新建弥勒至蒙自铁路MMZQ-2标斜坡路基设计与病害整治措施开题报告

文 献 综 述

本课题是对新建弥勒至蒙自铁路MMZQ-2标进行斜坡路基设计并提出病害整治措施，该课题设计是毕业实践的重要环节，主旨在于培养学生对于大学四年所学的线路设计等专业知识的综合运用能力，提高学生综合分析、解决实际问题的能力。

一、设计背景及原则

随着国家综合国力的增强，城市人口急剧增加，环境问题日益严峻，中国对于高速铁路的需求愈演愈烈。本线路将成为滇中城市群与滇东南地区城市群间城际客流运输的重要交通运输线，也将成为我国西南地区出境至越南及东盟国家的泛亚铁路东通道的组成部分。线路设计时，应符合政府主管部门批准的城市总体规划、城市轨道交通线网规划及近期建设规划，与城市综合交通规划相协调，以远景线网规划为根本，并预留续建工程的连接条件，考虑与其他交通系统间的衔接^[1]。提高乘客出行效率的同时，也提升了公共交通服务水平，因此在线路设计时要坚持交通一体化概念，优化区域内交通资源配置，促进交通现代化和交通的可持续发展。

城市轨道交通工程项目建设应坚持以人为本，做到安全可靠、功能合理、经济适用、低耗高效、节约能源、保护环境和文物古迹；充分考虑地区特色，力争实现项目生命周期内价值的最大化，项目应树立网络化资源共享理念，提高自我发展和抗风险的能力。线路总体布局重点把握功能定位、接驳换乘和客流效益^[2]。对于线路设计，叶霞飞^[3]等人认为其基本任务是保证行车安全、平顺，并且使整个工程在技术上可行，经济上合理。

二、轨道交通线路几何设计

轨道交通线路几何设计需对后期轨道交通系统的建设、管理以及正常运行提供前提保障，在设计过程中要综合土地利用情况、轨道交通网以及环境保护等因素，设计方案应符合城市发展规划以及空间合理利用的需求^[4]。

城市轨道交通具有运量大、快捷、安全、准时的特点，在全国各大城市已广泛应用。在城市轨道交通项目中，线路是设计的龙头，其线路设计应根据规划线网、运营中的功能定位、客流特征等，依照相关技术标准和规范，进行多方案技术经济比选，通过平面、高程信息来确定线路位置，包括线路线位的起终点、线路走向、车站分布，完成线路的平面、纵断面设计^[5]。

线路平面设计是指在确定线路路由后，对线路平面进行设计。线路的平面设计要以相应的规范、标准为依据，在大的路由框架下结合具体基础资料、建筑结构等其他相关专业及地方各部门的意见进行详细的方案研究^[6]。此阶段，要对线路的曲线半径、缓和曲线长度和夹直线长度、与周边建筑物的关系及施工方式方法等因素进行详细的技术经济比选，确定最佳方案。

线路的纵断面设计是在平面设计的基础上，考虑沿线控制点及线路纵坡节能等要求，确定线路在城市中的准确位置。主要内容包括：确定线路敷设方式和过渡段、分析沿线控制点、线路坡度设置、确定车站高程等^[7]。

三、斜坡路基设计

路基是轨道或者路面的基础，是经过开挖或填筑而形成的土工构筑物。路基的主要作用是为轨道或者路面铺设及列车或行车运营提供必要条件，并承受轨道和机车车辆或者路面及交通荷载的静荷载和动荷载，同时将荷载向地基深处传递和扩散^[8]。在进行路基设计时路基必须在纵断面上保证线路需要的高程，在平面上，路基和桥梁、隧道连接组成完整贯通的线路。

路基设计的主要内容包括路基本体工程、路基排水工程、路基支挡、路基防护和加固工程，以及由于修筑路基可能引起的改河、改沟等配套工程^[9]。

根据路基的横断面形式，路基可分为路堤式、路堑式、半路堤式、半路堑式、半路堤半路堑式和不填不挖路基式。本线路标段的路基断面形式主要是常见的路堑式。路基横断面设计包括路基本体设计和路基附属结构设计。刘建坤^[10]等定义了路基本体是为了能按线路设计要求铺设轨道而构筑的部分，路基横断面设计主要对路基本体的各组成部分如路基面、路肩、填料、基床、边坡、路基基底等部分按照规范进行设计。路基附属结构是路基的组成部分，是为确保路基本体的稳固性而采用的必要的工程措施，包括排水结构和防护、加固结构两大类。

