铁路烟台南站改建边坡防护方案及对并行高速公路安全影响分析

尹贻新 杨书生

济青高速铁路有限公司，济南250014

随着我国高速公路、高速铁路路网加密，其并行的情况越来越常见。尤其在城区，为集约利用土地，避免割裂城市空间，一般会选择高速公路与高速铁路共用交通廊道。国内学者针对公铁并行问题从多个方面开展了研究。单东辉等［1］根据公铁并行技术要求对运营安全风险进行了分析。韩国倩等［2］分析公铁并行段可能存在的四类安全风险，提出了针对性措施。刘昊等［3］分析了铁路列车光源特性及铁路机车前照灯对高速公路驾驶员造成的影响，提出了解决方案。陈艾荣等［4］针对公铁并行问题给出了眩光分析流程，设计了一种可装配、立体化的防眩光网，有效降低了铁路机车前照灯对汽车驾驶人眩光影响。田雨等［5］针对高速铁路桥梁与高速公路邻近并行情况，对高速铁路桥梁结构安全、铁路及公路运营安全进行了评估，并给出具体措施。单东辉等［6］分析了高速公路突发事件对兰合高速铁路的影响，提出了突发事件时公铁并行应急救援措施。

现有研究多从定性角度提出公铁并行段的安全风险，对于公铁并行段工程建设风险、建成后对另外一方的运营影响有待深入研究。对于高速铁路车站与高速公路并行间距较小的复杂情况，以往的研究较少。本文以青荣（青岛—荣成）城际铁路烟台南站与荣乌（荣成—乌海）高速公路并行段为例，对铁路烟台南站改建边坡防护方案进行研究，对影响铁路运营安全的公路路侧护栏、影响高速公路运营的眩光等进行分析，可为公铁并行工程设计提供参考。

1 工程概况

1.1 青荣城际铁路

烟台南站为青荣城际铁路中间站，车站规模为2台5线，站房面积为1万m2。车站办理客车48对，其中立折车1对，年发送旅客人数约300万人。

1.2 荣乌高速公路

烟台南站北侧紧邻荣乌高速公路，该段为荣乌高速公路绕城段，双向四车道，限速120 km/h。据公路管理单位统计，2020年荣乌高速公路双向年平均日交通量为30 105辆，车型以中小客车为主。

2 站场改建方案

2.1 客车作业量

潍烟（潍坊—烟台）高速铁路引入烟台南站后，烟台南站近/远期共办理始发车46/58对，其中潍烟高速铁路32/40对（包含蓬莱、跨海通道方向），青荣城际铁路14/18对。近/远期办理通过列车71/93对，其中潍烟高速铁路跨线通过列车15/26对，青荣城际铁路通过列车56/67对［7］。

2.2 站场改建方案

根据客车作业量，车站总规模设计为5台11线，其中5条到发线主要办理通过列车作业，4条到发线主要办理始发终到列车作业，每条到发线可办理始发终到列车15～17对，可办理通过停站列车21～24对，因此车站规模与作业量匹配。车站平面布置如图1所示。为使青荣城际铁路青岛—荣成方向始发终到列车作业更加流畅，减少对正线的切割，须在车站北侧增设2条到发线，以满足青荣城际铁路始发车及青荣城际铁路、潍烟高速铁路通过列车的作业需求。

图1 车站平面布置示意

3 铁路路堑边坡设计

根据站场设计方案，需在5股道外加宽22 m，增至9股道。同时要求满足站房、站台及线路工作面和施工、消防通道需求，9股道外侧与路堑之间至少保证净宽11 m。结合地形、地貌条件，9股道外侧路堑边坡考虑采用放坡防护和桩板式挡土墙防护两种方案。

3.1 边坡放坡防护方案

为降低施工期间对荣乌高速公路交通的影响，需尽量减少挖方。同时考虑工程地质、水文地质条件和施工方法等，将边坡放坡分为两级。边坡放坡防护方案见图2。一级边坡坡率1∶1.0，边坡采用锚杆框架格梁防护。二级边坡坡率为1∶1.5，边坡采用拱形骨架防护。

