渝昆高铁斜坡软土地段方案研究

2022-03-09张翔

铁道勘察 2022年1期

张翔

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

在复杂山区，工程地质问题是影响铁路方案的重要因素。在勘察设计过程中，因局部工点勘探资料相对滞后，可能导致线位调整，将造成勘察设计工作反复，对工期影响较大[1]。为确定合理的方案，应综合考虑多方面的控制因素，结合工点处理措施，确定最优方案[2-3]。已有许多学者开展相关研究，范俊怀等基于杭绍台铁路穿越硅藻土地质条件分析，对线路走向方案进行研究[4]；彭学理对宜万铁路绕避危岩落石、岩堆和古滑坡各方案进行分析，推荐绕避方案[5]；王凯在渝西高铁大巴山地区选线研究中，围绕地质构造、岩溶分布、危岩落石等不良地质进行方案比较，最终选择地质条件相对较好，风险相对较小的经达州方案[6]。不难看出，不良地质风险是影响线路方案的重要控制因素之一，在探明工点地质情况后，应对工点措施进行全面分析以确保铁路安全；如不能保证，则应选择绕避[7-9]。以渝昆高铁某工点为例，重点分析斜坡软土特性对工程的影响，并提出工程可行、经济合理的方案[10-11]。

1 概述

1.1 项目概述

渝昆高速铁路 (重庆—昆明)位于我国西南地区，是我国规划的 “八纵八横”高速铁路网中北京至昆明大通道的一部分，目前处于建设阶段。线路自重庆西站引出，沿途经过重庆江津和永川区、四川泸州和宜宾市、贵州毕节市、云南昭通和曲靖市后，接入昆明南站，线路全长699.325 km。渝昆高铁建成后，可串联成渝城市群、滇中城市群，进而连接关中城市群、中原城市群、京津冀经济区等经济中心，重庆至昆明运行时分将缩短为2.6 h，将形成云南与重庆、四川之间快速旅客交流新通道，从而进一步辐射西北地区。其速度目标值为350 km/h[12]。

1.2 地形地貌及地质特征

线路自四川盆地至云贵高原，总体地势为北东低、南西高，主要经过四大地貌单元：重庆至永川段属四川自地川东平行岭谷“隔档式”褶皱区，由一系列北东—北北东向的高背斜山脉及向斜谷地组成；永川至筠连段属四川盆地川中丘陵区，为典型的红色丘陵景观，浑圆、宽平的缓丘及丘间宽谷相间；筠连至昭通段属高原斜坡地带低-中山峡谷区，褶皱构造强烈，河谷深切，山坡陡立；昭通至昆明段位于云贵高原，地形波状起伏，以侵蚀、溶蚀、构造、断陷形成的山原地貌为主。沿线出露地层时代较齐全，自第四系至震旦系地层均有出露，其中以中生界、古生界地层为主[12]。

1.3 斜坡软土工点工程性质

斜坡软土工点位于滇东高原区，属低中山地貌。线路走向方向地形平坦，垂直线路方向地面自然坡度为5°～10°。斜坡软土工点覆盖层厚为20～55 m。依据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，该区域地震动峰值加速度为0.30g，属于Ⅷ度地震区。对斜坡软土工点进行稳定性检算时，应考虑发生Ⅷ度地震对工点稳定性的影响[13]。斜坡软土工点现场照片及卫星影像见图1。

图1 斜坡软土地段现场照片及卫星影像

斜坡软土存在含水量高、压缩性大、强度低等特点。粉质黏土和黏土的孔隙比为1.29～1.49；天然含水率达50%；压缩模量为3.66～4.76 MPa；黏聚力为20～22 kPa；内摩擦角为5.5°～8.7°，斜坡软土工点地层分布见图2，岩土物理参数见表1。

图2 斜坡软土工点地层分布示意

表1 岩土物理参数

由图2、表1可知，工点斜坡软土最大深度为50 m，天然含水量高，黏聚力及内摩擦角均较小，压缩性大，强度低。高速铁路无砟轨道一般地段工后沉降要求≤15 mm；0.30g地震工况下，稳定性安全系数应≥1.15。因此，该工点设计较为困难[14]。

2 斜坡软土工点路基、桥梁方案研究

2.1 路基方案

拟对水泥搅拌桩、CFG桩帽网结构、桩板结构3个方案进行比选，经检算，仅桩板结构工后沉降(为8 mm)符合小于15 mm的要求，故推荐采用桩板结构。

该方案采用埋入式桩板结构，桩和板梁均为C35钢筋混凝土。钻孔灌注桩桩长为30～55 m，φ1 m，纵、横间距均为5 m。桩顶铺设板梁，板梁厚0.8 m，板梁长25 m，宽15.0 m。板梁底部平铺0.2 m厚碎石垫层。线路右侧设置侧向约束桩，桩间距5 m，桩长24 m，φ2.5 m[13]。桩板结构方案布置见图3，在沉降满足要求情况下，对其进行稳定性检算，稳定性检算滑面见图4。

图3 桩板结构方案布置示意

图4 稳定性检算滑面

(1)稳定性计算方法

路堤及地基的整体稳定性按圆弧滑动法考虑，采用瑞典条分法分析[15-16]，见图5。

图5 瑞典条分法计算示意

稳定安全系数Fs计算公式为

(1)

