對武廣鐵路客運專線設(shè)計和咨詢中重大技術(shù)問題探討的回顧

陳 列

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

武廣鐵路客運專線是我國第一條開工建設(shè)的時速350 km的高速鐵路,也是第一條開通運營時速350 km的長大高速鐵路。開工建設(shè)之初,設(shè)計采用的技術(shù)標準為按照滿足鋪設(shè)有砟軌道、設(shè)計時速300 km的京滬高速鐵路設(shè)計需要所編制的《京滬高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)范》,對設(shè)計時速350 km,鋪設(shè)無砟軌道的武廣鐵路客運專線設(shè)計,一些技術(shù)標準和原則有待進行深入探討和分析研究,以確認、完善和提高這些技術(shù)標準和原則,滿足工程建設(shè)的需要。在我國已建立起一整套客運專線技術(shù)標準體系、系統(tǒng)掌握客運專線成套技術(shù)、武廣鐵路客運專線建成和開通之際,重新簡要回顧和梳理武廣鐵路客運專線建設(shè)之初的設(shè)計和咨詢中對重大技術(shù)問題的探討,有利于加深對我國客運專線鐵路技術(shù)發(fā)展的認識,以利于與行車試驗測試結(jié)果和將來實際運營驗證相結(jié)合,為進一步完善和提高客運專線鐵路技術(shù)提供借鑒和參考。

2 路基

2.1 基床換填厚度

對基床換填厚度,外方咨詢提出：無砟軌道路基基床厚度不小于2.5 m,當路塹基床土質(zhì)條件不滿足基床底層壓實要求時,需全部換填。

討論和實施意見：200 km/h以上無砟軌道路塹基床底層厚度,地下水不發(fā)育時,在表1基礎(chǔ)上進一步細化確定；地下水發(fā)育時,應(yīng)全部換填并加強排水處理,復(fù)合土工膜位置結(jié)合排水考慮。換填標準見表1。

2.2 工后沉降控制標準

討論和實施意見：外方咨詢提出的路基工后沉降標準與中國《無砟軌道鐵路設(shè)計指南》(鐵建設(shè)函[2005]754號)基本一致,設(shè)計按中國標準采用。允許工后差異沉降量不大于13 mm/50 m應(yīng)為軌道結(jié)構(gòu)要求,屬于施工驗收標準。

2.3 CFG樁地基分析方法

對CFG樁地基分析方法,外方咨詢提出：路基CFG樁復(fù)合地基應(yīng)按群樁理論進行分析,樁間距應(yīng)加大。由于土工格柵與支撐的準剛性,軟質(zhì)下層土和路堤之間的相互作用相當復(fù)雜,為非線性關(guān)系。因此,必須按照穩(wěn)定性和耐久性的極限狀態(tài)進行分析。不考慮CFG樁加固范圍內(nèi)沉降,采用分層總和法進行CFG樁加固下臥層沉降檢算,需將路基填土基底應(yīng)力完全等效作用于樁底下臥層頂。計算應(yīng)考慮樁與土之間沉降差引起的土工格柵應(yīng)變和應(yīng)力,以及溫度、時間、環(huán)境的影響,路堤基礎(chǔ)的土工格柵需考慮路堤產(chǎn)生水平滑動破壞引起的附加應(yīng)力。

討論和實施意見：中國多年工程實踐表明,采用CFG樁按間距3～5倍樁徑按復(fù)合地基加固分析的房建基礎(chǔ),工程效果良好；對CFG樁加筋墊層采用復(fù)合地基理論的設(shè)計,通過現(xiàn)場大直徑復(fù)合地基荷載試驗,驗證和確定地基加固后的地基復(fù)合模量值,設(shè)計樁間距較大時才按群樁理論進行計算。

2.4 堆載預(yù)壓土柱高度

對堆載預(yù)壓土柱高度,外方咨詢提出：堆載預(yù)壓土柱高度應(yīng)充分考慮動荷載作用,根據(jù)高速鐵路動荷載特征,列車荷載和軌道靜荷載之和一般不小于50 kPa,因此,預(yù)壓土柱高度不宜小于2.5 m。

討論和實施意見：堆載預(yù)壓土柱高度根據(jù)具體工點工程情況,結(jié)合施工工期確定。

2.5 無砟軌道路基曲線地段超高施作

對無砟軌道路基曲線地段超高施作,外方咨詢提出：為便于施工,無砟軌道路基曲線地段超高粗調(diào)在路基基床表層施作,精調(diào)在軌道水硬性混凝土支撐層施作。

