既有线提速路基评估方法综述及进展

随既有线提速路蓬瓣罄液遴蠢马伟斌：张千里：朱忠林：蔡德钩：姚建平：杜晓燕：铁道科学研究院铁道建筑研究所，博士生，北京，１０００８１铁道科学研究院铁道建筑研究所，副研究员，北京，１０００８铁道科学研究院铁道建筑研究所，助研员，北京，１０００８１铁道科学研究院铁道建筑研究所，研实员，北京，１０００８１铁道科学研究院铁道建筑研究所，研实员，北京，１０００８１北京圣天工程设计咨询公司，工程师，北京，１０００７３摘要：我国铁路修建时期，设计标准、建设方法、使用状态、路基土质等差异较大。

随着列车速度的提高，路基状态变得异常复杂，因此提速前对路基状态进行评估十分必要。

我国既有线路基评估技术在某些方面存在一定的局限性。

在借鉴国外既有线路基评估的检测方法基础上建立一种路基综合评价系统架构，核心是路基全面普查与局部直接勘察相结合。

该方法的优点是评估速度快，不干扰行车，针对性强。

另外，根据需要研究了一种新的局部勘察检测方法——路基动位移测试系统，京九线现场实测证明，采用该方法检测既有线铁路路基动位移是可行的。

关键词：既有线；铁路路基；路基评估；动位移测试着国民经济的迅速发展，我国对铁路运输能力的需求越来越大，其运营速度和效率也越来越重要。

１９９７年４月以来铁道部进行了五次既有线提速，旅客列车最高速度达到１６０ｋｍ／ｈ，２００６年将进行第六次大提速，主要干线运营速度将提至２００ｋｍ／ｈ。

在既有线路上实现列车以较高速度运行，技术改造投资相对较少。

对既有铁路路基在运营状态下进行提速改造已成为当前铁路发展的趋势之一，但是既有线路基设计标准远低于提速等级的新线路基标准。

与新线路基相比，既有线路基普遍存在填料不良、压实度不足、排水不畅、边坡防３４护不够等问题。

更重要的是基床结构设计不合理，未采用强化基床表层和设置专门的过渡段。

列车行车速度的提高不但增加了路基动荷载，而且对路基的强度、刚度、下沉变形、水稳定性及运营养护等方面提出了新的要求。

因此针对既有线的特点，在提速之前应对路基进行合理的评估，其重要目的就是为既有线改造路基提供设计与施工参数标准。

１国外既有线提速及路基评估新进展国外多数发达国家通过采取各种技术措施，把提高既有线行车速度放在重要地位。

日本通过对既有线的改造和研制新型机车车辆，使窄轨铁路和标准轨铁路的客车速度普遍提高到１３０ｋｍ／ｈ和１６０ｋｍ／ｈ，快速列车在既有线上的速度达到了１６０～２００ｋｍ／ｈ。

法国早在２０世纪６０年代开始逐步提高既有线的行车速度，现在普通线路上的客车速度已达到１２０～１６０ｋｍ／ｈ，货车速度也逐步提高到１００～１２０ｋｍ／ｈ，ＴＧＶ列车在普通线路的速度为２００ｋｍ／ｈ。

