对武广铁路客运专线设计和咨询中重大技术问题探讨的回顾

陈 列

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

武广铁路客运专线是我国第一条开工建设的时速350 km的高速铁路,也是第一条开通运营时速350 km的长大高速铁路。开工建设之初,设计采用的技术标准为按照满足铺设有砟轨道、设计时速300 km的京沪高速铁路设计需要所编制的《京沪高速铁路设计暂行规范》,对设计时速350 km,铺设无砟轨道的武广铁路客运专线设计,一些技术标准和原则有待进行深入探讨和分析研究,以确认、完善和提高这些技术标准和原则,满足工程建设的需要。在我国已建立起一整套客运专线技术标准体系、系统掌握客运专线成套技术、武广铁路客运专线建成和开通之际,重新简要回顾和梳理武广铁路客运专线建设之初的设计和咨询中对重大技术问题的探讨,有利于加深对我国客运专线铁路技术发展的认识,以利于与行车试验测试结果和将来实际运营验证相结合,为进一步完善和提高客运专线铁路技术提供借鉴和参考。

2 路基

2.1 基床换填厚度

对基床换填厚度,外方咨询提出：无砟轨道路基基床厚度不小于2.5 m,当路堑基床土质条件不满足基床底层压实要求时,需全部换填。

讨论和实施意见：200 km/h以上无砟轨道路堑基床底层厚度,地下水不发育时,在表1基础上进一步细化确定；地下水发育时,应全部换填并加强排水处理,复合土工膜位置结合排水考虑。换填标准见表1。

2.2 工后沉降控制标准

讨论和实施意见：外方咨询提出的路基工后沉降标准与中国《无砟轨道铁路设计指南》(铁建设函[2005]754号)基本一致,设计按中国标准采用。允许工后差异沉降量不大于13 mm/50 m应为轨道结构要求,属于施工验收标准。

2.3 CFG桩地基分析方法

对CFG桩地基分析方法,外方咨询提出：路基CFG桩复合地基应按群桩理论进行分析,桩间距应加大。由于土工格栅与支撑的准刚性,软质下层土和路堤之间的相互作用相当复杂,为非线性关系。因此,必须按照稳定性和耐久性的极限状态进行分析。不考虑CFG桩加固范围内沉降,采用分层总和法进行CFG桩加固下卧层沉降检算,需将路基填土基底应力完全等效作用于桩底下卧层顶。计算应考虑桩与土之间沉降差引起的土工格栅应变和应力,以及温度、时间、环境的影响,路堤基础的土工格栅需考虑路堤产生水平滑动破坏引起的附加应力。

讨论和实施意见：中国多年工程实践表明,采用CFG桩按间距3～5倍桩径按复合地基加固分析的房建基础,工程效果良好；对CFG桩加筋垫层采用复合地基理论的设计,通过现场大直径复合地基荷载试验,验证和确定地基加固后的地基复合模量值,设计桩间距较大时才按群桩理论进行计算。

2.4 堆载预压土柱高度

对堆载预压土柱高度,外方咨询提出：堆载预压土柱高度应充分考虑动荷载作用,根据高速铁路动荷载特征,列车荷载和轨道静荷载之和一般不小于50 kPa,因此,预压土柱高度不宜小于2.5 m。

讨论和实施意见：堆载预压土柱高度根据具体工点工程情况,结合施工工期确定。

2.5 无砟轨道路基曲线地段超高施作

对无砟轨道路基曲线地段超高施作,外方咨询提出：为便于施工,无砟轨道路基曲线地段超高粗调在路基基床表层施作,精调在轨道水硬性混凝土支撑层施作。

讨论和实施意见：认可外方咨询意见。

2.6 过轨管道

对路基过轨管道,外方咨询提出：为避免过轨钢管引起轨道纵向刚度突变,对高速列车产生不利影响,过轨钢管到轨底的距离应不小于2.5 m,如不满足此条件,应分析列车通过时轨道、路基、管道的动力相互作用对列车运行的影响,但如何分析外方咨询也缺乏经验；为避免过轨PVC排水管由于高速列车的重复动力作用产生疲劳破坏,过轨PVC管到轨底的距离应不小于1.5 m,并根据设计流量确定管道直径和坡度；对过轨管道应根据列车荷载进行静力分析,管道铺设时,严格按照静力分析设定的填土和刚度施工,过轨钢管顶应设置缓冲弹性板。

