武廣鐵路客運專線烏龍泉至韶關(guān)段無砟軌道路基過渡段設(shè)計

詹學(xué)啟,郭建湖

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

武廣鐵路客運專線路基過渡段設(shè)計,通過大量的國內(nèi)外調(diào)研,結(jié)合理論仿真計算展開研究,共進行了65種過渡段形式及技術(shù)要求的研究優(yōu)選,最終確定了28種過渡段結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計,不僅包括了橋路、涵路、隧路、堤塹、半填半挖路基、不同巖土組合路基和客運專線與聯(lián)絡(luò)線相接等路基縱向、橫向的過渡段的基本形式,而且包括了橋橋、橋隧、隧隧、橋塹之間短路基等各類過渡段結(jié)構(gòu)類型及其地基處理特殊技術(shù)要求的設(shè)計。

1 路基本體過渡段類型及其技術(shù)要求

1.1 基本過渡段設(shè)計

路基本體結(jié)構(gòu)的過渡段按結(jié)構(gòu)物類型可分為橋路過渡段、涵路(路堤與橫向結(jié)構(gòu)物)過渡段、隧路過渡段、堤塹過渡段、半填半挖路基及不同巖土組合過渡等;按過渡的方向考慮分為縱向過渡和橫向過渡等,過渡段標準形式見圖1和圖2。

1.1.1 橋路過渡段

圖1 路堤地段橋路過渡段標準形式示意(單位:m)

橋路過渡段結(jié)構(gòu)形式主要有填方橋臺橋路過渡段與挖方橋臺橋路過渡段。

1)當路基與橋梁相接地段位于路堤填土地段,橋路過渡段可采用沿線路縱向的倒梯形過渡段或正梯形的二次過渡段形式。過渡段縱向長度 L=2(h-b)+A(L為過渡段長度,單位為米;h為臺后路堤高度,單位為米;A為常數(shù) 3～5 m;b=0.7 m)。過渡段范圍內(nèi)基床表層范圍采用級配碎石摻入 5%水泥填筑,臺后的正梯形部分采用水泥穩(wěn)定級配碎石摻 5%水泥填筑,其后再設(shè)置一段倒梯形過渡段,采用 A組、B組填料。在路基與橋臺結(jié)合部設(shè)寬 10 cm帶排水槽的滲水墻,滲水墻采用無砂混凝土塊砌筑。在滲水墻底部設(shè)直徑φ=100 mm滲水管將滲流水排出路基以外。

在路基沉降控制設(shè)計中,臺后路基的工后沉降設(shè)計按 5～8 mm控制,考慮到橋臺將有可能產(chǎn)生幾個毫米的沉降,預(yù)計橋臺與臺后路基的沉降差不會超過 5 mm,因此,本線橋臺與臺后路基在設(shè)計圖中暫未設(shè)置搭板,但要求施工中應(yīng)加強橋臺與臺后路基的沉降差觀測與分析評估工作,一旦橋臺與臺后路基工后沉降差可能超過 5 mm時應(yīng)及時采取措施。

圖2 路塹地段橋路過渡段標準形式示意 (單位:m)

2)本線位于路塹挖方地段的橋臺較多,設(shè)計對當橋臺臺尾路基為軟質(zhì)巖、強風(fēng)化的硬質(zhì)巖及土質(zhì)路塹時,橋路過渡段采用混凝土或級配碎石摻 5%水泥填筑,縱向過渡段長度不小于20 m。在過渡段以外 20 m范圍內(nèi)的基床表層級配碎石摻 5%水泥。當橋臺臺尾路基為硬質(zhì)巖路塹,橋臺基坑采用 C 25混凝土回填。

1.1.2 涵路過渡段

1)路堤與橫向結(jié)構(gòu)物(立交框構(gòu)、箱涵)過渡段。立交框構(gòu)、箱涵位于路堤填土地段時,設(shè)置路堤式涵路過渡段,同時根據(jù)路基面至橫向結(jié)構(gòu)物頂面的高度不同,采取不同的結(jié)構(gòu)形式,見圖3。

當路基面距橫向結(jié)構(gòu)物頂?shù)拇怪备叨?＜2.0 m時,如圖3(a)所示,涵洞兩側(cè)不小于 20 m范圍內(nèi)的基床表層采用級配碎石基床表層摻 5%水泥填筑,表層以下至涵頂間及每側(cè)頂寬 2 m的正梯形范圍內(nèi)采用級配碎石摻 5%水泥填筑,其外側(cè)再設(shè)置底寬 3 m的倒梯形 A組、B組填料過渡段。當路基面至橫向構(gòu)筑物頂不小于 2 m時,則如圖3(b)所示設(shè)置過渡段。

