铁路路桥过渡段质量控制浅析

李晓彬

中图分类号：U448.13

【摘要】路基是铁路线路平顺性的薄弱环节，路基部分中路桥过渡段是薄弱环节中的薄弱环节。由于过渡段属于线路平顺性变化最为明显的部位，且涉及到相邻路堤、相邻桥台以及软基处理，较为复杂；同时，实践表明，过渡段是出现问题最多的部位，这使得过渡段的设计和施工中都存在一些技术问题需要进一步的研究和探讨。文章针对过渡段质量控制的相关方面，对过渡段质量控制的目标、设计需要解决的问题、检测评价指标、施工过程控制中有关问题进行简要分析和探讨，并提出解决对策或相关研究思路。

【关键词】过渡段；质量控制

1 引言

高速铁路及高标准客运专线的大量兴建将改变中国未来的经济格局，相信作为目前高端的铁路技术，在建设过程中必然遇到一系列的技术问题需要解决，只有解决这些问题，才能够成功完成中国高速铁路系统的建设，完成我国高速铁路建设的战略目标。而这一系列的技术问题中，路基是其中比较关键的方面，路桥过渡段则是关键之中的关键。

路桥过渡段（后桥台台后过渡段）是指在刚度差异明显的桥台结构与路堤之间设置的刚度居中的衔接段，其目的是实现线路在路堤与桥台之间的平顺过渡，是高速铁路路基结构与普通铁路结构的主要区别之一。由于涉及到运行的舒适性与安全性，高速铁路对线路的平顺性要求非常高；由于路基的沉降变形以及力学特性等质量控制难度较大，是线路的薄弱环节；而路桥过渡段则因为位于路基与桥台的衔接部位，其设计与施工涉及到桥台、相邻路堤、基底处理以及过渡段本身，其影响因素较多，需要考虑的方面相对较为复杂，是路基部分对线路平顺性影响最大、质量最难控制、出现问题最多的部位。虽然无砟轨道整体道床的大量采用对于线路的平顺性提供了强有力的保证，设置过渡段也确实是从根本上提高线路平顺性的有效措施，但若设计施工不够合理、质量控制不到位，则难以达到设置过渡段提高线路平顺性特别是长期运营后线路平顺性的目的。

本文对高速铁路路桥过渡段设计施工过程中可能存在的质量控制问题进行探讨，并对相应的解决思路、对策以及需要研究的内容进行分析和讨论。

2、路桥过渡段质量控制目标

对过渡段质量的控制须建立在对过渡段质量控制目标的深刻认识之上。平顺性是过渡段质量控制的核心目标。要达到这个目标，必须解决该部位的静不平顺、动不平顺以及耐久性的问题。

2.1 静不平顺

所谓静不平顺，也可称为几何不平顺。主要指线路在静置情况下的不平顺，是由施工填筑完成时的初始不平顺与由工后沉降形成的、不可恢复的变形的叠加。解决静不平顺是最基本的质量控制目标。

2.2 动不平顺

动不平顺性主要指在列车运行动荷载作用下线路所发生的瞬间变形所产生的不平顺。由于该部位是在三种刚度不同结构部位间迅速的变换，在相同的动力作用下，由于其动刚度的差异，必然产生不同的瞬间变形，造成瞬间的不平顺。动不平顺主要与刚度特别是动刚度的差异有关系，这是设置过渡段的根本原因。

2.3平顺性的耐久性

另外，过渡段的平顺性还应满足耐久的要求，即要求在运营过程中长期保持理想的平顺状态。这种动态不平顺性的影响因素一方面是工后沉降，一方面随着时间过渡段力学性质的劣化。要达到这个目标，须对工后沉降进行控制、保证静平顺性，同时还须保证过渡段动平顺性不随时间劣化。

过渡段平顺性一般采用过渡曲线进行量化和描述。过渡曲线指过渡段与相邻路堤和桥台在运营荷载的作用下，线路沿纵向各点达到最大变形位置的连线，而平顺性指实际曲线相对于目标曲线的偏离。在受到动力作用的情况下，该过渡曲线是静不平顺与动不平顺的叠加的结果。理想情况该连线为直线，实际中，连线并非直线；要满足列车高速运行的安全性和舒适性，必须将不平顺性控制在一定的限度内，这个限度可以用目标曲线来控制，平顺性控制的目标就是要让过渡曲线不超过目标曲线的限度。

