《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》是中鐵第四勘察設計院集團有限公司於2014年2月28日申請的專利，該專利的公布號為CN103821040A，授權公布日為2014年5月28日，發明人是周青爽、顧湘生、李小和、蔣興錕、趙新益、陳仕奇、姚洪錫、尤灝、梁龍標、熊大生、孫宏林、鄔強、陳世剛、劉慶輝、岳永興。
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》公開了一種用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，包括樁基加固區、地基加固墊層、高速鐵路路堤、第一軟弱地層區、不對稱荷載區、第二軟弱地層區，樁基加固區向第二軟弱地層區方向發生橫向位移，第二軟弱地層區內沿縱向設第一排旋噴樁，不對稱荷載區內設變形槽，變形槽的長度方向與不對稱荷載區的縱向方向一致，變形槽內填塞硬質泡沫，變形槽的一側與樁基加固區的一側之間的不對稱荷載區內沿縱向設多個應力釋放孔，每個應力釋放孔底部向下延伸，並貫穿第一軟弱地層區，每個應力釋放孔內均填滿中粗砂或碎石。該發明通過對地基深部施加作用力，以地基帶動路基本體產生移動，達到路基橫向位移糾偏的目的。
2020年7月14日，《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構
- 申請人：中鐵第四勘察設計院集團有限公司
- 申請日：2014年2月28日
- 申請號：2014100714923
- 公布號：CN103821040A
- 公布日：2014年5月28日
- 發明人：周青爽、顧湘生、李小和、蔣興錕、趙新益、陳仕奇、姚洪錫、尤灝、梁龍標、熊大生、孫宏林、鄔強、陳世剛、劉慶輝、岳永興
- 地址：湖北省武漢市武昌區楊園和平大道745號鐵四院技術中心
- Int. Cl.：E01B2/00(2006.01)I、E02D5/46(2006.01)I
- 代理機構：武漢開元智慧財產權代理有限公司
- 代理人：黃行軍、李滿
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2014年前，中國高速鐵路已基本建設形成四縱四橫的格局。其中，京滬、京港、杭福等客運專線通過軟土廣泛分布的沿海地區。基於無砟軌道使用壽命長、耐久性好、維修工作量小等優點，我國高速鐵路大量採用無砟軌道。經過多年大量的理論及工程實例研究，我國工程技術人員對軟土地區無砟軌道路基沉降認識較為深刻，通常採用複合地基、管樁+筏板結構、樁板結構等進行地基加固，使地基滿足無砟軌道路基對工後沉降的嚴格要求。由於對無砟軌道路基橫向變形研究較少，技術人員對路基橫向變形的認識尚不夠深刻。由於單側堆載、基坑開挖或後期養護維修不對稱施工等工程活動均可能導致軟土地區無砟軌道路基橫向變形超限，破壞軌道結構的平順性，嚴重時將導致列車傾覆。
中國大量採用的無砟軌道通常採用縱聯，縱、橫向剛度大，短期內不可修復，且採用傳統的有砟軌道推、拉及撥道等橫向變形糾偏方法對無砟軌道結構破壞大，風險極高。高速鐵路天窗時間短，因軌道結構糾偏影響高鐵運營或停運，不僅造成經濟損失，而且可能產生巨大的負面社會影響。以上因素對糾偏方案的選擇制約很大，導致在路基面上對軌道結構糾偏幾乎不可能。2014年前尚未發現無需中斷運營的、不破壞軌道結構且風險低的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基糾偏的結構。
發明內容
專利目的
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》的目的是為了解決上述背景技術存在的不足，提出一種無需中斷運營、不破壞軌道結構且風險低、施工質量易於控制的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構。
技術方案
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》所設計的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，它包括樁基加固區、設定在樁基加固區頂部的地基加固墊層、設定在地基加固墊層頂部的高速鐵路路堤、位於樁基加固區一側的第一軟弱地層區、位於第一軟弱地層區頂部的不對稱荷載區、位於樁基加固區另一側的第二軟弱地層區，所述不對稱荷載區位於地基加固墊層及高速鐵路路堤的一側，高速鐵路路堤的頂部設有軌道板，所述軌道板上均設有鋼軌，其特徵在於：高速鐵路路堤已向第二軟弱地層區方向發生橫向位移，所述第二軟弱地層區內沿第二軟弱地層區的縱向設定有第一排旋噴樁，不對稱荷載區內設有變形槽，變形槽的長度方向與不對稱荷載區的縱向方向一致，變形槽內填塞有既能防止變形槽塌陷，又容許變形槽變形的材料，變形槽的一側與樁基加固區的一側之間的不對稱荷載區內沿不對稱荷載區的縱向設有多個應力釋放孔，每個應力釋放孔的底部向下延伸，並貫穿第一軟弱地層區，每個應力釋放孔內均填滿中粗砂或碎石。
