武广铁路客运专线韶关至花都段设计的主要技术特点

2010-03-21许佑顶

铁道标准设计 2010年1期

陈列,许佑顶

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 概述

武汉至广州铁路客运专线设计速度目标值350 km/h,线路全长1 068.6 km,全线铺设无砟轨道。武广铁路客运专线韶关至花都段线路长度159 km,线路穿越南岭瑶山山脉后进入韶关断陷盆地,顺北江西岸南行,穿越粤北低山丘陵区或河谷区,进入珠江三角洲平原。沿线地形、地质条件复杂,不良地质发育。针对武广铁路客运专线设计速度高、铺设无砟轨道、韶关至花都段地形地质情况复杂的特点,按照建设经得起运营考验和历史检验的世界一流客运专线铁路的要求,在武广铁路客运专线韶关至花都段设计中,在严格执行客运专线铁路设计技术标准前提下,根据丰富的复杂山区铁路设计经验,通过对设计关键技术的原始创新和再创新,制定出一系列控制线路平顺性、结构沉降、结构变形、结构动力性能和施工精度的技术措施,满足了工程建设的需要,确保了武广铁路客运专线的安全性、平顺性和耐久性。

2 设计的主要技术特点

武广铁路客运专线韶关至花都段设计的主要技术特点有：充分考虑旅客乘坐的舒适性的线路线形选择，满足无砟轨道铺设和运营维修的测量技术，严格控制设置钢轨伸缩调节器，合理的路桥分界原则，有效控制软弱路基沉降的桩-板和桩-网结构，CFG桩复合地基加固，合理的路基过渡段设计，紧密结合工程实际的越岭地段桥梁制架方案，墩台沉降控制方法，车桥动力仿真分析，合理的大跨度桥梁方案，满足客运专线无砟轨道道岔要求的桥梁结构，满足结构整体性和耐久性要求的涵洞形式和构造要求，大断面隧道工程措施，隧道空气动力作用分析，针对性强的隧道防排水方案，有利于消除可溶岩隧道隐患的工程措施，考虑列车高速通过时声屏障脉动力的声屏障技术。

2.1 线路线形选择

尽可能选用直线和大的曲线半径,提高旅客乘坐的舒适性,减小超高量。韶关至花都段直线长度占线路长度的45%；曲线最小半径9 000 m,且仅占线路长度的11%,半径10 000 m曲线区段占线路长度的32%,半径10 000 m以上曲线区段占线路长度的12%。

注重线路平、纵断面组合,减小动载响应、增加旅客舒适度。尽量加大竖曲线与缓和曲线之间的距离,提高旅客舒适度,一般情况下,竖曲线与缓和曲线之间的最短距离不小于200 m；平面曲线范围内变坡尽量采用一面坡,避免使用连续起伏坡。

结合地形条件,在工程量增加不大的情况下,尽量采用较小的坡度、较长的坡段长度和半径30 000 m的竖曲线。韶关至花都段6‰及以下坡段长度占线路长度的70%,大于12‰坡段长度仅占线路长度的1%；1 000 m长坡段仅1处,其长度占线路长度的0.4%。

2.2 无砟轨道测量技术

为满足铺设无砟轨道的设计时速350 km客运专线勘测、施工、运营维护3个阶段测量的要求,引入勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网采用以CPⅠ为基础平面控制网,高程控制网水准基点为基础高程控制网的“三网合一”的理念。

充分发挥GPS定位技术测量精度高的技术优势,开展基础平面控制网(CPⅠ)和线路控制网(CPⅡ)测量。为避免区域沉降对铁路高程基准点的影响,全段埋设深水准标,水准标最深33 m。水准测量全部采用高精度电子水准仪,观测数据实行自动记录、自动传输和计算机处理。为了保证在长大隧道洞内导线网具有较强的几何强度,满足CPⅢ控制网约束精度,CPⅡ控制网测量采用点对布点,逐站观测形成多个四边形的导线网。CPⅢ控制网测量采用自由测站后方交会法测量CPⅢ控制点的平面坐标,采用精密水准环法测量CPⅢ控制点高程。

