武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段設(shè)計的主要技術(shù)特點

陳 列,許佑頂

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 概述

武漢至廣州鐵路客運專線設(shè)計速度目標(biāo)值350 km/h,線路全長1 068.6 km,全線鋪設(shè)無砟軌道。武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段線路長度159 km,線路穿越南嶺瑤山山脈后進入韶關(guān)斷陷盆地,順北江西岸南行,穿越粵北低山丘陵區(qū)或河谷區(qū),進入珠江三角洲平原。沿線地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,不良地質(zhì)發(fā)育。針對武廣鐵路客運專線設(shè)計速度高、鋪設(shè)無砟軌道、韶關(guān)至花都段地形地質(zhì)情況復(fù)雜的特點,按照建設(shè)經(jīng)得起運營考驗和歷史檢驗的世界一流客運專線鐵路的要求,在武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段設(shè)計中,在嚴(yán)格執(zhí)行客運專線鐵路設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前提下,根據(jù)豐富的復(fù)雜山區(qū)鐵路設(shè)計經(jīng)驗,通過對設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的原始創(chuàng)新和再創(chuàng)新,制定出一系列控制線路平順性、結(jié)構(gòu)沉降、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)動力性能和施工精度的技術(shù)措施,滿足了工程建設(shè)的需要,確保了武廣鐵路客運專線的安全性、平順性和耐久性。

2 設(shè)計的主要技術(shù)特點

武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段設(shè)計的主要技術(shù)特點有：充分考慮旅客乘坐的舒適性的線路線形選擇，滿足無砟軌道鋪設(shè)和運營維修的測量技術(shù)，嚴(yán)格控制設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，合理的路橋分界原則，有效控制軟弱路基沉降的樁-板和樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)，CFG樁復(fù)合地基加固，合理的路基過渡段設(shè)計，緊密結(jié)合工程實際的越嶺地段橋梁制架方案，墩臺沉降控制方法，車橋動力仿真分析，合理的大跨度橋梁方案，滿足客運專線無砟軌道道岔要求的橋梁結(jié)構(gòu)，滿足結(jié)構(gòu)整體性和耐久性要求的涵洞形式和構(gòu)造要求，大斷面隧道工程措施，隧道空氣動力作用分析，針對性強的隧道防排水方案，有利于消除可溶巖隧道隱患的工程措施，考慮列車高速通過時聲屏障脈動力的聲屏障技術(shù)。

2.1 線路線形選擇

盡可能選用直線和大的曲線半徑,提高旅客乘坐的舒適性,減小超高量。韶關(guān)至花都段直線長度占線路長度的45%；曲線最小半徑9 000 m,且僅占線路長度的11%,半徑10 000 m曲線區(qū)段占線路長度的32%,半徑10 000 m以上曲線區(qū)段占線路長度的12%。

注重線路平、縱斷面組合,減小動載響應(yīng)、增加旅客舒適度。盡量加大豎曲線與緩和曲線之間的距離,提高旅客舒適度,一般情況下,豎曲線與緩和曲線之間的最短距離不小于200 m；平面曲線范圍內(nèi)變坡盡量采用一面坡,避免使用連續(xù)起伏坡。

結(jié)合地形條件,在工程量增加不大的情況下,盡量采用較小的坡度、較長的坡段長度和半徑30 000 m的豎曲線。韶關(guān)至花都段6‰及以下坡段長度占線路長度的70%,大于12‰坡段長度僅占線路長度的1%；1 000 m長坡段僅1處,其長度占線路長度的0.4%。

2.2 無砟軌道測量技術(shù)

為滿足鋪設(shè)無砟軌道的設(shè)計時速350 km客運專線勘測、施工、運營維護3個階段測量的要求,引入勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)采用以CPⅠ為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng),高程控制網(wǎng)水準(zhǔn)基點為基礎(chǔ)高程控制網(wǎng)的“三網(wǎng)合一”的理念。