所述第一排旋噴樁一側與樁基加固區另一側之間的第二軟弱地層區內設定有橫向位移方向坡腳外側測斜管及多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計，所述樁基加固區另一側的邊緣設定有多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計。
所述多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計沿第二軟弱地層區垂向方向及縱向方向均勻設定；所述多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計沿樁基加固區垂向方向及縱向方向均勻設定。
所述應力釋放孔一側與樁基加固區一側之間的第一軟弱地層區內設定有不對稱荷載區測斜管及多個不對稱荷載區孔隙水壓力計，所述多個不對稱荷載區孔隙水壓力計沿第一軟弱地層區垂向方向及縱向方向均勻設定，所述不對稱荷載區測斜管向上延伸並貫穿不對稱荷載區。
所述軌道板的兩側均設定有軌道板兩側水平位移監測點，所述鋼軌頂部設定有鋼軌水平位移監測點，所述軌道板的中心線上設定有軌道板中心水平位移監測點。
所述高速鐵路路堤頂部的兩側均設有接觸網立柱基礎，所述接觸網立柱基礎上設有接觸網立柱基礎水平位移監測點。
所述相鄰兩個應力釋放孔的間距相等且間距範圍均為2.0米～5.0米，所述每個應力釋放孔的孔徑相等且孔徑範圍均為127毫米～148毫米。
所述變形槽的寬度範圍為0.3米～0.4米，所述變形槽的深度不小於不對稱荷載區填土的高度。
所述第一排旋噴樁一側與橫向位移方向坡腳外側測斜管之間的第二軟弱地層區上還設有第二排旋噴樁和第三排旋噴樁，所述第二排旋噴樁和第三排旋噴樁與第一排旋噴樁平行。
所述第一排旋噴樁中每個旋噴樁的樁徑相等且樁徑範圍均為0.5米～0.7米，第一排旋噴樁中相鄰兩個旋噴樁之間的距離相等且距離範圍均為0.4米～0.6米。
有益效果
（1）《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》以施工旋噴樁產生的瞬間噴射壓力為作用力進行糾偏，旋噴樁技術成熟，施工質量易於控制。
（2）《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》在施作第一排旋噴樁後，可根據實際工效確定旋噴樁施作的數量，再施作第二排旋噴樁、第三排旋噴樁等，操作靈活可控。
（3）《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》中，技術人員通過觀測路基變形監測點、地基土變形監測點和孔隙水壓力監測裝置，可將糾偏過程中地基、路基面與軌道結構的應力或變形狀態，及時反饋給施工人員，施工人員根據上述應力或變形狀態調整旋噴樁施工技術參數，避免了糾偏過程中因旋噴樁壓力過大對路基下軟土地基加固樁基、路基面附屬結構和軌道結構造成不利的影響，從而提高了糾偏的可控性。
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》通過對地基深部施加作用力，以地基帶動路基本體產生移動，達到路基橫向位移糾偏的目的。該結構以施工旋噴樁產生的瞬間噴射壓力為作用力進行糾偏，旋噴樁技術成熟，施工質量易於控制。該結構能更好的適用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基糾偏，具有廣闊的套用前景。
附圖說明
圖1為《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》的橫斷面結構示意圖；
圖2為《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》的平面結構示意圖。
其中，1—樁基加固區、2—地基加固墊層、3—高速鐵路路堤、4—第一軟弱地層區、5—不對稱荷載區、6—第二軟弱地層區、7—第一排旋噴樁、8—變形槽、9—硬質泡沫、10—應力釋放孔、11—橫向位移方向坡腳外側測斜管、12—橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計、13—橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計、14—不對稱荷載區測斜管、15—不對稱荷載區孔隙水壓力計、16—軌道板、17—鋼軌、18—軌道板兩側水平位移監測點、19—鋼軌水平位移監測點、20—軌道板中心水平位移監測點、21—接觸網立柱基礎、22—接觸網立柱基礎水平位移監測點、23—第三排旋噴樁、24—第二排旋噴樁。
