摘 要 土路基在城市軌道交通中主要用於地面段線路,包括地面正線、車輛段、停車場等,是城市軌道交通線路下部建築結構的重要組成部分。試通過對上海市城市軌道交通先後使用的土路基填築標準,以及與鐵路相關標準的比較和分析,結合上海地區的特點,對上海軌道交通土路基填築的基床填料、壓實指標等標準提出一些參考建議。
關鍵詞 城市軌道交通 土路基 填料 壓實 標準
1前 言
隨著上海軌道交通建設的大發展,有必要對軌道交通的路基有一個再認識的過程,也就是說,城市軌道交通並不完全等同於國家鐵路,兩者之間的區別。首先是國家鐵路路基的承載物件與城市軌道交通的差異較大,國鐵軸重23ｔ,而地鐵16ｔ,輕軌14ｔ;其次城市的區域性特點與國鐵適用範圍存在明顯差異。無論是採用《地鐵設計規範》相關標準,還是直接套用現行國家鐵路標準,實施軌道交通路基填築時都存在一定的侷限性。目前最新版本的《地鐵設計規範》有關路基部分完全套用國家鐵路路基設計規範Ⅲ級線路的標準,雖然解決了此前設計中常套用國家鐵路標準的現象,但如此套用仍有不盡合理之處。
這一客觀存在的問題,需要我們對軌道交通路基填築的標準進行有益的探討,本著保證質量的前提,儘可能採用最經濟的施工原則,合理調整基床填料、壓實指標、檢測標準等引數,以期更科學地建設上海軌道交通。
2上海軌道交通土路基主要特點
2.1地區特點
(1)土質差:上海地區表層土質分佈按土層厚計算,除去面層有機土,二層為粉質粘土(厚約2ｍ)、三層為淤泥質粉質粘土夾粉質粘土(約5～7ｍ)、四層為淤泥質粘土。按照鐵路路基規範的填料標準劃分,基本均為較差的Ｃ類土及以下的土質。
(2)承載力低:根據工程地質勘測實測資料統計表明,靜力觸探Ｐｓ值:二層土1.08～0.89ＭＰａ;三層土(1～2分層)1.21～0.82ＭＰａ;三層土第3分層～五層土0.36～0.78ＭＰａ。直接影響路基的土層主要為上述的二、三層土,一般而言上海地區的天然地基承載力約在0.97～0.8ＭＰａ之間。
(3)含水量高:上海地區屬東南溫熱區,該區季節性雨季雨量充沛集中,颱風暴雨多,地表水極為豐富;反映在路基病害方面主要有:水毀、沖刷、滑坡多。地下水位高,一般不低於地面2ｍ;反映在路基病害方面主要為軟弱土層多。
2.2 軌道交通的主要特點
城市軌道交通特點的實質是相對國家鐵路而言,比較軌道交通(包括地鐵和輕軌)與國鐵(包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級鐵路),主要從荷載、速度、運量三方面的差異進行比較。車輛不同而影響其限界的差異本文不作探討。
Ⅰ級鐵路設計速度為120ｋｍ/ｈ,ＩＩ級鐵路為100ｋｍ/ｈ,Ⅲ級鐵路為80ｋｍ/ｈ,軌道交通的設計速度為80ｋｍ/ｈ,與Ⅲ級鐵路相同。
Ⅰ級鐵路年客貨運量不小於15Ｍｔ,Ⅱ級鐵路小於15Ｍｔ大於等於7.5Ｍｔ,Ⅲ級鐵路小於7.5Ｍｔ。地鐵編組一般6～8節、輕軌編組一般4節,鐵路編組一般客車10～20節,貨車可多達100節。在鐵路客貨運量中,每對旅客列車(對/ｄ)上下行各按0.7Ｍｔ年貨運量折算。軌道交通即使按每對客車(對/ｄ)上下行各為0.15Ｍｔ折算,也可達到Ⅰ級鐵路運量。
荷載的差異非常顯著,地鐵動車16ｔ,輕軌動車14ｔ,國鐵內燃機機車23ｔ(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級鐵路皆同)。
3國家鐵路及地鐵有關路基填築的主要規定
3.1 軌道交通建設使用的有關路基工程的主要規範和標準情況
目前,城市軌道交通建設中使用的有關路基工程的規範和標準主要有:
《地鐵設計規範》(ＧＢ50157-2003)
《地下鐵道工程施工及驗收規範》(ＧＢ50299-1999)
《鐵路路基設計規範》(ＴＢ10001-99)
《鐵路路基施工規範》(ＴＢ10202-2002)
《鐵路路基工程質量檢驗評定標準》(ＴＢ10414-98,最新2000版)
《鐵路工程土工試驗方法》(ＴＢＪ102-96)
3.2鐵路、地鐵有關路基規範、標準的發展
由鐵道部發布的《鐵路路基設計規範》,目前使用的是2002年版,與1999年版基本無差別。1999年版由1996版發展而來,1996年版為1985年版的區域性修訂版。
