行有益的探讨,本着保证质量的前提,尽可能采用最经济的施工原则,合理调整基床填料、压实指标、检测标准等参数,以期更科学地建设上海轨道交通。2上海轨道交通土路基主要特点2.1地区特点 (1)土质差:上海地区表层土质分布按土层厚计算,除去面层有机土,二层为粉质粘土(厚约2ｍ)、三层为淤泥质粉质粘土夹粉质粘土(约5～7ｍ)、四层为淤泥质粘土。按照铁路路基规范的填料标准划分,基本均为较差的Ｃ类土及以下的土质。 (2)承载力低:根据工程地质勘测实测资料统计表明,静力触探Ｐｓ值:二层土1.08～0.89ＭＰａ;三层土(1～2分层)1.21～0.82ＭＰａ;三层土第3分层～五层土0.36～0.78ＭＰａ。直接影响路基的土层主要为上述的二、三层土,一般而言上海地区的天然地基承载力约在0.97～0.8ＭＰａ之间。 (3)含水量高:上海地区属东南温热区,该区季节性雨季雨量充沛集中,台风暴雨多,地表水极为丰富;反映在路基病害方面主要有:水毁、冲刷、滑坡多。地下水位高,一般不低于地面2ｍ;反映在路基病害方面主要为软弱土层多。2.2 轨道交通的主要特点 城市轨道交通特点的实质是相对国家铁路而言,比较轨道交通(包括地铁和轻轨)与国铁(包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级铁路),主要从荷载、速度、运量三方面的差异进行比较。车辆不同而影响其限界的差异本文不作探讨。Ⅰ级铁路设计速度为120ｋｍ/ｈ,ＩＩ级铁路为100ｋｍ/ｈ,Ⅲ级铁路为80ｋｍ/ｈ,轨道交通的设计速度为80ｋｍ/ｈ,与Ⅲ级铁路相同。 Ⅰ级铁路年客货运量不小于15Ｍｔ,Ⅱ级铁路小于15Ｍｔ大于等于7.5Ｍｔ,Ⅲ级铁路小于7.5Ｍｔ。地铁编组一般6～8节、轻轨编组一般4节,铁路编组一般客车10～20节,货车可多达100节。在铁路客货运量中,每对旅客列车(对/ｄ)上下行各按0.7Ｍｔ年货运量折算。轨道交通即使按每对客车(对/ｄ)上下行各为0.15Ｍｔ折算,也可达到Ⅰ级铁路运量。 荷载的差异非常显著,地铁动车16ｔ,轻轨动车14ｔ,国铁内燃机机车23ｔ(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级铁路皆同)。3国家铁路及地铁有关路基填筑的主要规定3.1轨道交通建设使用的有关路基工程的主要规范和标准情况目前,城市轨道交通建设中使用的有关路基工程的规范和标准主要有:《地铁设计规范》(ＧＢ50157-2003)《地下铁道工程施工及验收规范》(ＧＢ50299-1999)《铁路路基设计规范》(ＴＢ10001-99)《铁路路基施工规范》(ＴＢ10202-2002)《铁路路基工程质量检验评定标准》(ＴＢ10414-98,最新2000版)《铁路工程土工试验方法》(ＴＢＪ102-96)3.2铁路、地铁有关路基规范、标准的发展 由铁道部发布的《铁路路基设计规范》,目前使用的是2002年版,与1999年版基本无差别。1999年版由1996版发展而来,1996年版为1985年版的局部修订版。 铁路路基施工规范、质量检验评定标准涉及基床厚度、填料类别和压实标准的参数则是参照其版本前的相应的设计规范而制定。 如2002年版施工规范的基床厚度、填料类别和压实标准相关参数与1999年版设计规范的相同。2000年版施工规范相关参数与1996年版设计规范的相同,1996版路基施工规范中,压实标准是被要求执行1985版的路基设计规范(ＴＢＪ1-85)相应的压实指标规定。 1998版路基工程质量检验评定标准的压实度及地基系数指标是根据1996版设计规范(ＴＢＪ1-96)和施工规范(ＴＢＪ202-96)相关规定制订的。 地铁路基规范经历两个阶段,即1992年实施的地下铁道设计规范属初创版本,许多参数、指标不尽合理;2003年实施的地铁设计规范,基本套用铁路设计规范有关Ⅲ级铁路的标准。