討論和實施意見：認可外方咨詢意見。

2.6 過軌管道

對路基過軌管道,外方咨詢提出：為避免過軌鋼管引起軌道縱向剛度突變,對高速列車產(chǎn)生不利影響,過軌鋼管到軌底的距離應(yīng)不小于2.5 m,如不滿足此條件,應(yīng)分析列車通過時軌道、路基、管道的動力相互作用對列車運行的影響,但如何分析外方咨詢也缺乏經(jīng)驗；為避免過軌PVC排水管由于高速列車的重復(fù)動力作用產(chǎn)生疲勞破壞,過軌PVC管到軌底的距離應(yīng)不小于1.5 m,并根據(jù)設(shè)計流量確定管道直徑和坡度；對過軌管道應(yīng)根據(jù)列車荷載進行靜力分析,管道鋪設(shè)時,嚴格按照靜力分析設(shè)定的填土和剛度施工,過軌鋼管頂應(yīng)設(shè)置緩沖彈性板。

討論和實施意見：路基過軌管道埋深按照過軌管道到軌底的距離不小于1.5 m考慮,并考慮過軌管道構(gòu)造和耐久性。

2.7 邊坡穩(wěn)定性

對邊坡穩(wěn)定性,外方咨詢提出：邊坡穩(wěn)定考慮邊坡施工階段、施工完成階段、地震力作用等工況,對恒載、活載、巖土內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力、土工織物等采用分項安全系數(shù)進行計算；軟土路基、高路基、基底采用土工織物加固的路基,還應(yīng)考慮邊坡基底面剪切破壞,滑動力按邊坡塊體受庫侖主動土壓力作用,抗滑力為基底摩擦力,按照極限平衡法計算。

討論和實施意見：一般情況下,德國路基邊坡坡率較中國的緩。路基邊坡穩(wěn)定性計算,德國采用分項安全系數(shù)法,中國采用整體安全系數(shù)法,二者難以從計算數(shù)值上進行比較?？紤]到中國采用的路基邊坡坡率已有幾十年的工程實踐驗證,路堤邊坡穩(wěn)定性檢算按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行,為慎重起見,選取典型工點進行對比分析。

2.8 過渡段材料

對過渡段材料,外方咨詢提出：橋-橋、橋-隧、隧-隧之間小于60 m短路基過渡段,設(shè)置C15混凝土板漸變厚度過渡不經(jīng)濟。過渡段采用級配碎石加3%～5%水泥進行填筑,其剛度足以滿足設(shè)計要求,控制過渡段設(shè)計的是剛性結(jié)構(gòu)與填土的工后沉降差,如果工后沉降差得以控制,就可減少附加動荷載作用。大于60 m,小于150 m的路基過渡段采用一般性過渡段設(shè)計即可。

討論和實施意見：橋-橋、橋-隧、隧-隧之間小于60 m短路基過渡段,在滿足工后沉降控制條件下,采用級配碎石加3%～5%水泥進行填筑。

2.9 沉降計算

對沉降計算,外方咨詢提出：沉降估算采用有限元法或附加應(yīng)力理論分層總和法。飽和土地基與非飽和土地基工后沉降與地基固結(jié)時間估算,按照太沙基固結(jié)理論進行。在對已開挖路塹進行現(xiàn)場調(diào)查后,外方咨詢也認為按太沙基固結(jié)理論進行地基固結(jié)時間估算可能不太合適,但考慮到目前還沒有非飽和土的沉降以及沉降完成時間的計算辦法,只能參考固結(jié)土的辦法進行沉降以及沉降完成時間的估算。

討論和實施意見：采用附加應(yīng)力理論分層總和法,考慮地基土的應(yīng)力歷史進行地基總沉降估算。沉降經(jīng)驗系數(shù)根據(jù)中國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)中的當量模量法進行選取。按太沙基固結(jié)理論進行飽和土路基的工后沉降和地基固結(jié)時間估算,按中國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)中的經(jīng)驗值進行非飽和土路基的工后沉降和地基固結(jié)時間估算。鑒于地基土層沉降變形完成時間計算方面的國際土力學理論研究相對滯后,只能參照現(xiàn)有理論估算與現(xiàn)場沉降觀測相結(jié)合的方法,通過精確的現(xiàn)場沉降觀測推算地基沉降發(fā)展趨勢及最終沉降量,評估鋪設(shè)無砟軌道的條件。

