第三节 路基与桥隧建筑物
路基和桥隧建筑物都是轨道的基础，它们直接承受轨道的重量，以及机车车辆及其荷载的压力。路基和桥隧建筑物的状态与线路质量的关系极为密切。所以，路基面应当平顺，其高程以路肩标高表示。路基面应有足够的宽度，符合轨道的铺设、附属构筑物设置和线路养护维修作业的要求。
一、路 基
路基工程主要有路基本体、路基防护和加固建筑物、路基排水设备三部分建筑物组成。
（一）路基的重要性
路基的稳定性与坚固性直接关系到线路的质量、列车的正常运行与安全，特别是高速列车，运行时更需要有良好的路基基础。高速铁路线路要保证列车的快速、安全、平稳地运行，路基工程比普通铁路的技术标准要高。在高速铁路运营过程中，路基承受着轨道结构的重量和列车的荷载，还会引发出路基结构的变形。为满足高速铁路轨道的平顺性条件，路基结构应具备足够的强度、稳定性和耐久性，以及抵抗各种自然因素作用的能力。因此，为保证路基状态的完好，保证线路质量和列车的安全、正常运行，路基应满足下述要求：
1.路基面必须平顺并应有足够宽度，路基面的上方应形成与铁路限界规定相符的安全空间，不得侵入铁路建筑限界，以保证列车运行与线路作业安全的要求；
2.路基应具有抵御各种自然因素影响的足够的坚固性和稳定性。坚固性是指路基本体须有足够的强度，不发生超过允许的沉落；稳定性是指路基边坡和基底应保持固定的位置，不发生危及正常运营的变形；
3.水的活动往往是造成路基病害的重要原因。为保证路基的坚固和稳定，必须做好路基的排水工作；
4.路基的设计、施工与养护应符合经济合理的原则。
（二）路基的结构
铁路路基的基本形式主要有路堤和路堑。
1.路堤形式的路基结构
图2-3-1为法国高速铁路直线路堤横断面图。
图2-3-1 法国直线路堤横断面图（单位：m）
路基宽；2—钢轨；3—电杆；4—电缆沟；5—护道；6—道砟；7—路基；8—电杆基础。
高速铁路区间主要是电力牵引复线路基，横断面除应为适应高速行车需要而做出的规定外，还要为高速运行安全并为线路检查维修提供方便，因此，设计了较宽的路肩。在修筑路堤时，应特别注意路基基底的工程地质勘测工作。路堤土的夯实应分层进行，并对路基土的沉落量进行观测，以保证基底的稳固。
道床的基底除路堤为石块填筑者外，均应铺设15～55cm厚的垫层，其厚度根据土的粒度、水文条件和冻结深度而定。为了将来的发展，护道的宽度应大一些，以便维修车辆通过。
路基的宽度主要取决于线路间距、轨枕长度、轨枕端部至道床肩部的距离，以及道床边坡坡度和路肩宽度。法国高速铁路路基宽度规定为12.6m（如图2-3-1所示）；日本东海道新干线为10.7m，山阳新干线为11.6m；意大利为13m；德国则采用13.7m。
2.路堑形式的路基结构
图2-3-2为法国高速铁路直线路堑横断面图。
路堑形式的路基更要注意水对路基的侵害。在法国高速铁路上，在路堑中修建了带盖的钢筋混凝土排水沟，用以代替侧沟，并将电杆建立在这些侧沟外侧的专设平台上。为了使维修车辆、机具和维修人员通过，也修建了护道，在路堑情况下从排水沟边起，护道宽为1.2m。
图2-3-2 法国直线路堑横断面图（单位：m）
路基宽；2—电杆；3—护道；4—电缆沟；5—明排水沟；6—道砟；7—电杆基础；8—路基。
3.我国高速铁路的路基结构
我国客运专线上，基床由表层与底层组成，总厚度为3.0m。在我国，基床表层的厚度是根据应力和变形确定的，主要考虑列车的轴重和速度的影响。
客运专线路堤、路堑两侧路基面宽度均应不小于1.0m；高速铁路路基面宽度见表2-3-1。
表2-3-1 我国高速铁路直线地段路基面宽度
高速铁路正线曲线地段路基面加宽值应在曲线外侧按表2-3-2规定的数值加宽。曲线加宽值应在缓和曲线内渐变。
表2-3-2 我国高速铁路曲线地段路基面加宽值
（三）高速铁路对路基结构的要求