四、斜坡路基病害调查与整治

本设计设计标段为DK44 710-DK44 970，属于膨胀土地区挖方路段，膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。在自然条件下，多成硬塑或坚硬状态，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕，裂缝随其后变化张开和闭合，并具有反复涨缩的特性^[11]。其主要特征表现为胀缩性、裂隙性和超固结性，其性质决定了对工程会造成不良影响。膨胀土区的路基更易发生剥落、冲蚀、泥流、溜塌坍滑、滑坡、沉陷、纵裂、坍肩等病害。膨胀土地区挖方路段，由于路堑开挖，其上部和侧向荷载卸除以后，土体内部应力逐渐释放，孔隙水压力相应变小，再加上边坡开挖以后，增大了土体与大气的接触面，地表水很容易渗入，再被蒸发，形成反复胀缩作用，使土体强度衰减，从而造成边坡溜塌或滑坡等变形；即使施工期间及运营初期不发生变形破坏，经过几个雨季的反复作用，其土体强度大幅下降，仍会产生变形破坏。所以说对充分了解膨胀土的特性、工程地质条件、大气风化作用层深度及土体的结构性能，对膨胀土地区产生的病害进行调查和原因分析，才能得出满意的病害整治方案。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.地铁设计规范(GB 50157－2013) [S].北京：中国建筑工业出版社.2013

[2] 中华人民共和国建设部.城市轨道交通工程项目建设标准(建标104-2008).北京：中国计划出版社.2003

[3] 叶霞飞、顾保南.轨道交通线路设计，同济大学出版社，2010

[4] 顾保南、叶霞飞.城市轨道交通工程，华中科技大学出版社，2007

[5] 易思蓉，铁路选线设计（第三版），成都：西南交通大学出版社，2009

[6] 王铁，城市轨道交通工程线路设计，中国铁道出版社，2019

[7] TB10082-2005，铁路轨道设计规范，中华人民共和国铁道部，2005

[8] 卢春房，路基工程，中国铁道出版社，2015

[9] 李东侠，路基工程，北京理工大学出版社，2012

[10] 刘建坤等，路基工程，中国建筑工业出版社

[11] 范俊杰，现代铁路轨道，北京：中国铁道出版社，2001

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

在仔细研究了弥勒至蒙自铁路的设计任务和地质资料以后，认为本次设计主要分为三个部分，一是弥勒至蒙自铁路MMZQ-2标典型膨胀土段线路设计；二是典型膨胀土路基设计与检算；三是膨胀土路基病害调查与整治。

一、弥勒至蒙自铁路MMZQ-2标典型膨胀土段线路设计

膨胀土的工程力学特点：膨胀土是指主要由亲水矿物组成，具有吸水膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩开裂，并能产生往复变形的黏性土。膨胀土具有以下工程特性：(1)胀缩性。膨胀性土(岩)吸水体积膨胀，使其上建筑物隆起，如膨胀受阻即产生膨胀力;失水体积收缩，造成土体开裂，并使其上建筑物下沉。膨胀土在塑限与液限含水量的收缩量与膨胀量，称为极限胀缩潜势。土中有效蒙脱石含量越多，胀缩潜势越大，膨胀力越大。(2)崩解性。膨胀土(岩)浸水后体积膨胀，在无侧限条件下则发生吸水湿化。不同类型的膨胀土(岩)其崩解性是不一样的,强膨胀土(岩)浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土(岩)浸入水中后，则需经过较长时间才逐步崩解，且有的崩解不完全。(3)多裂隙性。普遍发育各种形态的裂隙是膨胀土的另一显著特征。膨胀土裂隙成因复杂，形状各异，大小不一，但在土体中广泛分布。膨胀土裂隙的形成与其成土过程、胀缩效应、风化作用等许多因素有关。按照膨胀土裂隙的成因，可划分为原生裂隙和次生裂隙。原生裂隙是在膨胀土形成过程中由于温度、湿度、固结、卸载和物理化学作用与胀缩效应形成的。地表以下3m的土体很少受气候变化的影响，可称为原生裂隙。次生裂隙一般由原生裂隙发育成形，多分布于地表3m以内，呈张开开展状态，用肉眼很容易观察到，因此在工程中，应特别注意临空面与某方向高密度裂隙一致的可能性。此时土体稳定性差，易造成坍塌。

