我国高速铁路桥梁和区间路基结构设计方案的比选探讨

2012-09-20刘玉杰谢亚伟

重庆交通大学学报（社会科学版） 2012年5期

刘玉杰，谢亚伟

(1.京广铁路客运专线河南有限责任公司，河南郑州 450053;2.河南铁路投资公司，河南郑州 450008)

一、引言

近年来随着我国高速铁路建设的蓬勃发展，铁道部相继出台了针对高速铁路建设项目投资控制的一系列办法，如《新建时速300—350公里高速铁路铁路设计暂行规定》(铁建设[2007]47号)[1]等。2010年，铁道部又发行了新版高速铁路设计规范(试行)。

我国高速铁路线路结构形式有路基、桥梁、隧道等，而路基又分为站场路基和区间路基，线路结构的选取便是设计方案比选问题。高铁线路隧道结构受地形地质限制，一般别无选择，站场段由于性能和技术要求而均为路基，本文主要探讨桥梁和区间路基结构设计方案的比选。

按照不同的用途，高速铁路桥梁可分为以下三类[2]:高架桥，用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段，高架桥通常墩身不高，跨度较小，但桥梁很长，往往延伸达十余或几十公里;谷架桥，用以跨越山谷，跨度较大，墩身较高;跨越河流的一般桥梁。

高速铁路线路桥梁所占比例非常高，路基所占比例很小，区间路基所占比例更小，也很分散。例如:中国台北至高雄的高速铁路全长345公里，其中高架桥长252公里，占73%;已经通车的京津城际高速铁路全长120公里，其中桥梁总长104.4公里，占87%;京沪高速铁路线路全长1318公里，其中桥梁长度约为1140公里，占86.5%。京广铁路河南段全长为545公里(含郑西贯通线)，其中桥梁长度为420.501 公里，占83.0%。

投资控制追求的目标是使得建设过程中项目的质量、工期、投资总额以及收益之间实现均衡，可以认为是一个寻找最优点使项目投资最优化的过程。铁路投资控制的关键点并起决定性作用的阶段是设计阶段。设计方案比选有多种技术经济分析方法，例如净现值法、投资回收期法、计算费用法、多因素评分优选、价值工程法[3]。本文根据高铁实例，采用对比分析法，定量与定性相结合，从造价、质量、工期、环保等方面对新建时速300—350公里高速铁路线路进行桥梁和区间路基结构设计方案比选。

二、从造价上测算比选

本文以某即将竣工通车的客运专线为实例，以单公里造价指标来分析比较桥梁和区间路基结构形式。

该段客运专线151.236公里，设计标准时速350公里，无砟轨道，划分为两个标段。标段1总长度78.653公里，其中桥梁72.935公里，区间路基两段，共2.935公里。标段2总长度72.584公里，其中桥梁58.178公里，区间路基3段，共11.5044公里。现分别测算两个标段桥梁和区间路基结构的平均综合造价指标。根据铁路建设项目设计概预算编制办法，我国高速铁路概预算按照不同的费用类别分为拆迁与征地费用、路基、桥涵、隧道等章节[4]。

为了测算两种结构的综合造价，需要将现有概算章节进行调整，为此有以下几点说明:一是假设通信及信号、电力及电力牵引供电、大临和过渡工程、站房造价等站后工程造价与线路结构形式无关，只比较站前工程造价;二是涵洞存在于路基段，或者说路基结构形式才有涵洞，所以将涵洞造价从桥涵章节中分出来平均加到路基段;三是区间路基与桥梁的红线宽度不一样大，所以综合造价对比要加上拆迁与征地费用;四是要考虑改路改渠费用。桥梁段红线征地18米宽含维修通道用地约3.7米，且桥下出行畅通，一般只存在横向交叉改路改渠。路基段防护栅栏封闭，不仅当地群众要求纵向和横向改路改渠，铁路沿线的四电基站、铁路警务区和约2公里一个警亭也需要纵向保持道路畅通。在此假设两种结构形式的横向改路改渠数量一样多，但路基段要比桥梁段多两侧的纵向改路改渠。一般两侧改路改渠为机耕道，单侧宽度3.5—4米，土地只补不征，工程费用一般是简单的路基清理和泥结碎石面层，有的需要水泥混凝土或者沥青混凝土硬化，按照20万元/亩标准估算，计2098951元/公里。该项费用要加到区间路基综合平均造价上。

桥梁与区间路基结构的平均综合造价测算结果见表1。

表1 某高铁项目桥梁与区间路基平均综合造价

从表1可以看出，两个标段区间路基平均综合造价分别为84590692元/公里和69460079元/公里，均高于桥梁平均综合造价(69870448元/公里和66490328元/公里)，超出比例分别是21.5%和4.5%。