充分發(fā)揮GPS定位技術(shù)測量精度高的技術(shù)優(yōu)勢,開展基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)和線路控制網(wǎng)(CPⅡ)測量。為避免區(qū)域沉降對鐵路高程基準(zhǔn)點的影響,全段埋設(shè)深水準(zhǔn)標(biāo),水準(zhǔn)標(biāo)最深33 m。水準(zhǔn)測量全部采用高精度電子水準(zhǔn)儀,觀測數(shù)據(jù)實行自動記錄、自動傳輸和計算機處理。為了保證在長大隧道洞內(nèi)導(dǎo)線網(wǎng)具有較強的幾何強度,滿足CPⅢ控制網(wǎng)約束精度,CPⅡ控制網(wǎng)測量采用點對布點,逐站觀測形成多個四邊形的導(dǎo)線網(wǎng)。CPⅢ控制網(wǎng)測量采用自由測站后方交會法測量CPⅢ控制點的平面坐標(biāo),采用精密水準(zhǔn)環(huán)法測量CPⅢ控制點高程。

2.3 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器是無縫線路的薄弱環(huán)節(jié),嚴(yán)格控制設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、調(diào)整扣件阻力等措施,韶關(guān)至花都段避免了設(shè)置鋼軌伸縮器。

2.4 路橋分界原則

根據(jù)路堤地基條件、填料性質(zhì)及來源、當(dāng)?shù)赝恋刭Y源、城鎮(zhèn)交通要求等,通過技術(shù)經(jīng)濟比較綜合確定路橋分界高度。一般地段路橋分界高度可采用7～8 m,在城市近郊時可采用5 m左右；軟土地基地段,路橋分界高度一般為4～6 m。池塘集中、道路和溝渠密集、沉降控制困難的軟土地基地段宜按設(shè)橋方式通過。

2.5 路基樁-板結(jié)構(gòu)和樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)

采用樁-板結(jié)構(gòu)路基和樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基2種無砟軌道鐵路路基結(jié)構(gòu),有效解決了武廣鐵路客運專線無砟軌道深厚軟弱路堤、道岔區(qū)路基、軟弱地基路塹等地基沉降控制,效果顯著,與橋梁方案相比,節(jié)省工程投資。

樁-板結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于路塹及低路堤地段處理深度大于20～30 m的深層地基加固。樁-板結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土樁基、托梁和上部混凝土承臺板組成。托梁和承臺板一般為三跨一聯(lián)。樁基沿線路方向布置兩排,鉆孔法施工。

鋼筋混凝土樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于處理深度20～40 m的地基加固。鋼筋混凝土樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土樁和倒杯形樁帽及上部加筋墊層共同組成,樁基正方形布置,樁嵌入穩(wěn)定基巖。樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)屬于剛性樁地基,路基和列車荷載的附加應(yīng)力直接傳遞到基底的群樁上,不考慮樁基自身的壓縮變形。

2.6 路基CFG樁復(fù)合地基

采用CFG樁復(fù)合地基有效控制地基沉降,滿足無砟軌道鋪設(shè)條件。CFG樁主要應(yīng)用于處理深度10～22 m的地基加固。

CFG樁即水泥粉煤灰碎石樁的簡稱,是將碎石、石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和制成的一種具有一定黏結(jié)強度的樁。CFG樁的骨料為碎石,摻入石屑可使級配良好,摻入粉煤灰不僅利用了廢料,而且增加了混合料的和易性,并能提高樁體的后期強度。武廣鐵路客運專線設(shè)計的CFG樁的混凝土強度等級為C15,屬于半剛半柔性樁復(fù)合地基,它能充分發(fā)揮樁周摩擦力和端承力,樁土應(yīng)力比較高,對復(fù)合地基承載力的提高幅度較大,并有沉降小、穩(wěn)定快的特點。為保證施工質(zhì)量,CFG樁均采用長螺旋管內(nèi)泵送施工工法,混合料集中拌和、罐車運輸至工點。

2.7 路基過渡段

根據(jù)不同線下基礎(chǔ)縱向剛度匹配,確定無砟軌道鐵路橋路過渡段、涵路過渡段、隧路過渡段、路堤與路塹過渡段以及橋隧之間短路基過渡段等構(gòu)筑物過渡段結(jié)構(gòu)與構(gòu)造措施,滿足了路基面支承剛度范圍值，以及采用不同摻灰量水泥穩(wěn)定級配碎石實現(xiàn)路基縱向和豎向剛度逐漸過渡的要求。