技術領域
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》涉及高速鐵路路基病害整治技術領域，具體地指一種用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構。
權利要求
1.一種用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，它包括樁基加固區（1）、設定在樁基加固區（1）頂部的地基加固墊層（2）、設定在地基加固墊層（2）頂部的高速鐵路路堤（3）、位於樁基加固區（1）一側的第一軟弱地層區（4）、位於第一軟弱地層區（4）頂部的不對稱荷載區（5）、位於樁基加固區（1）另一側的第二軟弱地層區（6），所述不對稱荷載區（5）位於地基加固墊層（2）及高速鐵路路堤（3）的一側，高速鐵路路堤（3）的頂部設有軌道板（16），所述軌道板（16）上均設有鋼軌（17），其特徵在於：高速鐵路路堤（3）已向第二軟弱地層區（6）方向發生橫向位移，所述第二軟弱地層區（6）內沿第二軟弱地層區（6）的縱向設定有第一排旋噴樁（7），不對稱荷載區（5）內設有變形槽（8），變形槽（8）的長度方向與不對稱荷載區（5）的縱向方向一致，變形槽（8）內填塞有既能防止變形槽（8）塌陷，又容許變形槽（8）變形的材料，變形槽（8）的一側與樁基加固區（1）的一側之間的不對稱荷載區（5）內沿不對稱荷載區（5）的縱向設有多個應力釋放孔（10），每個應力釋放孔（10）的底部向下延伸，並貫穿第一軟弱地層區（4），每個應力釋放孔（10）內均填滿中粗砂或碎石。
2.根據權利要求1所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述第一排旋噴樁（7）一側與樁基加固區（1）另一側之間的第二軟弱地層區（6）內設定有橫向位移方向坡腳外側測斜管（11）及多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計（12），所述樁基加固區（1）另一側的邊緣設定有多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計（13）。
3.根據權利要求2所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計（12）沿第二軟弱地層區（6）垂向方向及縱向方向均勻設定；所述多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計（13）沿樁基加固區（1）垂向方向及縱向方向均勻設定。
4.根據權利要求2所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述應力釋放孔（10）一側與樁基加固區（1）一側之間的第一軟弱地層區（4）內設定有不對稱荷載區測斜管（14）及多個不對稱荷載區孔隙水壓力計（15），所述多個不對稱荷載區孔隙水壓力計（15）沿第一軟弱地層區（4）垂向方向及縱向方向均勻設定，所述不對稱荷載區測斜管（14）向上延伸並貫穿不對稱荷載區（5）。
5.根據權利要求1所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述軌道板（16）的兩側均設定有軌道板兩側水平位移監測點（18），所述鋼軌（17）頂部設定有鋼軌水平位移監測點（19），所述軌道板（16）的中心線上設定有軌道板中心水平位移監測點（20）。
6.根據權利要求5所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述高速鐵路路堤（3）頂部的兩側均設有接觸網立柱基礎（21），所述接觸網立柱基礎（21）上設有接觸網立柱基礎水平位移監測點（22）。
7.根據權利要求1所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述相鄰兩個應力釋放孔（10）的間距相等且間距範圍均為2.0米～5.0米，所述每個應力釋放孔（10）的孔徑相等且孔徑範圍均為127毫米～148毫米。
8.根據權利要求1所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述變形槽（8）的寬度範圍為0.3米～0.4米，所述變形槽（8）的深度不小於不對稱荷載區（4）填土的高度。