讨论和实施意见：路基过轨管道埋深按照过轨管道到轨底的距离不小于1.5 m考虑,并考虑过轨管道构造和耐久性。

2.7 边坡稳定性

对边坡稳定性,外方咨询提出：边坡稳定考虑边坡施工阶段、施工完成阶段、地震力作用等工况,对恒载、活载、岩土内摩擦角和内聚力、土工织物等采用分项安全系数进行计算；软土路基、高路基、基底采用土工织物加固的路基,还应考虑边坡基底面剪切破坏,滑动力按边坡块体受库仑主动土压力作用,抗滑力为基底摩擦力,按照极限平衡法计算。

讨论和实施意见：一般情况下,德国路基边坡坡率较中国的缓。路基边坡稳定性计算,德国采用分项安全系数法,中国采用整体安全系数法,二者难以从计算数值上进行比较。考虑到中国采用的路基边坡坡率已有几十年的工程实践验证,路堤边坡稳定性检算按现行规范执行,为慎重起见,选取典型工点进行对比分析。

2.8 过渡段材料

对过渡段材料,外方咨询提出：桥-桥、桥-隧、隧-隧之间小于60 m短路基过渡段,设置C15混凝土板渐变厚度过渡不经济。过渡段采用级配碎石加3%～5%水泥进行填筑,其刚度足以满足设计要求,控制过渡段设计的是刚性结构与填土的工后沉降差,如果工后沉降差得以控制,就可减少附加动荷载作用。大于60 m,小于150 m的路基过渡段采用一般性过渡段设计即可。

讨论和实施意见：桥-桥、桥-隧、隧-隧之间小于60 m短路基过渡段,在满足工后沉降控制条件下,采用级配碎石加3%～5%水泥进行填筑。

2.9 沉降计算

对沉降计算,外方咨询提出：沉降估算采用有限元法或附加应力理论分层总和法。饱和土地基与非饱和土地基工后沉降与地基固结时间估算,按照太沙基固结理论进行。在对已开挖路堑进行现场调查后,外方咨询也认为按太沙基固结理论进行地基固结时间估算可能不太合适,但考虑到目前还没有非饱和土的沉降以及沉降完成时间的计算办法,只能参考固结土的办法进行沉降以及沉降完成时间的估算。

讨论和实施意见：采用附加应力理论分层总和法,考虑地基土的应力历史进行地基总沉降估算。沉降经验系数根据中国《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中的当量模量法进行选取。按太沙基固结理论进行饱和土路基的工后沉降和地基固结时间估算,按中国《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中的经验值进行非饱和土路基的工后沉降和地基固结时间估算。鉴于地基土层沉降变形完成时间计算方面的国际土力学理论研究相对滞后,只能参照现有理论估算与现场沉降观测相结合的方法,通过精确的现场沉降观测推算地基沉降发展趋势及最终沉降量,评估铺设无砟轨道的条件。

3 桥梁

3.1 桥面布置

对桥面布置,外方咨询提出：德国桥面维修检查车通道宽度为1.2 m,武广铁路客运专线桥梁桥面维修检查车通道宽度采用0.8 m过窄；两线无砟轨道板之间和无砟轨道板与防护墙之间应用道砟填平,其作用是列车脱轨时,道砟可以吸收部分动能,并能有效阻止列车倾覆,减小灾难损失,当灾难发生时,填平的桥面可提供有效的工作通道；与德国相比,设计的防护墙过弱,难以起到防护作用。

讨论和实施意见：桥面布置能够满足维修检查车通行要求；两线无砟轨道板之间和无砟轨道板与防护墙之间不填道砟；进一步核实防护墙设计。对于两线无砟轨道板之间和无砟轨道板与防护墙之间是否填道砟问题,笔者认为需要更深入分析其利弊。