MMZQ-2标段膨胀土段状况及特点：弥勒至蒙自铁路MMZQ-2标段施工里程为：DK12 835.217-DK54 000,线路长度41.181km，其中路基总长30.716公里，土石方主要工程数量为：区间路基733.7万方；站场路基115.5万方。经过工点排查，具有较高安全风险工点分以下三种具体情况：（一）前期施工出现的两处工点。（1）DK44 500-DK45 385中强膨胀土路堑工点。本段路基位于竹园-朋普断陷盆地内，该盆地属北东构造沉陷带，为一新第三纪湖积盆地，地形平缓、起伏较小，地面高程1140-1181m,相对高差约41m。测区覆土较厚，主要为水田、蔬菜大棚等。本段以挖方形式通过，表层覆盖膨胀土（中等-强膨胀土）、松软土、泥质炭土、淤泥质土、粉细砂。该段分别于2019年6月中旬和月末初遇到两次强降雨，造成DK44 710-DK44 970段边坡溜坍，裂缝最大宽度0.6m，竖向最大沉降1.6m。（2）DK51 410-52 738深路堑临近高速工点。本段路基位于竹园-朋普断陷盆地南缘，属构造侵蚀低中山地貌。以挖方形式通过，表层上覆坡残积粉质黏土；下伏基岩为三叠系上统鸟格组页岩、砂岩、压碎岩及断层角砾。其中DK51 670-DK51 730右侧边坡于12月3日出现溜坍现象，DK51 670- DK51 730段右侧一级边坡堑顶以外地表下沉开裂，顺线路方向形成三道开口裂缝，其中外侧两道已侵入红线外坡地范围，裂缝最大宽度约1m，错台高差约1.2m，裂缝最大深度约1.9m， 裂缝总体呈竖向、局部向线路中心倾斜延伸，内部揭示含有灰色膨胀土，表面润滑。现场采取了暂停施工、反压回填、对裂缝进行封闭、加强地表沉降变形观测等措施，目前暂时稳定。（二）DK19 780-DK20 080深路堑高陡边坡开挖工点。本段路堑属构造溶蚀侵蚀低中山地貌，地形起伏较大，表层覆土较薄，基岩裸露，植被较少，表层地质以人工填土和膨胀黏性土为主，下伏强风化白云岩。该段路堑挖深较大，另外路堑项部的两个砂坑面积较大、深度较深，雨季容易形成积水，将来易造成边坡溜坍，危及运营安全。(三)经现场排查，其它还有三处正常施工地段，由于含有膨胀土，易发生前述类似问题，具体如下:（1）DK33 500-DK34 200 膨胀土路堑工点。本段路基主要以挖方通过，中心最大挖深约11m，位于竹园用普断陷盆地内，该盆地属北北东构造沉陷带，为一新第三纪湖积盆地，地形起伏较小。地表上覆黏土(弱-中膨胀性)，泥炭质土，细砂，中心砂，下伏灰岩。该路段弱-中膨胀土夹白砂，极端天气边坡含水量加大，荷载增加，边坡易出现溜坍。（2）DK45 930~DK47 010 中膨胀土路堑工点. 本段路基位于竹园-朋普断陷盆地边缘，地形大多平坦开阔，以挖方形式通过。表层覆盖第四系全新统人工填土(粉质黏土)、黏土(松软土)、弱中膨胀土。该路段表层覆盖膨胀土，稳定性较差，边坡存在开裂、溜坍风险。（3）K50 290-DK51 340深路堑临近工点。本段路基主要以挖方通过，左侧临近黑果坝水库，中心最大挖深约19.3m，上覆第四系全新统坡残积粉质黏土；下伏基岩为三叠系中统鸟格组砂岩、页岩，断层角砾。该路段路堑开挖较深，施工风险较大。

本次线路设计具体划分为选线和方案比选两个内容。对于选线按照下述步骤进行：⑴首先确定起终点的位置，根据地形图上的地形地貌及相关设计资料确定两点间路线的基本走向；⑵按照地形、地质等自然条件选定控制点，避让不良地质条件，然后依次连接控制点，初步完成路线布局；⑶在满足设计原则的基础上，进行平纵横综合设计，完成定线。方案比选时，根据此线所处地区的自然地理环境、社会经济和技术条件，初步拟定出两条满足行车要求且工程量最少最节省费用的路线。然后通过路线长度、平曲线最小半径、最大最小纵坡、变坡点数目、路基土石方和方案优点等因素的比较，确定最终推荐方案。

