渝昆高鐵斜坡軟土地段方案研究

張 翔

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

在復(fù)雜山區(qū)，工程地質(zhì)問(wèn)題是影響鐵路方案的重要因素。在勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，因局部工點(diǎn)勘探資料相對(duì)滯后，可能導(dǎo)致線(xiàn)位調(diào)整，將造成勘察設(shè)計(jì)工作反復(fù)，對(duì)工期影響較大[1]。為確定合理的方案，應(yīng)綜合考慮多方面的控制因素，結(jié)合工點(diǎn)處理措施，確定最優(yōu)方案[2-3]。已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，范俊懷等基于杭紹臺(tái)鐵路穿越硅藻土地質(zhì)條件分析，對(duì)線(xiàn)路走向方案進(jìn)行研究[4]；彭學(xué)理對(duì)宜萬(wàn)鐵路繞避危巖落石、巖堆和古滑坡各方案進(jìn)行分析，推薦繞避方案[5]；王凱在渝西高鐵大巴山地區(qū)選線(xiàn)研究中，圍繞地質(zhì)構(gòu)造、巖溶分布、危巖落石等不良地質(zhì)進(jìn)行方案比較，最終選擇地質(zhì)條件相對(duì)較好，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的經(jīng)達(dá)州方案[6]。不難看出，不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)是影響線(xiàn)路方案的重要控制因素之一，在探明工點(diǎn)地質(zhì)情況后，應(yīng)對(duì)工點(diǎn)措施進(jìn)行全面分析以確保鐵路安全；如不能保證，則應(yīng)選擇繞避[7-9]。以渝昆高鐵某工點(diǎn)為例，重點(diǎn)分析斜坡軟土特性對(duì)工程的影響，并提出工程可行、經(jīng)濟(jì)合理的方案[10-11]。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概述

渝昆高速鐵路 (重慶—昆明)位于我國(guó)西南地區(qū)，是我國(guó)規(guī)劃的 “八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中北京至昆明大通道的一部分，目前處于建設(shè)階段。線(xiàn)路自重慶西站引出，沿途經(jīng)過(guò)重慶江津和永川區(qū)、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節(jié)市、云南昭通和曲靖市后，接入昆明南站，線(xiàn)路全長(zhǎng)699.325 km。渝昆高鐵建成后，可串聯(lián)成渝城市群、滇中城市群，進(jìn)而連接關(guān)中城市群、中原城市群、京津冀經(jīng)濟(jì)區(qū)等經(jīng)濟(jì)中心，重慶至昆明運(yùn)行時(shí)分將縮短為2.6 h，將形成云南與重慶、四川之間快速旅客交流新通道，從而進(jìn)一步輻射西北地區(qū)。其速度目標(biāo)值為350 km/h[12]。

1.2 地形地貌及地質(zhì)特征

線(xiàn)路自四川盆地至云貴高原，總體地勢(shì)為北東低、南西高，主要經(jīng)過(guò)四大地貌單元：重慶至永川段屬四川自地川東平行嶺谷“隔檔式”褶皺區(qū)，由一系列北東—北北東向的高背斜山脈及向斜谷地組成；永川至筠連段屬四川盆地川中丘陵區(qū)，為典型的紅色丘陵景觀(guān)，渾圓、寬平的緩丘及丘間寬谷相間；筠連至昭通段屬高原斜坡地帶低-中山峽谷區(qū)，褶皺構(gòu)造強(qiáng)烈，河谷深切，山坡陡立；昭通至昆明段位于云貴高原，地形波狀起伏，以侵蝕、溶蝕、構(gòu)造、斷陷形成的山原地貌為主。沿線(xiàn)出露地層時(shí)代較齊全，自第四系至震旦系地層均有出露，其中以中生界、古生界地層為主[12]。

1.3 斜坡軟土工點(diǎn)工程性質(zhì)

