考慮環(huán)境和安全的復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

金桂德 李鑫

摘 要：高速鐵路的發(fā)展已成為我國鐵路建設(shè)乃至國家技術(shù)輸出的重要組成部分，在復(fù)雜地形區(qū)域設(shè)計(jì)和修建高速鐵路也已成為當(dāng)前我國鐵路技術(shù)人員面臨的常見問題。在充分考慮環(huán)境優(yōu)化和工程安全的前提下，該文分析了此時(shí)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)面臨的各項(xiàng)問題，在充分考慮水土流失、生態(tài)破壞和粉塵污染等環(huán)境友好問題和邊坡滑坡、建筑物穩(wěn)定和地表變形等工程安全問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)技術(shù)及評(píng)價(jià)方法，提出了結(jié)論和需要審慎解決的工程技術(shù)關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：環(huán)境友好 工程安全 復(fù)雜地形 高速鐵路建設(shè)

中圖分類號(hào)：U298 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0056-02

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資越來越大，快速高效、綠色低碳的交通方式成為目前的主流發(fā)展趨勢。其中高速鐵路在世界范圍內(nèi)的推廣速度越來越快，普及率也越來越高。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，多采用樁基高架線路支撐，在山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形條件下布置線路，樁基穩(wěn)定將會(huì)成為高鐵行車安全的一個(gè)關(guān)鍵影響因素。

1 列車振動(dòng)的環(huán)境響應(yīng)問題及其研究現(xiàn)狀

高速鐵路、高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)造成地質(zhì)條件變化和生態(tài)破壞已經(jīng)得到廣泛認(rèn)識(shí)，尤其在山區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件下修建高速鐵路、公路，暴露出的問題更加嚴(yán)重，隧道、橋梁均會(huì)引起地質(zhì)變化，處理不當(dāng)還會(huì)造成滑坡、泥石流、水土流失、固體廢棄物污染、噪音污染等問題。

目前，高鐵建設(shè)是全世界范圍內(nèi)的大課題，關(guān)于這方面的研究也非常豐富，高鐵的修建對(duì)于山區(qū)邊坡確實(shí)存在影響，其影響程度的大小取決于工程結(jié)構(gòu)和運(yùn)行車體。2010年6月13日，中國福建閩清縣修建高速鐵路，路基開挖造成山體大范圍滑坡，切斷水泥道路30m，造成10余座民房和多處地面開裂，影響施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)損失巨大[1]。

列車振動(dòng)是鐵路邊坡滑坡的一個(gè)關(guān)鍵因素，1952年中國寶天線上一列火車剛通過滑坡地區(qū)，斜坡就發(fā)生了滑動(dòng)[2]。有關(guān)資料表明，常速列車振動(dòng)荷載相當(dāng)于3～4級(jí)地震破壞力，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小，通常忽略不計(jì)。但是，隨著我國鐵路列車運(yùn)行速度的不斷提高，高速重載鐵路強(qiáng)化了輪軌間的動(dòng)力作用，列車振動(dòng)荷載將會(huì)加強(qiáng)。因此，在滑坡治理、邊坡設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等工程實(shí)踐中，如何考慮列車振動(dòng)荷載影響，已經(jīng)成為山區(qū)鐵路建設(shè)中遇到的一個(gè)重要問題。

挪威的Amir M.Kaynia等[4]針對(duì)高速列車引起的振動(dòng)問題，建立了在移動(dòng)荷載作用下地基-軌道系統(tǒng)的計(jì)算模型，并確立了相應(yīng)的動(dòng)力方程。英國劍橋大學(xué)的S.L. Gasaie等[5]人研究了軌道在高頻車輛作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題。英國的Krylov[6]采用格林函數(shù)法近似解出了列車產(chǎn)生的地面振動(dòng)，并將這一結(jié)果應(yīng)用到彎曲波的傳播對(duì)地基-軌道系統(tǒng)的影響；日本的竹宮宏和[7-8]分析了高速列車通過時(shí)對(duì)高架橋以及樁基礎(chǔ)的振動(dòng)作用，并研究了彈性波在地基土壤中的傳播，提出了在振源周圍設(shè)置阻波區(qū)（WIB）以達(dá)到減振效果的措施，中國西南交通大學(xué)的鄭黎明[9]在分析現(xiàn)場測振和模型試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，歸納出鐵路邊坡巖體受列車振動(dòng)激發(fā)的若干振動(dòng)特性。中國北方交通大學(xué)的王逢朝等[10]人采用車輛-結(jié)構(gòu)-土層-建筑物的二維共同作用模型分析了地鐵列車振動(dòng)在地面的傳播特性，并計(jì)算了地面上不同位置、不同層數(shù)的建筑物的振動(dòng)響應(yīng)及隧道深度不同時(shí)地鐵列車振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響。