當橫向構(gòu)筑物軸線與線路中線斜交時,應(yīng)使過渡段的設(shè)置與線路中心垂直,避免橫向的剛度差異。當涵洞門有翼墻時,基底混凝土回填層應(yīng)做成向涵洞外側(cè)傾的排水坡,將水引到翼墻邊緣,經(jīng)橫向透水管將水排出路基。

圖3 路堤地段涵路過渡段標準形式(單位:m)

2)路塹與橫向結(jié)構(gòu)物過渡段:當橫向構(gòu)筑物位于土質(zhì)、軟質(zhì)巖及強風(fēng)化硬質(zhì)巖路塹中時,構(gòu)筑物兩側(cè)各不少于 20 m范圍內(nèi)基床表層換填級配碎石摻 5%水泥,基坑范圍內(nèi)的基床底層換填厚度范圍采用級配碎石摻 5%水泥填筑,基床底層以下基坑采用 C 15混凝土回填。當橫向構(gòu)筑物位于硬質(zhì)巖路塹時,構(gòu)筑物基坑均采用 C 25混凝土回填。

1.1.3 隧路過渡段

隧道與路基相聯(lián)一般位于路塹地段,隧路過渡段的設(shè)計需根據(jù)不同的洞門形式、地基土巖性、隧道排水方式等情況,設(shè)置了不同的隧路過渡段,并將電纜槽、排水等順接到路基。

1)當隧道與硬質(zhì)巖路塹相接時,無論是與斜切式洞門還是擋翼墻洞門相聯(lián),均應(yīng)將洞門開挖基坑采用C 25混凝土回填。當為斜切式洞門與路塹相連時,如隧道線間溝或側(cè)溝水需要引入路基兩側(cè)側(cè)溝排出,則于洞門相接處對應(yīng)設(shè)置 C 25鋼筋混凝土集水井,集水井中的水通過斜向預(yù)埋鋼筋混凝土排水管,將水引入兩側(cè)側(cè)溝排出。

2)隧道與土質(zhì)、軟巖及強風(fēng)化硬質(zhì)巖路塹相聯(lián)時,路基與斜切式洞門相聯(lián)時,隧道線間溝的水需經(jīng)過路基側(cè)溝排出,其過渡段長度不小于 27 m,其中與隧道相接段應(yīng)有不小于 7 m長采用 C 25混凝土澆筑,20 m長的級配碎石過渡段,其表層均采用級配碎石 +5%的水泥,底層底寬不小于 5 m的倒梯形范圍內(nèi)采用級配碎石 +5%的水泥填筑,見圖4。

3)當路基與擋翼墻洞門相聯(lián)時,則路基范圍設(shè)置長度不小于 20 m的過渡段,過渡段范圍基床表層采用級配碎石 +5%的水泥,底層于底寬不小于 5 m的倒梯形范圍內(nèi)采用級配碎石 +5%的水泥填筑,見圖5。

1.1.4 路堤路塹過渡段

路堤與路塹過渡段設(shè)計,在詳細研究過渡段處的地形條件、地基條件,通過采取合理的措施使縱、橫向的剛度均勻過渡和減小差異沉降,同時注意排水系統(tǒng)的銜接。當路堤與弱 ～微風(fēng)化硬質(zhì)巖石路塹連接時應(yīng)設(shè)置堤塹過渡段,過渡段自路塹一側(cè)沿原硬質(zhì)巖坡面縱向開挖臺階,臺階高度 0.6 m左右。過渡段基床表層 20 m范圍內(nèi)填摻入 5%水泥的級配碎石,表層以下自路堤一側(cè)分層填筑級配碎石。級配碎石與路堤填料之間的分界線應(yīng)與線路走向保持垂直,使軌道板下基礎(chǔ)保持均質(zhì)。當路堤與強風(fēng)化硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖石或土質(zhì)路塹連接時,路塹一側(cè)沿坡面按 1∶2的坡率挖臺階,臺階高度 0.6 m左右,見圖6和圖7。

1.1.5 半挖半填路基橫向過渡

陡坡地段的半填半挖路基,為保證路基橫向剛度與變形均勻一致,基床表層以下挖除換填均質(zhì)材料,換填厚度及范圍由以下條件確定,基床底層 2.3 m范圍內(nèi)的填料一致,或底層換填厚 ＜2.3 m時換填底軌道主要受力范圍內(nèi)的地基條件一致,且滿足基床換填厚度的要求。挖除換填地基土的底部應(yīng)設(shè)向外傾斜 4%的橫向排水坡。

