杭紹臺鐵路硅藻土地段線路方案研究

范俊懷 張 翔

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

鐵路選線是影響全局的總體性工作。 為了確定合理的線路方案,應綜合考慮多方面的控制因素,確定最優(yōu)線路方案。 胡子平[14]等從路網(wǎng)結構優(yōu)化、環(huán)境及水資源保護、技術標準、工程地質(zhì)等角度,對宜萬線的不同地段進行了綜合選線設計;彭學理[9]對宜萬鐵路繞避古滑坡、危巖落石和巖堆發(fā)育區(qū)進行了改線方案分析;楊英[12]在成貴客運專線采空區(qū)地質(zhì)選線中,圍繞采空區(qū)的繞或治進行了大范圍的方案比較,最終選擇了繞避大型采空區(qū)的方案。 不良地質(zhì)是鐵路選線的重要控制因素之一,鐵路選線應盡量繞避不良地質(zhì)地區(qū),無法繞避時應采取特殊措施,以保證施工及運營階段的鐵路安全[2,4]。 以杭紹臺鐵路硅藻土路段為例,重點分析硅藻土特殊的物理力學特性對工程的影響,充分考慮各影響因素的權重,提出工程可行、經(jīng)濟合理的線路方案[13]。

1 概述

1.1 項目概述

杭州經(jīng)紹興至臺州鐵路(以下簡稱杭紹臺鐵路)位于浙江省中東部,線路由杭甬客專紹興北站引出,經(jīng)紹興市的上虞區(qū)、嵊州市、新昌縣,臺州市的天臺縣、臨海市、椒江區(qū)、路橋區(qū)、溫嶺市等,終至甬臺溫鐵路的溫嶺站,新建線路全長226.369 km。 本項目是長三角城鎮(zhèn)化地區(qū)綜合交通網(wǎng)和城際快速骨干交通網(wǎng)的重要組成部分,也是沿?？蛯］o助通道的重要組成部分,其速度目標值為350 km/h。

1.2 地形地貌及地質(zhì)特征

線路兩端紹興市和臺州市位于濱海沖海積平原區(qū),地形平坦,局部分布剝蝕殘丘;中段為低山丘陵區(qū),局部分布河谷盆地,嵊州附近分布玄武巖臺地,相對高差50 ～500 m,自然坡度25° ～60°,區(qū)域內(nèi)大部分地段植被茂盛,地表水系極其發(fā)育。 區(qū)域內(nèi)出露的主要地層時代有第四系、新近系、白堊系、侏羅系等,并伴有燕山期花崗巖侵入。

1.3 硅藻土特殊工程性質(zhì)

杭紹臺鐵路沿線嵊州市、新昌縣附近的玄武巖臺地分布有新近系多期噴發(fā)的玄武巖與多期河湖相沉積層,覆蓋在白堊系砂礫巖及侏羅系凝灰?guī)r之上。 硅藻土為第二沉積層,層厚4 ～90 m 不等,尤其以嵊州市浦橋鎮(zhèn)至崇仁鎮(zhèn)一帶厚度最大,可分為白色硅藻土(見圖1)、藍色硅藻土和黑色硅藻土三種,成份為硅藻和黏土類礦物,其垂直節(jié)理、水平節(jié)理、斜節(jié)理均很發(fā)育,壓縮性大,遇水容易軟化,力學性質(zhì)急劇下降,工程性質(zhì)極差,主要力學指標見表1。

圖1 白色硅藻土

表1 硅藻土主要力學指標

2 硅藻土對工程的影響及工程措施建議

線路主要以路基、隧道、橋梁的形式通過玄武巖臺硅藻土地區(qū)。 該區(qū)域硅藻土厚度大,工程性質(zhì)較差,需采取針對性的工程措施。

2.1 DK85+800 ～DK86+000 段硅藻土路基

(1)地質(zhì)條件及對工程的影響

本段為玄武巖臺地區(qū),表層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層,沖洪積層粉質(zhì)黏土、淤泥,第三系上新統(tǒng)多期噴發(fā)的玄武巖與河湖相白色硅藻土、藍色硅藻土、黑色硅藻土交替沉積。 在工程擾動和干濕交替作用下,硅藻土的力學性質(zhì)急劇下降,容易引起原生結構破壞而喪失結構強度,進而引起邊坡失穩(wěn)、路基沉陷等不良地質(zhì)問題。

(2)工程措施建議

對于路堤段,可采取以下加強措施:若采用樁基,應采用干鉆工藝,并采取快速施工、快速封閉等針對性的工程措施,以避免硅藻土遇水軟化、力學性質(zhì)急劇下降。 對于路塹邊坡,可在路基兩側設置地表排水系統(tǒng),并采取措施減緩巖石風化。

2.2 飛鳳山隧道

(1)地質(zhì)條件及對工程的影響

飛鳳山隧道位于浙江省嵊州市崇仁鎮(zhèn)與鹿山街道交界處,全長1327 m,最大埋深約89 m。 主要巖性為:新近系玄武巖、氣孔狀玄武巖、硅藻土(巖)、含硅藻土玄武巖。 洞身基巖節(jié)理發(fā)育(均為剪節(jié)理),一般無充填,對擬建隧道有一定影響。

(2)工程措施建議

①應考慮加強施工超前地質(zhì)預報工作,可采取地質(zhì)調(diào)繪法、工作面地質(zhì)素描法、超前炮眼、地球物理探測法等,地層變化處、物探異常帶等應作為重點地段。

