浅析高铁穿越古长城区段减震技术研究

唐贞锋

摘要：本文主要依托新建兰新铁路第二双线工程，分析探讨高速铁路穿越古长城区段的文物保护技术与隧道内轨道减震技术。通过对高铁轨道结构减震设计及隧道施工期的减震控制两方面组合进行减震控制，取得较好效果，满足设计目标及文物保护要求，为同类工程提供参考。

Abstract： This paper mainly relies on the second double-line project of the newly-built Lanxin Railway， analyzes and discusses the cultural relic protection technology of the high-speed railway crossing the ancient Great Wall section and the tunnel internal damping technology. Through the combination of the shock absorption design of the high-speed rail structure and the damping control during the tunnel construction period， the vibration control is achieved， and the better results are achieved， which meets the design goals and cultural relic protection requirements， and provides reference for similar projects.

關键词：高速铁路;减震;文物保护

Key words： high-speed railway;shock absorption;cultural relic protection

中图分类号：U45                                          文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）35-0154-02

0  引言

随着我国高速铁路的快速发展，高铁建设对沿线环境的影响日趋增大，环境问题也日益受到重视，尤其对临近铁路的文物保护不仅受到社会的广泛关注，而且对铁路施工建设单位也提出了更高的要求。但目前尚无成熟成套的技术以适应对文物的保护要求，尤其我国减振型无砟轨道主要运用于城市地铁项目比较多，高速铁路领域轨道结构采取减振措施的工程实例并不多见。

新建兰新铁路第二双线工程，在甘青标段内与嘉峪关古长城相交，并在清嘉高速公路北侧下穿穿越嘉峪关段长城（如图1所示）。为避免对此段古长城的震动破坏，且满足高速列车行车安全性与舒适性，本文主要是通过对比研究，选用科学合理的减振型无砟轨道系统以及行之有效的施工工艺工法等综合技术，为同类工程建设施工提供成熟的减振经验，提高高速铁路的环境效益和社会效益。

1  减震方案

鉴于以前在新建兰新铁路第二双线附近的清嘉高速公路穿越嘉峪关古长城所造成的古文物破坏经验教训，在本项工程中减震技术引起高度重视，经大量的调研分析模拟，采取分级减振措施，主要从运营期的轨道结构减震控制及施工期的施工减震控制两方面进行减震控制。

2  轨道结构减振控制技术

减振型无砟轨道有扣件减振、道床减振（即道床浮置板系统）等方式，均是利用轨道结构形成的质量和弹簧体系逐渐衰减对行车过程中产生的振动作用。各种减振方式的不同主要是体现在参振质量的大小不同以及弹簧刚度的不同。

2.1 扣件减振

一般的非减振型无砟轨道系统主要是靠扣件提供弹性，而轨道结构就相对简单，只需注重扣件安装即可，施工便捷，工程造价较低。相反，其缺点是参振质量相对较小，减振效果一般。另外因钢轨下沉量增大，所受弯矩增大，钢轨受力增加，并且在高速领域尚缺少实践经验。

2.2 橡胶浮置板减震

就是利用橡胶的弹性，将其设置在轨道结构下作为弹性垫层的减震体系（如图2所示）。可分别在轨道板（或道床板）下或底座下铺设橡胶垫层。此种减震技术可以不改变轨道结构的基本型式，既可场内预制施工也可现场现浇施工，减振效果可达到10dB以上。相反，其缺点是对橡胶材料耐久性要求高，造价略高，且更换麻烦。

2.3 钢弹簧浮置板减震

就是利用钢弹簧的弹性，将其设置在轨道结构下作为弹性支座。其优点一是系统固有频率低（5-8Hz），隔振效果好，可达 25dB以上;二是弹簧隔振器耐久性好，设计寿命 50 年以上;三是检修或更换弹簧相对比较方便。其缺点一是更适用于单层现浇式道床结构，用于预制板式道床较厚， 轨道结构较高，目前的隧道断面难以满足要求;二是钢弹簧造价高。

通过上述分析可以看出：①扣件减振方案，轨道结构简单，更换方便，成本较小，但减振效果有限（约为 5～10dB）;②橡胶浮置板结构减振效果较好（10dB以上），但橡胶产品的耐久性和更换方案成为技术关键，此外相对扣件减振方案造价略高;③钢弹簧浮置板结构减振效果好（20dB以上），耐久性好，更换弹簧相对比较方便，但更适用于单层现浇道床板结构，目前仅在城市轨道交通中运用， 属于专利产品，造价最高。综合上述各种减振方案的优缺点，研究后得出结论：橡胶浮置板减振方案效果较好，且造价居中，推荐采用。

3  施工减震控制技术

3.1 减震方案比选

①桥梁方案。由于该段古长城平均高度为2-3m，因此最初设计方案为桥梁跨越，后经与文物部门沟通，认为桥梁上跨方案对古长城及其周边景观影响较大，一旦付诸实施，则长城第一墩——长城第二墩之间势必无法相望，戈壁大漠与蜿蜒长城交相呼应的景观将不复存在，国家文物局不予批准，此方案不可行。

