哈大鐵路客運(yùn)專線沈哈段幾個(gè)巖土工程問題探討

劉曉東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

1.1 線路概況

哈大鐵路客運(yùn)專線沈哈段線路與既有哈大鐵路平行,縱穿黑龍江、吉林、遼寧三省。線路自沈陽始,沿線經(jīng)過鐵嶺 、開原 、昌圖 、四平 、長春 、德惠 、扶余 、雙城,過王崗后引入新建哈爾濱西客站,線路全長470 km。

1.2 沿線自然特征

(1)地形地貌

線路沿松遼平原東部穿越遼寧、吉林、黑龍江三省抵達(dá)哈爾濱,地勢總體呈中間高、南北低,地形較為平坦。沿線分為遼河平原、松嫩平原兩個(gè)主要地貌單元。遼河平原夾于遼東、遼西山地丘陵間,主要由遼河及其支流沖洪積而成,地勢自北向南緩傾,地形波狀起伏,緩丘與帶狀河谷沖積平原相間。松嫩平原為松花江及其支流沖洪積平原,地形南高北低,波狀起伏,由河漫灘、一、二級階地和波狀黃土臺(tái)地組成,分布有濕地和風(fēng)積砂丘,沖溝發(fā)育。

(2)氣象特征

中溫帶亞濕潤季風(fēng)區(qū)氣候,特點(diǎn)是：四季分明,春季干旱多大風(fēng),夏季濕潤多降雨,秋季涼爽多早霜,冬季寒冷而漫長。年極端最高溫度39.8℃,極端最低溫度-39.9℃,最大積雪厚度達(dá)30 cm,沿線最大季節(jié)性凍土深度137～205 cm。

(3)巖土特征

遼河沖積平原的現(xiàn)代河流漫灘及一級階地覆蓋,層厚30～70 m,主要巖性為黏性土、粉土、砂類土等,表層黏性土層一般厚5～15 m,部分地段呈透鏡體狀,分布有淤泥質(zhì)黏性土,厚約1～7 m；下部多為砂土層,以中、粗砂為主；底部為花崗巖、輝綠巖、閃長巖、混合巖等,局部為泥巖、砂巖。

低緩微丘區(qū)表層為殘積粉質(zhì)黏土,多呈硬塑狀,底部為泥巖、砂巖、礫巖,山丘多為侏羅系安山巖及安山質(zhì)凝灰?guī)r。

剝蝕平原微丘區(qū)表層為殘坡積黏性土層,厚薄差異較大,厚者達(dá)15～20 m,薄者僅1～5 m,丘間洼地及帶狀河谷分布有沖積層,底部為白堊系泥巖、砂巖、礫巖,風(fēng)化層差異較大,巖質(zhì)軟,具膨脹性。曲家屯特大橋見第三系富峰山期玄武巖,石槽溝特大橋下部見石炭系大理巖。

波狀沖積平原所經(jīng)地區(qū)地表覆蓋第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)的沖積地層,巖性為黏性土及砂土層,層厚一般10～30 m,最厚大于70 m,底部為白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖,局部為頁巖。局部地段黃土具I級非自重濕陷,濕陷土層厚2～9 m。

2 橋路工程設(shè)置比例研究

2.1 路橋確定原則

(1)沉降控制

高速鐵路對無砟軌道路基工后沉降控制要求很高,軟土及粉土、粉質(zhì)黏土等松軟土地基具中—高壓縮性。根據(jù)國內(nèi)外以往施工經(jīng)驗(yàn),路堤過高,其工后沉降較難控制。因此,在嚴(yán)格控制填筑質(zhì)量和加強(qiáng)地基處理的同時(shí),對路基填筑高度、松軟土地層處理厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(2)土源情況

在地質(zhì)條件較好、運(yùn)距較短的地區(qū),路基比例可適當(dāng)提高；在地質(zhì)條件較差、運(yùn)距較遠(yuǎn)的地區(qū),路基比例宜適當(dāng)降低。

(3)自然氣候特點(diǎn)

沈哈段所經(jīng)地區(qū)為高緯度高寒地區(qū),季節(jié)性凍土較為發(fā)育,且沿線多為高產(chǎn)農(nóng)作物區(qū),水網(wǎng)密布,地下水位埋深較淺,易引起路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍害。為確保工程穩(wěn)定,在此類地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加橋的比例。