3 橋梁

3.1 橋面布置

對橋面布置,外方咨詢提出：德國橋面維修檢查車通道寬度為1.2 m,武廣鐵路客運專線橋梁橋面維修檢查車通道寬度采用0.8 m過窄；兩線無砟軌道板之間和無砟軌道板與防護墻之間應(yīng)用道砟填平,其作用是列車脫軌時,道砟可以吸收部分動能,并能有效阻止列車傾覆,減小災(zāi)難損失,當災(zāi)難發(fā)生時,填平的橋面可提供有效的工作通道；與德國相比,設(shè)計的防護墻過弱,難以起到防護作用。

討論和實施意見：橋面布置能夠滿足維修檢查車通行要求；兩線無砟軌道板之間和無砟軌道板與防護墻之間不填道砟；進一步核實防護墻設(shè)計。對于兩線無砟軌道板之間和無砟軌道板與防護墻之間是否填道砟問題,筆者認為需要更深入分析其利弊。

3.2 殘余徐變控制值

對32 m簡支箱梁殘余徐變控制值,外方咨詢提出：設(shè)計按照10 mm控制標準偏低,應(yīng)按照德國標準不大于L/5 000控制。

討論和實施意見：32 m簡支箱梁設(shè)計已考慮了控制鋪軌后收縮、徐變變形的措施,根據(jù)設(shè)計計算和試驗研究,客運專線標準梁鋪軌后的收縮、徐變變形能夠滿足《無砟軌道設(shè)計指南》10 mm的要求,設(shè)計中考慮了各種不定因素的影響,控制值為7 mm,實際設(shè)計值滿足不大于L/5 000的要求。

3.3 涵洞分節(jié)

對涵洞分節(jié),外方咨詢提出：根據(jù)德國的規(guī)范和經(jīng)驗,框架涵洞一般不設(shè)沉降縫。對特別長的涵洞需設(shè)置沉降縫時,涵節(jié)長至少12～15 m,且接縫處不得在同一線路的兩根鋼軌之間。因為沉降縫越多,發(fā)生漏水、不均勻沉降等病害的概率就越大。涵洞高度不應(yīng)小于4 m,以保證有足夠的剛度抵抗地基不均勻沉降,沿涵長的配筋必須經(jīng)過計算確定。涵洞邊墻厚度應(yīng)不小于30 cm,才能保證滿足裂縫寬度限值和結(jié)構(gòu)耐久性的要求。設(shè)計的沉降縫過于簡單,難以達到永久性防水的要求。為保證涵洞整體剛度,必要時應(yīng)沿涵長設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋。按照德國規(guī)范,混凝土結(jié)構(gòu)容許裂縫寬度一般是0.2 mm,在有水情況下是0.15 mm,中國規(guī)范籠統(tǒng)規(guī)定為0.2 mm,標準偏低。

討論和實施意見：軌道間不能設(shè)置沉降縫,容許在兩條線中間設(shè)置沉降縫,每線下的涵節(jié)長度不小于5 m,應(yīng)盡可能考慮增加涵節(jié)長度。除涵節(jié)長度不小于5 m外,涵節(jié)長度應(yīng)盡可能不小于2倍涵洞孔徑,并考慮地基條件,地基條件差時,應(yīng)采用較長的涵節(jié)。斜交時,應(yīng)保證涵洞接縫方向與線路方向一致。應(yīng)盡可能使涵節(jié)在軌道板下應(yīng)力擴散角范圍內(nèi),避免不均勻沉降。涵節(jié)接縫不僅是對其受力和不均勻沉降有影響,而且是施工中的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)盡量避免或減少,并在設(shè)計圖中特別提醒施工重視,涵洞接縫設(shè)計按全斷面防水考慮,同時還應(yīng)按涵洞內(nèi)防水和涵洞外防水考慮,以防止涵洞內(nèi)的水滲出和涵洞外的水滲入,涵節(jié)接縫的處理,應(yīng)隨不同的地基剛度而采用不同構(gòu)造,建議按土到硬質(zhì)巖石分為5～10種。由于涵節(jié)增大,應(yīng)考慮沿涵洞長度方向的受力,可按彈性地基梁法進行受力分析,并滿足沿涵洞長度方向的配筋大于涵洞環(huán)框配筋量20%的要求。涵洞的邊墻厚度和涵洞配筋,根據(jù)設(shè)計計算確定,裂縫寬度按中國規(guī)范控制。