3.3 路基填筑压实标准变化情况 1996年版较之1985年版,增加了Ｋ30标准及相应指标。废除1985年版一直沿用的从上世纪50年代参照原苏联当时的击实标准而制订的;采用国内外公认并普遍采用的普氏和修正普氏标准,即轻型和重型击实标准。 1996年在修改中,将Ⅰ、Ⅱ级铁路干线的压实度适当提高,基床底层由原来的Ｋｓ=0.90提高为Ｋｓ=0.93(ＫＬ=0.95,Ｋｈ=0.85),基床以下部位不浸水部分,原Ｋｓ=0.85提高为Ｋｓ=0.90,基床以下部位浸水部分、基床表层以及Ⅲ级铁路的基床仍保持原压实系数不变。 1999年版在修改中则取消了轻型击实标准,只保留重型击实标准和Ｋ30地基系数标准。 上述由铁道部发布的现行设计、施工和质量检验评定标准之间共性的是相应的压实度和地基系数的指标相同,差异是设计规范已取消轻型击实标准及相应指标。填料为细粒土和粘砂、粉砂时,基床及以下部位压实度指标如表1。
3.4 路基填料土质类别规定 铁路标准土类划分为:Ａ组、Ｂ组、Ｃ组、Ｄ组、Ｅ组等5大类土。其中作为路基填料,基床表层填料应优先选用Ａ、Ｂ组填料,严禁使用Ｄ、Ｅ组填料;基床底层填料可选用Ａ、Ｂ、Ｃ组填料,当不得不使用Ｄ组填料时,必须采取加固或改良措施。使用Ｂ组填料中砂粘土及Ｃ组填料中的粉土、粉粘土时,在年平均降水大于500ｍｍ的地区,其塑性指数不得大于12,液限不得大于32%。 数十年来的数种版本,对于路基填料类别的规定均未作变动,地铁涉及路基填料的规定则完全采用国家铁路标准。4轨道交通路基填筑几项标准的探讨4.1路基填料采用上海当地土的探讨和实践 按照铁路路基规范的填料标准划分,上海地区的土料基本均为较差的Ｃ类土及以下的土质,根据实测显示,其塑性指数在11.5～12.7之间。严格意义上讲,均不符合作为路基填料。 据此,上海地区的路基基床填料来源只能从外地购土;路基基床以下部位填料或可采用改良措施后的本地土。但由于土源限制,从外地购土在工程实施中困难重重。通过工程实践,在车辆段和停车场施工中,路基基床表层采取对上海本地Ｃ组土掺和比例为5%的硝石灰;基床底层采取本地Ｃ组适当掺和硝石灰的处理方法进行填筑。经Ｋ30地基系数检测,完全满足规范要求。在交付运营后也未出现任何路基病害问题。 因此,笔者认为在轨道交通的路基填料选择时,基于轨道交通本身的荷载较小的特点,在车辆段和停车场等填土数量大,承载力要求低的项目中,无须使用外购土,充分利用本地土源,采取适当改良措施,实践证明能够满足工程需要。4.2关于标准击实试验标准取消轻型击实法的现实影响 该试验的目的是测试试样在一定击实次数下含水量与干密度之间的关系,从而确定该土的最优含水量和最大干密度。标准击实试验标准分重型击实法与轻型击实法。重型击实实验法的单位击实功是轻型击实实验法的4.22倍(见表2)。重型击实实验法测得土的最大干密度比轻型击实实验法提高约5%～14%,而最佳含水量降低约1～9个百分点。
目前,铁路设计规范和地铁设计规范均先后取消了轻型击实试验法对应的相应参数,仅采用重型击实试验法对应的相应参数。由于在规范中,重型击实试验的压实系数较轻型击实试验有6.6%～6.9%的降低量,在施工实践中因最大干密度提高对实际达标密实度并未产生多大影响,也就是说密实度标准基本未变,但最优含水量的标准却提高了约1～9个百分点。 这一变化,对于粒径大于5ｍｍ的颗粒较多的土料,工程施工中实测结果显示,含水量越接近重型击实试验对应的最优含水量,其压实的效果越理想;对于粒径小于5ｍｍ的细粒土填料而言,则含水量越接近轻型击实试验对应的最优含水量,其压实的效果越理想。因此,在目前采用重型击实试验法对应的相应参数的现实情况下,当填料是以粒径小于5ｍｍ的细粒土为主时,有必要对其最优含水量进行校正,可根据对应的轻型击实试验最优含水量实测结果予以调整。 