9.根據權利要求2所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述第一排旋噴樁（7）一側與橫向位移方向坡腳外側測斜管（11）之間的第二軟弱地層區（6）上還設有第二排旋噴樁（24）和第三排旋噴樁（23），所述第二排旋噴樁（24）和第三排旋噴樁（23）與第一排旋噴樁（7）平行。
10.根據權利要求1所述的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，其特徵在於：所述第一排旋噴樁（7）中每個旋噴樁的樁徑相等且樁徑範圍均為0.5米～0.7米，第一排旋噴樁（7）中相鄰兩個旋噴樁之間的距離相等且距離範圍均為0.4米～0.6米。
實施方式
如圖1和圖2所示的用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構，它包括樁基加固區1、設定在樁基加固區1頂部的地基加固墊層2、設定在地基加固墊層2頂部的高速鐵路路堤3、位於樁基加固區1一側的第一軟弱地層區4、位於第一軟弱地層區4頂部的不對稱荷載區5、位於樁基加固區1另一側的第二軟弱地層區6，所述不對稱荷載區5位於地基加固墊層2及高速鐵路路堤3的一側，高速鐵路路堤3的頂部設有軌道板16，所述軌道板16上均設有鋼軌17，高速鐵路路堤已向第二軟弱地層區6方向發生橫向位移，所述第二軟弱地層區6內沿第二軟弱地層區6的縱向（列車前進的方向）設定有第一排旋噴樁7，不對稱荷載區5內設有變形槽8，變形槽8的長度方向與不對稱荷載區5的縱向方向一致，變形槽8內填塞有既能防止變形槽8塌陷，又容許變形槽8變形的材料，該材料優選為硬質泡沫9，變形槽8的一側與樁基加固區1的一側之間的不對稱荷載區5內沿不對稱荷載區5的縱向設有多個應力釋放孔10，每個應力釋放孔10的底部向下延伸，並貫穿第一軟弱地層區4，每個應力釋放孔10內均填滿中粗砂或碎石（中粗砂或碎石用於防止應力釋放孔10垮孔坍塌）。
上述技術方案中，所述第一排旋噴樁7一側與樁基加固區1另一側之間的第二軟弱地層區6內設定有橫向位移方向坡腳外側測斜管11及多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計12，所述樁基加固區1另一側的邊緣設定有多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計13。
上述技術方案中，所述多個橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計12沿第二軟弱地層區6垂向方向及縱向方向均勻設定；所述多個橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計13沿樁基加固區1垂向方向及縱向方向均勻設定。
上述技術方案中，所述應力釋放孔10一側與樁基加固區1一側之間的第一軟弱地層區4內設定有不對稱荷載區測斜管14及多個不對稱荷載區孔隙水壓力計15，所述多個不對稱荷載區孔隙水壓力計15沿第一軟弱地層區4垂向方向及縱向方向均勻設定，所述不對稱荷載區測斜管14向上延伸並貫穿不對稱荷載區5。
上述技術方案中，所述軌道板16的兩側均設定有軌道板兩側水平位移監測點18，所述鋼軌17頂部設定有鋼軌水平位移監測點19，所述軌道板16的中心線上設定有軌道板中心水平位移監測點20。
上述技術方案中，所述高速鐵路路堤3頂部的兩側均設有接觸網立柱基礎21，所述接觸網立柱基礎21上設有接觸網立柱基礎水平位移監測點22。
上述技術方案中，所述相鄰兩個應力釋放孔10的間距相等且間距範圍均為2.0米～5.0米（根據高速鐵路路堤3已發生橫向位移的大小確定間距，位移大時間距小，位移小時間距大），所述每個應力釋放孔10的孔徑相等且孔徑範圍均為127毫米～148毫米。
上述技術方案中，所述變形槽8的寬度範圍為0.3米～0.4米，所述變形槽8的深度不小於不對稱荷載區4填土的高度。
上述技術方案中，所述第一排旋噴樁7一側與橫向位移方向坡腳外側測斜管11之間的第二軟弱地層區6上還設有第二排旋噴樁24和第三排旋噴樁23，所述第二排旋噴樁24和第三排旋噴樁23與第一排旋噴樁7平行。
上述技術方案中，所述第一排旋噴樁7中每個旋噴樁的樁徑相等且樁徑範圍均為0.5米～0.7米，第一排旋噴樁7中相鄰兩個旋噴樁之間的距離相等且距離範圍均為0.4米～0.6米。
