鐵路煙臺南站改建邊坡防護方案及對并行高速公路安全影響分析

尹貽新 楊書生

濟青高速鐵路有限公司，濟南250014

隨著我國高速公路、高速鐵路路網(wǎng)加密，其并行的情況越來越常見。尤其在城區(qū)，為集約利用土地，避免割裂城市空間，一般會選擇高速公路與高速鐵路共用交通廊道。國內學者針對公鐵并行問題從多個方面開展了研究。單東輝等［1］根據(jù)公鐵并行技術要求對運營安全風險進行了分析。韓國倩等［2］分析公鐵并行段可能存在的四類安全風險，提出了針對性措施。劉昊等［3］分析了鐵路列車光源特性及鐵路機車前照燈對高速公路駕駛員造成的影響，提出了解決方案。陳艾榮等［4］針對公鐵并行問題給出了眩光分析流程，設計了一種可裝配、立體化的防眩光網(wǎng)，有效降低了鐵路機車前照燈對汽車駕駛人眩光影響。田雨等［5］針對高速鐵路橋梁與高速公路鄰近并行情況，對高速鐵路橋梁結構安全、鐵路及公路運營安全進行了評估，并給出具體措施。單東輝等［6］分析了高速公路突發(fā)事件對蘭合高速鐵路的影響，提出了突發(fā)事件時公鐵并行應急救援措施。

現(xiàn)有研究多從定性角度提出公鐵并行段的安全風險，對于公鐵并行段工程建設風險、建成后對另外一方的運營影響有待深入研究。對于高速鐵路車站與高速公路并行間距較小的復雜情況，以往的研究較少。本文以青榮（青島—榮成）城際鐵路煙臺南站與榮烏（榮成—烏海）高速公路并行段為例，對鐵路煙臺南站改建邊坡防護方案進行研究，對影響鐵路運營安全的公路路側護欄、影響高速公路運營的眩光等進行分析，可為公鐵并行工程設計提供參考。

1 工程概況

1.1 青榮城際鐵路

煙臺南站為青榮城際鐵路中間站，車站規(guī)模為2臺5線，站房面積為1萬m2。車站辦理客車48對，其中立折車1對，年發(fā)送旅客人數(shù)約300萬人。

1.2 榮烏高速公路

煙臺南站北側緊鄰榮烏高速公路，該段為榮烏高速公路繞城段，雙向四車道，限速120 km/h。據(jù)公路管理單位統(tǒng)計，2020年榮烏高速公路雙向年平均日交通量為30 105輛，車型以中小客車為主。

2 站場改建方案

2.1 客車作業(yè)量

濰煙（濰坊—煙臺）高速鐵路引入煙臺南站后，煙臺南站近/遠期共辦理始發(fā)車46/58對，其中濰煙高速鐵路32/40對（包含蓬萊、跨海通道方向），青榮城際鐵路14/18對。近/遠期辦理通過列車71/93對，其中濰煙高速鐵路跨線通過列車15/26對，青榮城際鐵路通過列車56/67對［7］。

2.2 站場改建方案

根據(jù)客車作業(yè)量，車站總規(guī)模設計為5臺11線，其中5條到發(fā)線主要辦理通過列車作業(yè)，4條到發(fā)線主要辦理始發(fā)終到列車作業(yè)，每條到發(fā)線可辦理始發(fā)終到列車15～17對，可辦理通過停站列車21～24對，因此車站規(guī)模與作業(yè)量匹配。車站平面布置如圖1所示。為使青榮城際鐵路青島—榮成方向始發(fā)終到列車作業(yè)更加流暢，減少對正線的切割，須在車站北側增設2條到發(fā)線，以滿足青榮城際鐵路始發(fā)車及青榮城際鐵路、濰煙高速鐵路通過列車的作業(yè)需求。

圖1 車站平面布置示意

3 鐵路路塹邊坡設計

根據(jù)站場設計方案，需在5股道外加寬22 m，增至9股道。同時要求滿足站房、站臺及線路工作面和施工、消防通道需求，9股道外側與路塹之間至少保證凈寬11 m。結合地形、地貌條件，9股道外側路塹邊坡考慮采用放坡防護和樁板式擋土墻防護兩種方案。

3.1 邊坡放坡防護方案

為降低施工期間對榮烏高速公路交通的影響，需盡量減少挖方。同時考慮工程地質、水文地質條件和施工方法等，將邊坡放坡分為兩級。邊坡放坡防護方案見圖2。一級邊坡坡率1∶1.0，邊坡采用錨桿框架格梁防護。二級邊坡坡率為1∶1.5，邊坡采用拱形骨架防護。