上海地区的土质以粒径小于5ｍｍ的细粒土为主,在轨道交通的车辆段、停车场等基本采用当地土作填料时,建议考虑适当降低最优含水量。4.3关于Ｋ30标准在轨道交通中运用中的必要性分析 地基系数Ｋ30标准在国家铁路设计和施工中早已得到广泛应用,地铁工程以前对此未作要求,在2003年实施的新版地铁设计规范中才予以明确。 Ｋ30为30ｃｍ直径荷载板试验得出的地基系数,一般取下沉量为0.125ｃｍ的荷载强度。作为路基压实度的一项新的控制指标,地基系数Ｋ30的参数较之压实系数Ｋｈ更为直观。尤其在上海地区,由于填料多数采用当地的较差的Ｃ类土,甚至需要采取改良或加固措施,仅以压实系数作为控制指标,难以确保路基的承载指标和稳定性得到完全真实的反映。因此在上海轨道交通中采用地基系数Ｋ30作为路基压实度的控制指标确有其必要性。 然而,由于目前Ｋ30试验的测试费用远比压实系数试验(环刀法或核子湿密度仪法)昂贵,且操作复杂;在规范中也仅明确了两种控制指标的参数,未强调哪一种是优先或必须选用的。在实际施工中测试人一般出于使用习惯和方便省事等诸多原因,常选用压实系数作为控制指标。 鉴于地基系数Ｋ30在上海轨道交通作为路基压实度控制指标的必要性,建议在工程实施的相关文件条款中予以明确规定。 在实施地基系数Ｋ30作为路基压实度控制指标时,考虑其费用较高、实测麻烦的实际情况,还需要与压实系数试验结合使用方更为合理,即采用双指标标准。建议地基系数Ｋ30试验仅用于路基基床面层的实测,而分层填筑过程中仍采用压实系数试验。4.4天然地基和基底表层检测标准在上海轨道交通中的可行性分析 地铁设计规范和国家铁路设计规范中,涉及基床表层部分,无论填筑或天然地基,均要求按基床土的压实度标准执行,而基床地层部分则同基底表层的标准一致,均为静力触探比贯入阻力Ｐｓ值不得小于1ＭＰａ。当天然地基条件良好时,该承载力标准无可厚非。但上海地区的地质条件却相对较差,比较突出的是轨道交通的车辆段、停车场,一般均处于城郊结合部,大多是耕地农田,其天然地基承载力约在0.97～0.8ＭＰａ之间,很难达到规范要求的1ＭＰａ标准。 根据轨道交通与国家铁路的荷载比较,即地铁动车16ｔ,轻轨动车14ｔ,国铁内燃机机车23ｔ。荷载比值地铁为国铁的70%,轻轨为国铁的60%。轨道交通的车辆段、停车场路基高度一般均不超过1.5ｍ,因此,轨道交通的路基基床范围和基底表层所受应力以荷载应力为主土体自重应力为次,仅为国家铁路的80%左右。 鉴于上海地区的实际情况和轨道交通本身荷载特点,尤其是车辆段、停车场均为空车、低速的特点。笔者认为,尽管轨道交通的路基基床范围和基底表层所受应力明显低于国铁,其区间正线地面段的天然地基和基底表层检测标准可以维持规范要求不变,但车辆段、停车场的检测标准应予合理降低。建议其静力触探比贯入阻力Ｐｓ值按照不得小于0.9ＭＰａ执行。5结 论 通过对上海轨道交通土路基的地域和轨道交通特点的分析,简要概述我国关于铁路、地铁路基标准规范的发展和现状,针对上海轨道交通相应规范要求与实际困难的差距,结合工程实践中相关问题的解决办法和实际效果,得出以下几点个人看法和建议。 (1)上海地区的土质虽然较差,经过适当改良,完全可以用于轨道交通车辆段和停车场等填土数量大,承载力要求低的项目中,无须使用外购土,充分利用本地土源。 (2)在轨道交通的车辆段、停车场等基本采用当地土作填料时,建议考虑适当降低最优含水量。 (3)上海轨道交通路基压实度控制指标非常有必要采用地基系数Ｋ30,建议在工程实施中地基系数Ｋ30与压实系数试验结合使用方更为合理,即采用双指标标准。并建议地基系数Ｋ30试验仅用于路基基床面层的实测,而分层填筑过程中仍采用压实系数试验。 (4)上海轨道交通正线地面段的天然地基和基底表层检测标准可以维持规范要求不变,但车辆段、停车场的检测标准应予合理降低。建议其静力触探比贯入阻力Ｐｓ值按照不得小于0.9ＭＰａ执行。
