武广铁路客运专线乌龙泉至韶关段无砟轨道路基过渡段设计

2010-07-27詹学启郭建湖

铁道建筑 2010年1期

詹学启,郭建湖

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

武广铁路客运专线路基过渡段设计,通过大量的国内外调研,结合理论仿真计算展开研究,共进行了65种过渡段形式及技术要求的研究优选,最终确定了28种过渡段结构形式的设计,不仅包括了桥路、涵路、隧路、堤堑、半填半挖路基、不同岩土组合路基和客运专线与联络线相接等路基纵向、横向的过渡段的基本形式,而且包括了桥桥、桥隧、隧隧、桥堑之间短路基等各类过渡段结构类型及其地基处理特殊技术要求的设计。

1 路基本体过渡段类型及其技术要求

1.1 基本过渡段设计

路基本体结构的过渡段按结构物类型可分为桥路过渡段、涵路(路堤与横向结构物)过渡段、隧路过渡段、堤堑过渡段、半填半挖路基及不同岩土组合过渡等;按过渡的方向考虑分为纵向过渡和横向过渡等,过渡段标准形式见图1和图2。

1.1.1 桥路过渡段

图1 路堤地段桥路过渡段标准形式示意(单位:m)

桥路过渡段结构形式主要有填方桥台桥路过渡段与挖方桥台桥路过渡段。

1)当路基与桥梁相接地段位于路堤填土地段,桥路过渡段可采用沿线路纵向的倒梯形过渡段或正梯形的二次过渡段形式。过渡段纵向长度 L=2(h-b)+A(L为过渡段长度,单位为米;h为台后路堤高度,单位为米;A为常数 3～5 m;b=0.7 m)。过渡段范围内基床表层范围采用级配碎石掺入 5%水泥填筑,台后的正梯形部分采用水泥稳定级配碎石掺 5%水泥填筑,其后再设置一段倒梯形过渡段,采用 A组、B组填料。在路基与桥台结合部设宽 10 cm带排水槽的渗水墙,渗水墙采用无砂混凝土块砌筑。在渗水墙底部设直径φ=100 mm渗水管将渗流水排出路基以外。

在路基沉降控制设计中,台后路基的工后沉降设计按 5～8 mm控制,考虑到桥台将有可能产生几个毫米的沉降,预计桥台与台后路基的沉降差不会超过 5 mm,因此,本线桥台与台后路基在设计图中暂未设置搭板,但要求施工中应加强桥台与台后路基的沉降差观测与分析评估工作,一旦桥台与台后路基工后沉降差可能超过 5 mm时应及时采取措施。

图2 路堑地段桥路过渡段标准形式示意 (单位:m)

2)本线位于路堑挖方地段的桥台较多,设计对当桥台台尾路基为软质岩、强风化的硬质岩及土质路堑时,桥路过渡段采用混凝土或级配碎石掺 5%水泥填筑,纵向过渡段长度不小于20 m。在过渡段以外 20 m范围内的基床表层级配碎石掺 5%水泥。当桥台台尾路基为硬质岩路堑,桥台基坑采用 C 25混凝土回填。

1.1.2 涵路过渡段

1)路堤与横向结构物(立交框构、箱涵)过渡段。立交框构、箱涵位于路堤填土地段时,设置路堤式涵路过渡段,同时根据路基面至横向结构物顶面的高度不同,采取不同的结构形式,见图3。

当路基面距横向结构物顶的垂直高度＜2.0 m时,如图3(a)所示,涵洞两侧不小于 20 m范围内的基床表层采用级配碎石基床表层掺 5%水泥填筑,表层以下至涵顶间及每侧顶宽 2 m的正梯形范围内采用级配碎石掺 5%水泥填筑,其外侧再设置底宽 3 m的倒梯形 A组、B组填料过渡段。当路基面至横向构筑物顶不小于 2 m时,则如图3(b)所示设置过渡段。

当横向构筑物轴线与线路中线斜交时,应使过渡段的设置与线路中心垂直,避免横向的刚度差异。当涵洞门有翼墙时,基底混凝土回填层应做成向涵洞外侧倾的排水坡,将水引到翼墙边缘,经横向透水管将水排出路基。

图3 路堤地段涵路过渡段标准形式(单位:m)

2)路堑与横向结构物过渡段:当横向构筑物位于土质、软质岩及强风化硬质岩路堑中时,构筑物两侧各不少于 20 m范围内基床表层换填级配碎石掺 5%水泥,基坑范围内的基床底层换填厚度范围采用级配碎石掺 5%水泥填筑,基床底层以下基坑采用 C 15混凝土回填。当横向构筑物位于硬质岩路堑时,构筑物基坑均采用 C 25混凝土回填。