3.2 残余徐变控制值

对32 m简支箱梁残余徐变控制值,外方咨询提出：设计按照10 mm控制标准偏低,应按照德国标准不大于L/5 000控制。

讨论和实施意见：32 m简支箱梁设计已考虑了控制铺轨后收缩、徐变变形的措施,根据设计计算和试验研究,客运专线标准梁铺轨后的收缩、徐变变形能够满足《无砟轨道设计指南》10 mm的要求,设计中考虑了各种不定因素的影响,控制值为7 mm,实际设计值满足不大于L/5 000的要求。

3.3 涵洞分节

对涵洞分节,外方咨询提出：根据德国的规范和经验,框架涵洞一般不设沉降缝。对特别长的涵洞需设置沉降缝时,涵节长至少12～15 m,且接缝处不得在同一线路的两根钢轨之间。因为沉降缝越多,发生漏水、不均匀沉降等病害的概率就越大。涵洞高度不应小于4 m,以保证有足够的刚度抵抗地基不均匀沉降,沿涵长的配筋必须经过计算确定。涵洞边墙厚度应不小于30 cm,才能保证满足裂缝宽度限值和结构耐久性的要求。设计的沉降缝过于简单,难以达到永久性防水的要求。为保证涵洞整体刚度,必要时应沿涵长设预应力钢筋。按照德国规范,混凝土结构容许裂缝宽度一般是0.2 mm,在有水情况下是0.15 mm,中国规范笼统规定为0.2 mm,标准偏低。

讨论和实施意见：轨道间不能设置沉降缝,容许在两条线中间设置沉降缝,每线下的涵节长度不小于5 m,应尽可能考虑增加涵节长度。除涵节长度不小于5 m外,涵节长度应尽可能不小于2倍涵洞孔径,并考虑地基条件,地基条件差时,应采用较长的涵节。斜交时,应保证涵洞接缝方向与线路方向一致。应尽可能使涵节在轨道板下应力扩散角范围内,避免不均匀沉降。涵节接缝不仅是对其受力和不均匀沉降有影响,而且是施工中的薄弱环节,应尽量避免或减少,并在设计图中特别提醒施工重视,涵洞接缝设计按全断面防水考虑,同时还应按涵洞内防水和涵洞外防水考虑,以防止涵洞内的水渗出和涵洞外的水渗入,涵节接缝的处理,应随不同的地基刚度而采用不同构造,建议按土到硬质岩石分为5～10种。由于涵节增大,应考虑沿涵洞长度方向的受力,可按弹性地基梁法进行受力分析,并满足沿涵洞长度方向的配筋大于涵洞环框配筋量20%的要求。涵洞的边墙厚度和涵洞配筋,根据设计计算确定,裂缝宽度按中国规范控制。

3.4 桩基计算

对桩基计算,外方咨询提出：承台应采用六面配筋,承台底部钢筋按照“撑杆-压杆”理论计算确定。

讨论和实施意见：承台顶部和底部钢筋按照计算确定,顶部配筋率不小于0.06%,底部配筋率应满足《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)规定的不小于0.15%的要求,侧面配置护面钢筋

3.5 制动力、牵引力取值

对制动力、牵引力取值,外方咨询提出：制动力应按车辆荷载的25%计算,双线桥应同时计算一线制动力、一线牵引力。

讨论和实施意见：制动力、牵引力按照规范取值,双线桥一般不同时计算制动力和牵引力,车站桥梁考虑同时计算制动力和牵引力。

4 隧道

4.1 隧道防灾救援

对隧道防灾救援,外方咨询提出：德国铁路标准将隧道分为短隧道(500～1 000 m)、长隧道(1 000～15 000 m)和特长隧道(>15 000 m),其要求各不相同。这些标准代表了目前的技术发展水平,以消防和防灾为基础,设计的长隧道和特长隧道采用双洞单线隧道,在两个单线隧道之间每1 000 m设1条横向通道，以确保乘客可以从未发生事故的隧道安全撤离。德国高速铁路中的长隧道也有双线单洞隧道,但是在这种情况下,隧道应配备必要的紧急出口和消防措施。