圖2 邊坡放坡防護方案（單位：m）

采用該方案時榮烏高速公路與煙臺南站之間的山體基本被挖除，施工期間需對榮烏高速公路進行防護并實行交通限行。由于榮烏高速公路與煙臺南站并行段屬于城區(qū)范圍，車流量較大，采取交通限行措施將引起擁堵。同時，挖除榮烏高速公路與煙臺南站之間的山體天然屏障將增大榮烏高速公路與煙臺南站之間的相互影響。故不推薦邊坡放坡防護方案。

3.2 樁板式擋土墻防護方案

為保留公鐵并行段的山體，綜合考慮邊坡高度、地質條件等采用樁板式擋土墻防護方案。根據(jù)邊坡的高度、煙臺南站與榮烏高速公路的距離，在煙臺南站與榮烏高速公路并行段選取兩個典型斷面進行研究。

斷面1為邊坡高度最高斷面。樁懸臂段長12.0 m，錨固段長14.0 m。樁橫截面寬2.5 m、高3.0 m，樁頂設2根壓力分散型預應力錨索。根據(jù)以往高速鐵路設計經(jīng)驗，若樁過長，樁結構設計不合理，則樁頂位移、樁錨固處位移均較大，且會導致工程投資增加，故樁頂上方土體采用放坡形式開挖，采用錨桿框架格梁形式防護，見圖3。

圖3 樁板式擋土墻防護方案（斷面1，單位：m）

斷面2為榮烏高速公路與煙臺南站距離最近斷面。樁懸臂段長8.0 m，錨固段長12.0 m，樁橫截面寬2.0 m、高2.5 m。樁頂上方土體采用放坡形式開挖，采用框架格梁形式防護，見圖4。

圖4 樁板式擋土墻防護方案（斷面2，單位：m）

4 施工安全分析

榮烏高速公路與煙臺南站并行間距較小，公路路肩至煙臺南站鐵路路肩間距29.80~34.75 m。煙臺南站改建施工過程中樁板式擋土墻施工及邊坡開挖將會對榮烏高速公路產(chǎn)生影響。根據(jù)JT/T 1116—2017《公路鐵路并行路段設計技術規(guī)范》要求，并行間距小于35 m時應進行施工安全分析。選取樁板式擋土墻防護方案的2個典型斷面，采用MIDAS GTS軟件對樁、公路路基位移及邊坡穩(wěn)定性進行計算分析。分析時依據(jù)的規(guī)范為TB 10025—2019《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》。

4.1 模型邊界條件及假定

除模型頂面設為自由面外，其余五個面施加法向約束，約束其位移。實際工程中現(xiàn)場周邊環(huán)境及材料變形機理相當復雜，為有效進行數(shù)值模擬，作如下假定：①施工場地表面及各土層均呈水平狀分布；②分層連續(xù)開挖；③所有土層均為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；④地層和材料的應力-應變均在彈塑性范圍內變化，地應力場由重力自動生成。

4.2 模型建立及參數(shù)確定

充分考慮土體開挖邊界效應的影響，根據(jù)工程經(jīng)驗，模型的長、寬、高按邊坡開挖深度3倍取值。土體、樁采用實體單元模擬，樁前掛板采用板單元模擬，框架格梁采用梁單元模擬，錨索、錨桿采用植入式桁架單元模擬。土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，樁、樁前掛板、框架格梁、錨索、錨桿本構模型均采用彈性模型［8］。

根據(jù)地勘報告及工程地質手冊［9］，地層及公路路基材料參數(shù)見表1，樁板式擋土墻材料參數(shù)見表2。

表1 地層及公路路基材料參數(shù)

表2 樁板式擋土墻材料參數(shù)

4.3 模擬結果分析

4.3.1 樁及公路路基位移

土體開挖至設計高程時，樁頂水平位移及公路路基豎向位移見圖5?？芍孩佼斖馏w開挖至設計高程時，斷面1、斷面2樁頂水平位移為13.3、4.8 mm，滿足不大于100、80 mm（兩個斷面樁長度不同）的規(guī)范要求。②土體開挖至設計高程時，斷面1、斷面2公路路基豎向位移分別為2.95、0.32 mm，均滿足運營狀態(tài)下公路路基豎向位移不大于10 mm的規(guī)范要求。