与普通路基相比，高速铁路路基工程具有强度高、刚度大的道床可以控制路基缓慢沉降或没有沉降等，保证高速铁路行车的舒适性和安全性。因此，为了保证高速行车，路基工程必须要具有抵抗这些不良因素的能力：①较大的强度来抵御外力作用，避免破坏；②足够的刚度和弹性，抵抗变形；③较好的稳定性和具有良好的扩散应力的能力；④少维修，延长使用寿命。
二、桥隧建筑物
桥隧建筑物是铁路跨越河流、山谷或穿过山岭及其他障碍的建筑物，是铁路线路的组成部分。
（一）高速铁路桥梁的特点
高速铁路桥梁的特点可以概括为以下几点：
1.桥梁比例大、高架长桥多
高速铁路设计参数限制严格，曲线半径大、坡度小，并需要全封闭行车，导致桥梁建筑物数量要大大多于普通铁路。德国高速铁路桥梁总延长约占线路总长8％左右，日本高速铁路桥梁所占比例平均达到48％，其中，高架桥要占线路总长的37％，韩国在建的高速铁路的桥梁约占整个线路的
，国外高速铁路桥梁所占比例见表2-3-3。
表2-3-3 国外高速铁路桥梁所占比例
我国京沪高速铁路的桥梁总延长也占80％以上，合计超过1000km。尤以高架线路为主，最长的高架桥达20km。
2.以中小跨度为主
由于高速铁路对线路、桥梁、隧道等土建工程的刚度要求严格，因此，高速铁路桥梁的跨度不宜过大，应以中小跨度为主；法国高速铁路直到修建地中海线时才首次采用100m跨度的桥梁。表2-3-4为各国高速铁路跨度最大的桥梁。
表2-3-4 各国高速铁路跨度最大的桥梁
我国京沪高速铁路线上桥梁也绝大多数为中小跨度，常用桥式为等跨布置的双线整孔简支梁，桥面宽12.8m，跨度有24m、32m、40m几种，并以32m居多，其中20m以下跨度的桥梁由4～5片T梁组成，架设就位后施加横向预应力联成双线整孔，以保证桥梁具有足够的刚度和良好的整体性。
3.刚度大、整体性好
列车高速、舒适、安全行驶要求高速铁路桥梁必须具有足够大的刚度和良好的整体性，以防止桥梁出现较大挠度和振幅，同时，必须限制桥梁的预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形，以保证轨道的高平顺性。一般来说，高速铁路桥梁设计主要由刚度控制，强度基本上不控制其设计。尽管高速铁路活载小于普通铁路；但实际应用的高速铁路桥梁在梁高、梁重上均超过普通铁路。
4.限制纵向力作用下结构产生的位移，避免桥上无缝线路钢轨的受力出现过大的附加应力
高速铁路要求依次铺设跨区间无缝线路，而桥上无缝线路钢轨的受力状态不同于路基，结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲会使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨的附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减少钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。
5.重视改善结构耐久性，便于检查、维修
高速铁路是极其重要的交通运输设施，任何中断行车都会造成很大的经济损失和社会影响，为此，桥梁结构物应尽量做到少维修或免维修，这就需要在设计时将改善结构物耐久性作为主要设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，并在施工中严格控制、保证质量。一些国家规定高速铁路桥梁在结构耐久性方面要求的设计基准期，一般以50年不需维修为目标。此外，由于高速铁路运营繁忙、速度高，造成桥梁维修、养护难度大。因此，要求桥梁结构应易于检查与维修。
6.强调结构与环境的协调
高速铁路作为重要的现代交通运输线，应强调结构与环境的协调，重视生态环境保护。这主要指桥梁造型要与周围环境相一致，并注重结构外观和色彩，在居民点附近的桥梁应有降噪措施，避免桥面污水损害生态环境等。
（二）高速铁路对桥梁的要求
