谈中东地区第一条高速铁路的路基设计标准

李锁平

(中铁第一勘察设计院集团公司,西安 710043)

1 概述

随着国际间文化交流日益频繁和世界能源利用量的加剧,中东地区交通运输业的建设突飞猛进,城市地铁轻轨、国内城际铁路、阿拉伯国家联盟(League of Arab States)及海湾合作委员会(Gulf Cooperation Council——GCC)国家间路网铁路等区域性铁路建设大规模的开发,阿拉伯铁路网覆盖除岛国科摩罗外的21个国家,设计长度达3.3万km[1]。当前沙特、伊朗、科威特、卡塔尔、阿尔及利亚、摩洛哥、利比亚等阿盟(League of Arab States)国家的高速铁路先后列入拟建或在建计划,欧美、日韩等世界铁路巨头国家纷纷进军中东市场。我国多年来在致力于国内经济建设的同时大力开拓国外市场,不断地加强与阿拉伯国家的经济技术交流和合作,铁路企业已在阿盟国家的铁路市场上占有一席之地,承建了多条铁路建设项目。世界高速铁路设计咨询主要控制在以法国为首的欧洲国家的公司,法国的设计标准基本覆盖了东欧市场,索菲图(Systra)公司总部在巴黎,是世界铁路和城市轨道交通领域首屈一指的工程技术公司,是海湾合作委员会(GCC)成员六国(科威特、沙特、巴林、卡塔尔、阿联酋、阿曼)铁路网络的主要设计咨询公司,已设计了中东地区第一条高速铁路——沙特阿拉伯哈拉曼(Haramain)高速铁路,承接了伊朗、阿曼等多个国家高速铁路的可行性研究,在中东地区高速铁路占有相当大的优势。

2 哈拉曼高速铁路概况

中东第一条高速铁路诞生于沙特阿拉伯西部,即哈拉曼(Haramain)高速铁路,也叫麦加(Makkah)～麦地那(Madinah)高速铁路,起始于沙特伊斯兰教穆斯林第一圣城麦加(Makkah),途经西部红海沿海重要经济城吉达(Jeddah)、国际机场、拉比赫(Rabigh)等,终止于第二圣城麦地那(Madinah)。哈拉曼(Haramain)高速铁路通过东西城际连接铁路——大陆桥,与东部利雅得(Riyadh)、达曼(Dammam)及北部哈伊勒(Hail)、阿尔阿尔(Arar)等经济重镇连通,是沙特铁路网的重要部分(图1)[2]。线下工程由法国索菲图(Systra)公司驻黎巴嫩分公司设计,麦加、吉达、拉比赫、麦地那等四重要城镇车站由英国福斯特建筑事务所(Foster Partners)设计。该项目将于2014年完工投入运营,主要是承担麦加(Makkah)至麦地那(Madinah)沿途城镇伊斯兰教穆斯林到圣城麦加(Makkah)、麦地那(Madinah)朝觐的旅运工作,预计线路开通后麦加(Makkah)至吉达(Jeddah)的运行时间缩短至0.5 h,麦地那(Madinah)至吉达(Jeddah)的运行时间缩短不到2 h,年运输能力将达2 000万人次。

图1 沙特铁路网示意

哈拉曼(Haramain)高速铁路途经低山丘陵区、山前侵蚀平原区、海滨平原区及山间平原区,线路全长449.3 km,设计行车速度350 km/h,双线有砟轨道电气化铁路。区内属于热带沙漠气候,月平均降雨量11.2～25.8 mm,年平均风速7～14 km/h,降雨量极少,干燥炎热,水资源缺乏,干沟、干谷发育。涉及地层主要为前寒武纪岩浆岩及火山碎屑沉积岩、第三纪中新世碎屑岩及玄武岩、第四纪玄武岩及冲积沉积层等,地表主要为砾石、砂土、淤泥、黏土以及风积沙等第四系沉积物。沿线流动沙链、新月形沙丘、沙堆及沙地等沙害区段性分布,主要存在有危岩落石、泥石流、空洞风沙等不良地质及淤泥质软黏土、淤泥质砂软土、萨巴哈(Sabakha)盐渍土等特殊土[3]。

3 路基填挖高度

路基填挖边坡越大,边坡稳定性越差,为了铁路运营安全,路基工程一般要避免深挖、高填和长路堑路基,特殊岩土、不良地质地段的路基填挖高度要严格控制[4]。一般铁路路基边坡填挖高度控制在20 m以内,超过20 m时要按高路堤、深路堑进行边坡稳定性计算分析进行特殊设计,最小边坡稳定安全系数1.15～1.25[5]。法国的高速铁路标准对路基填挖高度没有具体的明文条款限制,高边坡路基主要采取放缓边坡、设置边坡平台设计。

哈拉曼(Haramain)高速铁路路基长440.3 km,路堤长359.5 km,路堑80.8 km,深挖、高填路基主要集中于南部赛拉特低山丘陵区及北部赛拉特山间平原区,红海滨海平原区基本为填方路堤,路堑段落很少,深挖、高填路基零星分布,路基中心最大填挖高度见表1。