鐵路路基施工規範、質量檢驗評定標準涉及基床厚度、填料類別和壓實標準的引數則是參照其版本前的相應的設計規範而制定。
如2002年版施工規範的基床厚度、填料類別和壓實標準相關引數與1999年版設計規範的相同。2000年版施工規範相關引數與1996年版設計規範的相同,1996版路基施工規範中,壓實標準是被要求執行1985版的路基設計規範(ＴＢＪ1-85)相應的壓實指標規定。
1998版路基工程質量檢驗評定標準的壓實度及地基係數指標是根據1996版設計規範(ＴＢＪ1-96)和施工規範(ＴＢＪ202-96)相關規定製訂的。
地鐵路基規範經歷兩個階段,即1992年實施的地下鐵道設計規範屬初創版本,許多引數、指標不盡合理;2003年實施的地鐵設計規範,基本套用鐵路設計規範有關Ⅲ級鐵路的標準。
3.3 路基填築壓實標準變化情況
1996年版較之1985年版,增加了Ｋ30標準及相應指標。廢除1985年版一直沿用的從上世紀50年代參照原蘇聯當時的擊實標準而制訂的;採用國內外公認並普遍採用的普氏和修正普氏標準,即輕型和重型擊實標準。
1996年在修改中,將Ⅰ、Ⅱ級鐵路幹線的壓實度適當提高,基床底層由原來的Ｋｓ=0.90提高為Ｋｓ=0.93(ＫＬ=0.95,Ｋｈ=0.85),基床以下部位不浸水部分,原Ｋｓ=0.85提高為Ｋｓ=0.90,基床以下部位浸水部分、基床表層以及Ⅲ級鐵路的基床仍保持原壓實係數不變。
1999年版在修改中則取消了輕型擊實標準,只保留重型擊實標準和Ｋ30地基係數標準。
上述由鐵道部發布的現行設計、施工和質量檢驗評定標準之間共性的是相應的壓實度和地基係數的指標相同,差異是設計規範已取消輕型擊實標準及相應指標。
填料為細粒土和粘砂、粉砂時,基床及以下部位壓實度指標如表1。
3.4 路基填料土質類別規定
鐵路標準土類劃分為:Ａ組、Ｂ組、Ｃ組、Ｄ組、Ｅ組等5大類土。其中作為路基填料,基床表層填料應優先選用Ａ、Ｂ組填料,嚴禁使用Ｄ、Ｅ組填料;基床底層填料可選用Ａ、Ｂ、Ｃ組填料,當不得不使用Ｄ組填料時,必須採取加固或改良措施。使用Ｂ組填料中砂粘土及Ｃ組填料中的粉土、粉粘土時,在年平均降水大於500ｍｍ的地區,其塑性指數不得大於12,液限不得大於32%。
數十年來的數種版本,對於路基填料類別的規定均未作變動,地鐵涉及路基填料的規定則完全採用國家鐵路標準。
4軌道交通路基填築幾項標準的探討
4.1路基填料採用上海當地土的探討和實踐
按照鐵路路基規範的填料標準劃分,上海地區的土料基本均為較差的Ｃ類土及以下的土質,根據實測顯示,其塑性指數在11.5～12.7之間。嚴格意義上講,均不符合作為路基填料。
據此,上海地區的路基基床填料來源只能從外地購土;路基基床以下部位填料或可採用改良措施後的本地土。但由於土源限制,從外地購土在工程實施中困難重重。通過工程實踐,在車輛段和停車場施工中,路基基床表層採取對上海本地Ｃ組土摻和比例為5%的硝石灰;基床底層採取本地Ｃ組適當摻和硝石灰的處理方法進行填築。經Ｋ30地基係數檢測,完全滿足規範要求。在交付運營後也未出現任何路基病害問題。
因此,筆者認為在軌道交通的路基填料選擇時,基於軌道交通本身的荷載較小的特點,在車輛段和停車場等填土數量大,承載力要求低的專案中,無須使用外購土,充分利用本地土源,採取適當改良措施,實踐證明能夠滿足工程需要。
4.2 關於標準擊實試驗標準取消輕型擊實法的現實影響
該試驗的目的是測試試樣在一定擊實次數下含水量與幹密度之間的關係,從而確定該土的最優含水量和最大幹密度。標準擊實試驗標準分重型擊實法與輕型擊實法。重型擊實實驗法的單位擊實功是輕型擊實實驗法的4.22倍(見表2)。重型擊實實驗法測得土的最大幹密度比輕型擊實實驗法提高約5%～14%,而最佳含水量降低約1～9個百分點。
目前,鐵路設計規範和地鐵設計規範均先後取消了輕型擊實試驗法對應的相應引數,僅採用重型擊實試驗法對應的相應引數。由於在規範中,重型擊實試驗的壓實係數較輕型擊實試驗有6.6%～6.9%的降低量,在施工實踐中因最大幹密度提高對實際達標密實度並未產生多大影響,也就是說密實度標準基本未變,但最優含水量的標準卻提高了約1～9個百分點。