2.3 钢轨伸缩调节器

钢轨伸缩调节器是无缝线路的薄弱环节,严格控制设置钢轨伸缩调节器,通过优化结构布置、调整扣件阻力等措施,韶关至花都段避免了设置钢轨伸缩器。

2.4 路桥分界原则

根据路堤地基条件、填料性质及来源、当地土地资源、城镇交通要求等,通过技术经济比较综合确定路桥分界高度。一般地段路桥分界高度可采用7～8 m,在城市近郊时可采用5 m左右；软土地基地段,路桥分界高度一般为4～6 m。池塘集中、道路和沟渠密集、沉降控制困难的软土地基地段宜按设桥方式通过。

2.5 路基桩-板结构和桩-网结构

采用桩-板结构路基和桩-网结构路基2种无砟轨道铁路路基结构,有效解决了武广铁路客运专线无砟轨道深厚软弱路堤、道岔区路基、软弱地基路堑等地基沉降控制,效果显著,与桥梁方案相比,节省工程投资。

桩-板结构主要应用于路堑及低路堤地段处理深度大于20～30 m的深层地基加固。桩-板结构由钢筋混凝土桩基、托梁和上部混凝土承台板组成。托梁和承台板一般为三跨一联。桩基沿线路方向布置两排,钻孔法施工。

钢筋混凝土桩-网结构主要应用于处理深度20～40 m的地基加固。钢筋混凝土桩-网结构由钢筋混凝土桩和倒杯形桩帽及上部加筋垫层共同组成,桩基正方形布置,桩嵌入稳定基岩。桩-网结构属于刚性桩地基,路基和列车荷载的附加应力直接传递到基底的群桩上,不考虑桩基自身的压缩变形。

2.6 路基CFG桩复合地基

采用CFG桩复合地基有效控制地基沉降,满足无砟轨道铺设条件。CFG桩主要应用于处理深度10～22 m的地基加固。

CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩的简称,是将碎石、石屑、粉煤灰和少量水泥加水拌和制成的一种具有一定黏结强度的桩。CFG桩的骨料为碎石,掺入石屑可使级配良好,掺入粉煤灰不仅利用了废料,而且增加了混合料的和易性,并能提高桩体的后期强度。武广铁路客运专线设计的CFG桩的混凝土强度等级为C15,属于半刚半柔性桩复合地基,它能充分发挥桩周摩擦力和端承力,桩土应力比较高,对复合地基承载力的提高幅度较大,并有沉降小、稳定快的特点。为保证施工质量,CFG桩均采用长螺旋管内泵送施工工法,混合料集中拌和、罐车运输至工点。

2.7 路基过渡段

根据不同线下基础纵向刚度匹配,确定无砟轨道铁路桥路过渡段、涵路过渡段、隧路过渡段、路堤与路堑过渡段以及桥隧之间短路基过渡段等构筑物过渡段结构与构造措施,满足了路基面支承刚度范围值，以及采用不同掺灰量水泥稳定级配碎石实现路基纵向和竖向刚度逐渐过渡的要求。

过渡段材料及过渡段长度主要依据相连结构物的特点和路基长度来确定,材料为水泥稳定级配碎石、AB组填料及混凝土。通过采用不同材料不同类型的过渡形式,使轨道刚度逐渐变化,减小沉降差,降低振动,减缓路基变形,以保证列车安全、舒适运行。

2.8 越岭地段桥梁制架

武广铁路客运专线韶关至花都段,线路沿广东北部中低峡谷区及珠江三角洲平原北缘,山高谷深,沟壑交错,桥梁、隧道密集,具有桥隧相连的山区铁路特征。根据自然条件和桥隧分布情况,在原则采用预制梁场集中预制整孔简支箱梁,900 t运梁车运至桥位,架桥机现场整孔架设前提下,通过合理布置预制梁场,并在桥隧密集相连地段辅以整孔箱梁切割部分翼缘板运输通过隧道、移动模架现浇整孔箱梁、膺架法现浇整孔箱梁、满堂支架现浇整孔箱梁等措施有效解决了越岭段桥梁施工难题。