過渡段材料及過渡段長度主要依據(jù)相連結(jié)構(gòu)物的特點和路基長度來確定,材料為水泥穩(wěn)定級配碎石、AB組填料及混凝土。通過采用不同材料不同類型的過渡形式,使軌道剛度逐漸變化,減小沉降差,降低振動,減緩路基變形,以保證列車安全、舒適運行。

2.8 越嶺地段橋梁制架

武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段,線路沿廣東北部中低峽谷區(qū)及珠江三角洲平原北緣,山高谷深,溝壑交錯,橋梁、隧道密集,具有橋隧相連的山區(qū)鐵路特征。根據(jù)自然條件和橋隧分布情況,在原則采用預(yù)制梁場集中預(yù)制整孔簡支箱梁,900 t運梁車運至橋位,架橋機現(xiàn)場整孔架設(shè)前提下,通過合理布置預(yù)制梁場,并在橋隧密集相連地段輔以整孔箱梁切割部分翼緣板運輸通過隧道、移動模架現(xiàn)澆整孔箱梁、膺架法現(xiàn)澆整孔箱梁、滿堂支架現(xiàn)澆整孔箱梁等措施有效解決了越嶺段橋梁施工難題。

2.9 墩臺沉降控制

通過合理設(shè)置樁數(shù)和樁長,并根據(jù)地質(zhì)試驗測試的分級壓力下壓縮模量和壓縮系數(shù),按照橋梁樁基施工加載工況計算墩臺沉降量和沉降曲線,并通過現(xiàn)場試樁驗證,確保設(shè)計計算的墩臺沉降量與實際相符,滿足鋪設(shè)無砟軌道的沉降量和沉降差限值要求。工程實測證明,橋梁墩臺沉降得到有效控制,確保了橋梁結(jié)構(gòu)滿足無砟軌道鋪設(shè)和高速運營的要求。

2.10 車橋動力仿真分析

對典型橋梁和特殊橋梁,嚴(yán)格控制橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性,并按照高速列車動力參數(shù)、高速鐵路軌道不平順譜和1.2倍設(shè)計時速,采用國際先進的計算軟件和國內(nèi)開發(fā)的成熟軟件,對橋跨結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行車-線-橋耦合動力仿真分析,嚴(yán)格控制列車脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動加速度、舒適性評價指標(biāo),確保使各項技術(shù)指標(biāo)滿足時速350 km及更高時速高速列車安全平穩(wěn)運行和旅客乘座舒適性要求。

2.11 大跨度橋梁

通過嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的自振特性、車-線-橋耦合動力仿真分析指標(biāo),以及列車作用、溫度變化、收縮徐變等引起的結(jié)構(gòu)變形,確保大跨度橋梁滿足鋪設(shè)無砟軌道和高速行車的要求。

優(yōu)化支座布置,避免設(shè)置軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器。

設(shè)計檢算考慮900 t運梁車運整孔簡支箱梁通過特殊結(jié)構(gòu)橋梁工況,及在其兩端架設(shè)整孔簡支箱梁工況,滿足工程需要。

通航河流橋梁防護采用柔性阻尼吸能防撞措施,確保結(jié)構(gòu)的安全。

通過采用搭設(shè)支架、增大連續(xù)梁灌注階段長度等措施,實現(xiàn)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁快速施工。

2.12 無砟軌道道岔梁

無砟軌道道岔梁按照尖軌和心軌處避免設(shè)置橋墩,并滿足無縫道岔至梁縫的最小距離要求,選用適當(dāng)跨度連續(xù)梁箱；支座布置考慮橋梁溫度跨度,避免設(shè)置軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器。確定合理的梁體豎向剛度和橋墩剛度；建立橋上無縫道岔“車輛-岔-橋-墩一體化”計算模型,將車輛、鋼軌、道岔、橋梁、墩臺視為一個相互作用、相互影響的系統(tǒng),進行耦合分析,驗證橋上無縫道岔對列車高速通過的適應(yīng)性,解決無砟軌道的跨區(qū)間無縫線路高速道岔橋設(shè)計問題。