斜坡軟土工點(diǎn)位于滇東高原區(qū)，屬低中山地貌。線(xiàn)路走向方向地形平坦，垂直線(xiàn)路方向地面自然坡度為5°～10°。斜坡軟土工點(diǎn)覆蓋層厚為20～55 m。依據(jù)GB18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，該區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，屬于Ⅷ度地震區(qū)。對(duì)斜坡軟土工點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性檢算時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)生Ⅷ度地震對(duì)工點(diǎn)穩(wěn)定性的影響[13]。斜坡軟土工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片及衛(wèi)星影像見(jiàn)圖1。

圖1 斜坡軟土地段現(xiàn)場(chǎng)照片及衛(wèi)星影像

斜坡軟土存在含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。粉質(zhì)黏土和黏土的孔隙比為1.29～1.49；天然含水率達(dá)50%；壓縮模量為3.66～4.76 MPa；黏聚力為20～22 kPa；內(nèi)摩擦角為5.5°～8.7°，斜坡軟土工點(diǎn)地層分布見(jiàn)圖2，巖土物理參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 斜坡軟土工點(diǎn)地層分布示意

表1 巖土物理參數(shù)

由圖2、表1可知，工點(diǎn)斜坡軟土最大深度為50 m，天然含水量高，黏聚力及內(nèi)摩擦角均較小，壓縮性大，強(qiáng)度低。高速鐵路無(wú)砟軌道一般地段工后沉降要求≤15 mm；0.30g地震工況下，穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)≥1.15。因此，該工點(diǎn)設(shè)計(jì)較為困難[14]。

2 斜坡軟土工點(diǎn)路基、橋梁方案研究

2.1 路基方案

擬對(duì)水泥攪拌樁、CFG樁帽網(wǎng)結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)3個(gè)方案進(jìn)行比選，經(jīng)檢算，僅樁板結(jié)構(gòu)工后沉降(為8 mm)符合小于15 mm的要求，故推薦采用樁板結(jié)構(gòu)。

該方案采用埋入式樁板結(jié)構(gòu)，樁和板梁均為C35鋼筋混凝土。鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)為30～55 m，φ1 m，縱、橫間距均為5 m。樁頂鋪設(shè)板梁，板梁厚0.8 m，板梁長(zhǎng)25 m，寬15.0 m。板梁底部平鋪0.2 m厚碎石墊層。線(xiàn)路右側(cè)設(shè)置側(cè)向約束樁，樁間距5 m，樁長(zhǎng)24 m，φ2.5 m[13]。樁板結(jié)構(gòu)方案布置見(jiàn)圖3，在沉降滿(mǎn)足要求情況下，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，穩(wěn)定性檢算滑面見(jiàn)圖4。

圖3 樁板結(jié)構(gòu)方案布置示意

圖4 穩(wěn)定性檢算滑面

(1)穩(wěn)定性計(jì)算方法

路堤及地基的整體穩(wěn)定性按圓弧滑動(dòng)法考慮，采用瑞典條分法分析[15-16]，見(jiàn)圖5。

圖5 瑞典條分法計(jì)算示意

穩(wěn)定安全系數(shù)Fs計(jì)算公式為

(1)

式中，下標(biāo)i表示土條底部的滑裂面在地基土層內(nèi)，下標(biāo)j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內(nèi)；Pt為各土條在滑弧切線(xiàn)方向的下滑力的總和，有

Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj

Si為地基土內(nèi)(AB弧)抗剪力，Sj為路堤內(nèi)(BC弧)抗剪力，有

Si=Wicosαitanφqi+cqiliSj=Wjcosαjtanφqj+cqjlj

其中，Wi、Wj為第i、j土條重量，Wi=Wti+Wdi，Wdi、Wti:當(dāng)?shù)趇土條的滑裂面處于地基內(nèi)(AB弧)時(shí)，分別為滑面以上該土條中的地基自重及路堤自重；i、j為第i、j土條底滑面的傾角；l為第i、j土條底滑面的長(zhǎng)度；R為滑動(dòng)圓弧半徑；cqi、qi:當(dāng)?shù)趇土條的滑裂面處于地基內(nèi)(AB弧)時(shí)，分別為該土條所在土層的天然抗剪黏聚力、內(nèi)摩擦角；cqi、qi:當(dāng)?shù)趈土條的滑裂面處于路堤內(nèi)(BC弧)時(shí)，分別為該土條所在路堤填料的黏聚力與內(nèi)摩擦角。

(2)推力計(jì)算方法

最不利圓弧滑動(dòng)面滑坡推力可采用傳遞系數(shù)法計(jì)算[17]，公式為

Ti=KWisinαi+ψTi-1-Wicosαitanφi-ciLi

(2)

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(3)

式中，Ti為第i個(gè)條塊末端的滑坡推力(含地震力)；K為安全系數(shù)(由工程的重要性、外界條件對(duì)滑坡的影響、滑坡的性質(zhì)和規(guī)模、滑動(dòng)的后果及整治的難易等因素)，本次計(jì)算取1.15；Wi為第i個(gè)條塊滑體的重力；αi為第i個(gè)條塊所在滑動(dòng)面的傾角；αi-1為第i-1個(gè)條塊所在滑動(dòng)面的傾角；φi為第i個(gè)條塊所在滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角；ci為第i個(gè)條塊所在滑動(dòng)面上的單位黏聚力；Li為第i個(gè)條塊所在滑動(dòng)面上的長(zhǎng)度;ψ為第i-1個(gè)條塊的傳遞系數(shù)。

(3)穩(wěn)定性檢算結(jié)論

結(jié)合斜坡軟土工點(diǎn)巖土物力參數(shù)及特性，按瑞典條分法及傳遞系數(shù)法計(jì)算，在0.30g地震工況下，穩(wěn)定性系數(shù)最小值為0.67(<1.15)，存在深層滑面，且深層滑面出口處推力較大，最大推力達(dá)5 000 kN/m，施工及運(yùn)營(yíng)安全存在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 橋梁方案

經(jīng)比較，(60+100+60) m連續(xù)梁方案僅有2個(gè)橋墩在斜坡軟土范圍內(nèi)，且埋深分別為30 m、50 m，樁基處理后，工后沉降滿(mǎn)足要求。

在橋墩四周布滿(mǎn)圓形樁基進(jìn)行抗滑處理，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性檢算。0.30g地震工況下，按照?qǐng)A弧滑面法計(jì)算，深層滑面出口處最大推力達(dá)5 000 kN/m以上，橋墩管樁不能保證其穩(wěn)定性，施工及運(yùn)營(yíng)安全存在風(fēng)險(xiǎn)。橋梁方案布置見(jiàn)圖6。

圖6 橋梁方案布置

2.3 研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)斜坡軟土工點(diǎn)工程措施的研究，采用路基方案和橋梁方案抗滑穩(wěn)定性均不能滿(mǎn)足時(shí)速350 km高速鐵路相應(yīng)技術(shù)要求，施工及運(yùn)營(yíng)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，故需研究繞避方案。

3 線(xiàn)路方案研究

隨著地質(zhì)勘察工作的深入，除該工點(diǎn)外，區(qū)域內(nèi)溝谷兩側(cè)存在軟土的斜坡區(qū)域較多，且溝谷內(nèi)軟土厚度>50 m，在0.30g地震烈度下，路基、橋梁工點(diǎn)穩(wěn)定性均無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。為繞避區(qū)域內(nèi)斜坡軟土，研究了東側(cè)隧道方案(方案Ⅰ)、西側(cè)隧道方案(方案Ⅱ)、沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)3個(gè)方案(見(jiàn)圖7)。

圖7 線(xiàn)路方案比選示意

3.1 方案概況

(1)東側(cè)隧道方案(方案Ⅰ)