國內(nèi)外許多學(xué)者就鐵路軌道系統(tǒng)計(jì)算模型、列車振動(dòng)荷載模型、鐵路環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)及隔振、減振措施等方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作，并取得了許多重要的理論、試驗(yàn)研究成果。但是，對(duì)高速鐵路列車振動(dòng)荷載作用下山區(qū)邊坡動(dòng)態(tài)響應(yīng)及邊坡穩(wěn)定性分析等方面的研究較少，尤其是我國高速鐵路的修建和運(yùn)營里程進(jìn)一步提高，地形地貌復(fù)雜區(qū)域的路網(wǎng)需求巨大，對(duì)這一課題的研究顯得尤為重要和緊迫。

2 綜合考慮環(huán)境友好和運(yùn)營安全的復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)評(píng)價(jià)方法

復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)的環(huán)境與安全評(píng)價(jià)涉及因素多，考慮過程復(fù)雜。在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法時(shí)，充分考慮各因素要求，確定了全面可靠的評(píng)價(jià)思路和設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)確定的具體評(píng)價(jià)過程如圖1所示。

在評(píng)價(jià)方法的設(shè)計(jì)中，考慮采用區(qū)域調(diào)查、地質(zhì)勘探、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，各方法之間相互承接并對(duì)比驗(yàn)證。每個(gè)環(huán)節(jié)的研究方法有多種，具體方法和思考過程如下。

區(qū)域調(diào)查：圈定高鐵線路通過的關(guān)鍵研究區(qū)域，采用GIS的專業(yè)測繪軟件（如ARCGIS和Global Mapper等）對(duì)該區(qū)域地形進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，具體包括高鐵修建區(qū)域地形、坡率、地表徑流、道路、高程、降水等基本因素，評(píng)估整個(gè)研究區(qū)域的安全性。

地質(zhì)勘探：在研究區(qū)域進(jìn)行工程、水文地質(zhì)調(diào)查，收集基礎(chǔ)資料，借助槽探工程調(diào)查巖層的走向、傾斜、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，揭露研究范圍內(nèi)的小型地質(zhì)構(gòu)造。對(duì)于淺表地層，膠結(jié)程度較差、難以完整取樣的巖體，采用原位試驗(yàn)測定其平均物理力學(xué)參數(shù)。對(duì)于深部地層的參數(shù)獲取，通過鉆探工程取出深部地層的巖芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。對(duì)于硬度較低的巖芯，采用固結(jié)排水快速直剪實(shí)驗(yàn)測定物理力學(xué)參數(shù)（黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ）；硬度較大的巖芯，采用單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測定其黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E；根據(jù)地層分布、產(chǎn)狀建立邊坡的地質(zhì)模型，然后進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬研究。

理論分析：基于極限平衡理論對(duì)樁基所在邊坡的潛在滑體進(jìn)行力學(xué)建模分析，并將水壓力、震動(dòng)應(yīng)力、樁基抗滑力等多種動(dòng)力因素納入力學(xué)體系中，通過理論計(jì)算，評(píng)估潛在滑體的穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬：采用二維和三維邊坡分析軟件，如FLAC、GEO-studio。首先，采用CAD對(duì)高鐵建設(shè)區(qū)域內(nèi)的邊坡進(jìn)行模型化處理，導(dǎo)入FLAC3D軟件分析三維邊坡穩(wěn)定性，論證高速鐵路在該區(qū)域建設(shè)的安全性。其次根據(jù)樁基修建的程序，采用FLAC3D模擬基坑開挖堆載對(duì)地表變形的影響規(guī)律，對(duì)山區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)的弱化效果，將樁基換算為抗滑樁，納入邊坡穩(wěn)定性分析，分析樁基植入后對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。最后，在高速鐵路開通之后，采集車輛高速運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)應(yīng)力波形，并依據(jù)車輛運(yùn)行頻次，將多條波形合成出綜合應(yīng)力波，以此應(yīng)力波作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入GEO-studio軟件，分析車輛振動(dòng)影響下的山區(qū)邊坡穩(wěn)定性，為山區(qū)高鐵建設(shè)提供合理的修正參數(shù)及邊坡防治措施。