設(shè)計按照梁縫距無縫道岔的距離大于40 m考慮,計算出連續(xù)梁最小梁長為道岔長度加80 m。合理布置道岔在梁上的位置,避免在無縫道岔的尖軌和心軌區(qū)設(shè)置橋墩,以使橋梁及道岔的受力與變形處于最合理的狀態(tài)。尖軌、心軌處撓跨比按L/10 000控制,豎向折角按不大于0.5‰控制。連續(xù)梁梁長盡可能控制在滿足不設(shè)軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器的范圍內(nèi),并通過將固定支座設(shè)置在連續(xù)梁中部的辦法,避免設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器。

2.13 無砟軌道涵洞

根據(jù)鋪設(shè)無砟軌道客運專線對涵洞整體性和耐久性的要求,涵洞采用框架涵洞。嚴(yán)格控制涵洞沉降和變形,涵洞與路基基礎(chǔ)處理相協(xié)調(diào)。按照沉降縫不得設(shè)在同一線路的兩根鋼軌之間和采用長分節(jié)的原則確定涵洞階段長度,并對沉降縫及涵身嚴(yán)格進行防水設(shè)計。

2.14 大斷面隧道工程措施

根據(jù)工程地質(zhì)、地貌及水文地質(zhì)條件等因素,采取“防、排、截、堵相結(jié)合,因地制宜,綜合治理”的原則,重視初期支護的防水,以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主體,以施工縫、變形縫防水為重點。

采用復(fù)合式襯砌,洞口段、淺埋段、斷層破碎帶等地段和隧道與輔助坑道連接處采用復(fù)合式加強襯砌,明挖段采用明洞襯砌。Ⅱ級圍巖采用曲墻式不帶仰拱襯砌,底板采用鋼筋混凝土；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用曲墻式帶仰拱襯砌。對承載力[σ]≤150 kPa的軟巖隧道基底采用小導(dǎo)管注漿、片石混凝土換填等措施進行加固處理。

根據(jù)圍巖特征分別采用臺階法、CD法、CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖,Ⅳ級圍巖采用CD法或CRD法開挖,V級圍巖采用CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,噴錨支護,先施作仰拱后拱墻一次襯砌。隧道開挖采用光面爆破,初期支護噴混凝土采用濕噴工藝。隧道洞口淺埋段,采用明挖法施工或采取地表注漿、超前管棚預(yù)注漿等預(yù)加固措施。洞身經(jīng)過斷層破碎帶、接觸帶或埋深較淺地段,采用小導(dǎo)管、大管棚超前預(yù)注漿加固巖體,并結(jié)合型鋼拱架等輔助措施通過。淺埋地段亦可采用明挖法施工。初期支護采用噴錨支護,軟弱圍巖段采用格柵(型鋼)鋼架及超前小導(dǎo)管、大管棚或中空錨桿加強支護。初期支護噴混凝土采用濕噴工藝。

2.15 隧道空氣動力作用

采用國際先進的計算軟件和國內(nèi)開發(fā)的成熟軟件進行隧道空氣動力作用分析,分析列車通過隧道時的壓力變化、微氣壓波、會車時壓力變化、縱坡對壓力變化的影響、乘坐舒適度和健康損害等空氣動力學(xué)機理,加深對長隧道空氣動力作用效應(yīng)的認(rèn)識。根據(jù)分析結(jié)果,通過利用既有輔助坑道、在既有明洞頂進行空氣動力學(xué)開孔以及接長明洞增設(shè)緩沖結(jié)構(gòu)等措施緩解空氣動力學(xué)效應(yīng)。

2.16 隧道防排水

采用有針對性的防排水原則和工程措施,滿足山區(qū)無砟軌道鐵路客運專線巖溶隧道防排水要求和無砟軌道的穩(wěn)定性。隧道結(jié)構(gòu)的防水等級按一級設(shè)計,不允許滲水,結(jié)構(gòu)表面無濕漬。