表1 路基中心最大填挖高度 m

路堤中心高度大于6 m长约161.4 km、大于8 m长约112.7 km、大于12 m长约46. 5 km、大于20 m长约5.9 km,边坡坡率1∶2,自路肩向下每隔5.0 m高分级设置4.0 m宽边坡平台；路堑中心挖方深度大于15 m长约11.6 km、大于30 m长约4.7 km,土质路堑边坡坡率1∶2(风积沙1∶6),自基床下表层向上每隔5.0 m高分级设置4.0 m宽边坡平台,岩石路堑边坡坡率1∶0.25～1∶0.5,自土侧沟底部向上每隔10.0 m高分级设置4.0 m宽边坡平台[6]。

4 路基结构及填料

列车动荷载作用力在基床内衰减最快,表层0.6 m范围作用力衰减最大,达60%,向下逐渐减弱[7]。荷载作用路基填料强度不足基床容易产生下沉变形,路基面排水不畅易使局部基床填料含水量增大、强度降低,出现基床下沉边坡凸起、路基面外挤鼓包、陷槽积水引泥、翻浆冒泥等基床病害,严重影响行车速度和运营安全,为了提高铁路运输效率和安全度,路基基床填料要求较高。法国高速铁路的标准对基床厚度和填料有严格的控制规定,基床厚度见表2,主要根据下部土基承重层的承受能力确定,多为0.55～0.85 m,道砟底层(Sub ballast,相当于基床上表层)厚0.2～0.35 m,填筑砾石、砂颗粒混合料等优质填料,道砟基床(Subgrade,即定型层,相当于基床下表层)厚0.3～0.5 m,填筑混合颗粒料、粗砾料及细粒土、改良土等填料,也可用天然土石料,基床以下路堤填筑混合或细颗粒土、天然土石料[8]。

表2 法国高速铁路标准有砟轨道基床厚度 cm

哈拉曼(Haramain)高速铁路路基基床厚度见表3,基床厚度主要为55 cm,道砟底层(Sub ballast)厚20 cm,填筑碎(砾)石、砂粒混合料,道砟基床(Sub grade)厚35 cm,填筑粒状料或改良土,路堤基床以下填料主要就地取材,利用路堑挖方弃碴或路基两侧外取土；地下水位较浅的滨海挖方地段道砟底层底部设置一层细粒状或粒状材料夹土工布防渗层。土基承重层达到80 MPa的地段不设道砟基床,对土基承重层达不到承重标准的地段必须采取换填或石灰改良达到S1的承重级别[9]。

表3 哈拉曼高速铁路有砟轨道基床厚度设计 cm

5 路基沉降控制

路基沉降严重影响行车速度和运输安全,主要表现为基床受力强度不足变形沉降、填土路堤自重压密变形沉降、支撑路基地基压密(或固结)沉降等,高速铁路路基工后沉降要严格控制。路基本体沉降主要通过提高填料材质和加强压实密度来控制,在确保路基填料和工程施工质量的前提下,一般在工程竣工后1年左右就能完成；地基沉降是主要的控制对象,采取地基加固处理来增强土体强度,提高基础承载力,地基压密、固结一般需要4～5年才能完成趋于稳定,路基竣工完成后要预留一定的预压期完成工后沉降。法国高速铁路的标准有明确的规定,在地基层验收时的首次剩余沉降量应小于20 mm,并在铁路交付使用前最后一次平整时,或最晚在地基层验收后18个月内沉降全部吸收稳定；短距离路段上的沉降比长距离路段上的更难确定,规定30 m变形长度范围内年沉降限值为4 mm,200 m(或更长)变形长度范围内年沉降限值为10 mm[8]。

哈拉曼(Haramain)高速铁路最大允许下沉为100 mm,且下沉速率必须保持在25年中小于10 mm/年。要求沉降差必须最小,最大沉降必须与轨道几何维护目标的纵向水准测量(每15 m小于3 mm,每30 m小于8 mm)和弧形测量(对于2条铁轨之间的独立水准测量每3 m小于3 mm)相一致,剩余沉降必须尽可能限制在永久结构调控范围内。路基沉降控制采用施工测量和试运行2种控制标准,标准不小于表4中的变形模量(Ev2)控制值[9]。不良地质和特殊土地基沉降控制方案为：空洞地段采用灌浆或填充毛石混凝土处理,勘探钻孔用水泥浆封闭；软黏土、软土地段全部挖除换填为颗粒土,换填土夯实密度不小于最大干密度的95%；风沙地段拉槽灌水48h以上,消除薄弱环节,排干积水清除劣质土层,用静载重不小于120 kN的碾压机械适当的振荡压密；萨巴哈(Sabakha) 盐渍土地段清除表层2.0 m厚松软土，换填为颗粒土,换填层及底部夯实密度不小于最大干密度的95%,并设置1层0.25 m厚的压碎岩和砾石毛细水隔断层[3]。

