武廣鐵路客運專線烏龍泉至韶關段無砟軌道路基過渡段設計

詹學啟,郭建湖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

武廣鐵路客運專線路基過渡段設計,通過大量的國內外調研,結合理論仿真計算展開研究,共進行了65種過渡段形式及技術要求的研究優選,最終確定了28種過渡段結構形式的設計,不僅包括了橋路、涵路、隧路、堤塹、半填半挖路基、不同巖土組合路基和客運專線與聯絡線相接等路基縱向、橫向的過渡段的基本形式,而且包括了橋橋、橋隧、隧隧、橋塹之間短路基等各類過渡段結構類型及其地基處理特殊技術要求的設計。

1 路基本體過渡段類型及其技術要求

1.1 基本過渡段設計

路基本體結構的過渡段按結構物類型可分為橋路過渡段、涵路(路堤與橫向結構物)過渡段、隧路過渡段、堤塹過渡段、半填半挖路基及不同巖土組合過渡等;按過渡的方向考慮分為縱向過渡和橫向過渡等,過渡段標準形式見圖1和圖2。

1.1.1 橋路過渡段

圖1 路堤地段橋路過渡段標準形式示意(單位:m)

橋路過渡段結構形式主要有填方橋臺橋路過渡段與挖方橋臺橋路過渡段。

1)當路基與橋梁相接地段位于路堤填土地段,橋路過渡段可采用沿線路縱向的倒梯形過渡段或正梯形的二次過渡段形式。過渡段縱向長度 L=2(h-b)+A(L為過渡段長度,單位為米;h為臺后路堤高度,單位為米;A為常數 3～5 m;b=0.7 m)。過渡段范圍內基床表層范圍采用級配碎石摻入 5%水泥填筑,臺后的正梯形部分采用水泥穩定級配碎石摻 5%水泥填筑,其后再設置一段倒梯形過渡段,采用 A組、B組填料。在路基與橋臺結合部設寬 10 cm帶排水槽的滲水墻,滲水墻采用無砂混凝土塊砌筑。在滲水墻底部設直徑φ=100 mm滲水管將滲流水排出路基以外。

在路基沉降控制設計中,臺后路基的工后沉降設計按 5～8 mm控制,考慮到橋臺將有可能產生幾個毫米的沉降,預計橋臺與臺后路基的沉降差不會超過 5 mm,因此,本線橋臺與臺后路基在設計圖中暫未設置搭板,但要求施工中應加強橋臺與臺后路基的沉降差觀測與分析評估工作,一旦橋臺與臺后路基工后沉降差可能超過 5 mm時應及時采取措施。

圖2 路塹地段橋路過渡段標準形式示意 (單位:m)

2)本線位于路塹挖方地段的橋臺較多,設計對當橋臺臺尾路基為軟質巖、強風化的硬質巖及土質路塹時,橋路過渡段采用混凝土或級配碎石摻 5%水泥填筑,縱向過渡段長度不小于20 m。在過渡段以外 20 m范圍內的基床表層級配碎石摻 5%水泥。當橋臺臺尾路基為硬質巖路塹,橋臺基坑采用 C 25混凝土回填。

1.1.2 涵路過渡段

1)路堤與橫向結構物(立交框構、箱涵)過渡段。立交框構、箱涵位于路堤填土地段時,設置路堤式涵路過渡段,同時根據路基面至橫向結構物頂面的高度不同,采取不同的結構形式,見圖3。

當路基面距橫向結構物頂的垂直高度 ＜2.0 m時,如圖3(a)所示,涵洞兩側不小于 20 m范圍內的基床表層采用級配碎石基床表層摻 5%水泥填筑,表層以下至涵頂間及每側頂寬 2 m的正梯形范圍內采用級配碎石摻 5%水泥填筑,其外側再設置底寬 3 m的倒梯形 A組、B組填料過渡段。當路基面至橫向構筑物頂不小于 2 m時,則如圖3(b)所示設置過渡段。

當橫向構筑物軸線與線路中線斜交時,應使過渡段的設置與線路中心垂直,避免橫向的剛度差異。當涵洞門有翼墻時,基底混凝土回填層應做成向涵洞外側傾的排水坡,將水引到翼墻邊緣,經橫向透水管將水排出路基。

圖3 路堤地段涵路過渡段標準形式(單位:m)

2)路塹與橫向結構物過渡段:當橫向構筑物位于土質、軟質巖及強風化硬質巖路塹中時,構筑物兩側各不少于 20 m范圍內基床表層換填級配碎石摻 5%水泥,基坑范圍內的基床底層換填厚度范圍采用級配碎石摻 5%水泥填筑,基床底層以下基坑采用 C 15混凝土回填。當橫向構筑物位于硬質巖路塹時,構筑物基坑均采用 C 25混凝土回填。