防水原則為：隧道二次襯砌采用防水混凝土,其抗?jié)B等級不低于P8；隧道初期支護與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設(shè)防水板加土工布防水；隧道襯砌縱、環(huán)向施工縫(含仰拱)均涂抹混凝土界面劑并加設(shè)中埋式橡膠止水帶,拱墻環(huán)向施工縫內(nèi)緣采用嵌縫材料嵌縫；變形縫填充聚苯板并加設(shè)中埋式鋼邊止水帶,外緣采用外貼式橡膠止水帶,內(nèi)緣采用嵌縫材料嵌縫；二次襯砌拱部預(yù)留充填注漿孔,待混凝土達到設(shè)計強度后進行充填注漿。

排水參數(shù)及措施為：洞內(nèi)設(shè)置雙側(cè)排水溝加中心排水明溝,對于長度較短(原則上小于500 m)、地下水貧乏的非可溶巖隧道不設(shè)中心排水明溝,實踐證明加設(shè)中心排水明溝措施大大減少了工程隱患,值得借鑒；設(shè)置環(huán)向φ50 mm(10 m一道)、縱向φ150 mm盲管,將滲漏水引入洞內(nèi)側(cè)溝,經(jīng)側(cè)溝的匯集和沉淀后再由側(cè)溝和中心溝排出洞外；防水層鋪設(shè)前應(yīng)采取臨時的排水措施,在隧道開挖后如遇局部股水,設(shè)置專門的引水管將水引入隧道側(cè)溝,引水管可視股水大小設(shè)置,一般采用φ50 mm的硬塑料管。

2.17 可溶巖隧道

韶關(guān)至花都段穿越可溶巖地段的隧道共15座,施工圖設(shè)計中對超前預(yù)報和隧底物探提出了明確要求,有利于及時發(fā)現(xiàn)和消除隧道溶巖隱患。

超前預(yù)報措施為：利用地質(zhì)雷達超前探測灰?guī)r地段的巖溶、溶洞發(fā)育情況,預(yù)告前方地質(zhì)情況；根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報情況,在掌子面施作φ75 mm超前鉆孔探測,每個斷面布設(shè)不少于2個探測孔,單孔長度為30 m,每25 m一循環(huán),當(dāng)有異常情況時,可加密或加長鉆孔；對預(yù)測預(yù)報所得的資料進行綜合分析與評判,相互印證,并結(jié)合掌子面揭示的地質(zhì)條件、發(fā)展規(guī)律、趨勢及前兆進行預(yù)測、判斷,相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整措施,以確保施工安全及結(jié)構(gòu)安全。

隧底物探措施為：隧道開挖后,施作仰拱前,應(yīng)對隧道基底進行綜合物探,以查明基底是否隱伏有溶洞、暗河等不良地質(zhì),以便采取合理的治理方案。

對施工過程中揭示的溶洞,根據(jù)溶洞的實際形態(tài),采取換填、回填、支頂、充填注漿等措施處理,對巖溶水發(fā)育段落采取埋管集中引排、增設(shè)泄水洞等工程處理。隧底物探發(fā)現(xiàn)的溶洞,采取鋼花管注漿、回填、換填、支頂?shù)却胧┨幚怼?/p>

2.18 聲屏障技術(shù)

根據(jù)列車速度、列車車頭形狀、空氣密度、聲屏障距鐵路中心線的距離、聲屏障高度、主體結(jié)構(gòu)材料、吸隔聲板材等參數(shù),通過數(shù)值模擬分析,得出列車高速通過時聲屏障脈動力產(chǎn)生的機理、脈動力響應(yīng)系數(shù)及其影響的因素,合理的聲屏障結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造,確保時速350 k m鐵路客運專線整體預(yù)應(yīng)力混凝土聲屏障設(shè)計的安全可靠。

3 結(jié)語

在武廣鐵路客運專線韶關(guān)至花都段設(shè)計中,采取以上設(shè)計理念和技術(shù)措施,確保了工程的安全、質(zhì)量、進度和投資控制,作為原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新的成果,為形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵路客運專線技術(shù),建成世界一流水平的鐵路客運專線創(chuàng)造了條件。

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