(4)沿線土地資源及經(jīng)濟(jì)狀況

沿線經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)區(qū)土地資源十分緊缺,應(yīng)盡量降低路堤填高,或以橋代路,減少永久占地。

(5)工程類型分布

除考慮路橋經(jīng)濟(jì)比較及技術(shù)條件外,設(shè)計(jì)中結(jié)合工程類型分布,綜合考慮了路橋設(shè)置問題,以利于施工組織并減少不同工程類型之間的頻繁過渡。

根據(jù)以上原則和路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合沿線地基的工程地質(zhì)條件及填料來源和性質(zhì)、運(yùn)輸條件,充分考慮沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況,城鎮(zhèn)規(guī)劃發(fā)展要求,土地資源等因素,綜合確定路橋比例。

軟土：因其壓縮性高,強(qiáng)度低,按控制工后沉降15 mm標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)路基沉降檢算分析,對鐵嶺至昌圖約13 km軟土分布地段,當(dāng)軟土層厚度大于12 m且軟土層下部分布有大于5 m的松軟土地段,建議以橋通過。

松軟土：結(jié)合沿線松軟土分布情況、水文地質(zhì)條件、路基填筑高度等,經(jīng)路基沉降分析檢算,當(dāng)?shù)鼗幚砩疃菻 ＜12 m時(shí)以路基通過,12 m ＜H ＜15 m時(shí),視具體條件原則上可以以路基形式通過,當(dāng)15 m＜H＜20 m時(shí),在地質(zhì)、水文及路基填料條件較好地段,可以適當(dāng)以路基通過,H＞20 m時(shí),原則上以橋通過。特別困難地區(qū)采用路基形式時(shí),應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)施工條件進(jìn)行工程可靠性分析。

季節(jié)性凍土：根據(jù)凍結(jié)深度,地表、地下水特征和排水條件,填料來源和凍脹特性等,并結(jié)合地基處理深度,對四平以北地下水埋深較淺,地勢平坦,排水困難且地基處理深度大于15 m的地段,原則上以橋通過。

水網(wǎng)密布地區(qū)：地勢低洼、排水不暢等地段應(yīng)以橋通過,丘陵高崗地段以路基通過。

人口稠密區(qū)、鄉(xiāng)村道路、公路等各種立交通道及灌溉密集區(qū)段應(yīng)以橋通過。

2.2 路橋指標(biāo)分析

根據(jù)以上分析和無砟軌道客運(yùn)專線路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合不同地質(zhì)條件、填土高度,分別選取了沿線不同地區(qū)進(jìn)行路橋分析,結(jié)果見表1。

表1 沈哈段不同地區(qū)路橋經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

表1路橋分界高度以5～6 m進(jìn)行控制,經(jīng)沉降檢算,如地基處理深度較大,路基工程的投資與橋梁方案接近時(shí),從工程可靠性的角度考慮,地基處理深度以15 m為宜,困難地區(qū)可控制在20 m以內(nèi)。

2.3 路橋比例確定

綜上所述,沈哈段全線地基松軟土廣泛分布,由南到北逐步增厚,所經(jīng)遼河及松嫩平原地勢平坦,水網(wǎng)密布,同時(shí)沿線季節(jié)性凍土普遍發(fā)育,且路基優(yōu)質(zhì)填料匱乏。因此,合理經(jīng)濟(jì)的路橋比例是建造平順、穩(wěn)定的高標(biāo)準(zhǔn)客運(yùn)專線的保證。

(1)方案一

當(dāng)路基地基處理深度H＜12 m時(shí),路基長度約107.2 km,橋長約372.8 km,橋比77.7%左右,需進(jìn)行路基地基處理的段落99處。

(2)方案二

當(dāng)路基地基處理深度H＜15 m時(shí),路基長度約146.1 km,橋長約333.9 km,橋比69.6%左右,需進(jìn)行路基地基處理的段落123處。

(3)方案三

當(dāng)路基地基處理深度H＜20 m時(shí),路基長度約180.5 km,橋長約299.5 km,橋比62.4%左右,需進(jìn)行路基地基處理的段落123處。