另外，上述征拆成本是按照批复概算测算，随着征拆成本逐年上涨，实际征拆费用要高于批复概算，将来的高铁建设项目区间路基综合造价会进一步超出桥梁综合造价，在经济发达的省市更是如此。再者，我国对铁路工程给予了很多征地税费优惠，例如土地无偿划拨方式、耕地占用税优惠、城镇土地使用税减免等规定，如果加上这些机会成本，区间路基综合造价更高于桥梁综合造价。

三、从工程质量分析比选

高速铁路桥梁主要承重结构按照100年使用设计，下部结构一般采用混凝土或者钢筋混凝土墩台，上部结构优先采用预应力混凝土结构，通常是制梁场生产的标准32米或24米预应力简支梁，也可采用钢筋混凝土结构、钢结构和钢—混凝土结合结构[1]。桥梁结构简单，技术要求严格但很明确，可控性强，工程质量可靠，在国外高速铁路线路也是大量采用高架桥梁结构[5]。

高速铁路运行速度快、技术标准高，对路基的要求严格，控制路基变形已成为高速铁路的最大特点，因此，建设高速铁路路基与普通铁路路基有本质的区别[5]。根据研究成果，软土路基时，轨道的临界速度约时速330公里，当列车速度小于轨道临界速度时，轨道路基变形过程是一个稳态过程，超过临界速度时，轨道路基变形过程趋于或处于失稳状态[6]。虽然采取多种技术措施，但路基段质量通病仍较多，原材料类别及配比、含水量、含泥量、压实度、粒料直径、分层施工等环节均容易出问题，监管也很困难，即使经过半年的顶载预压，工后沉降仍是路基段的主要问题[2]。且路基段频繁设置的涵洞形成了很多的桥涵路基过渡段和结合部，由于路堤与桥梁的工程性质迥异，在路桥交界处极易产生严重的轨道不平顺问题[7]，构成了更多质量隐患。高速铁路设计规范中没有明确路基按照100年使用设计，可认为路基段使用寿命没有桥梁的使用寿命长。所以从工程质量角度分析，高铁桥梁结构要优于路基结构。

四、从工期上分析比较

以往高速铁路建设项目实例表明，区间路基施工往往制约桥梁施工。桥梁下部结构是逐墩台独立施工，如果要赶工可以增加钻井设备。预应力箱梁工厂化制作，只要增加模板台套，完全能够满足架梁要求。但如果一个制梁场供应多个桥梁段，间隔有路基段，由于运梁车只能行进在已架梁或已完工路基上，下一桥梁段架梁必须等区间路基完工之后才能进行，区间路基段也增大了运梁距离。但路基施工只能从底部做起，层层施工，施工分段也不能太短，而且很多地材需要到外地远距离运输，另外路基施工受天气影响大，所以区间路基工期不容易控制，且至少半年的顶载预压期更是制约因素。有时施工单位为了赶工期，不得不牺牲压缩顶载预压期，从而埋下质量隐患。

五、从环保节能等方面分析

首先，高速铁路桥梁结构要比路基结构节约土地。前文提到，桥梁段征地控制指标1.8—1.98公顷/公里，路基段征地控制指标6.25—8.43公顷/公里，前者只是后者的1/4。据测算，仅“以桥代路”一项，京津城际铁路就节约土地4590余亩[8]。路基段除征地红线外，还造成了大量的边角地和夹心地。现在高铁设计要求四电厢房尽量设置在桥梁下，这样桥梁结构能够更节省土地。随着我国土地资源越来越少，高速铁路桥梁结构较路基结构节省土地的效应日益明显，这也符合铁道部建设高铁节约土地的原则[9]。

其次，桥梁段能够保持线路两侧交通畅通，桥梁下能为路地双方合理使用，有助于地方经济发展和交通条件改善，也有利于防涝泄洪。路基则像一条大堤将平地分割开来，两侧还要装设防护栅栏，不仅成为地理隔离带，也成为了经济隔离带，甚至造成生态破坏。在区间路基施工过程中，地方群众强烈要求增加立交和桥涵，工程为此经常被阻工[10]，最终导致设计变更。

再次，高速列车在桥梁段的噪声要低于区间路基段。研究结果表明，在路基、桥梁、路桥过渡段三种线路形式中，列车通过桥梁段所产生的噪声最小，路基段次之，路桥过渡段产生的噪声最大[11－12]。

最后，桥梁结构比路基结构节省更多的地材，能够减少对当地土地资源的破坏。