上述技術方案中，利用施工第一排旋噴樁7產生的瞬間噴射壓力推動位於高速鐵路路堤3底部的樁基加固區1由第二軟弱地層區6向第一軟弱地層區4方向位移，樁基加固區1帶動位於樁基加固區1上方的地基加固墊層2及高速鐵路路堤3同步移動，實現了對高速鐵路路基的糾偏，上述變形槽8和應力釋放孔10在高速鐵路路基糾偏的過程中用於解除高速鐵路路基糾偏過程中產生的阻力，並使超孔隙水壓定向消散，增強了旋噴樁產生的糾偏推力對高速鐵路路基糾偏的作用效果。
上述技術方案中，在高速鐵路路基糾偏施工完成後，將變形槽8用碎石加5%水泥封填密實。
上述技術方案中，變形槽8和應力釋放孔10均位於旋噴樁對側的路基坡腳處。
上述技術方案中，變形槽8為抗力解除系統，應力釋放孔10為應力釋放系統，上述變形槽8和應力釋放孔10用於解除路基糾偏產生的阻力，並使超孔隙水壓定向消散，增強由旋噴樁構成的推力系統的作用效果。變形槽8採用地質鑽機機械取芯結合人工開挖或專用開槽設備開槽形成，多個應力釋放孔10採用地質鑽機沿線路縱向一定間隔施作而成。
上述技術方案中，鋼軌水平位移監測點19、軌道板兩側水平位移監測點18、軌道板中心水平位移監測點20、接觸網立柱基礎水平位移監測點22構成路基變形監測系統；橫向位移方向坡腳外側測斜管11和不對稱荷載區測斜管14構成地基土變形監測系統；橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計12、橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計13和不對稱荷載區孔隙水壓力計15構成孔隙水壓力監測系統；上述路基變形監測系統、地基土變形監測系統和孔隙水壓力監測系統組成監測系統，監測系統用於監測糾偏過程中軟土地基、路基面及軌道結構的應力或變形狀態，反饋並及時調整旋噴樁施工技術參數，防止地基土體、路基面或軌道結構變形過大，導致路基下軟土地基樁基加固區、路基面附屬結構和軌道結構受到破壞，從而確保糾偏有序可控進行，並使糾偏滿足設計要求。其中，地基土變形監測系統採用測斜管，設定於路基兩側坡腳，用於監測糾偏過程中路基兩側地基土體的變形；孔隙水壓力監測系統採用孔隙水壓力計，用於監測糾偏過程中地基內部孔隙水壓力；路基變形監測系統由一系列水平位移監測點組成，用於監測糾偏過程中路基面與軌道結構的變形狀態。
上述第一排旋噴樁7、第二排旋噴樁24和第三排旋噴樁23構成推力系統，上述旋噴樁施工產生的瞬間噴射壓力引起軟土地基產生超孔隙水壓，超孔隙水壓消散過程中帶動地基土體蠕變，由土體蠕變引起既有軟土加固樁基與墊層結構產生定向橫向變形，進而帶動路基本體與上部軌道結構整體位移。施工過程中先施作第一排旋噴樁7，再根據實際工效施作第二排旋噴樁24和第三排旋噴樁23。
上述技術方案中，所述變形槽8、應力釋放孔10、第一排旋噴樁7、橫向位移方向坡腳外側測斜管11、不對稱荷載區測斜管14、橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計12、橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計13、不對稱荷載區孔隙水壓力計15均位於路基坡腳處。
上述橫向位移方向坡腳外側孔隙水壓力計12、橫向位移方向坡腳內側孔隙水壓力計13、不對稱荷載區孔隙水壓力計15用於監測由旋噴樁施工帶來的超孔隙水壓力，通過監測上述孔隙水壓力計保證施加在樁基加固區1上的壓力在樁基加固區1能承受的正常範圍內。
《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》的施工過程為：
（1）採用地質鑽機在不對稱荷載區5內施作變形槽8及應力釋放孔10，解除路基糾偏產生的阻力；
（2）按上述描述的對應安裝處，安裝路基變形監測系統、地基土變形監測系統和孔隙水壓力監測系統；
（3）在發生橫向位移方向的第二軟弱地層區6內（路基坡腳）施作第一排旋噴樁7，利用施工旋噴樁產生的瞬間噴射壓力對路基進行糾偏。糾偏過程中，對路基變形監測系統、地基土變形監測系統和孔隙水壓力監測系統進行觀測，根據實際工效採用多台旋噴樁機器沿線路縱向同時施作，橫向分批次施作第一排旋噴樁7、第二排旋噴樁24和第三排旋噴樁23。糾偏過程中，根據路基變形監測系統、地基土變形監測系統和孔隙水壓力監測系統的監測結果動態調整施工參數；監測出現異常時應立即停止施工，分析原因及時調整設計方案，當軌道板兩側水平位移監測點18、鋼軌水平位移監測點19、軌道板中心水平位移監測點20達到糾偏設計要求時，停止施工，即完成軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏。
榮譽表彰
2020年7月14日，《用於軟土地區運營高速鐵路無砟軌道路基的糾偏結構》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
