淺析高鐵穿越古長城區(qū)段減震技術(shù)研究

唐貞鋒

摘要：本文主要依托新建蘭新鐵路第二雙線工程，分析探討高速鐵路穿越古長城區(qū)段的文物保護技術(shù)與隧道內(nèi)軌道減震技術(shù)。通過對高鐵軌道結(jié)構(gòu)減震設(shè)計及隧道施工期的減震控制兩方面組合進(jìn)行減震控制，取得較好效果，滿足設(shè)計目標(biāo)及文物保護要求，為同類工程提供參考。

Abstract： This paper mainly relies on the second double-line project of the newly-built Lanxin Railway， analyzes and discusses the cultural relic protection technology of the high-speed railway crossing the ancient Great Wall section and the tunnel internal damping technology. Through the combination of the shock absorption design of the high-speed rail structure and the damping control during the tunnel construction period， the vibration control is achieved， and the better results are achieved， which meets the design goals and cultural relic protection requirements， and provides reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：高速鐵路;減震;文物保護

Key words： high-speed railway;shock absorption;cultural relic protection

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0154-02

0? 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵建設(shè)對沿線環(huán)境的影響日趨增大，環(huán)境問題也日益受到重視，尤其對臨近鐵路的文物保護不僅受到社會的廣泛關(guān)注，而且對鐵路施工建設(shè)單位也提出了更高的要求。但目前尚無成熟成套的技術(shù)以適應(yīng)對文物的保護要求，尤其我國減振型無砟軌道主要運用于城市地鐵項目比較多，高速鐵路領(lǐng)域軌道結(jié)構(gòu)采取減振措施的工程實例并不多見。

新建蘭新鐵路第二雙線工程，在甘青標(biāo)段內(nèi)與嘉峪關(guān)古長城相交，并在清嘉高速公路北側(cè)下穿穿越嘉峪關(guān)段長城（如圖1所示）。為避免對此段古長城的震動破壞，且滿足高速列車行車安全性與舒適性，本文主要是通過對比研究，選用科學(xué)合理的減振型無砟軌道系統(tǒng)以及行之有效的施工工藝工法等綜合技術(shù)，為同類工程建設(shè)施工提供成熟的減振經(jīng)驗，提高高速鐵路的環(huán)境效益和社會效益。

1? 減震方案

鑒于以前在新建蘭新鐵路第二雙線附近的清嘉高速公路穿越嘉峪關(guān)古長城所造成的古文物破壞經(jīng)驗教訓(xùn)，在本項工程中減震技術(shù)引起高度重視，經(jīng)大量的調(diào)研分析模擬，采取分級減振措施，主要從運營期的軌道結(jié)構(gòu)減震控制及施工期的施工減震控制兩方面進(jìn)行減震控制。

2? 軌道結(jié)構(gòu)減振控制技術(shù)

減振型無砟軌道有扣件減振、道床減振（即道床浮置板系統(tǒng)）等方式，均是利用軌道結(jié)構(gòu)形成的質(zhì)量和彈簧體系逐漸衰減對行車過程中產(chǎn)生的振動作用。各種減振方式的不同主要是體現(xiàn)在參振質(zhì)量的大小不同以及彈簧剛度的不同。

2.1 扣件減振

一般的非減振型無砟軌道系統(tǒng)主要是靠扣件提供彈性，而軌道結(jié)構(gòu)就相對簡單，只需注重扣件安裝即可，施工便捷，工程造價較低。相反，其缺點是參振質(zhì)量相對較小，減振效果一般。另外因鋼軌下沉量增大，所受彎矩增大，鋼軌受力增加，并且在高速領(lǐng)域尚缺少實踐經(jīng)驗。

2.2 橡膠浮置板減震

就是利用橡膠的彈性，將其設(shè)置在軌道結(jié)構(gòu)下作為彈性墊層的減震體系（如圖2所示）?？煞謩e在軌道板（或道床板）下或底座下鋪設(shè)橡膠墊層。此種減震技術(shù)可以不改變軌道結(jié)構(gòu)的基本型式，既可場內(nèi)預(yù)制施工也可現(xiàn)場現(xiàn)澆施工，減振效果可達(dá)到10dB以上。相反，其缺點是對橡膠材料耐久性要求高，造價略高，且更換麻煩。