圖5 樁基及公路路基位移（單位：mm）

4.3.2 樁板式擋土墻穩(wěn)定性

土體開挖至設計高程時，斷面1和斷面2樁板式擋土墻穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為5.1和4.8，滿足不小于1.6的規(guī)范要求。

5 交通安全分析

5.1 公路護欄對交通安全的影響分析

由于煙臺南站與榮烏高速公路并行間距較近，高速公路側風險因素除考慮汽車駛出公路到達鐵路軌道外，還需考慮汽車越過鐵路軌道后對鐵路站臺、鐵路旅客以及煙臺南站站房結構的安全影響。

根據(jù)公路管理單位提供的2014—2020年本路段事故統(tǒng)計，未發(fā)生過汽車越過公路護欄事故，公路側事故風險基本可控。并行段高速公路側護欄采用了波形鋼護欄、混凝土護欄等形式。為了減少不同形式護欄過渡段的設置，在該路段按照最不利路側事故確定統(tǒng)一的護欄防護等級。由于公鐵并行段兩者間距在29.80~34.75 m，小于規(guī)范中最小值35 m，公鐵并行等級為Ⅰ級。護欄統(tǒng)一按照HB級進行改建，以降低榮烏高速公路事故對煙臺南站的影響。

5.2 眩光對交通安全的影響分析

根據(jù)鐵路機車前照燈、汽車前照燈光強度要求，鐵路機車前照燈光強度遠高于汽車前照燈，兩者相差50~100倍。因此，當鐵路機車與汽車對向行駛時，若不采取相應的安全保障措施，則易因夜間背景光的光強度過高產(chǎn)生劇烈眩光。眩光的存在降低了人眼的覺察閾值，導致人眼識別細節(jié)能力下降，易引發(fā)交通事故。同時鐵路機車和汽車相對行駛速度高，會分散駕駛人注意力，對駕駛人心理產(chǎn)生影響［10-12］。

5.2.1眩光影響范圍

鐵路機車前照燈光強度為2×106cd，鐵路機車前照燈使汽車駕駛人產(chǎn)生眩光的光照度基準值為0.5 lx［13］。

鐵路機車前照燈光強度I與光照度E的關系式為

式中：S為從鐵路機車前照燈至汽車駕駛人眼睛的距離，m。

鐵路機車前照燈與汽車駕駛人的相對位置如圖6所示。圖中：L為S在鐵路機車前照燈基準軸上的投影；α為鐵路機車前照燈與汽車駕駛人眼睛連線與鐵路機車前照燈基準軸的夾角；D為汽車駕駛人眼睛距鐵路機車前照燈基準軸的垂直距離。

圖6 鐵路機車前照燈與汽車駕駛人的相對位置

根據(jù)式（1）和圖6計算眩光影響范圍，結果見表3。可知：當公鐵并行間距大于24.55 m時，鐵路機車前照燈對汽車駕駛人眩光影響較小。

表3 眩光影響范圍

5.2.2 眩光影響分析

煙臺南站西側鐵路、高速公路均為路塹。鐵路高程33.90 m，鐵路機車前照燈高度取3.00 m。路塹頂最低處高程為41.54 m，大于鐵路高程加鐵路機車前照燈高度，鐵路機車前照燈對榮烏高速公路汽車駕駛人眩光影響較小。煙臺南站東側鐵路、高速公路均為路基。鐵路高程33.80 m，鐵路機車前照燈高度取3.00 m。高速公路高程35.80 m，低于鐵路高程加鐵路機車前照燈高度，但此處D為48.28 m，大于表3中D的最大值24.55 m，鐵路機車前照燈對榮烏高速公路汽車駕駛人眩光影響較小。

6 結論

1）煙臺南站改建后，鐵路路塹采用樁板式擋土墻邊坡防護方案可以保留山體天然屏障，減少施工期間及濰煙高速鐵路開通后對榮烏高速公路運營的影響。

2）選取兩個典型斷面對樁板式擋土墻邊坡防護方案進行計算分析。結果表明，土體開挖至設計高程時樁頂水平位移、公路路基豎向位移均較小，滿足規(guī)范要求。

3）煙臺南站改建后公鐵并行段兩者間距在29.80~34.75 m，小于規(guī)范中最小值35 m，公鐵并行等級為Ⅰ級。護欄統(tǒng)一按照HB級進行改建，以降低榮烏高速公路事故對煙臺南站的影響。

4）鐵路機車前照燈對榮烏高速公路汽車駕駛人眩光影響較小，不必采取防護措施。