3 結(jié)語及思考

通過對(duì)復(fù)雜地區(qū)高鐵建設(shè)和評(píng)價(jià)的研究，得到以下結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)通過分析高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所引發(fā)的開挖堆載作業(yè)，對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的地表變形和地層巖移規(guī)律進(jìn)行研究，揭示開挖堆載工程對(duì)周圍區(qū)域的影響規(guī)律，并為高鐵樁基基坑開挖提供合理的工程建議。

（2）高陡山坡地形條件下高速鐵路樁基的建設(shè)，會(huì)對(duì)原始地層造成較大的擾動(dòng)。樁基開挖過程造成的坡面破壞程度及應(yīng)力集中效果，樁基植入取代開挖點(diǎn)的地層后，對(duì)原始邊坡的穩(wěn)定性存在較大影響。

（4）高鐵運(yùn)行后的高頻次震動(dòng)對(duì)樁基施加周期性動(dòng)態(tài)荷載，該荷載傳遞到坡面上，會(huì)對(duì)邊坡施加動(dòng)荷載，因此，車輛震動(dòng)對(duì)復(fù)雜地區(qū)的樁基邊坡穩(wěn)定性存在影響。

基于上述分析，在復(fù)雜地區(qū)高速鐵路建設(shè)和設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮以下問題。

（1）山區(qū)的工程利用價(jià)值需要經(jīng)過進(jìn)行評(píng)價(jià)論證。其自然狀態(tài)下穩(wěn)定，經(jīng)受工程擾動(dòng)之后的穩(wěn)定性這難以掌控，需要進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程利用價(jià)值評(píng)定。

（2）開挖堆載會(huì)造成周圍地層變形，山區(qū)條件下的樁基開挖堆載對(duì)地表變形的影響會(huì)直接影響樁基位置和角度的準(zhǔn)確性，影響樁基質(zhì)量和行車安全，因此開挖堆載造成的變形是需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題。

（3）樁基修建造成了山區(qū)邊坡的破壞，降低結(jié)構(gòu)完整性，缺失的部分由承重樁替代，其對(duì)原始坡體穩(wěn)定性影響規(guī)律有待研究。高鐵建成通車之后，車輛運(yùn)行產(chǎn)生的高頻振動(dòng)通過路基橋墩傳遞至樁基，長期動(dòng)態(tài)荷載對(duì)山區(qū)邊坡穩(wěn)定性也存在直接影響，因此，設(shè)計(jì)過程中需要解決影響高鐵樁基穩(wěn)定的關(guān)鍵安全問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳生東.閩清縣高速鐵路某施工便道滑坡成因分析及其應(yīng)急處置[J].福建地質(zhì)，2010，29（S1）：35-38.

[2] 金亮星.高速鐵路路塹巖質(zhì)邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005.

[4] 徐勁.移動(dòng)荷載作用下軌道—地基系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[5] S.L.Grassieect.Thedynmaicresponse of

railway track tohigh frequeney vertieal excitation.Journal of Engineering Mechanic

s[J].Science，1982，24（2）.

[6] VietorV.Krylov.Vibrationalimpact ofhigh-speedtrains[J].Effect of trackdyn

amics.AcousticalSoeietyofAmerica，1996，100（5）：3121-3129.

[7] TakemiyaH，F(xiàn)ujiwara A.Wave propagation-impediment in a stratum and wave impeding block（WIB） measured for SSI response reduction[J].Soil Dynamic and Earthquake Engineering，1994（1）：49-61.

[8] Terumi TOUHEI. Impulsive response of an elastic layered medium in the anti-plane wave field based on a thin-layered element and discrete wave number method[J]. Structural Eng/Earthquake Eng，JSCE，1993（22）：119-128.

[9] 鄭黎明.鐵路邊坡巖體的振動(dòng)特性和機(jī)理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1994，13（1）：69-78.

[10] 王逢朝，夏禾，吳營.列車振動(dòng)對(duì)環(huán)境及建筑物的影響分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（4）：19-23.