德国对属于干线的既有线，主要强化改造线路基础设施，将速度提高到２００ｋｍ／ｈ，对于支线，则采用先进的摆式列车，将速度提高到１６０ｋｍ／ｈ，甚至更高。

美既有线提速路基评估方法综述及进展马伟斌等国的波士顿一纽约一华盛顿东北走廊和俄罗斯在主要运输繁忙干线方向也进行了既有线的提速工作。

国外在路基评估方面进行了许多研究。

俄罗斯在提速路基评估中采用重载列车进行沉降试验和轨检车普查，并对重点地段采用地质雷达或地质超声探测的方法进行仔细勘测。

用地质雷达可以探测到路基下层的地质交界面、隐藏的潜流、道碴层中的污染体，用重载列车加载时得出的线路弹性沉降曲线与地质剖面结合进行对比分析。

ＧＢＭ线路工程机械公司提出一种调查线路路基状况的新方法一ＧｅｏＲａｉｌ。

它采用特殊的软件进行处理和分析，可查找和记录道碴囊和淤泥部位等局部病害，其定位精度达到米级。

英国在采用直接勘察法调查铁路线路道床和路基状况基础上，提出了全面调查方法，将间接测量和直接勘察相结合，这样克服了只能说明个别勘察点情况不能反映全貌的缺点。

所谓间接测量是用雷达进行检测，从而对道床和路基状况进行初步诊断。

在此基础上，找出缺陷和病害位置，然后进行勘测。

日本为防止路基病害的发生对路基进行评估，除进行地形、地质等调查外，还采用动力触探等方法确定基床表层的厚度和强度。

２我国既有线路基评估及检测现状由于我国既有线在不同时期修建，建设方法、使用状态、路基土质、气候环境等方面差异较大，其上部结构和运行列车车型不同造成荷载条件的不同，加之运量不断增长、行车速度不断提高以及长期动荷载的作用，使路基变得复杂。

有些地段路基基床能够适应这种状态，表现良好・有些地段路基面的几何形状发生破坏，基床出现不同程度的病害。

路基病害成因无外乎荷载、土质、环境。

对确定土性的路基，影响因素主要指刚度、强度。

基床强度、刚度与其平顺性存在着辩证关系，基床强度与刚度指标越高造价越高；基床强度不足则会形成路基平顺性差的局面，通过道床传到基床上的力不均匀，造成各种形式的病害。

因此路基强度既要满足路基整体稳定，还要有抵抗道床碎石贯入侵蚀的能力。

２．１评估内容及现状由于室内试验难以模拟现场的时间和环境等效应的影响，与现场物理力学过程均有较大差异，所以既有线评估是针对影响列车提速的主要因素，从以下３个方面进行现场原位勘察检测。

（１）路基面几何形状。

采用地质雷达、轻型动力触探、波速法、电测法等方法，通过对路基进行针对性检测，判断基床面是否平整、是否存在道碴囊（槽）、翻浆冒泥、冻害和其他影响路基几何形状的病害，给出路基面几何形状评价。

（２）路基密实度和强度。

检查路基面下３～４ｍ范围内的强度和密实度。

采用轻型动力触探、轻便静力触探、深层核子密度仪等方法，给出路基的强度和密度状况评价。

（３）路基刚度。

采用动位移测试系统，测试不同轴重下路基与轨道结构的综合动变形，得出路基与轨道结构的刚度值，并与得出的“标准值”进行比较分析，对基床刚度指标进行评价。

由评估内容可看出，我国目前的路基评估是以局部的原位勘察评估检测为主，没能形成一个系统全面的普查信息系统。

２．２既有线路基的局部勘察检测方法既有线路基局部检测方法应用的关键在于列车运行时检测的可实施性，对行车的干扰程度以及是否与路基和基床的工作特点相适应。

目前我国既有线铁路路基局部勘察常用的检测方法主要有以下几种。

（１）轻型动力触探。

把装在钻杆上的锥头按规定锤击能量将探头打入土中一定深度，以锤击数来区分和确定地层中国铁路ＣＨＩＮＥＳＥＲＡＩＬＷＡＹＳ２００６／６物理力学指标的方法。

结合既有线路基特点，一般以锤重１０ｋｇ、落距５０ｃｍ的轻型动力触探进行勘探，可查明路基地质状况和地基承载力等。

（２）波速法。

分跨孔波速法和面波法两种。

跨孑Ｌ波速法是利用两孔或两相对表面传递和接收剪切波，计算两传感器之间剪切波的传播速度；面波法则通过在路基表面激振和接收信号，根据面波传播规律反映各地层波速情况。

波速法以波速区分地层及确定其物理力学指标。

面波法测出的瑞雷波速度以及跨孔波速法测出的剪切波速均可直接反映路基土的抗剪强度，属无损检测，但分辨率低，受频率和测试条件的影响，表层检测困难，且结果易受含水量和土质变化的影响。

（３）落锤式路基动刚度检测。

通过落锤式动刚度仪测试基床动刚度值来评价基床质量。

在大面积普查或有资料可查时，也可在路肩进行测试，然后推测轨道下方基床的相应参数。

（４）核子密度湿度测试。

通过测量Ｙ射线在经物质散射前后强度的变化和测试快中子的散射能量来确定被测物质的压实度和含水量。

根据测试结果即可判断路基及基床的压实程度。

（５）便携式动力触探试验。

便携式动力触探试验是贯入触探设备的改进产品，贯入时由数据采集系统连续记录锥尖阻力，对地层有较高的分辨率，并可滤掉局部介质不均的影响，用来探明路基地质状态与承载力。