2.9 墩台沉降控制

通过合理设置桩数和桩长,并根据地质试验测试的分级压力下压缩模量和压缩系数,按照桥梁桩基施工加载工况计算墩台沉降量和沉降曲线,并通过现场试桩验证,确保设计计算的墩台沉降量与实际相符,满足铺设无砟轨道的沉降量和沉降差限值要求。工程实测证明,桥梁墩台沉降得到有效控制,确保了桥梁结构满足无砟轨道铺设和高速运营的要求。

2.10 车桥动力仿真分析

对典型桥梁和特殊桥梁,严格控制桥梁结构的自振特性,并按照高速列车动力参数、高速铁路轨道不平顺谱和1.2倍设计时速,采用国际先进的计算软件和国内开发的成熟软件,对桥跨结构系统进行车-线-桥耦合动力仿真分析,严格控制列车脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度、舒适性评价指标,确保使各项技术指标满足时速350 km及更高时速高速列车安全平稳运行和旅客乘座舒适性要求。

2.11 大跨度桥梁

通过严格控制结构的自振特性、车-线-桥耦合动力仿真分析指标,以及列车作用、温度变化、收缩徐变等引起的结构变形,确保大跨度桥梁满足铺设无砟轨道和高速行车的要求。

优化支座布置,避免设置轨道温度伸缩调节器。

设计检算考虑900 t运梁车运整孔简支箱梁通过特殊结构桥梁工况,及在其两端架设整孔简支箱梁工况,满足工程需要。

通航河流桥梁防护采用柔性阻尼吸能防撞措施,确保结构的安全。

通过采用搭设支架、增大连续梁灌注阶段长度等措施,实现大跨度预应力混凝土连续梁快速施工。

2.12 无砟轨道道岔梁

无砟轨道道岔梁按照尖轨和心轨处避免设置桥墩,并满足无缝道岔至梁缝的最小距离要求,选用适当跨度连续梁箱；支座布置考虑桥梁温度跨度,避免设置轨道温度伸缩调节器。确定合理的梁体竖向刚度和桥墩刚度；建立桥上无缝道岔“车辆-岔-桥-墩一体化”计算模型,将车辆、钢轨、道岔、桥梁、墩台视为一个相互作用、相互影响的系统,进行耦合分析,验证桥上无缝道岔对列车高速通过的适应性,解决无砟轨道的跨区间无缝线路高速道岔桥设计问题。

设计按照梁缝距无缝道岔的距离大于40 m考虑,计算出连续梁最小梁长为道岔长度加80 m。合理布置道岔在梁上的位置,避免在无缝道岔的尖轨和心轨区设置桥墩,以使桥梁及道岔的受力与变形处于最合理的状态。尖轨、心轨处挠跨比按L/10 000控制,竖向折角按不大于0.5‰控制。连续梁梁长尽可能控制在满足不设轨道温度伸缩调节器的范围内,并通过将固定支座设置在连续梁中部的办法,避免设置轨道伸缩调节器。

2.13 无砟轨道涵洞

根据铺设无砟轨道客运专线对涵洞整体性和耐久性的要求,涵洞采用框架涵洞。严格控制涵洞沉降和变形,涵洞与路基基础处理相协调。按照沉降缝不得设在同一线路的两根钢轨之间和采用长分节的原则确定涵洞阶段长度,并对沉降缝及涵身严格进行防水设计。

2.14 大断面隧道工程措施

根据工程地质、地貌及水文地质条件等因素,采取“防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理”的原则,重视初期支护的防水,以混凝土结构自防水为主体,以施工缝、变形缝防水为重点。

采用复合式衬砌,洞口段、浅埋段、断层破碎带等地段和隧道与辅助坑道连接处采用复合式加强衬砌,明挖段采用明洞衬砌。Ⅱ级围岩采用曲墙式不带仰拱衬砌,底板采用钢筋混凝土；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩采用曲墙式带仰拱衬砌。对承载力[σ]≤150 kPa的软岩隧道基底采用小导管注浆、片石混凝土换填等措施进行加固处理。