式中，下标i表示土条底部的滑裂面在地基土层内，下标j表示土条底部的滑裂面在路堤填料内；Pt为各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和，有

Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj

Si为地基土内(AB弧)抗剪力，Sj为路堤内(BC弧)抗剪力，有

Si=Wicosαitanφqi+cqiliSj=Wjcosαjtanφqj+cqjlj

其中，Wi、Wj为第i、j土条重量，Wi=Wti+Wdi，Wdi、Wti:当第i土条的滑裂面处于地基内(AB弧)时，分别为滑面以上该土条中的地基自重及路堤自重；i、j为第i、j土条底滑面的倾角；l为第i、j土条底滑面的长度；R为滑动圆弧半径；cqi、qi:当第i土条的滑裂面处于地基内(AB弧)时，分别为该土条所在土层的天然抗剪黏聚力、内摩擦角；cqi、qi:当第j土条的滑裂面处于路堤内(BC弧)时，分别为该土条所在路堤填料的黏聚力与内摩擦角。

(2)推力计算方法

最不利圆弧滑动面滑坡推力可采用传递系数法计算[17]，公式为

Ti=KWisinαi+ψTi-1-Wicosαitanφi-ciLi

(2)

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(3)

式中，Ti为第i个条块末端的滑坡推力(含地震力)；K为安全系数(由工程的重要性、外界条件对滑坡的影响、滑坡的性质和规模、滑动的后果及整治的难易等因素)，本次计算取1.15；Wi为第i个条块滑体的重力；αi为第i个条块所在滑动面的倾角；αi-1为第i-1个条块所在滑动面的倾角；φi为第i个条块所在滑动面上的内摩擦角；ci为第i个条块所在滑动面上的单位黏聚力；Li为第i个条块所在滑动面上的长度;ψ为第i-1个条块的传递系数。

(3)稳定性检算结论

结合斜坡软土工点岩土物力参数及特性，按瑞典条分法及传递系数法计算，在0.30g地震工况下，稳定性系数最小值为0.67(<1.15)，存在深层滑面，且深层滑面出口处推力较大，最大推力达5 000 kN/m，施工及运营安全存在风险。

2.2 桥梁方案

经比较，(60+100+60) m连续梁方案仅有2个桥墩在斜坡软土范围内，且埋深分别为30 m、50 m，桩基处理后，工后沉降满足要求。

在桥墩四周布满圆形桩基进行抗滑处理，并对其进行稳定性检算。0.30g地震工况下，按照圆弧滑面法计算，深层滑面出口处最大推力达5 000 kN/m以上，桥墩管桩不能保证其稳定性，施工及运营安全存在风险。桥梁方案布置见图6。

图6 桥梁方案布置

2.3 研究结论

通过对斜坡软土工点工程措施的研究，采用路基方案和桥梁方案抗滑稳定性均不能满足时速350 km高速铁路相应技术要求，施工及运营存在较大风险，故需研究绕避方案。

3 线路方案研究

随着地质勘察工作的深入，除该工点外，区域内沟谷两侧存在软土的斜坡区域较多，且沟谷内软土厚度>50 m，在0.30g地震烈度下，路基、桥梁工点稳定性均无法满足规范要求。为绕避区域内斜坡软土，研究了东侧隧道方案(方案Ⅰ)、西侧隧道方案(方案Ⅱ)、沿沟谷取直方案(方案Ⅲ)3个方案(见图7)。

图7 线路方案比选示意

3.1 方案概况

(1)东侧隧道方案(方案Ⅰ)

线路自方案比较起点引出，东移绕避斜坡软土后，以隧道形式自刚纪村、羊毛冲村、倪家村东侧通过，穿越倪家村隧道后至方案比较终点。该方案穿越软土段长1.8 km，软土最深为50 m，但均处于比较平缓地段，斜坡稳定性影响较小。线路全长24.724 km，桥隧比为95.5%，投资37.35亿元。

(2)西侧隧道方案(方案Ⅱ)

线路自方案比较起点引出，西移绕避斜坡软土后，以隧道形式从大横山西侧通过，穿越倪家村隧道后至比较终点。该方案穿越斜坡软土长2.5 km，软土最深为50 m，地震工况下存在深层滑面，稳定性系数最小为0.72，远小于规范值的1.15。深层滑面的出口处推力最大，最大推力达4 500 kN/m，斜坡稳定性较差。线路全长25.124 km，桥隧比为96.4%。投资38.77亿元。

(3)沿沟谷取直方案(方案Ⅲ)

线路自方案比较起点引出，以桥梁、路基工程沿河谷两岸行进，经刚纪村东侧、羊毛冲村和倪家村西侧通过，穿越倪家村隧道后至方案比较终点。该方案穿越了4.5 km斜坡软土，软土深度最深60 m，地震工况下，按瑞典条分法计算，存在深层滑面，稳定性系数最小为0.67，远远小于规范值的1.15。深层滑面的出口处推力最大，最大推力达5 000 kN/m，斜坡稳定性风险相最高。线路全长24.682 km，桥隧比为93.6%。投资为36.48亿元。