這一變化,對於粒徑大於5ｍｍ的顆粒較多的土料,工程施工中實測結果顯示,含水量越接近重型擊實試驗對應的最優含水量,其壓實的效果越理想;對於粒徑小於5ｍｍ的細粒土填料而言,則含水量越接近輕型擊實試驗對應的最優含水量,其壓實的效果越理想。因此,在目前採用重型擊實試驗法對應的相應引數的現實情況下,當填料是以粒徑小於5ｍｍ的細粒土為主時,有必要對其最優含水量進行校正,可根據對應的輕型擊實試驗最優含水量實測結果予以調整。
上海地區的土質以粒徑小於5ｍｍ的細粒土為主,在軌道交通的車輛段、停車場等基本採用當地土作填料時,建議考慮適當降低最優含水量。
4.3 關於Ｋ30標準在軌道交通中運用中的必要性分析
地基係數Ｋ30標準在國家鐵路設計和施工中早已得到廣泛應用,地鐵工程以前對此未作要求,在2003年實施的新版地鐵設計規範中才予以明確。
Ｋ30為30ｃｍ直徑荷載板試驗得出的地基係數,一般取下沉量為0.125ｃｍ的荷載強度。作為路基壓實度的一項新的控制指標,地基係數Ｋ30的引數較之壓實係數Ｋｈ更為直觀。尤其在上海地區,由於填料多數採用當地的較差的Ｃ類土,甚至需要採取改良或加固措施,僅以壓實係數作為控制指標,難以確保路基的承載指標和穩定性得到完全真實的`反映。因此在上海軌道交通中採用地基係數Ｋ30作為路基壓實度的控制指標確有其必要性。
然而,由於目前Ｋ30試驗的測試費用遠比壓實係數試驗(環刀法或核子溼密度儀法)昂貴,且操作複雜;在規範中也僅明確了兩種控制指標的引數,未強調哪一種是優先或必須選用的。在實際施工中測試人一般出於使用習慣和方便省事等諸多原因,常選用壓實係數作為控制指標。
鑑於地基係數Ｋ30在上海軌道交通作為路基壓實度控制指標的必要性,建議在工程實施的相關檔案條款中予以明確規定。
在實施地基係數Ｋ30作為路基壓實度控制指標時,考慮其費用較高、實測麻煩的實際情況,還需要與壓實係數試驗結合使用方更為合理,即採用雙指標標準。建議地基係數Ｋ30試驗僅用於路基基床面層的實測,而分層填築過程中仍採用壓實係數試驗。
4.4天然地基和基底表層檢測標準在上海軌道交通中的可行性分析
地鐵設計規範和國家鐵路設計規範中,涉及基床表層部分,無論填築或天然地基,均要求按基床土的壓實度標準執行,而基床地層部分則同基底表層的標準一致,均為靜力觸探比貫入阻力Ｐｓ值不得小於1ＭＰａ。
當天然地基條件良好時,該承載力標準無可厚非。但上海地區的地質條件卻相對較差,比較突出的是軌道交通的車輛段、停車場,一般均處於城郊結合部,大多是耕地農田,其天然地基承載力約在0.97～0.8ＭＰａ之間,很難達到規範要求的1ＭＰａ標準。
根據軌道交通與國家鐵路的荷載比較,即地鐵動車16ｔ,輕軌動車14ｔ,國鐵內燃機機車23ｔ。荷載比值地鐵為國鐵的70%,輕軌為國鐵的60%。軌道交通的車輛段、停車場路基高度一般均不超過1.5ｍ,因此,軌道交通的路基基床範圍和基底表層所受應力以荷載應力為主土體自重應力為次,僅為國家鐵路的80%左右。
鑑於上海地區的實際情況和軌道交通本身荷載特點,尤其是車輛段、停車場均為空車、低速的特點。筆者認為,儘管軌道交通的路基基床範圍和基底表層所受應力明顯低於國鐵,其區間正線地面段的天然地基和基底表層檢測標準可以維持規範要求不變,但車輛段、停車場的檢測標準應予合理降低。建議其靜力觸探比貫入阻力Ｐｓ值按照不得小於0.9ＭＰａ執行。
5 結 論
通過對上海軌道交通土路基的地域和軌道交通特點的分析,簡要概述我國關於鐵路、地鐵路基標準規範的發展和現狀,針對上海軌道交通相應規範要求與實際困難的差距,結合工程實踐中相關問題的解決辦法和實際效果,得出以下幾點個人看法和建議。
(1)上海地區的土質雖然較差,經過適當改良,完全可以用於軌道交通車輛段和停車場等填土數量大,承載力要求低的專案中,無須使用外購土,充分利用本地土源。
(2)在軌道交通的車輛段、停車場等基本採用當地土作填料時,建議考慮適當降低最優含水量。
(3)上海軌道交通路基壓實度控制指標非常有必要採用地基係數Ｋ30,建議在工程實施中地基係數Ｋ30與壓實係數試驗結合使用方更為合理,即採用雙指標標準。並建議地基係數Ｋ30試驗僅用於路基基床面層的實測,而分層填築過程中仍採用壓實係數試驗。
(4)上海軌道交通正線地面段的天然地基和基底表層檢測標準可以維持規範要求不變,但車輛段、停車場的檢測標準應予合理降低。建議其靜力觸探比貫入阻力Ｐｓ值按照不得小於0.9ＭＰａ執行。