②隧道方案。基于隧道穿越長城时可以采用大刚度的预支护体系保护下进行暗挖施工，能有效减小城墙沉降和变形，考虑采用工法成熟的管幕法作为加固长城城墙的施工支护体系，经综合研究和比选，此方案可行。

③隧道支护框构与刚构结构方案比选。框构结构由底板、边墙、顶板组成，突出的优点是整体受力，上部载荷可以均匀传递至下侧土体。但结合本工程实际，采用现浇门式钢筋混凝土刚构的结构设计，可有效使其列车荷载直接作用于土体，列车振动通过道床传向下方土体，从而减小对城墙土体的振动影响。最终确定为采用现浇门式刚构结构方案，门式刚构采用挖孔桩作为基础。

④隧道衬砌支护施工方案。隧道进出口段设计采用明挖施工，下穿古城墙及既有铁路段采用暗挖施工，隧道暗洞设计按喷锚构筑法技术要求设计，采用复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护。其中，在洞口明挖段结合环保、美观及缓解空气动力效应等因素设置明洞与路基工程边坡协调统一，洞口临时边仰坡防护采用喷锚网防护，永久边坡采用骨架护坡防护。在洞身下古长城墙段，采用隧道暗挖通过，洞身采用管幕超前预支护并，增加对长城城址段地表进行注浆预加固，采用双侧壁导坑法施工，掌子面（横撑以上）采用玻璃纤锚杆并喷混凝土封闭加固。

3.2 减震施工技术

①隧道减震开挖支护方案。在长城两侧6.5m处，顺长城方向设计并施做挖孔B桩及其冠梁，冠梁上顶进Φ800钢管，B桩外侧打3排Φ159钢管，形成管幕，在管幕下暗挖隧道，在隧道内挖A桩及施做A桩承台，承台上现浇刚构。另在长城两侧施做挖孔C桩及其冠梁与锚索联合使用，起加固城墙及挡土作用。（如图3所示）

②减震施工门形支撑结构侧墙。在距城墙6.5m处顺城墙方向施做支撑、挡土挖孔B桩（每侧4根￠1.2m），完成后浇筑桩顶冠梁，在洞口两侧形成四柱支撑的门形支撑结构。

③减震施工门形支撑结构上部钢管顶进。在B桩冠梁顶设计顶进￠800mm钢管22根，并彼此锁扣连接。采用机械顶进人工挖土配合，顶进期间控制挖土量，保证吃土顶进，严禁超挖。钢管顶进完成后，两端封堵，一侧设灌注孔，一侧设排气孔，钢管内灌注C35微膨胀混凝土。

④减震管幕施工。隧道门形支撑结构施工完成后，B桩外侧插打3排Φ159钢管，形成管幕，并在管幕下暗挖隧道。

⑤锚索加固施工。在长城两侧B桩外侧施做挖孔C桩及其冠梁完成后，搭设钻孔平台采用潜孔钻机进行钻孔施工，跟管安装预应力锚索，自由段钢绞线用PVC软管套住，以避免锚固体与钢绞线粘接。经高压风清孔后安装止浆塞，采用二次注浆工艺进行注浆施工。

⑥隧道暗挖减震施工。在钢管管幕形成后，采用人机配合暗挖长城下土方，并实时进行监控量测工作，分析掌握钢管幕以及洞内土体、地表变形情况，及时调整开挖进尺及方法，保证长城稳定。

⑦沉降观测。在长城土体两侧分别预埋4个沉降观测桩进行监测，施工期间每天时时监测。要求沉降值每天控制在2mm以内，累计沉降量不大于20mm。

4  结束语

本文通过分析研究了兰新第二双线下穿嘉峪关长城地段隧道内轨道结构减振技术以及隧道施工期间减振技术，分别进行了轨道减震结构的设计比选、隧道施工方案的比选与控制，取得较好效果。①通过施工期间对长城进行的连续沉降监测（设计要求沉降值控制在2mm以内，累计沉降量不大于20mm），在整个施工过程中，长城未出现新的裂缝，在施工期间地表累计沉降在18mm以内，对明长城文物稳定未产生影响。②通过嘉峪关市文物局在高铁开通后一季度、二季度及三季度监测数据与本工程开工前数据对比分析，结果显示：工程施工及高铁运行期间均未对临近古长城段产生任何不良影响。③高速铁路减振道床应用经验较少，建议线路运营期继续跟踪观测减振型无砟轨道的使用状态，必要时可开展相应道床减振技术。

参考文献：

[1]秦琛，安润梅.谈减震技术在工程中的应用[J].山西建筑，2017（27）.

[2]丁利勇.减震及隔震层在现代建筑中的应用[J].低碳世界，2016（16）.

[3]鲁风勇，刘劲松，吉玲.实用隔震构造设计[J].江苏建筑，2018（01）.