二、典型膨胀土路基设计与检算

弥蒙线膨胀土路基设计原则和方法：（1）膨胀土边坡设计一般按《铁路特殊路基设计规范》设计，路堑边坡高度控制在15m以下。当挖深较小时，采用矮挡加宽平台缓边坡处理，也可采用柔性生态减胀护坡防护；当挖深较大时，则采用坡脚桩板墙 坡面锚杆框架梁或人字形截水骨架护坡防护。（2）膨胀土路堑地段采用路堤式路堑设计，其中弱中膨胀土(岩)基床表层底面以下挖除换填0.5m厚；中膨胀土(岩)基床基床表层0.7m及基床底层上部1. 0m外露，基床表层底面以下挖除换填1. 5m厚；强膨胀土(岩)基床表层及基床底层外露，基床表层底面以下挖除换填2.3m厚。膨胀土路堑路基设计时还应根据地表水、地下水情况，适当加强防排水措施。（3）路堤地段不直接采用膨胀土作填料，车站场坪区路堤采用弱、中膨胀土直接填筑时，采用包心填筑。

膨胀土路堑段路基设计：膨胀土(岩)路堑边坡坡度应根据岩土的性质、软弱层和裂隙的组合关系、气候特点、水文地质条件，以及自然山坡、人工边坡的稳定坡度等综合确定。边坡设计应遵循缓坡度、宽平台、加固坡脚和适宜的坡面防护相结合的原则。路堑弃土应远离堑顶或弃于低侧山坡。边坡应加强排水，及时引排地面水和地下水以及坡面积水。根据地下水发育情况，可采用仰斜排水孔、支撑渗沟和纵向盲沟排水。膨胀土路堑横断面形式的选择应依据膨胀土的特性，以防止地表水渗入、冲蚀，防止风化作用发展，防止胀缩变形和强度衰减为出发点，并加强地表排水设施和坡面防护，防止地表水下渗。对于边坡高度不大于10m的路堑，边坡坡度和平台的设置应根据土的分类等级和边坡高度，可按《铁路特殊路基设计规范》表4.3.3所列数值设计。迎水一侧的堑顶应设置天沟。路堑的所有排水设施、侧沟平台、边坡平台均须用浆砌片石或混凝土加固，防止地表水下渗。边坡高度大于10m时，其边坡坡度应根据土的性质、软弱层和裂缝面的组合关系、当地气候特点、水文地质条件等综合确定，必要时与隧道通过方案做比较。

膨胀土路堑的稳定性分析：根据对膨胀土路堑边坡破坏类型及特征的分析可知，坡面冲蚀和表层溜坍是一种浅层破坏现象，可通过采取各种边坡防护措施予以解决，一般不作为边坡断面设计的依据；大量的工程实践表明，膨胀土地区的滑坡多是由于边坡开挖，切断了下部支撑，使斜坡土体失去了原有平衡而产生滑动所致。膨胀土地区的滑坡破坏，基本符合滑坡的一般规律，可应用一般滑坡处理所采用的计算方法进行稳定分析和计算，故稳定检算可采用圆弧法，其稳定安全系数不小于1.25。

路基设计具体内容展开：

（1）路基初步设计：具体设计步骤如下。1.绘制设计断面的地形图；2.横断面各部尺寸拟定，包括断面形式(路堑式)、路基面宽度、路肩、基床厚度、边坡坡度和排水沟位置等；3.路基面加宽量计算：在曲线地段，由于曲线轨道的外轨设置超高、外侧道床加厚、道床坡脚外移，因此曲线外侧的路基面应予以加宽，b=CMH

（2）路肩标高设计：路肩高程设计有最小标高要求，要求保证路基不致被洪水淹没，不致在地下水最高水位时引毛细水上升至路基面而产生冻胀或翻浆冒泥等病害。路肩最小高程=设计水位 波浪高 壅水高 0.5m 富余量。

（3）路基面宽度设计：路基面宽度设计是应依据铁路等级、正线数目、线间距、远期采用的轨道类型、路基面形状、曲线加宽、路肩宽度等计算确定。路基面的宽度=道床覆盖宽度 两侧路肩宽度 线间距。区间曲线地段路基面加宽时，曲线外侧路基面的加宽量应在缓和曲线范围内递减。

（4）路基基床加固：铁路路基面以下受列车动荷载作用和受水温气候四季变化影响的深度范围称为基床。基床加固应根据土质及其压实度、降水量、地下水类型及其埋藏深度、加固材料来源等，经比选采取适宜的加固措施，主要有：1.就地碾压、重型碾压机碾压；2.换土或土质改良；3.加强排水；4.设置土工合成材料。