讨论和实施意见：武广铁路客运专线6座重点隧道采用双线单洞隧道符合中国的国情和现状,对防火防灾设计进一步细化,适当增加疏散通道,增加平导或延长平导长度,增加平导与正洞的横向通道数量。

4.2 隧道勘察

对隧道勘察,外方咨询提出：长大隧道地质钻孔数量过少,不能满足高速铁路设计要求,尤其是铁路通过岩溶区、破碎带和接触带时,将影响隧道设计的精度和安全性。为避免在地质情况不明情况下开挖隧道,必须对地质构造和地下水位进行彻底勘察,为取得可靠的地质信息,钻孔间距不应小于50～200 m。

讨论和实施意见：从防排水设计需要出发,勘探资料深度能够反映地下水位情况,钻孔数量符合中国有关规范的要求，满足设计需要,但要重视施工阶段的地质工作。对地质复杂的隧道,施工中加强地质超前预报和现场判识,进一步探明地质情况,完善和调整设计和施工方案,确保工程安全可靠。

4.3 隧道开挖方法

对隧道开挖方法,外方咨询提出：在浅埋和围岩较差地段采用的开挖方法不妥,尤其是CD和CRD方法,需要进一步解释采用的开挖方法是否符合新奥法原则,德国在同样地质情况下,采用的是双侧壁导坑法、临时仰拱法、台阶法。

讨论和实施意见：设计采用的隧道开挖工法,是在理解并运用新奥法的基础上,经中国许多工程实践检验总结出来的方法,符合中国的施工工艺和技术装备水平,能够确保大断面、大跨度、软弱围岩隧道施工的安全。软弱围岩采用中壁导坑法或双壁导坑法。施工中注意,分块不宜过多,台阶不宜过长,充分发挥初期支护的作用,尽量缩短断面闭合时间,并做好施工组织设计,细化开挖工法和工艺,加强初期支护监控测量,有效控制围岩变形,不断完善施工工法。

4.4 隧道防、排水

对隧道防、排水,外方咨询提出：对于隧道衬砌的整体排水,排水横向通道是不够的,φ100 mm排水管太小,应该至少为φ250 mm,建议按全封闭防水设计。基本上整个排水系统应该重新考虑,使之成为一个防水系统。应该重新设计为无排水系统的隧道以避免水的渗出并加强维护。辅助坑道排水沟断面尺寸采用10 cm×10 cm过小。防水板厚度至少为4 mm。

讨论和实施意见：横向排水管直径可以满足大部分情况下的过水能力要求,在地下水量较大的地段,根据施工中开挖揭示情况细化排水设计。

4.5 隧道断面和支护

对隧道断面和支护,外方咨询提出：设计采用的隧道断面轮廓不合理,上部空间富余大,两侧安装固定装置的空间可能不足。采用的0.8 m×0.8 m锚杆间距过小,应加大到1.5 m×1.5 m。

讨论和实施意见：设计采用的隧道断面轮廓和支护参数合理,施工中做好监控测量,及时调整支护参数,确保施工安全。对于坠陀侵入救援通道问题,研究在下锚段地段局部扩大或考虑改变锚段关节设施的布置。

4.6 隧道洞门

对隧道洞门,外方咨询提出：隧道进出口段的洞门应考虑空气动力学效应,预留洞口压力释放孔和缓冲结构设置的空间。

讨论和实施意见：有条件情况下,隧道进出口段的洞门预缓冲结构的位置,补充进行隧道预留洞口压力释放孔和缓冲结构设置的分析研究。

5 结语

通过对路基、桥梁、隧道设计和咨询中的重大技术问题的探讨,可以看出,中国的设计技术标准和设计原则,基本满足客运专线建设的需要。国外的技术标准和技术,有的对我国客运专线铁路建设具有启迪意义,促进我们在建设中加深研究和完善；有的不能照搬照套,需要结合中国的国情加以消化和吸收；也有不符合中国国情不能采用的地方。总体而言,通过建设过程中对这些重大技术问题的讨论和确定,加深了设计和咨询对国内外技术标准的认识和认同,进一步确保了工程建设的质量和安全性,保证了工程建设的顺利实施,为实现建设世界一流客运专线的目标奠定了基础。

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