3.4 樁基計算

對樁基計算,外方咨詢提出：承臺應(yīng)采用六面配筋,承臺底部鋼筋按照“撐桿-壓桿”理論計算確定。

討論和實施意見：承臺頂部和底部鋼筋按照計算確定,頂部配筋率不小于0.06%,底部配筋率應(yīng)滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)規(guī)定的不小于0.15%的要求,側(cè)面配置護面鋼筋

3.5 制動力、牽引力取值

對制動力、牽引力取值,外方咨詢提出：制動力應(yīng)按車輛荷載的25%計算,雙線橋應(yīng)同時計算一線制動力、一線牽引力。

討論和實施意見：制動力、牽引力按照規(guī)范取值,雙線橋一般不同時計算制動力和牽引力,車站橋梁考慮同時計算制動力和牽引力。

4 隧道

4.1 隧道防災(zāi)救援

對隧道防災(zāi)救援,外方咨詢提出：德國鐵路標準將隧道分為短隧道(500～1 000 m)、長隧道(1 000～15 000 m)和特長隧道(>15 000 m),其要求各不相同。這些標準代表了目前的技術(shù)發(fā)展水平,以消防和防災(zāi)為基礎(chǔ),設(shè)計的長隧道和特長隧道采用雙洞單線隧道,在兩個單線隧道之間每1 000 m設(shè)1條橫向通道，以確保乘客可以從未發(fā)生事故的隧道安全撤離。德國高速鐵路中的長隧道也有雙線單洞隧道,但是在這種情況下,隧道應(yīng)配備必要的緊急出口和消防措施。

討論和實施意見：武廣鐵路客運專線6座重點隧道采用雙線單洞隧道符合中國的國情和現(xiàn)狀,對防火防災(zāi)設(shè)計進一步細化,適當增加疏散通道,增加平導或延長平導長度,增加平導與正洞的橫向通道數(shù)量。

4.2 隧道勘察

對隧道勘察,外方咨詢提出：長大隧道地質(zhì)鉆孔數(shù)量過少,不能滿足高速鐵路設(shè)計要求,尤其是鐵路通過巖溶區(qū)、破碎帶和接觸帶時,將影響隧道設(shè)計的精度和安全性。為避免在地質(zhì)情況不明情況下開挖隧道,必須對地質(zhì)構(gòu)造和地下水位進行徹底勘察,為取得可靠的地質(zhì)信息,鉆孔間距不應(yīng)小于50～200 m。

討論和實施意見：從防排水設(shè)計需要出發(fā),勘探資料深度能夠反映地下水位情況,鉆孔數(shù)量符合中國有關(guān)規(guī)范的要求，滿足設(shè)計需要,但要重視施工階段的地質(zhì)工作。對地質(zhì)復(fù)雜的隧道,施工中加強地質(zhì)超前預(yù)報和現(xiàn)場判識,進一步探明地質(zhì)情況,完善和調(diào)整設(shè)計和施工方案,確保工程安全可靠。

4.3 隧道開挖方法

對隧道開挖方法,外方咨詢提出：在淺埋和圍巖較差地段采用的開挖方法不妥,尤其是CD和CRD方法,需要進一步解釋采用的開挖方法是否符合新奧法原則,德國在同樣地質(zhì)情況下,采用的是雙側(cè)壁導坑法、臨時仰拱法、臺階法。

討論和實施意見：設(shè)計采用的隧道開挖工法,是在理解并運用新奧法的基礎(chǔ)上,經(jīng)中國許多工程實踐檢驗總結(jié)出來的方法,符合中國的施工工藝和技術(shù)裝備水平,能夠確保大斷面、大跨度、軟弱圍巖隧道施工的安全。軟弱圍巖采用中壁導坑法或雙壁導坑法。施工中注意,分塊不宜過多,臺階不宜過長,充分發(fā)揮初期支護的作用,盡量縮短斷面閉合時間,并做好施工組織設(shè)計,細化開挖工法和工藝,加強初期支護監(jiān)控測量,有效控制圍巖變形,不斷完善施工工法。