表4 哈拉曼高速铁路路基变形模量(Ev2)控制值 MPa

6 路基断面

路基断面宽度要受到路基安全稳定、养护维修方便、线间距、轨道结构形式、曲线超高设置、通信信号和电力电缆槽的布设、接触网立柱基础位置、声屏障基础等多种影响因素的控制。不同的行车速度具有不同的路基面宽度,高速铁路有砟轨道中心距外侧接触网的安全净距一般为3.1 m,双线线间距随行车速度的不同而不同,行车速度越高线间距越大,一般行车速度200 km/h线间距4.4 m、250 km/h线间距4.6 m、300 km/h线间距4.8 m、350 km/h线间距5.0 m,路肩宽度影响较大。路肩宽度是影响列车正常运行、养护维修机械设备及作业人员或过往行人安全的关键,行车速度200 km/h不应小于1.0 m,250～350 km/h双线不应小于1.4 m、单线不应小于1.5 m。法国高速铁路标准路肩宽度虽没有明确的条文限制,但铁路设计路肩宽度均较大,巴黎—里昂高速铁路(TGV)路肩宽度1.5～2.0 m、大西洋高速铁路(TGV)路肩宽度2.25 m[10]。

哈拉曼(Haramain)高速铁路为双线、有砟、电气化铁路,一般地段路基面宽度16.6 m、线间距5.0 m、左侧路肩宽1.5 m、右侧路肩宽3.5 m(检修通道)；在高速铁路穿越哈拉曼(Haramain)高速公路、麦地那(Madinah)三环道路等公路中央分隔带地段,铁路路基受到分隔带宽度条件的限制,路基面宽度为12.0 m(或11.8 m)、线间距5.0 m、无路肩(直墙收坡),轨道中心距接触网支柱中线只有2.85 m、距收坡墙内缘3.1 m；沿线路堑两侧设置深1.8 m、底宽1.0 m梯形土沟,内侧沟边坡率1∶2,外侧沟边同路堑坡率,无侧沟平台。铁路右侧3.5 m宽路肩兼作铁路检修通道,有利于铁道快速维修和故障排除；路堑断面沟槽宽大,边坡坍塌对线路影响小,有利于铁路运营安全[6]。

7 结语

哈拉曼(Haramain)高速铁路,即麦加(Makkah)—麦地那(Madinah)高速铁路,一期线下土建工程第一标段由沙特Al Arab Contracting.Co.(ACC)、中铁十八局集团公司(CR18G)、沙特Mohd.A.Sawilem Group(MASCO)3家公司联合共同承建,现已全面开工建设。我国的建设企业是线下工程的主要承建单位,在沙特铁路建设中奠定了良好的基础,为我国设计咨询企业与中东阿拉伯国家之间的技术交流和合作提供了接触沟通的平台,有着很好的承接阿拉伯半岛铁路工程的有利条件。我国设计咨询企业要走出国门在阿拉伯世界取得较大的市场份额,必须抓住机遇,在加强同阿拉伯国家技术交流和合作的同时应进一步提高设计技术的国际竞争力度,立足于本国高速铁路的设计标准,全面了解世界铁路技术先进国家,特别是在国际铁路市场上占主导地位的法国、德国等国家的设计标准和设计方法,在分析研究其与我国设计标准不同点的同时,还应结合线路的地理位置、气候特点、水文地质特征、地层条件及环境因素等实际情况,全面考虑,因地制宜,灵活取舍,巧妙应用,在安全稳定、环保和节省投资的前提下确定合理的设计方案,提高综合实力。

[1] 杭州网-都市快报.中国企业受邀参与3.3万km跨洲铁路网建设[EB/OL].[2011-01-23]. http://money.2500 sz.com/lc/cjyw/2011/1/23/759080.shtml．

[2] 商务部合作司.承包工程市场国别报告(沙特阿拉伯)[EB/OL].[2010-07-08]. http://tradeinservices.mofcom.gov.cn/c/index.do．

[3] 沙特阿拉伯铁路组织.沙特HARAMAIN高速铁路(Ⅰ期)路线土木工程方案设计报告[Z]. 2009．

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2009]172号 铁路边坡防护及防排水工程设计补充规定[S].北京：2009．

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10001—2005/J447—2005 铁路路基设计规范 [S].北京：中国铁道出版社,2005.

[6] 沙特阿拉伯铁路组织.沙特HARAMAIN高速铁路线路平面、纵断面及路基横断面图[Z].2009.

[7] 王其昌.高速铁路土木工程[M].成都：西南交通大学出版社,2002．

[8] 法国铁路局.SNCF-IG/IGP TGV-EST/IG-LGS(04/98)欧洲东部高速铁路Vaires-Vendenheim新线技术参考标准第一卷·第二册·铁路地基平台土建工程[S].

[9] 沙特阿拉伯铁路组织. ITT土建工程和基础设施以及土方工程的HHR技术规范[S].

[10] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009/J971—2009 高速铁路设计规范及条文说明[S].北京：中国铁道出版社,2009.