根据围岩特征分别采用台阶法、CD法、CRD法或双侧壁导坑法施工。Ⅱ、Ⅲ级围岩采用台阶法开挖,Ⅳ级围岩采用CD法或CRD法开挖,V级围岩采用CRD法或双侧壁导坑法开挖,喷锚支护,先施作仰拱后拱墙一次衬砌。隧道开挖采用光面爆破,初期支护喷混凝土采用湿喷工艺。隧道洞口浅埋段,采用明挖法施工或采取地表注浆、超前管棚预注浆等预加固措施。洞身经过断层破碎带、接触带或埋深较浅地段,采用小导管、大管棚超前预注浆加固岩体,并结合型钢拱架等辅助措施通过。浅埋地段亦可采用明挖法施工。初期支护采用喷锚支护,软弱围岩段采用格栅(型钢)钢架及超前小导管、大管棚或中空锚杆加强支护。初期支护喷混凝土采用湿喷工艺。

2.15 隧道空气动力作用

采用国际先进的计算软件和国内开发的成熟软件进行隧道空气动力作用分析,分析列车通过隧道时的压力变化、微气压波、会车时压力变化、纵坡对压力变化的影响、乘坐舒适度和健康损害等空气动力学机理,加深对长隧道空气动力作用效应的认识。根据分析结果,通过利用既有辅助坑道、在既有明洞顶进行空气动力学开孔以及接长明洞增设缓冲结构等措施缓解空气动力学效应。

2.16 隧道防排水

采用有针对性的防排水原则和工程措施,满足山区无砟轨道铁路客运专线岩溶隧道防排水要求和无砟轨道的稳定性。隧道结构的防水等级按一级设计,不允许渗水,结构表面无湿渍。

防水原则为：隧道二次衬砌采用防水混凝土,其抗渗等级不低于P8；隧道初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位铺设防水板加土工布防水；隧道衬砌纵、环向施工缝(含仰拱)均涂抹混凝土界面剂并加设中埋式橡胶止水带,拱墙环向施工缝内缘采用嵌缝材料嵌缝；变形缝填充聚苯板并加设中埋式钢边止水带,外缘采用外贴式橡胶止水带,内缘采用嵌缝材料嵌缝；二次衬砌拱部预留充填注浆孔,待混凝土达到设计强度后进行充填注浆。

排水参数及措施为：洞内设置双侧排水沟加中心排水明沟,对于长度较短(原则上小于500 m)、地下水贫乏的非可溶岩隧道不设中心排水明沟,实践证明加设中心排水明沟措施大大减少了工程隐患,值得借鉴；设置环向φ50 mm(10 m一道)、纵向φ150 mm盲管,将渗漏水引入洞内侧沟,经侧沟的汇集和沉淀后再由侧沟和中心沟排出洞外；防水层铺设前应采取临时的排水措施,在隧道开挖后如遇局部股水,设置专门的引水管将水引入隧道侧沟,引水管可视股水大小设置,一般采用φ50 mm的硬塑料管。

2.17 可溶岩隧道

韶关至花都段穿越可溶岩地段的隧道共15座,施工图设计中对超前预报和隧底物探提出了明确要求,有利于及时发现和消除隧道溶岩隐患。

超前预报措施为：利用地质雷达超前探测灰岩地段的岩溶、溶洞发育情况,预告前方地质情况；根据超前地质预报情况,在掌子面施作φ75 mm超前钻孔探测,每个断面布设不少于2个探测孔,单孔长度为30 m,每25 m一循环,当有异常情况时,可加密或加长钻孔；对预测预报所得的资料进行综合分析与评判,相互印证,并结合掌子面揭示的地质条件、发展规律、趋势及前兆进行预测、判断,相应优化调整措施,以确保施工安全及结构安全。

隧底物探措施为：隧道开挖后,施作仰拱前,应对隧道基底进行综合物探,以查明基底是否隐伏有溶洞、暗河等不良地质,以便采取合理的治理方案。

对施工过程中揭示的溶洞,根据溶洞的实际形态,采取换填、回填、支顶、充填注浆等措施处理,对岩溶水发育段落采取埋管集中引排、增设泄水洞等工程处理。隧底物探发现的溶洞,采取钢花管注浆、回填、换填、支顶等措施处理。