图2 边坡放坡防护方案（单位：m）

采用该方案时荣乌高速公路与烟台南站之间的山体基本被挖除，施工期间需对荣乌高速公路进行防护并实行交通限行。由于荣乌高速公路与烟台南站并行段属于城区范围，车流量较大，采取交通限行措施将引起拥堵。同时，挖除荣乌高速公路与烟台南站之间的山体天然屏障将增大荣乌高速公路与烟台南站之间的相互影响。故不推荐边坡放坡防护方案。

3.2 桩板式挡土墙防护方案

为保留公铁并行段的山体，综合考虑边坡高度、地质条件等采用桩板式挡土墙防护方案。根据边坡的高度、烟台南站与荣乌高速公路的距离，在烟台南站与荣乌高速公路并行段选取两个典型断面进行研究。

断面1为边坡高度最高断面。桩悬臂段长12.0 m，锚固段长14.0 m。桩横截面宽2.5 m、高3.0 m，桩顶设2根压力分散型预应力锚索。根据以往高速铁路设计经验，若桩过长，桩结构设计不合理，则桩顶位移、桩锚固处位移均较大，且会导致工程投资增加，故桩顶上方土体采用放坡形式开挖，采用锚杆框架格梁形式防护，见图3。

图3 桩板式挡土墙防护方案（断面1，单位：m）

断面2为荣乌高速公路与烟台南站距离最近断面。桩悬臂段长8.0 m，锚固段长12.0 m，桩横截面宽2.0 m、高2.5 m。桩顶上方土体采用放坡形式开挖，采用框架格梁形式防护，见图4。

图4 桩板式挡土墙防护方案（断面2，单位：m）

4 施工安全分析

荣乌高速公路与烟台南站并行间距较小，公路路肩至烟台南站铁路路肩间距29.80~34.75 m。烟台南站改建施工过程中桩板式挡土墙施工及边坡开挖将会对荣乌高速公路产生影响。根据JT/T 1116—2017《公路铁路并行路段设计技术规范》要求，并行间距小于35 m时应进行施工安全分析。选取桩板式挡土墙防护方案的2个典型断面，采用MIDAS GTS软件对桩、公路路基位移及边坡稳定性进行计算分析。分析时依据的规范为TB 10025—2019《铁路路基支挡结构设计规范》。

4.1 模型边界条件及假定

除模型顶面设为自由面外，其余五个面施加法向约束，约束其位移。实际工程中现场周边环境及材料变形机理相当复杂，为有效进行数值模拟，作如下假定：①施工场地表面及各土层均呈水平状分布；②分层连续开挖；③所有土层均为各向同性、连续的弹塑性材料；④地层和材料的应力-应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由重力自动生成。

4.2 模型建立及参数确定

充分考虑土体开挖边界效应的影响，根据工程经验，模型的长、宽、高按边坡开挖深度3倍取值。土体、桩采用实体单元模拟，桩前挂板采用板单元模拟，框架格梁采用梁单元模拟，锚索、锚杆采用植入式桁架单元模拟。土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，桩、桩前挂板、框架格梁、锚索、锚杆本构模型均采用弹性模型［8］。

根据地勘报告及工程地质手册［9］，地层及公路路基材料参数见表1，桩板式挡土墙材料参数见表2。

表1 地层及公路路基材料参数

表2 桩板式挡土墙材料参数

4.3 模拟结果分析

4.3.1 桩及公路路基位移

土体开挖至设计高程时，桩顶水平位移及公路路基竖向位移见图5。可知：①当土体开挖至设计高程时，断面1、断面2桩顶水平位移为13.3、4.8 mm，满足不大于100、80 mm（两个断面桩长度不同）的规范要求。②土体开挖至设计高程时，断面1、断面2公路路基竖向位移分别为2.95、0.32 mm，均满足运营状态下公路路基竖向位移不大于10 mm的规范要求。