2.3 鋼彈簧浮置板減震

就是利用鋼彈簧的彈性，將其設(shè)置在軌道結(jié)構(gòu)下作為彈性支座。其優(yōu)點一是系統(tǒng)固有頻率低（5-8Hz），隔振效果好，可達(dá) 25dB以上;二是彈簧隔振器耐久性好，設(shè)計壽命 50 年以上;三是檢修或更換彈簧相對比較方便。其缺點一是更適用于單層現(xiàn)澆式道床結(jié)構(gòu)，用于預(yù)制板式道床較厚， 軌道結(jié)構(gòu)較高，目前的隧道斷面難以滿足要求;二是鋼彈簧造價高。

通過上述分析可以看出：①扣件減振方案，軌道結(jié)構(gòu)簡單，更換方便，成本較小，但減振效果有限（約為 5～10dB）;②橡膠浮置板結(jié)構(gòu)減振效果較好（10dB以上），但橡膠產(chǎn)品的耐久性和更換方案成為技術(shù)關(guān)鍵，此外相對扣件減振方案造價略高;③鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)減振效果好（20dB以上），耐久性好，更換彈簧相對比較方便，但更適用于單層現(xiàn)澆道床板結(jié)構(gòu)，目前僅在城市軌道交通中運用， 屬于專利產(chǎn)品，造價最高。綜合上述各種減振方案的優(yōu)缺點，研究后得出結(jié)論：橡膠浮置板減振方案效果較好，且造價居中，推薦采用。

3? 施工減震控制技術(shù)

3.1 減震方案比選

①橋梁方案。由于該段古長城平均高度為2-3m，因此最初設(shè)計方案為橋梁跨越，后經(jīng)與文物部門溝通，認(rèn)為橋梁上跨方案對古長城及其周邊景觀影響較大，一旦付諸實施，則長城第一墩——長城第二墩之間勢必?zé)o法相望，戈壁大漠與蜿蜒長城交相呼應(yīng)的景觀將不復(fù)存在，國家文物局不予批準(zhǔn)，此方案不可行。

②隧道方案?；谒淼来┰介L城時可以采用大剛度的預(yù)支護體系保護下進(jìn)行暗挖施工，能有效減小城墻沉降和變形，考慮采用工法成熟的管幕法作為加固長城城墻的施工支護體系，經(jīng)綜合研究和比選，此方案可行。

③隧道支護框構(gòu)與剛構(gòu)結(jié)構(gòu)方案比選?？驑?gòu)結(jié)構(gòu)由底板、邊墻、頂板組成，突出的優(yōu)點是整體受力，上部載荷可以均勻傳遞至下側(cè)土體。但結(jié)合本工程實際，采用現(xiàn)澆門式鋼筋混凝土剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可有效使其列車荷載直接作用于土體，列車振動通過道床傳向下方土體，從而減小對城墻土體的振動影響。最終確定為采用現(xiàn)澆門式剛構(gòu)結(jié)構(gòu)方案，門式剛構(gòu)采用挖孔樁作為基礎(chǔ)。

④隧道襯砌支護施工方案。隧道進(jìn)出口段設(shè)計采用明挖施工，下穿古城墻及既有鐵路段采用暗挖施工，隧道暗洞設(shè)計按噴錨構(gòu)筑法技術(shù)要求設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌，初期支護采用噴錨支護。其中，在洞口明挖段結(jié)合環(huán)保、美觀及緩解空氣動力效應(yīng)等因素設(shè)置明洞與路基工程邊坡協(xié)調(diào)統(tǒng)一，洞口臨時邊仰坡防護采用噴錨網(wǎng)防護，永久邊坡采用骨架護坡防護。在洞身下古長城墻段，采用隧道暗挖通過，洞身采用管幕超前預(yù)支護并，增加對長城城址段地表進(jìn)行注漿預(yù)加固，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，掌子面（橫撐以上）采用玻璃纖錨桿并噴混凝土封閉加固。