圖4 斜切式洞門隧路過渡段標準形式示意(單位:m)

圖5 擋翼墻式洞門隧路過渡段標準形式示意 (單位:m)

圖6 硬質(zhì)巖地段堤塹過渡段標準形式示意(單位:m)

圖7 半挖半填路基橫向過渡標準形式示意 (單位:m)

1.1.6 不同巖土組合路基縱橫向過渡設(shè)計

路塹地段當硬質(zhì)巖石路基與土質(zhì)路基縱向連接時,應(yīng)由硬質(zhì)巖路基向土質(zhì)路基設(shè)置縱向過渡段,其長度不應(yīng)小于 20 m,過渡段范圍內(nèi)基床表層采用級配碎石摻 5%水泥填筑,且滿足基床表層的壓實標準,表層以下底寬 5 m的倒梯形范圍內(nèi)換填級配碎石摻 5%水泥,換填厚滿足相應(yīng)地層的換填要求。當橫向存在土石組合或半填半挖時,應(yīng)分別滿足不同巖土組合橫向過渡設(shè)計要求,以及半填半挖橫向過渡設(shè)計要求,見圖8。

1.2 組合式過渡段設(shè)計

當橋橋、橋隧、隧隧(包括期間分布的涵洞)之間的路基長 ＜150 m時,存在短路基范圍內(nèi)各種基本過渡段密集分布、重疊或沖突現(xiàn)象,尤其當短路基長度 ＜60 m時顯得更加突出。設(shè)計上分別對 ＜60 m的短路基與 60～150 m的短路基兩種情況進行短路基過渡段設(shè)計,對于長度 ＞150 m路基可不按短路基考慮設(shè)置組合型過渡段。

短路基范圍內(nèi)往往包含橋路、涵路、堤塹、隧路、半挖半填等基本型過渡段,當短路基范圍內(nèi)分布多個過渡段時,就無法正常分別設(shè)置各種過渡段,否則將存在各過渡段間的重疊及其“二次過渡”問題,無法真正起到過渡的目的,且各具體工點的條件千變?nèi)f化,給現(xiàn)場施工帶來困難或混亂。設(shè)計需充分考慮與路基相聯(lián)的橋、涵、隧間短路基的可能條件和組合形式,結(jié)合工程地質(zhì)條件綜合考慮設(shè)置組合型過渡形式。短路基過渡組合型過渡段的設(shè)置是在滿足上述六種基本過渡段設(shè)置要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合地形地貌、施工方式等具體情況盡量將相鄰過渡段連通設(shè)置,確?？v、橫向剛度一致,平順過渡的技術(shù)要求,同時兼顧在現(xiàn)有施工技術(shù)條件下的現(xiàn)場施工的可行性和方便性,主要組合式過渡段形式見表1。

基于上述原則,武廣客運專線設(shè)計綜合各種組合條件和形式,進行了近 65種組合過渡段形式及技術(shù)要求的研究優(yōu)選,最終確定 28種“組合型”過渡段結(jié)構(gòu)形式運用于武廣客運專線的實際施工中。“組合型”過渡段設(shè)計綜合考慮了各類過渡段疊加或組合等特殊情況的過渡段路基結(jié)構(gòu)設(shè)計,解決了山區(qū)客運專線因縱、橫向地形起伏,帶來的不均勻變形以及剛度不均勻問題,解決了橋與路基、隧道與路基、涵洞與路基等不同構(gòu)筑物間剛度差異、沉降差異的平順過渡問題,實現(xiàn)了高速列車平穩(wěn)、舒適運行,見圖9。

圖8 不同巖土組合路基橫向過渡處理示意(單位:m)

圖9 組合式路基過渡設(shè)計示意(單位:m)

表1 主要組合式過渡段形式一覽

2 地基過渡設(shè)計及其技術(shù)要求

地基處理與加固措施的過渡也是路基過渡設(shè)計的重要部分,其目的是控制路基在地基部分的縱向、橫向上的差異沉降。不同結(jié)構(gòu)物間地基存在差異沉降,同樣同一路基工點不同地段地基也存在差異沉降。設(shè)計通過不同的工程措施(如挖除換填、復(fù)合地基加固等),以及加固樁的樁間距、樁長的變化,以滿足客運專線縱、橫向沉降量或沉降差的控制要求。