图5 桩基及公路路基位移（单位：mm）

4.3.2 桩板式挡土墙稳定性

土体开挖至设计高程时，断面1和断面2桩板式挡土墙稳定性安全系数分别为5.1和4.8，满足不小于1.6的规范要求。

5 交通安全分析

5.1 公路护栏对交通安全的影响分析

由于烟台南站与荣乌高速公路并行间距较近，高速公路侧风险因素除考虑汽车驶出公路到达铁路轨道外，还需考虑汽车越过铁路轨道后对铁路站台、铁路旅客以及烟台南站站房结构的安全影响。

根据公路管理单位提供的2014—2020年本路段事故统计，未发生过汽车越过公路护栏事故，公路侧事故风险基本可控。并行段高速公路侧护栏采用了波形钢护栏、混凝土护栏等形式。为了减少不同形式护栏过渡段的设置，在该路段按照最不利路侧事故确定统一的护栏防护等级。由于公铁并行段两者间距在29.80~34.75 m，小于规范中最小值35 m，公铁并行等级为Ⅰ级。护栏统一按照HB级进行改建，以降低荣乌高速公路事故对烟台南站的影响。

5.2 眩光对交通安全的影响分析

根据铁路机车前照灯、汽车前照灯光强度要求，铁路机车前照灯光强度远高于汽车前照灯，两者相差50~100倍。因此，当铁路机车与汽车对向行驶时，若不采取相应的安全保障措施，则易因夜间背景光的光强度过高产生剧烈眩光。眩光的存在降低了人眼的觉察阈值，导致人眼识别细节能力下降，易引发交通事故。同时铁路机车和汽车相对行驶速度高，会分散驾驶人注意力，对驾驶人心理产生影响［10-12］。

5.2.1眩光影响范围

铁路机车前照灯光强度为2×106cd，铁路机车前照灯使汽车驾驶人产生眩光的光照度基准值为0.5 lx［13］。

铁路机车前照灯光强度I与光照度E的关系式为

式中：S为从铁路机车前照灯至汽车驾驶人眼睛的距离，m。

铁路机车前照灯与汽车驾驶人的相对位置如图6所示。图中：L为S在铁路机车前照灯基准轴上的投影；α为铁路机车前照灯与汽车驾驶人眼睛连线与铁路机车前照灯基准轴的夹角；D为汽车驾驶人眼睛距铁路机车前照灯基准轴的垂直距离。

图6 铁路机车前照灯与汽车驾驶人的相对位置

根据式（1）和图6计算眩光影响范围，结果见表3。可知：当公铁并行间距大于24.55 m时，铁路机车前照灯对汽车驾驶人眩光影响较小。

表3 眩光影响范围

5.2.2 眩光影响分析

烟台南站西侧铁路、高速公路均为路堑。铁路高程33.90 m，铁路机车前照灯高度取3.00 m。路堑顶最低处高程为41.54 m，大于铁路高程加铁路机车前照灯高度，铁路机车前照灯对荣乌高速公路汽车驾驶人眩光影响较小。烟台南站东侧铁路、高速公路均为路基。铁路高程33.80 m，铁路机车前照灯高度取3.00 m。高速公路高程35.80 m，低于铁路高程加铁路机车前照灯高度，但此处D为48.28 m，大于表3中D的最大值24.55 m，铁路机车前照灯对荣乌高速公路汽车驾驶人眩光影响较小。

6 结论

1）烟台南站改建后，铁路路堑采用桩板式挡土墙边坡防护方案可以保留山体天然屏障，减少施工期间及潍烟高速铁路开通后对荣乌高速公路运营的影响。

2）选取两个典型断面对桩板式挡土墙边坡防护方案进行计算分析。结果表明，土体开挖至设计高程时桩顶水平位移、公路路基竖向位移均较小，满足规范要求。

3）烟台南站改建后公铁并行段两者间距在29.80~34.75 m，小于规范中最小值35 m，公铁并行等级为Ⅰ级。护栏统一按照HB级进行改建，以降低荣乌高速公路事故对烟台南站的影响。

4）铁路机车前照灯对荣乌高速公路汽车驾驶人眩光影响较小，不必采取防护措施。