3.2 減震施工技術(shù)

①隧道減震開挖支護方案。在長城兩側(cè)6.5m處，順長城方向設(shè)計并施做挖孔B樁及其冠梁，冠梁上頂進(jìn)Φ800鋼管，B樁外側(cè)打3排Φ159鋼管，形成管幕，在管幕下暗挖隧道，在隧道內(nèi)挖A樁及施做A樁承臺，承臺上現(xiàn)澆剛構(gòu)。另在長城兩側(cè)施做挖孔C樁及其冠梁與錨索聯(lián)合使用，起加固城墻及擋土作用。（如圖3所示）

②減震施工門形支撐結(jié)構(gòu)側(cè)墻。在距城墻6.5m處順城墻方向施做支撐、擋土挖孔B樁（每側(cè)4根￠1.2m），完成后澆筑樁頂冠梁，在洞口兩側(cè)形成四柱支撐的門形支撐結(jié)構(gòu)。

③減震施工門形支撐結(jié)構(gòu)上部鋼管頂進(jìn)。在B樁冠梁頂設(shè)計頂進(jìn)￠800mm鋼管22根，并彼此鎖扣連接。采用機械頂進(jìn)人工挖土配合，頂進(jìn)期間控制挖土量，保證吃土頂進(jìn)，嚴(yán)禁超挖。鋼管頂進(jìn)完成后，兩端封堵，一側(cè)設(shè)灌注孔，一側(cè)設(shè)排氣孔，鋼管內(nèi)灌注C35微膨脹混凝土。

④減震管幕施工。隧道門形支撐結(jié)構(gòu)施工完成后，B樁外側(cè)插打3排Φ159鋼管，形成管幕，并在管幕下暗挖隧道。

⑤錨索加固施工。在長城兩側(cè)B樁外側(cè)施做挖孔C樁及其冠梁完成后，搭設(shè)鉆孔平臺采用潛孔鉆機進(jìn)行鉆孔施工，跟管安裝預(yù)應(yīng)力錨索，自由段鋼絞線用PVC軟管套住，以避免錨固體與鋼絞線粘接。經(jīng)高壓風(fēng)清孔后安裝止?jié){塞，采用二次注漿工藝進(jìn)行注漿施工。

⑥隧道暗挖減震施工。在鋼管管幕形成后，采用人機配合暗挖長城下土方，并實時進(jìn)行監(jiān)控量測工作，分析掌握鋼管幕以及洞內(nèi)土體、地表變形情況，及時調(diào)整開挖進(jìn)尺及方法，保證長城穩(wěn)定。

⑦沉降觀測。在長城土體兩側(cè)分別預(yù)埋4個沉降觀測樁進(jìn)行監(jiān)測，施工期間每天時時監(jiān)測。要求沉降值每天控制在2mm以內(nèi)，累計沉降量不大于20mm。

4? 結(jié)束語

本文通過分析研究了蘭新第二雙線下穿嘉峪關(guān)長城地段隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)減振技術(shù)以及隧道施工期間減振技術(shù)，分別進(jìn)行了軌道減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計比選、隧道施工方案的比選與控制，取得較好效果。①通過施工期間對長城進(jìn)行的連續(xù)沉降監(jiān)測（設(shè)計要求沉降值控制在2mm以內(nèi)，累計沉降量不大于20mm），在整個施工過程中，長城未出現(xiàn)新的裂縫，在施工期間地表累計沉降在18mm以內(nèi)，對明長城文物穩(wěn)定未產(chǎn)生影響。②通過嘉峪關(guān)市文物局在高鐵開通后一季度、二季度及三季度監(jiān)測數(shù)據(jù)與本工程開工前數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果顯示：工程施工及高鐵運行期間均未對臨近古長城段產(chǎn)生任何不良影響。③高速鐵路減振道床應(yīng)用經(jīng)驗較少，建議線路運營期繼續(xù)跟蹤觀測減振型無砟軌道的使用狀態(tài)，必要時可開展相應(yīng)道床減振技術(shù)。

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