②加強進口仰坡面的支護,做好坡面排水措施。

③加強防、排水措施,重視隧道出口及斜井反坡排水問題。

④硅藻土巖極易軟化,軟化后承載力及黏聚力大大降低,造成邊坡緩慢滑移。 因此,洞身開挖需加強支護,必要時應盡量加長明洞,防止邊坡沿硅藻土巖面滑移。

⑤隧址區(qū)地表水主要為溝谷水,地下水主要為基巖裂隙水,地表水易沿節(jié)理密集帶下滲。 建議加強洞內(nèi)地下水及地表水的排水防滲及堵漏處理,同時加強支撐與防護。

2.3 若水特大橋

位于紹興市嵊州市崇仁鎮(zhèn)若水村。 工點范圍內(nèi)的特殊性巖土為人工填土和灰色(黑色)硅藻土。

橋梁設計時需考慮硅藻土對橋梁工程和基坑邊坡穩(wěn)定的影響。 建議采用旋挖鉆機干鉆法進行施工,并采取快速施工、快速封閉等針對性的工程措施。 施工前,應進行單樁承載力及成樁工藝試驗,根據(jù)試驗結果調(diào)整樁基設計及施工參數(shù)。

3 線路方案研究

3.1 平面方案研究

新建杭紹臺鐵路三界至嵊州區(qū)域內(nèi)廣泛分布新近系玄武巖中硅藻土夾層,在玄武巖臺前緣的緩坡區(qū),易造成山前殘坡積碎石土順硅藻土層面滑動,形成滑坡或不穩(wěn)定斜坡,為地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。 因此,硅藻土是影響線路走向的重要控制因素。

結合硅藻土分布、嵊州城鎮(zhèn)規(guī)劃、環(huán)境敏感點和地方政府意見,對本段范圍的線路走向研究了取直方案(方案Ⅰ)、并行在建二環(huán)路方案(方案Ⅱ)、并行G104 國道方案(方案Ⅲ),見圖2。

圖2 線路引入嵊州市局部走向方案

(1)取直方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)廣利塘水庫東側通過,之后跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路至嵊州新昌站,線路長26.5 km, 靜態(tài)工程投資28.6 億元。

(2)并行在建二環(huán)路方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)大山下水庫、廣利塘水庫西側通過,之后跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路至嵊州新昌站,線路長28.45 km, 靜態(tài)工程投資30.1 億元。

(3)并行G104 國道方案

線路自三界站引出向南,經(jīng)仙巖鎮(zhèn)西側并行G104 國道,之后穿嵊州市城區(qū)西側,跨長樂江、澄潭江、S310 省道、甬金高速公路后至嵊州新昌站,線路長26.58 km,靜態(tài)工程投資36.6 億元。

(4)工程經(jīng)濟比較

各方案主要工程數(shù)量及投資比較見表2。

表2 工程經(jīng)濟比較

(5)綜合比選分析及推薦意見

各方案優(yōu)缺點分析見表3。

表3 優(yōu)缺點分析

綜合以上分析,方案Ⅰ有效地降低了硅藻土對線路方案的不利影響,且該方案具有工程投資省、工程實施難度小等優(yōu)點,故本次研究推薦取直方案(方案Ⅰ)。

3.2 穿越硅藻土段縱斷面研究

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,基于取直方案,進一步研究了短隧高橋方案、長隧低橋方案(見圖3)。

(1)短隧高橋方案

該段較長段落穿過硅藻土范圍,大部分以路基形式通過。 為盡量減少硅藻土的不利影響,縱斷面盡量拉高,線路從飛鳳山隧道洞口以較短距離穿越硅藻土地段(穿過硅藻土地段縮短為299 m),且主要位于隧道進出口兩端,隧道進口段約有95 m 位于藍色硅藻巖(土)中,約有79 m 位于含硅藻砂巖中,出口約有82 m位于白色硅藻巖(土)中,約有43 m 主要位于藍色硅藻巖(土)中。 隧道口上方硅藻土覆土很薄,換填后對隧道影響較小。 受坡度限制,出隧道后嵊州特大橋橋墩高度最高達到了68 m,且高橋段落較長。

圖3 穿越硅藻土段縱斷面方案比選示意

(2)長隧低橋方案

該方案線路縱斷面提前拉低,大大降低了嵊州特大橋的橋高和橋長,但飛鳳山隧道增長,線路穿越硅藻土層長度變?yōu)?74 m,隧道頂?shù)墓柙逋粮餐翆虞^厚,特別是隧道出口端較長段落位于硅藻土地段,施工難度和工程風險非常大。

(3)工程經(jīng)濟比較

兩方案主要工程數(shù)量及投資比較見表4。

(4)綜合比選分析及推薦意見

上述兩方案雖然都穿越了硅藻土地段,長隧低橋方案穿越長度更長,且硅藻土較長段落位于隧道上部,施工難度和風險非常大;而短隧高橋方案盡可能減少了穿越硅藻土地段的長度,且位于隧道頂?shù)墓柙逋梁苌?采取開挖換填措施后,可最大限度地降低風險等級。

表4 工程經(jīng)濟比較

目前,國內(nèi)對硅藻土工程性質(zhì)和處理措施沒有成熟的經(jīng)驗,故選擇了風險相對小的短隧高橋方案。