(4)方案四

當(dāng)路基地基處理深度H＞20 m時(shí),路基長度約265 km,橋長約215 km,橋比44.8%左右,需進(jìn)行路基地基處理的段落187處。

2.4 工程經(jīng)濟(jì)比較

結(jié)合工程地質(zhì)情況及地基處理深度,就上述四個(gè)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較,見表2。

表2 沈哈段不同地基處理深度方案比較

2.5 小結(jié)

由上述分析可以看出,全線路基松軟土處理深度宜控制在H≤12 m以內(nèi),橋梁比相應(yīng)提高到78.1%,(其中設(shè)計(jì)起點(diǎn)至長春段橋梁比例65%,長春至哈爾濱段橋梁比例91.5%)。較路基松軟土處理深度達(dá)H=20 m,相應(yīng)橋梁比重為44.8%,僅增加工程投資17.16億元,占總投資的8.2%,故采用方案Ⅰ。綜合以上分析,為確保工程穩(wěn)定,路基處理深度以控制在12 m為宜,困難地段可適當(dāng)放大,沈哈段橋梁比例控制在78.1%較為合適。

3 路基主要工程措施

3.1 地基處理

(1)軟土

全線軟土主要分布在大河的河漫灘及一級階地或丘陵洼地內(nèi),線路通過軟土地段總長約34 km,扣除以橋通過地段,以路基形式通過軟土地段約14處,共計(jì)13 km左右。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料揭示,軟土在地層中多表現(xiàn)為夾層形式,且軟土層上下均有中—高壓縮性的松軟土分布。在滿足路基工后沉降控制基礎(chǔ)上,結(jié)合軟土和壓縮土層厚度,地基處理措施主要有：

當(dāng)軟土和壓縮土層厚度小于3 m時(shí),采用挖除換填或強(qiáng)夯置換措施進(jìn)行處理。

當(dāng)軟土和壓縮土層厚度小于10 m時(shí),采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理。

當(dāng)軟土和壓縮土層厚度大于10 m時(shí),采用CFG樁并結(jié)合樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

(2)松軟土

沿線路基地段的地基上部基本為松軟土,局部表層覆蓋有I級非自重濕陷性黃土,主要解決地基壓縮層的壓縮變形問題。該類地基為全線的主要地基,處理措施主要有以下3種：

松軟土厚度小于4 m時(shí),采用強(qiáng)夯進(jìn)行處理。

松軟土厚度4～10 m時(shí),采用水泥攪拌進(jìn)行處理。

松軟土厚度大于10 m時(shí),采用CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

同時(shí)要求在軟土(松軟土)地段路堤填筑完成后進(jìn)行堆載預(yù)壓,以加速地基的前期沉降,減少路堤的工后沉降,縮短路基地基處理的建設(shè)工期。

3.2 路基本體防凍脹處理措施

沿線季節(jié)性凍土普遍發(fā)育,且路基填料在四平以北多為具有凍脹性的黏性土,雖經(jīng)化學(xué)改良后強(qiáng)度能滿足客運(yùn)專線路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,但在凍結(jié)期內(nèi),若水的補(bǔ)給充分,在凍結(jié)深度范圍內(nèi)改良土依然具有凍脹性,反復(fù)凍融循環(huán)下強(qiáng)度也有所降低。為防止路基結(jié)構(gòu)凍脹變形,路基本體采取了相應(yīng)的防凍脹措施。

(1)設(shè)置隔斷層：在凍結(jié)深度范圍內(nèi)設(shè)置隔水材料,以防止地表和地下水的浸入。

(2)降低地下水：在地下水埋深較淺地段且路基高度小于季節(jié)凍深地段,路基兩側(cè)設(shè)降水設(shè)施,使地下水降至季節(jié)凍深以下再進(jìn)行換填和隔斷等處理措施。

(3)鋪設(shè)保溫材料：為防止反復(fù)凍融循環(huán)下路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失,降低最大季節(jié)凍深,在改良土表層鋪設(shè)高強(qiáng)度保溫材料。