1.1.3 隧路过渡段

隧道与路基相联一般位于路堑地段,隧路过渡段的设计需根据不同的洞门形式、地基土岩性、隧道排水方式等情况,设置了不同的隧路过渡段,并将电缆槽、排水等顺接到路基。

1)当隧道与硬质岩路堑相接时,无论是与斜切式洞门还是挡翼墙洞门相联,均应将洞门开挖基坑采用C 25混凝土回填。当为斜切式洞门与路堑相连时,如隧道线间沟或侧沟水需要引入路基两侧侧沟排出,则于洞门相接处对应设置 C 25钢筋混凝土集水井,集水井中的水通过斜向预埋钢筋混凝土排水管,将水引入两侧侧沟排出。

2)隧道与土质、软岩及强风化硬质岩路堑相联时,路基与斜切式洞门相联时,隧道线间沟的水需经过路基侧沟排出,其过渡段长度不小于 27 m,其中与隧道相接段应有不小于 7 m长采用 C 25混凝土浇筑,20 m长的级配碎石过渡段,其表层均采用级配碎石 +5%的水泥,底层底宽不小于 5 m的倒梯形范围内采用级配碎石 +5%的水泥填筑,见图4。

3)当路基与挡翼墙洞门相联时,则路基范围设置长度不小于 20 m的过渡段,过渡段范围基床表层采用级配碎石 +5%的水泥,底层于底宽不小于 5 m的倒梯形范围内采用级配碎石 +5%的水泥填筑,见图5。

1.1.4 路堤路堑过渡段

路堤与路堑过渡段设计,在详细研究过渡段处的地形条件、地基条件,通过采取合理的措施使纵、横向的刚度均匀过渡和减小差异沉降,同时注意排水系统的衔接。当路堤与弱～微风化硬质岩石路堑连接时应设置堤堑过渡段,过渡段自路堑一侧沿原硬质岩坡面纵向开挖台阶,台阶高度 0.6 m左右。过渡段基床表层 20 m范围内填掺入 5%水泥的级配碎石,表层以下自路堤一侧分层填筑级配碎石。级配碎石与路堤填料之间的分界线应与线路走向保持垂直,使轨道板下基础保持均质。当路堤与强风化硬质岩、软质岩石或土质路堑连接时,路堑一侧沿坡面按 1∶2的坡率挖台阶,台阶高度 0.6 m左右,见图6和图7。

1.1.5 半挖半填路基横向过渡

陡坡地段的半填半挖路基,为保证路基横向刚度与变形均匀一致,基床表层以下挖除换填均质材料,换填厚度及范围由以下条件确定,基床底层 2.3 m范围内的填料一致,或底层换填厚＜2.3 m时换填底轨道主要受力范围内的地基条件一致,且满足基床换填厚度的要求。挖除换填地基土的底部应设向外倾斜 4%的横向排水坡。

图4 斜切式洞门隧路过渡段标准形式示意(单位:m)

图5 挡翼墙式洞门隧路过渡段标准形式示意 (单位:m)

图6 硬质岩地段堤堑过渡段标准形式示意(单位:m)

图7 半挖半填路基横向过渡标准形式示意 (单位:m)

1.1.6 不同岩土组合路基纵横向过渡设计

路堑地段当硬质岩石路基与土质路基纵向连接时,应由硬质岩路基向土质路基设置纵向过渡段,其长度不应小于 20 m,过渡段范围内基床表层采用级配碎石掺 5%水泥填筑,且满足基床表层的压实标准,表层以下底宽 5 m的倒梯形范围内换填级配碎石掺 5%水泥,换填厚满足相应地层的换填要求。当横向存在土石组合或半填半挖时,应分别满足不同岩土组合横向过渡设计要求,以及半填半挖横向过渡设计要求,见图8。

1.2 组合式过渡段设计

当桥桥、桥隧、隧隧(包括期间分布的涵洞)之间的路基长＜150 m时,存在短路基范围内各种基本过渡段密集分布、重叠或冲突现象,尤其当短路基长度＜60 m时显得更加突出。设计上分别对＜60 m的短路基与 60～150 m的短路基两种情况进行短路基过渡段设计,对于长度＞150 m路基可不按短路基考虑设置组合型过渡段。