（６）基床系数Ｋ３。

试验。

在地基土上用直径３０ｃｍ的刚性荷载板垂直分级加荷，测得下沉量ｓ与荷载强度Ｐ的关系曲线，取１．２５ｍｍ下沉量ＳＩ．２５对应的荷载强度Ｐ１．２５，计算值Ｋ３０，即Ｋ３０＝Ｐ１．２５／ｓ１．２５。

（７）变形模量Ｅ，：及动态变形模量Ｅ。

检测。

变形模量Ｅ也是一种平板载荷试验，也是在直径为３０ｃｍ的载荷板上分级施加荷载，由第二次加载的曲线计算路基的变形模量；Ｅ。

ａ是指用一定重量和作用时间的落锤进行冲击的平板荷３５载试验，由测试的沉降值通过圆形载荷板公式计算得到变形模量。

（８）其他检测方法。

其他检测方法包括小型贯入试验、静力触探、电测法等。

小型贯人试验可以检验基床、封闭层及换土的强度，即将截面积１ｃｍ２、长度１０ｃｍ的贯人头，用２．５ｋｇ的标准穿心锤以落高３０ｃｍ锤击贯入土层，以锤击数判断地层强度。

静力触探是一种较为理想的原位测试方法，即将探头用静力方式压人土层，以贯入阻力划分和确定地层物理力学指标，其测试结果稳定可靠。

电测法是利用电场分布规律研究地层电性差异来认识地质构造的一种勘探方法，通过插入地下的电极，建立人工电场，利用仪器测定电场的分布，计算地下土层的电阻率，以此反映地层的变化。

以上路基评估方法设备简单，操作方便，检测速度快，结果稳定可靠，且检测工具携带方便，但不足之处是需要扒开部分道碴进行操作，受行车干扰。

作为路基勘察与检测的手段，适用于所有既有线与新线的局部评估。

２．３既有线路基的全面普查方法既有线路基的全面普查检测方法主要有地质雷达探测与轨检车普查２种方法。

（１）车载雷达探测。

车载雷达探测是目前国内外进行既有线路基检测评价较高的～种方法，由天线定向向路基发射电磁波。

在介质介电常数改变的地方会发生折射与反射，通过记录反射波便能确定各个结构层的交界位置。

检测中不仅能准确地揭示道床和基床厚度变化的情况，为分析提供可靠的参数，同时通过改变天线频率可以检测到基床和地基中存在的病害，从而尽早进行地基改造处理，确保运营安全。

（２）轨检车普查。

轨检车随着计算机技术和检测技术的长足进步而迅速发展，检测精度和可靠性大大提高。

轨检车的动态检测资料为提高线路养护维修质量提供了科学的根据，充分发挥轨检３６既有线提速路基评估方法综述及进展马伟斌等车指导线路养护维修的作用。

既有轨检车可以检测轨道左右高低、左右轨向、水平、轨距、扭曲、超高、曲率、曲率变化率等轨道几何参数，以及车体水平和垂直加速度两项舒适度指标。

通过线路轨检车动态检测数据的分析，可划分因路基状态差异引起的不同质量水平的区段。

这两种方法均可进行无损、连续检测，均不干扰行车，且具有检测精度高、直观、效率快的优点。

地质雷达与轨检车数据一般只能反映整个轨道与路基结构的几何状态，不能与基床的关键物理力学性质联系，一次检测不能预测路基病害的发生和发展。

作为路基普查手段，适用于所有既有线与新线的整体评估。

３既有线路基评估新进展局部检测方法具有局限性，即在评价局部刚度指标时，其调查指标轨道与路基动位移测试未能解决，因此开发了路基动位移测试系统。

针对既有线路基存在上覆结构具有隐蔽性、常规的工程检测方法离散性强等现状，开发了既有线路基综合评估体系，采用路基全面普查和局部勘察检测相结合对既有线路基进行检测。