4.4 隧道防、排水

對隧道防、排水,外方咨詢提出：對于隧道襯砌的整體排水,排水橫向通道是不夠的,φ100 mm排水管太小,應(yīng)該至少為φ250 mm,建議按全封閉防水設(shè)計?；旧险麄€排水系統(tǒng)應(yīng)該重新考慮,使之成為一個防水系統(tǒng)。應(yīng)該重新設(shè)計為無排水系統(tǒng)的隧道以避免水的滲出并加強維護。輔助坑道排水溝斷面尺寸采用10 cm×10 cm過小。防水板厚度至少為4 mm。

討論和實施意見：橫向排水管直徑可以滿足大部分情況下的過水能力要求,在地下水量較大的地段,根據(jù)施工中開挖揭示情況細化排水設(shè)計。

4.5 隧道斷面和支護

對隧道斷面和支護,外方咨詢提出：設(shè)計采用的隧道斷面輪廓不合理,上部空間富余大,兩側(cè)安裝固定裝置的空間可能不足。采用的0.8 m×0.8 m錨桿間距過小,應(yīng)加大到1.5 m×1.5 m。

討論和實施意見：設(shè)計采用的隧道斷面輪廓和支護參數(shù)合理,施工中做好監(jiān)控測量,及時調(diào)整支護參數(shù),確保施工安全。對于墜陀侵入救援通道問題,研究在下錨段地段局部擴大或考慮改變錨段關(guān)節(jié)設(shè)施的布置。

4.6 隧道洞門

對隧道洞門,外方咨詢提出：隧道進出口段的洞門應(yīng)考慮空氣動力學效應(yīng),預(yù)留洞口壓力釋放孔和緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的空間。

討論和實施意見：有條件情況下,隧道進出口段的洞門預(yù)緩沖結(jié)構(gòu)的位置,補充進行隧道預(yù)留洞口壓力釋放孔和緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置的分析研究。

5 結(jié)語

通過對路基、橋梁、隧道設(shè)計和咨詢中的重大技術(shù)問題的探討,可以看出,中國的設(shè)計技術(shù)標準和設(shè)計原則,基本滿足客運專線建設(shè)的需要。國外的技術(shù)標準和技術(shù),有的對我國客運專線鐵路建設(shè)具有啟迪意義,促進我們在建設(shè)中加深研究和完善；有的不能照搬照套,需要結(jié)合中國的國情加以消化和吸收；也有不符合中國國情不能采用的地方?？傮w而言,通過建設(shè)過程中對這些重大技術(shù)問題的討論和確定,加深了設(shè)計和咨詢對國內(nèi)外技術(shù)標準的認識和認同,進一步確保了工程建設(shè)的質(zhì)量和安全性,保證了工程建設(shè)的順利實施,為實現(xiàn)建設(shè)世界一流客運專線的目標奠定了基礎(chǔ)。

[1] 朱 穎,陳 列.武廣鐵路客運專線設(shè)計、咨詢的技術(shù)對策[A].武廣鐵路客運專線建設(shè)技術(shù)匯編(第一輯)[C].成都：西南交通大學出版社,2007：432-442.

[2] 吳明友,米 隆.客運專線技術(shù)標準的發(fā)展與創(chuàng)新[J].鐵道工程學報,2008(增刊)：11-20.

[3] 羅 成,熊林敦.武廣鐵路客運專線路基技術(shù)咨詢總結(jié)[A].武廣鐵路客運專線建設(shè)技術(shù)匯編(第一輯)[C].成都：西南交通大學出版社,2007:145-149.

[4] 鄢 勇,王庭正,陳 列.武廣鐵路客運專線橋梁技術(shù)咨詢總結(jié)[A].武廣鐵路客運專線建設(shè)技術(shù)匯編(第一輯)[C].成都：西南交通大學出版社,2007:150-151.

[5] 劉 鵬,陶偉民.武廣鐵路客運專線隧道技術(shù)咨詢總結(jié)[A].武廣鐵路客運專線建設(shè)技術(shù)匯編(第一輯)[C].成都：西南交通大學出版社,2007:160-168.

[6] 李殿龍.客運專線設(shè)計國際咨詢給我們的啟示[J].鐵道標準設(shè)計，2005(10)：1-3.