总之，过渡段的质量目标就是要满足该部位对静平顺性、动平顺性以及相应耐久性的要求。要达到过渡段静平顺性目标，主要应在施工过程中控制该部位与相邻部位的几何标高与工后沉降特别是差异沉降的大小。要实现动平顺性，还须尽量减小路堤、过渡段、桥台之间动刚度的差异。而要保证过渡段的平顺性不随时间劣化，须尽量减小工后沉降外，还应尽量减小过渡段各部位力学特性随时间劣化的幅度。

要达到以上目标须考虑过渡段的结构形式、填筑材料、软基处理方式等设计因素，结合轨道形式与运营荷载情况，并在施工过程中进行严格的质量控制。也就是说，要实现过渡段的质量控制目标，必须从结构设计和施工质量过程控制以及科学合理的质量检测指标体系等方面全方位控制。另外，应特别注意的是，研究一个合理的目标曲线，是进行设计和施工质量控制标准制定的前提。

3 路桥过渡段设计

设计是决定过渡段质量控制目标实现的关键因素，设计是否科学合理决定了过渡段质量目标即线路在路桥过渡段处的平顺性。路桥过渡段的设计中，要考虑过渡段的结构形式、填筑材料、地基处理方法以及该部位的防排水等方面的内容。

3.1 目前典型的路桥过渡段结构形式

国内客运专线与京沪高速铁路目前基本上采用下图所示的结构形式：

图1 过渡段典型结构形式

图中H为过渡段底到基床表层顶面高度，h为基床表层厚度，a为过渡段底部长度，L为过渡段最大长度。三者间须满足：

L=a+(H-h)*n，且L不小于20m。

3.2 正梯形与倒梯形之争

在路桥过渡段设计中正梯形与倒梯形之争由来已久。两种结构形式如下图所示：

图2正梯形（左）与倒梯形(右)过渡段示意图

倒梯形过渡段在日本使用较多，欧洲多采用正梯形形式。我国主要使用倒梯形的结构形式，前述过渡段的典型结构形式就属倒梯形。

根据在我国的使用经验，两种过渡段各有特点。要解决倒梯形和正梯形之争，首先需要讨论以下问题：1、在其它条件相似的情况下，后者的过渡曲线更优；2、后者能够在更长的时间内保证过渡曲线的平顺，受长期运营影响更小。

在几何平顺性相同的情况下，倒梯形的过渡曲线更平缓。原因在于列车动力荷载的作用力随着深度的增加衰减较快，倒梯形主要增加上部的刚度，并逐渐增加，使得从路堤向过渡段到桥台间的变化更加平缓。但两者过渡曲线在桥台一侧的变化是接近的，所以，倒梯形的过渡曲线更加平顺，而正梯形过渡段与相邻路堤间有一个突变，对线路动平顺性是不利的。

两种形式的选用，对施工中的质量控制也有影响。施工试验中发现，在搭接部位施工时，倒梯形过渡段级配碎石在碾压中被挤压到路堤填料中，而倒梯形过渡段在碾压中路堤填料容易被碾压到级配碎石中，相比而言，倒梯形对于施工质量控制较为有利。

也有认为倒梯形过渡段存在缺点。在秦沈客运专线过渡段施工中发现，采用倒梯形过渡段，其与桥台之间有裂缝出现，宽度最大达到80mm。初步分析认为，由于相邻路堤填土部分在堆载作用下则发生较大的变形；而过渡段级配碎石部分刚度较大、整体性较好，在堆载作用下倒梯形向背离桥台方向转动，与桥台脱离形成裂缝。特别是在地基软弱，不均匀沉降较大的情况下，则裂缝更大。当然，发生该问题的原因是否如此须进一步研究。

另外，倒梯形尖端可能在荷载作用下断裂，正梯形则容易在填筑时受振动压路机作用而破坏，对于过渡段的长期过渡特性发生影响。

3.3 填筑材料选择

填筑材料是决定过渡段动刚度的关键。过渡段填筑材料先后采用过加筋AB组土、级配碎石或级配砂砾石、掺水泥的级配碎石。

目前路桥过渡段填筑材料主要采用掺3-5%水泥的级配碎石，这进一步地加强了过渡段本身的刚性，缩小了过渡段与桥台间的刚度差异，减小了过渡段与桥台之间的动不平顺；但是由于过渡段刚度的增加，相应增加了过渡段与相邻路堤之间的刚度差异，特别是采用正梯形的情况下，会增加路堤与过渡段之间的动不平顺性。为了不降低路堤与过渡段之间的刚度差异，理应采取增加过渡段长度或在过渡段与路堤间二次过渡等方法来保证路堤与过渡段之间的平顺过渡。