(4)防凍脹護(hù)道：為防止凍脹破壞路堤邊坡,在路堤邊坡兩側(cè)設(shè)置防凍脹護(hù)道。

(5)加強(qiáng)排水：加強(qiáng)排水措施,使地表降水迅速排離路基本體,減少水的滯留。

3.3 存在問題

(1)沉降控制：土質(zhì)地基路基均應(yīng)進(jìn)行工后沉降分析,且工后沉降量不應(yīng)超過軌道扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm。按這一控制標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)全線地質(zhì)資料反應(yīng),所有路基地基處理均需提高處理等級,同時(shí)路堤地段為減少工后沉降應(yīng)增設(shè)堆載預(yù)壓,隨著松軟土層厚度的增加相應(yīng)預(yù)壓期也要增長,這將影響建設(shè)工期。

(2)路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：沈哈段經(jīng)過季節(jié)性凍土地區(qū),由南到北凍結(jié)深度逐漸增加,且四平以北優(yōu)質(zhì)填料缺乏。填料改良試驗(yàn)結(jié)果初步揭示,摻入不同改良料后的改良土,經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后強(qiáng)度都有不同程度的強(qiáng)度衰減,同時(shí)在開放環(huán)境下改良土均有凍脹。這就要求凍結(jié)深度范圍內(nèi)的路基結(jié)構(gòu)層應(yīng)完全隔絕水的浸入,并增設(shè)保溫層。但因路基本體附屬結(jié)構(gòu)物較多,如接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、聲屏障基礎(chǔ)和電纜槽等結(jié)構(gòu)物,這些結(jié)構(gòu)物的設(shè)置增加了路基結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),提供了浸水通路,給路基防凍脹增加了難度。

4 填料問題研究

勘察期間重點(diǎn)調(diào)查了沿線A、B組填料的分布范圍和儲(chǔ)量,以及C組填料黏性土的取樣試驗(yàn)工作。A、B組填料主要以松遼平原東部山區(qū)的火山巖(花崗巖、閃長巖、玄武巖、安山巖)、變質(zhì)片巖、片麻巖為主,通過級配改良和加強(qiáng)施工控制,可作為基床底層和基床以下填料。遼河、清河等大河河床分布有細(xì)圓礫土、中粗砂,需進(jìn)行級配加工改良,可用作 B組填料使用。而線路長大段落經(jīng)過地層為黏性土、黃土狀土、風(fēng)化泥巖、砂巖,屬C、D組填料,不宜直接作為客運(yùn)專線路基填料。對于代表性的C組填料,選取5處取土場,取樣進(jìn)行了摻入不同改良料(石灰、水泥、粉煤灰)、不同配比的改良試驗(yàn),從改良土的強(qiáng)度、水穩(wěn)性和凍脹特性出發(fā),通過試驗(yàn)尋求滿足路基各層填料技術(shù)要求的最佳配合比,最終確定對C組填料進(jìn)行水泥改良,基床底層采用水泥與土干重比4%～6%的改良方案,基床以下采用水泥與土干重比3%～5%的化學(xué)改良方案。

重點(diǎn)研究了四平至公主嶺段(DK590+080～DK621+291)風(fēng)化泥巖、砂巖作為填料的改良試驗(yàn)。該段落區(qū)間路基長21 km,其中路堤13 km,路塹8 km,路基土方共計(jì)411萬m3,其中挖方230萬m3,設(shè)計(jì)挖方中的142萬m3改良后作為路基防凍層以下填料。該段落填方路堤和挖方路塹都較集中,表層覆蓋殘坡積黏性土僅2～5 m厚,其下均為白堊系泥巖、砂巖層,如選擇取土場進(jìn)行改良并將挖方泥巖、砂巖全部廢棄,將增設(shè)約2058畝臨時(shí)用地。因此,設(shè)計(jì)中有必要對挖方中的粉質(zhì)黏土、風(fēng)化泥巖、砂巖混合料進(jìn)行改良試驗(yàn)。采用化學(xué)改良法,風(fēng)化泥巖、砂巖體積比例采用30%：70%；40%：60%；50%：50%。 水泥干質(zhì)量 ：風(fēng)化泥巖、砂巖混合料為4%和6%,試驗(yàn)內(nèi)容包括：重型擊實(shí)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、干濕循環(huán)、三軸壓縮、凍融循環(huán)、水穩(wěn)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