1.1.3 隧路過渡段

隧道與路基相聯一般位于路塹地段,隧路過渡段的設計需根據不同的洞門形式、地基土巖性、隧道排水方式等情況,設置了不同的隧路過渡段,并將電纜槽、排水等順接到路基。

1)當隧道與硬質巖路塹相接時,無論是與斜切式洞門還是擋翼墻洞門相聯,均應將洞門開挖基坑采用C 25混凝土回填。當為斜切式洞門與路塹相連時,如隧道線間溝或側溝水需要引入路基兩側側溝排出,則于洞門相接處對應設置 C 25鋼筋混凝土集水井,集水井中的水通過斜向預埋鋼筋混凝土排水管,將水引入兩側側溝排出。

2)隧道與土質、軟巖及強風化硬質巖路塹相聯時,路基與斜切式洞門相聯時,隧道線間溝的水需經過路基側溝排出,其過渡段長度不小于 27 m,其中與隧道相接段應有不小于 7 m長采用 C 25混凝土澆筑,20 m長的級配碎石過渡段,其表層均采用級配碎石 +5%的水泥,底層底寬不小于 5 m的倒梯形范圍內采用級配碎石 +5%的水泥填筑,見圖4。

3)當路基與擋翼墻洞門相聯時,則路基范圍設置長度不小于 20 m的過渡段,過渡段范圍基床表層采用級配碎石 +5%的水泥,底層于底寬不小于 5 m的倒梯形范圍內采用級配碎石 +5%的水泥填筑,見圖5。

1.1.4 路堤路塹過渡段

路堤與路塹過渡段設計,在詳細研究過渡段處的地形條件、地基條件,通過采取合理的措施使縱、橫向的剛度均勻過渡和減小差異沉降,同時注意排水系統的銜接。當路堤與弱 ～微風化硬質巖石路塹連接時應設置堤塹過渡段,過渡段自路塹一側沿原硬質巖坡面縱向開挖臺階,臺階高度 0.6 m左右。過渡段基床表層 20 m范圍內填摻入 5%水泥的級配碎石,表層以下自路堤一側分層填筑級配碎石。級配碎石與路堤填料之間的分界線應與線路走向保持垂直,使軌道板下基礎保持均質。當路堤與強風化硬質巖、軟質巖石或土質路塹連接時,路塹一側沿坡面按 1∶2的坡率挖臺階,臺階高度 0.6 m左右,見圖6和圖7。

1.1.5 半挖半填路基橫向過渡

陡坡地段的半填半挖路基,為保證路基橫向剛度與變形均勻一致,基床表層以下挖除換填均質材料,換填厚度及范圍由以下條件確定,基床底層 2.3 m范圍內的填料一致,或底層換填厚 ＜2.3 m時換填底軌道主要受力范圍內的地基條件一致,且滿足基床換填厚度的要求。挖除換填地基土的底部應設向外傾斜 4%的橫向排水坡。

圖4 斜切式洞門隧路過渡段標準形式示意(單位:m)

圖5 擋翼墻式洞門隧路過渡段標準形式示意 (單位:m)

圖6 硬質巖地段堤塹過渡段標準形式示意(單位:m)

圖7 半挖半填路基橫向過渡標準形式示意 (單位:m)

1.1.6 不同巖土組合路基縱橫向過渡設計

路塹地段當硬質巖石路基與土質路基縱向連接時,應由硬質巖路基向土質路基設置縱向過渡段,其長度不應小于 20 m,過渡段范圍內基床表層采用級配碎石摻 5%水泥填筑,且滿足基床表層的壓實標準,表層以下底寬 5 m的倒梯形范圍內換填級配碎石摻 5%水泥,換填厚滿足相應地層的換填要求。當橫向存在土石組合或半填半挖時,應分別滿足不同巖土組合橫向過渡設計要求,以及半填半挖橫向過渡設計要求,見圖8。

1.2 組合式過渡段設計

當橋橋、橋隧、隧隧(包括期間分布的涵洞)之間的路基長 ＜150 m時,存在短路基范圍內各種基本過渡段密集分布、重疊或沖突現象,尤其當短路基長度 ＜60 m時顯得更加突出。設計上分別對 ＜60 m的短路基與 60～150 m的短路基兩種情況進行短路基過渡段設計,對于長度 ＞150 m路基可不按短路基考慮設置組合型過渡段。

短路基范圍內往往包含橋路、涵路、堤塹、隧路、半挖半填等基本型過渡段,當短路基范圍內分布多個過渡段時,就無法正常分別設置各種過渡段,否則將存在各過渡段間的重疊及其“二次過渡”問題,無法真正起到過渡的目的,且各具體工點的條件千變萬化,給現場施工帶來困難或混亂。設計需充分考慮與路基相聯的橋、涵、隧間短路基的可能條件和組合形式,結合工程地質條件綜合考慮設置組合型過渡形式。短路基過渡組合型過渡段的設置是在滿足上述六種基本過渡段設置要求的基礎上,結合地形地貌、施工方式等具體情況盡量將相鄰過渡段連通設置,確保縱、橫向剛度一致,平順過渡的技術要求,同時兼顧在現有施工技術條件下的現場施工的可行性和方便性,主要組合式過渡段形式見表1。