3.4 地基处理方法

在过渡段与路堤得到充分压实的情况下，过渡段的工后沉降及不均匀沉降的大小决定于地基处理方法。科学合理的地基处理方法的设计，是减小工后沉降的关键。在选用地基处理方法时，仅仅加强过渡段本身基底的处理是不够的，须兼顾桥台、过渡段、路堤三者基底的处理方法，使三部分的差异沉降尽量减小。

在进行软基处理方法选择时，往往会增强过渡段的基底处理，对减小过渡段与桥台间的沉降差异有利，而路堤部分的基底处理出于成本考虑往往较弱，使过渡段与相邻路堤间的沉降差异增大。若过渡段与相邻路堤地基处理方法发生突变，则将会在过渡段与相邻路堤间产生明显的不均匀沉降。所以，地基处理方法选择的原则，应为：在尽量加强过渡段基底处理的情况下，同时减小过渡段与相邻路堤间的突变，必要时设“地基处理过渡段”，避免过渡段因为地基处理方式不当引起的不均匀沉降。

3.5 设计中需要考虑的其它问题

3.5.1结构尺寸选择

结构尺寸特别是过渡段长度也关键因素。增加过渡段长度实际上是从刚度较小部分到刚度较大部分过渡的距离和时间更长，其过渡曲线更加缓和。

所以在成本和施工控制允许的情况下应尽量采用较大的过渡段长度。

总之，在过渡段设计中，倒梯形过渡段在质量控制上有更多的优点；为保证过渡段与相邻路堤间的平顺性，须提高相邻路堤填筑材料的质量标准，特别是对于正梯形过渡段，在过渡段与正常填筑的路堤间须进行二次过渡。除研究新填筑材料外，对过渡段几何形式也可进行改良，比如采用图示阶梯状过渡段，可保证过渡特性和降低施工控制难度。

为了减少过渡段与桥台差异沉降，保证过渡段与相邻桥台间平顺性不随时间劣化，须加强对过渡段的软基处理，尽量采用沉降幅度与桥台基础接近的处理方法，比如CFG桩网或桩板结构。但同时应该考虑过渡段与相邻路堤地基处理的平缓过渡。

4、施工质量过程控制

过渡段由于部位特殊等原因使施工过程中的质量控制也成为难点。施工中须切实解决以下问题。

4.1 与相邻路堤同步施工的问题

过渡段与路堤衔接部位的施工质量控制难点在于难以实现同步填筑施工。

实际施工中，路基一般要用作箱梁运架通道，加上路基段在通过架桥机前需要长时间预压，路基施工工期紧，须尽快完成，使得路基施工完成后，桥台还未达到填筑过渡段所需强度，甚至还没有施工完，只有在已填筑路堤与桥台间留下缺口，等待桥台强度满足要求后进行补填。

由于过渡段填筑一般控制在20cm一层，如果所留缺口较长，则会影响施工工效，故缺口往往较小。造成了过渡段与相邻路堤间填筑事实上的不同步。

由于不同步，在地基处理方法相同情况下，可能产生较大的不均匀沉降；如果导致过渡段预压滞后于相邻路堤，则这种不均匀沉降将更大。另外缺口一侧路堤的填筑质量也往往被忽视而使其压实质量满足不了要求，形成隐患。

要解决这个问题，必须做好施工组织，尽早完成桥台施工，保证路堤与过渡段的同步填筑；如果需要预留缺口则其长度应不小于100m。确保过渡段与相邻路堤间预压同步进行也非常关键。

4.2 边角部位压实质量控制的问题

为避免重型机械对桥台产生破坏，台后2.0m范围内及大型压路机碾压不到的部位应采用小型振动压实设备进行压实，使得靠近桥台一侧的填筑质量难以控制。[1]

要解决此问题，须选取合适的小型碾压设备或采用变态混凝土进行桥台附近过渡段的填筑。[2]