地基處理的過渡設(shè)計主要包括:不同結(jié)構(gòu)物(橋與路、路與涵等)之間縱向地基過渡設(shè)計;不同地基加固樁長或樁型之間過渡設(shè)計;加固區(qū)與非加固區(qū)之間的過渡設(shè)計和不同沉降控制標準結(jié)構(gòu)物地基處理的過渡設(shè)計等。

2.1 不同結(jié)構(gòu)物間縱向地基過渡設(shè)計

為達到橋路、路涵等過渡段地基的縱向沉降的逐漸過渡,設(shè)計采用樁型變化、樁間距、樁長變化等方法過渡。樁型變化是指與橋梁等結(jié)構(gòu)物相接地段選用預(yù)應(yīng)力管樁、方樁或鉆孔灌注樁進行加固,其后選用剛度相對較小的 CFG樁、旋噴樁等加固,以達到沉降量逐漸過渡變化的目的;同時各種樁的樁間距由小到大逐漸變大,樁間距變化一般采取每隔 3～5排增大一定數(shù)值形式,一般在不小于 20 m范圍地基采用加固樁樁間距或樁長變化,以滿足工后沉降控制值由 5～10 mm過渡到 15 mm。對于涵路橫向構(gòu)筑物的過渡地段,應(yīng)注意過渡段范圍內(nèi)的布樁與橫向構(gòu)筑物的加固措施協(xié)調(diào),確保不均勻沉降滿足要求。

2.2 不同樁長或樁型間過渡設(shè)計

復(fù)合地基或樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同樁長之間也應(yīng)設(shè)置過渡區(qū),原則上從短樁往長樁側(cè)逐漸遞增,遞增幅度不超過 0.5 m(如加固樁長從 10～15 m之間過渡區(qū)的樁長依次為 10.5、11.0、11.5……14.0、14.5、15.0 m),當加固樁已深達硬底時,則過渡區(qū)的樁長隨硬底線變化。不同樁型之間宜在不短于 10.0 m范圍內(nèi)采用樁長或樁間距變化逐漸過渡,過渡段范圍宜采用剛性相對較小的樁型。

2.3 加固區(qū)與非加固區(qū)間的過渡設(shè)計

復(fù)合地基或樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固區(qū)到非加固區(qū)時,應(yīng)將加固區(qū)縱向延長不少于 10 m范圍作為布樁過渡區(qū);過渡區(qū)范圍內(nèi)樁間距按不大于 0.2 m的幅度逐漸加大,直至達到各種樁型常用的最大樁間距。當過渡區(qū)加固樁已深達硬底時,則過渡區(qū)的樁長隨硬底線變化。

2.4 橫向過渡設(shè)計

陡坡路堤地段,當路堤基底無法通過挖臺階,使基底水平時,應(yīng)進行橫向不均勻沉降差的控制。分別按左線左側(cè) 2 m、以及右線右側(cè) 2 m處為檢算控制點,全斷面沉降差應(yīng)控制在 5 mm內(nèi),橫向按不同樁間距布樁實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。當路基基底下臥地層存在橫向不均勻變化時,應(yīng)進行橫向不均勻沉降差的控制,當?shù)鼗庸讨劣矊?非壓縮層或基巖)時,原則上樁底沿硬層頂面走勢采用不同樁長實現(xiàn)過渡;當為“懸浮樁”時,分別按左線左側(cè) 2 m、以及右線右側(cè) 2 m處為檢算控制點,橫向按不同樁間距布樁實現(xiàn)過渡,全斷面沉降差應(yīng)控制在 5 mm內(nèi)。

2.5 不同沉降控制標準結(jié)構(gòu)物地基處理的過渡設(shè)計

車站范圍正線路基與到發(fā)線、存車線間路基采用標準不同,路基工后沉降控制標準也不同,明顯存在地基處理和加固樁型的差別、加固樁長、加固區(qū)與非加固區(qū)等橫向過渡問題。原則上均需參照上述處理措施設(shè)置地基加固措施的橫向過渡。

3 結(jié)語

武廣客運專線路基過渡設(shè)計內(nèi)容全面,布置合理,現(xiàn)場實施順利,特別是“組合型”過渡段的設(shè)計突破現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程,填補了我國客運專線過渡段設(shè)計的空白。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)函[2005]754號 客運專線無砟軌道鐵路設(shè)計指南[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]德國規(guī)程 R i L836 土工結(jié)構(gòu)和其他土工建筑物的設(shè)計、施工與維護[S].

[3]郭建湖,詹學(xué)啟.武廣客運專線烏龍泉至韶關(guān)段路基設(shè)計大樣圖集[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,2006:16-40.