（4）复核路肩标高：复核线路纵断面图路肩标高，对岩质土路基的路肩标高和曲线段的路肩标高做修正，增补由于地形、地质、水文等因素需对路基填高做特别处理处的路肩标高。

（5）路基排水系统设计：常见的路基地面排水措施主要有排水沟、侧沟、截水沟和急流槽。排水沟设计时一般采用梯形横截面，设置合适的纵坡，以保障水流通畅，不致流速过大产生冲刷；排水沟布置尽可能远离路基，距离坡脚不宜小于2m；急流槽一般设计于高路堤边坡、高路堑边坡、路堑和高路堤连接处、回头曲线上下边沟等位置。在设置地面排水设备时，需达到以下技术标准:1.为保证排水畅通，不产生淤积，地面排水设备的纵坡不应小于2，地面平坦地带或反向排水地带，在困难条件下可减少至1；2.侧沟、天沟、排水沟的横截面，应有足够的过水能力，且可根据流量计算结果设置截面尺寸；3.需按流量计算的侧沟、天沟、排水沟，其横截面应按1/50 洪水频率的流量进行计算，沟顶应高出设计水位0.2m。

（6）路基支档结构设计：挡土墙设计包括墙型选择、稳定性验算、地基承载力验算、墙身材料强度验算以及设计中的构造要求和措施等。具体设计步骤如下：1.搜集设计工点的地形、地质资料；2.大致确定支挡结构在平面和横断面上的位置；3.初步选择支挡结构的类型，在高填或不良地质等问题情况下，支挡结构应该在线移位和设桥、隧间进行比较；4.经比选后具体确定支挡结构形式；5.计算各种工况下的土压力或下滑力，确定最不利工况；6.支挡结构强度设计；7.支挡结构稳定性设计；8.绘制支挡结构各断面图。

三、膨胀土路基病害调查与整治

2019年6月中旬和月末出弥蒙铁路MMZQ-2路段遇到两次强降雨，造成DK44 710-DK44 970段边坡溜坍，裂缝最大宽度0.6m，竖向最大沉降1.6m。

为明确弥蒙铁路DK44 710-DK44 970段路基土强度特性，在现场采用扰动样进行室内力学实验，探究不同含水量、以及多个干湿循环条件下的路基土土体强度变化规律，分析其强度特性的水敏反应。实验结果表明：该段路基土强度随含水量变化明显，含水量的增加导致膨胀土的粘聚力和内摩擦角显著降低。在多个干湿循环作用下，该地段路基土的强度亦存在一定程度的衰减，其中粘聚力的衰减较明显。为探测地下地层分布等情况，在弥蒙DK44 710-DK44 970段边坡进行现场高密度电法测试，电法测试结果表明：在主要溜塌区域（DK44 820-DK44 970）表层至25m处左右存在着较多的高电阻率异常，说明该段土体裂隙发育，在此处进行人工开挖、农业灌溉和降雨等扰动下，路基边坡存在较高的失稳风险。

鉴于DK44 550-DK45 385整段路基地势比较平缓，建议采取以下几种处理措施：一是将该段中强膨胀土进行放坡、扩挖、卸载处理，同时可以减少支挡防护措施，缩短施工周期，最终达到确保后期运营安全之目的；二是最大挖深不超过24m，建议以明洞方式通过，以确保施工及后期营运安全。三是按照原有溜坍段变更加固方式加长加固范围。

综上所述，本次毕业设计目标任务是在选线设计时，采取基于智能CAD的综合法进行方案设计比选，确定一条最佳路线设计方案；完成路基本体断面设计、路基排水系统设计、路基防护加固及改移河道工程设计并计算标准设计路基段工程费用，对于特殊区段单独进行支挡结构设计和路基防排水系统设计；进一步调查膨胀土路基病害并提出整治及预防措施。

四、毕业设计目标

本次毕业设计目的在于要求城市轨道交通专业学生对本科阶段的轨道交通线网规划与线路设计、铁路路基工程、土质学与土力学等所学专业知识做一个应用性练习。该练习涉及内容广泛，可以培养学生的开发和设计能力，提高综合运用所学知识和技能分析解决实际问题的能力，提高学生独立思考能力和团结协作的工作作风，检验学生的学习效果，该设计是对学生一个全面性的训练。