線(xiàn)路自方案比較起點(diǎn)引出，東移繞避斜坡軟土后，以隧道形式自剛紀(jì)村、羊毛沖村、倪家村東側(cè)通過(guò)，穿越倪家村隧道后至方案比較終點(diǎn)。該方案穿越軟土段長(zhǎng)1.8 km，軟土最深為50 m，但均處于比較平緩地段，斜坡穩(wěn)定性影響較小。線(xiàn)路全長(zhǎng)24.724 km，橋隧比為95.5%，投資37.35億元。

(2)西側(cè)隧道方案(方案Ⅱ)

線(xiàn)路自方案比較起點(diǎn)引出，西移繞避斜坡軟土后，以隧道形式從大橫山西側(cè)通過(guò)，穿越倪家村隧道后至比較終點(diǎn)。該方案穿越斜坡軟土長(zhǎng)2.5 km，軟土最深為50 m，地震工況下存在深層滑面，穩(wěn)定性系數(shù)最小為0.72，遠(yuǎn)小于規(guī)范值的1.15。深層滑面的出口處推力最大，最大推力達(dá)4 500 kN/m，斜坡穩(wěn)定性較差。線(xiàn)路全長(zhǎng)25.124 km，橋隧比為96.4%。投資38.77億元。

(3)沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)

線(xiàn)路自方案比較起點(diǎn)引出，以橋梁、路基工程沿河谷兩岸行進(jìn)，經(jīng)剛紀(jì)村東側(cè)、羊毛沖村和倪家村西側(cè)通過(guò)，穿越倪家村隧道后至方案比較終點(diǎn)。該方案穿越了4.5 km斜坡軟土，軟土深度最深60 m，地震工況下，按瑞典條分法計(jì)算，存在深層滑面，穩(wěn)定性系數(shù)最小為0.67，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范值的1.15。深層滑面的出口處推力最大，最大推力達(dá)5 000 kN/m，斜坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)相最高。線(xiàn)路全長(zhǎng)24.682 km，橋隧比為93.6%。投資為36.48億元。

3.2 方案比較

各方案主要工程數(shù)量及投資比較見(jiàn)表2。

表2 工程經(jīng)濟(jì)比較

由表2可知， 沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)投資最少，東側(cè)隧道方案(方案Ⅰ)投資適中，西側(cè)隧道方案 (方案Ⅱ)投資最高。

各方案優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表3。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)

3.3 方案比選推薦意見(jiàn)

經(jīng)分析，東側(cè)隧道方案(方案Ⅰ)地質(zhì)條件最好，工程投資適中，施工、運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)均最小，方案可實(shí)施性強(qiáng)，在高烈度地震工況下，斜坡軟土是否產(chǎn)生深層滑移尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)情況下，可最大限度地降低斜坡軟土對(duì)高速鐵路安全影響，故選擇東側(cè)隧道方案(方案Ⅰ)為推薦方案。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)斜坡軟土工點(diǎn)設(shè)置路基、橋梁方案的分析研究，得出地震工況下，斜坡軟土工點(diǎn)穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.67(小于規(guī)定值1.15)，且存在深層滑面，安全隱患大。在此基礎(chǔ)上，對(duì)線(xiàn)路方案進(jìn)行比選，推薦東側(cè)隧道方案以繞避斜坡軟土地段。

(2)在0.30g地震工況下，斜坡軟土工點(diǎn)穩(wěn)定性系數(shù)最小值為0.67，存在深層滑面，且深層滑面出口處最大推力達(dá)5 000 kN/m，施工及運(yùn)營(yíng)安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)。建議山區(qū)鐵路選線(xiàn)過(guò)程中應(yīng)高度重視斜坡影響，必要時(shí)在選線(xiàn)階段進(jìn)行穩(wěn)定性檢算，以免發(fā)生方案反復(fù)，影響工期進(jìn)度。