高速铁路由于具有高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等特点，一般采用全封闭的行车模式，导致桥梁的比例比普通铁路明显增大。因此，高速铁路桥梁除了满足一般铁路桥梁的要求外，还要满足一些特殊要求：
1.高速行车要求结构物有高度的抗挠和抗扭刚度。因此，不应采用柔性结构；
2.采用钢结构和框架结构，不仅可以减少维修工作量，当有局部损伤时也不会影响整体；
3.采用多跨连续的钢筋混凝土梁桥，在受力方面，比较安全可靠。
上述这些都对高速桥梁结构的刚度及整体性提出了严格的要求。我国高速铁路桥梁基本遵循以下原则：
（1）采用双线整孔桥梁，主梁整孔制造或分片制造整体联结。双线桥梁一方面提供很大的横向刚度；同时在经常出现的单线荷载下，竖向刚度比单线桥增大了一倍；
（2）除了小跨度桥梁外，大都采用双线单室箱形截面；
（3）增大梁高，欧洲各国高速铁路预应力混凝土简支梁高跨比一般在1/9～1/10之间；
（4）尽量选用刚度大的结构体系，如连续梁桥、刚架桥、斜拉桥；
（5）桥梁跨度不宜过大。
（三）高速铁路隧道的特点
高速铁路隧道与普速铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，会产生极强的空气动力学效应，即瞬间压力、洞口微气压和行车阻力，对行车安全性、旅客舒适度及洞口环境等均产生不利影响，见表2-3-5。当列车以200km/h以上的速度通过铁路隧道时，这种不利影响就已十分明显地起到控制作用。
表2-3-5 空气动力对高速铁路隧道产生的不利影响
（四）高速铁路对隧道的要求
高速铁路隧道结构设计不仅要满足空气动力学特性的要求，还要从构造和防灾上满足高速铁路隧道建筑衔接和配置的各功能空间的要求。
1.净空有效面积
隧道的横断面由堵塞比决定，即列车的横断面面积与隧道的横断面面积比值（β）。β值越小，压力瞬变现象越为缓解。在确定了列车的类型与速度后，就可以根据列车的断面面积来确定隧道的断面面积。
表2-3-6和表2-3-7为国外和我国高速铁路隧道净空有效面积标准。
表2-3-6 国外高速铁路隧道净空有效面积标准
表2-3-7 我国高速铁路隧道净空有效面积标准
注：括号内的数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。
2.安全空间
安全空间是为铁路工作人员和养护维修人员预留的空间，内设把手、保护栏等。我国规定隧道的安全空间在距线路中心线3.0m以外，单线隧道设在电缆槽一侧，多线隧道设在两侧，其高度不小于2.2m，宽度不小于0.8m，且地面不低于轨面规定高度，设有3‰的排水坡。
3.救援通道
隧道内设置贯通的救援通道，用于自救或外部救援。救援通道应设在安全空间的一侧，距线路中心线不应小于2.3m。救援通道走行面不低于轨面高度，宽度不应小于1.5m，在装设专业设施处，宽度可减少0.25m，净高不应小于2.2m。
4.工程技术作业空间
工程技术作业空间用来预留设备安装或加强衬砌以及安装降噪声护墙板。在安全空间和救援通道以外，其宽度应为0.3m。
5.运营通风
在长度大于8km的电气化铁路隧道，应设置运营通风设备。该设备应考虑到防灾通风，有利于控制灾害范围和采取救援。
6.照明设备
隧道内的照明设置应考虑维修养护、满足紧急情况下人员疏散及救援人员的通行要求，还要考虑列车进入隧道后的亮度和旅客舒适度的要求。
7.防灾救援
隧道内列车发生灾害主要是脱轨翻车和隧道内列车火灾两大类。高速铁路隧道的安全防灾主要有列车火灾事故的预防、发现和消防、救援。因此，对隧道内的防火设施、隧道内外的监测通报技术，隧道的避难、通风、排烟设施有较高的要求。
对于高速铁路隧道的防灾设施，主要措施是应设置救援通道、隧道照明、逃生路线标志牌、气流显示和风向测量装置，以及紧急呼救电话和人行道等。另外，在靠近城市和有条件的隧道洞口处和紧急通道出口处，设置供外部救援车辆停放的场地。