初步結(jié)論：

①水泥土的塑限隨水泥摻入量的增加而增加,塑性指數(shù)隨摻入量的增加而減少。

②各種比例的改良土具有良好的擊實(shí)特性。水泥土的最大干容重和最佳含水率隨摻入量的變化不大。

③采用4%～6%水泥改良料具有明顯的改良效果,作為路堤填料,水泥改良土應(yīng)能滿足要求。

④從強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看,改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都明顯增大,且隨著水泥摻加量的增加而增大。

表3 7 d養(yǎng)生齡期壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

⑤干濕循環(huán)后改良土的強(qiáng)度變化不大,有些強(qiáng)度還有所增加。因此本設(shè)計(jì)中干濕循環(huán)強(qiáng)度衰減系數(shù)取1。

⑥改良土經(jīng)過凍融循環(huán)后強(qiáng)度均有所降低,本次設(shè)計(jì)中改良土凍融循環(huán)強(qiáng)度衰減系數(shù)取0.5。

本段泥巖、砂巖混合料的塑性指數(shù)均在12附近,基床底層土質(zhì)改良用的改良料優(yōu)先選用P.0.32.5水泥。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,摻6%的水泥土,當(dāng)壓實(shí)度為95%時(shí),其6 d養(yǎng)生、1 d浸水的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為1 000 kPa。

5 第二松花江特大橋大堤砂基液化問題

第二松花江特大橋跨越左岸大堤設(shè)計(jì)為(32+48+32)m連續(xù)梁,右岸大堤為32 m簡支梁,橋位處兩側(cè)均建有防洪大堤,防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。為確保大堤安全,需判斷大堤下伏飽和砂土層在高速列車振動(dòng)作用下是否會(huì)產(chǎn)生液化問題。按照H.B.希德的振動(dòng)液化判定理論,需分析飽和砂土層的列車振動(dòng)響應(yīng),即計(jì)算出列車振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力,并求出砂層發(fā)生液化所必須的剪應(yīng)力(液化強(qiáng)度),二者進(jìn)行比較進(jìn)行判定。列車振動(dòng)響應(yīng)分析采用建立高速列車-軌道-橋梁結(jié)構(gòu)作為一個(gè)大系統(tǒng)來分析,研究三者之間的動(dòng)力相互作用。大系統(tǒng)又分為列車—軌道系統(tǒng)動(dòng)力分析模型及橋梁結(jié)構(gòu)模型,第一個(gè)模型旨在計(jì)算列車荷載及其頻譜,分析結(jié)果：列車速度為350 km/h時(shí),機(jī)車動(dòng)載為129.8 kN/m,車輛動(dòng)載為100 kN/m,列車荷載的主要頻段集中在低頻范圍,大約2～10 Hz；第二個(gè)模型是分析橋梁結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)特性,計(jì)算結(jié)果橋梁的主要自振頻率在1 Hz以下,因此不會(huì)發(fā)生共振放大現(xiàn)象。另外分析了不同時(shí)速時(shí)地面處橋梁節(jié)點(diǎn)加速度,分析產(chǎn)生的最大橫向加速度為0.382 9 m/s2,小于地震基本烈度6度時(shí)的地震動(dòng)峰值加速度0.49 m/s2(0.05g),宏觀上判斷大堤以下土層不會(huì)因高速列車振動(dòng)發(fā)生液化。

按照H.B.希德的振動(dòng)液化判定理論,進(jìn)一步選取該大堤抗液化能力最低的細(xì)砂計(jì)算,該點(diǎn)在列車經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力 τα=0.673 9 kPa,抗液化強(qiáng)度 τ=2.076 kPa,安全系數(shù)K=τ/τα=3.08,判定該處砂土層不會(huì)液化,且有較大余量。

總之,高速鐵路的修建對第二松花江大堤不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)液化問題。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.新建哈爾濱至大連鐵路客運(yùn)專線初步設(shè)計(jì)：第四篇地質(zhì)[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院,2006

[2]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.哈爾濱至大連鐵路客運(yùn)專線沈哈段橋比研究報(bào)告[R].西安：鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院,2007

[3]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司.哈爾濱至大連鐵路客運(yùn)專線沈哈段路基填料改良設(shè)計(jì)研究報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,2008

[4]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司.哈爾濱至大連鐵路客運(yùn)專線第二松花江特大橋砂堤砂基液化問題研究[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,2008

[5]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社,1993