另外，对于掺加水泥的级配碎石，一定要遵照拌合到填筑完成的时限要求，填筑完成后应按照混凝土而非普通级配碎石做好养护工作。

5、过渡段质量检测指标体系

5.1压实指标

下表为目前过渡段压实质量检测指标：[1][2]

基床表层以下过渡段级配碎石填层压实标准表

指标 地基系数K30（MPa/m） 变形模量Ev2（MPa） 动态变形模量Evd（MPa） 孔隙率 n（%）

标准 ≥150 ≥80 ≥50 ＜28

可见过渡段质量采用多指标控制。目前该指标体系，还有以下问题需要探讨：

1、由于过渡段处施工空间狭小，检测困难，且这两种指标的原理基本相同，是否需要同时采用值得研究。与K30相比，Ev2的测试结果对于评价路基的特性更加客观，而且Ev2/Ev1可评价路基的加荷卸荷特性，理论上采用Ev2检测更加科学合理。

由于目前过渡段采用的填料是掺加了5%的水泥的级配碎石，强度和刚度都非常大，作为检测土类的指标，用K30、Ev2对该类过渡段进行评价的合理性值得研究。

2、Evd作为动力弹性模量，更能够对过渡段的刚度进行评价，Evd用来检测该类材料更加合理。如果在Ev2与Evd间进行比选，Evd更加合理。

3、除了是否需要使用以上多指标进行检测、哪个指标更加合理是值得探讨外，以上检测指标主要是对过渡段本身的评价，能否对过渡段的平顺性进行评价也值得研究。

5.2沉降控制

控制沉降是过渡段质量控制的重要方面。为保证过渡段的静平顺性，规范要求：桥台台尾过渡段路基工后沉降不应大于3cm，路桥交界处差异沉降不大于5mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁的折角不大于1/1000。

该沉降控制标准相当严格，实际控制难度非常大。加强地基处理和进行充分的预压是解决这个问题的根本途径。

值得注意的是，使用以上的指标系统和工后沉降控制标准很难直接对该部位的平顺性进行评价，建议将过渡段与相邻路堤的有关指标进行对比分析，以综合评估过渡段是否能够实现平顺过渡。

另外，与路基本身检测指标一样，没有一个指标对于填筑体的耐久性进行评价，对路桥过渡段的过渡曲线随着时间和运营是否会出现明显的变化用这些指标也无法进行评价。

6、结论

过渡段是路基质量控制的关键部位，其质量控制应以保证线路平顺性为目标，除了要保证静平顺性外，还需要保证动平顺性，并满足耐久的要求。为此，从设计施工上需要特别重视以下几个方面：

1、须确定更加明确的质量控制目标，即确定科学合理的过渡目标曲线，据此再从设计和施工方面对质量控制的措施进行研究，并形成一套确实能够对过渡段的质量进行评估的指标体系和评估方法。

2、设计不仅要考虑过渡段本身，还须综合考虑与相邻结构物和路堤，以及软基处理的设计。达到路堤与过渡段的平顺过渡、桥台与过渡段的平顺过渡、路堤部分的地基与过渡段部分的地基处理之间的平顺过渡，特别是在路堤较低或地基软弱的情况下，地基处理方案的设计尤为关键。

3、从结构形式设计上来说，可以考虑采用新的结构形式和材料，比如采用轻质泡沫砂浆、完善二次过渡的方案等。

4、施工中需要对施工组织进行科学合理的安排，尽量保证过渡段与相邻路堤的同步填筑，或者研究更加科学的施工方法和工序。

5、检测指标体系还可以进一步优化。特别是该指标体系以及沉降控制要求都很难对过渡段的平顺性进行综合的评价。

6、对于该部位的耐久性也是需要研究的问题，对于受力状态、破坏特性、耐久的影响因素等，结合对不同轨道形式来进行研究，研究随着时间增加，该部位差异沉降增加、在动荷载作用下的变形累积以及过渡曲线的变化，最终会对无砟轨道特性的影响和破坏情况。

总之，铁路路桥过渡段质量控制是一个系统性较强的课题，有必要做进一步的深入研究。

References (参考文献)

[1]客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准(铁建设[2005] 160号)

[2] 客运专线无碴轨道铁路设计指南（铁建设【2005】754号）

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。