基于上述原則,武廣客運專線設計綜合各種組合條件和形式,進行了近 65種組合過渡段形式及技術要求的研究優選,最終確定 28種“組合型”過渡段結構形式運用于武廣客運專線的實際施工中。“組合型”過渡段設計綜合考慮了各類過渡段疊加或組合等特殊情況的過渡段路基結構設計,解決了山區客運專線因縱、橫向地形起伏,帶來的不均勻變形以及剛度不均勻問題,解決了橋與路基、隧道與路基、涵洞與路基等不同構筑物間剛度差異、沉降差異的平順過渡問題,實現了高速列車平穩、舒適運行,見圖9。

圖8 不同巖土組合路基橫向過渡處理示意(單位:m)

圖9 組合式路基過渡設計示意(單位:m)

表1 主要組合式過渡段形式一覽

2 地基過渡設計及其技術要求

地基處理與加固措施的過渡也是路基過渡設計的重要部分,其目的是控制路基在地基部分的縱向、橫向上的差異沉降。不同結構物間地基存在差異沉降,同樣同一路基工點不同地段地基也存在差異沉降。設計通過不同的工程措施(如挖除換填、復合地基加固等),以及加固樁的樁間距、樁長的變化,以滿足客運專線縱、橫向沉降量或沉降差的控制要求。

地基處理的過渡設計主要包括:不同結構物(橋與路、路與涵等)之間縱向地基過渡設計;不同地基加固樁長或樁型之間過渡設計;加固區與非加固區之間的過渡設計和不同沉降控制標準結構物地基處理的過渡設計等。

2.1 不同結構物間縱向地基過渡設計

為達到橋路、路涵等過渡段地基的縱向沉降的逐漸過渡,設計采用樁型變化、樁間距、樁長變化等方法過渡。樁型變化是指與橋梁等結構物相接地段選用預應力管樁、方樁或鉆孔灌注樁進行加固,其后選用剛度相對較小的 CFG樁、旋噴樁等加固,以達到沉降量逐漸過渡變化的目的;同時各種樁的樁間距由小到大逐漸變大,樁間距變化一般采取每隔 3～5排增大一定數值形式,一般在不小于 20 m范圍地基采用加固樁樁間距或樁長變化,以滿足工后沉降控制值由 5～10 mm過渡到 15 mm。對于涵路橫向構筑物的過渡地段,應注意過渡段范圍內的布樁與橫向構筑物的加固措施協調,確保不均勻沉降滿足要求。

2.2 不同樁長或樁型間過渡設計

復合地基或樁網結構的不同樁長之間也應設置過渡區,原則上從短樁往長樁側逐漸遞增,遞增幅度不超過 0.5 m(如加固樁長從 10～15 m之間過渡區的樁長依次為 10.5、11.0、11.5……14.0、14.5、15.0 m),當加固樁已深達硬底時,則過渡區的樁長隨硬底線變化。不同樁型之間宜在不短于 10.0 m范圍內采用樁長或樁間距變化逐漸過渡,過渡段范圍宜采用剛性相對較小的樁型。

2.3 加固區與非加固區間的過渡設計

復合地基或樁網結構加固區到非加固區時,應將加固區縱向延長不少于 10 m范圍作為布樁過渡區;過渡區范圍內樁間距按不大于 0.2 m的幅度逐漸加大,直至達到各種樁型常用的最大樁間距。當過渡區加固樁已深達硬底時,則過渡區的樁長隨硬底線變化。

2.4 橫向過渡設計

陡坡路堤地段,當路堤基底無法通過挖臺階,使基底水平時,應進行橫向不均勻沉降差的控制。分別按左線左側 2 m、以及右線右側 2 m處為檢算控制點,全斷面沉降差應控制在 5 mm內,橫向按不同樁間距布樁實現平穩過渡。當路基基底下臥地層存在橫向不均勻變化時,應進行橫向不均勻沉降差的控制,當地基加固至硬層(非壓縮層或基巖)時,原則上樁底沿硬層頂面走勢采用不同樁長實現過渡;當為“懸浮樁”時,分別按左線左側 2 m、以及右線右側 2 m處為檢算控制點,橫向按不同樁間距布樁實現過渡,全斷面沉降差應控制在 5 mm內。

2.5 不同沉降控制標準結構物地基處理的過渡設計

車站范圍正線路基與到發線、存車線間路基采用標準不同,路基工后沉降控制標準也不同,明顯存在地基處理和加固樁型的差別、加固樁長、加固區與非加固區等橫向過渡問題。原則上均需參照上述處理措施設置地基加固措施的橫向過渡。

3 結語

武廣客運專線路基過渡設計內容全面,布置合理,現場實施順利,特別是“組合型”過渡段的設計突破現有規范、規程,填補了我國客運專線過渡段設計的空白。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2005]754號 客運專線無砟軌道鐵路設計指南[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]德國規程 R i L836 土工結構和其他土工建筑物的設計、施工與維護[S].

[3]郭建湖,詹學啟.武廣客運專線烏龍泉至韶關段路基設計大樣圖集[R].武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2006:16-40.