短路基范围内往往包含桥路、涵路、堤堑、隧路、半挖半填等基本型过渡段,当短路基范围内分布多个过渡段时,就无法正常分别设置各种过渡段,否则将存在各过渡段间的重叠及其“二次过渡”问题,无法真正起到过渡的目的,且各具体工点的条件千变万化,给现场施工带来困难或混乱。设计需充分考虑与路基相联的桥、涵、隧间短路基的可能条件和组合形式,结合工程地质条件综合考虑设置组合型过渡形式。短路基过渡组合型过渡段的设置是在满足上述六种基本过渡段设置要求的基础上,结合地形地貌、施工方式等具体情况尽量将相邻过渡段连通设置,确保纵、横向刚度一致,平顺过渡的技术要求,同时兼顾在现有施工技术条件下的现场施工的可行性和方便性,主要组合式过渡段形式见表1。

基于上述原则,武广客运专线设计综合各种组合条件和形式,进行了近 65种组合过渡段形式及技术要求的研究优选,最终确定 28种“组合型”过渡段结构形式运用于武广客运专线的实际施工中。“组合型”过渡段设计综合考虑了各类过渡段叠加或组合等特殊情况的过渡段路基结构设计,解决了山区客运专线因纵、横向地形起伏,带来的不均匀变形以及刚度不均匀问题,解决了桥与路基、隧道与路基、涵洞与路基等不同构筑物间刚度差异、沉降差异的平顺过渡问题,实现了高速列车平稳、舒适运行,见图9。

图8 不同岩土组合路基横向过渡处理示意(单位:m)

图9 组合式路基过渡设计示意(单位:m)

表1 主要组合式过渡段形式一览

2 地基过渡设计及其技术要求

地基处理与加固措施的过渡也是路基过渡设计的重要部分,其目的是控制路基在地基部分的纵向、横向上的差异沉降。不同结构物间地基存在差异沉降,同样同一路基工点不同地段地基也存在差异沉降。设计通过不同的工程措施(如挖除换填、复合地基加固等),以及加固桩的桩间距、桩长的变化,以满足客运专线纵、横向沉降量或沉降差的控制要求。

地基处理的过渡设计主要包括:不同结构物(桥与路、路与涵等)之间纵向地基过渡设计;不同地基加固桩长或桩型之间过渡设计;加固区与非加固区之间的过渡设计和不同沉降控制标准结构物地基处理的过渡设计等。

2.1 不同结构物间纵向地基过渡设计

为达到桥路、路涵等过渡段地基的纵向沉降的逐渐过渡,设计采用桩型变化、桩间距、桩长变化等方法过渡。桩型变化是指与桥梁等结构物相接地段选用预应力管桩、方桩或钻孔灌注桩进行加固,其后选用刚度相对较小的 CFG桩、旋喷桩等加固,以达到沉降量逐渐过渡变化的目的;同时各种桩的桩间距由小到大逐渐变大,桩间距变化一般采取每隔 3～5排增大一定数值形式,一般在不小于 20 m范围地基采用加固桩桩间距或桩长变化,以满足工后沉降控制值由 5～10 mm过渡到 15 mm。对于涵路横向构筑物的过渡地段,应注意过渡段范围内的布桩与横向构筑物的加固措施协调,确保不均匀沉降满足要求。

2.2 不同桩长或桩型间过渡设计

复合地基或桩网结构的不同桩长之间也应设置过渡区,原则上从短桩往长桩侧逐渐递增,递增幅度不超过 0.5 m(如加固桩长从 10～15 m之间过渡区的桩长依次为 10.5、11.0、11.5……14.0、14.5、15.0 m),当加固桩已深达硬底时,则过渡区的桩长随硬底线变化。不同桩型之间宜在不短于 10.0 m范围内采用桩长或桩间距变化逐渐过渡,过渡段范围宜采用刚性相对较小的桩型。

2.3 加固区与非加固区间的过渡设计

复合地基或桩网结构加固区到非加固区时,应将加固区纵向延长不少于 10 m范围作为布桩过渡区;过渡区范围内桩间距按不大于 0.2 m的幅度逐渐加大,直至达到各种桩型常用的最大桩间距。当过渡区加固桩已深达硬底时,则过渡区的桩长随硬底线变化。

2.4 横向过渡设计

陡坡路堤地段,当路堤基底无法通过挖台阶,使基底水平时,应进行横向不均匀沉降差的控制。分别按左线左侧 2 m、以及右线右侧 2 m处为检算控制点,全断面沉降差应控制在 5 mm内,横向按不同桩间距布桩实现平稳过渡。当路基基底下卧地层存在横向不均匀变化时,应进行横向不均匀沉降差的控制,当地基加固至硬层(非压缩层或基岩)时,原则上桩底沿硬层顶面走势采用不同桩长实现过渡;当为“悬浮桩”时,分别按左线左侧 2 m、以及右线右侧 2 m处为检算控制点,横向按不同桩间距布桩实现过渡,全断面沉降差应控制在 5 mm内。