喬俊飛

晉中南重載鐵路下穿京滬高速鐵路立交方案研究

喬俊飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

晉中南重載鐵路與京滬高鐵在山東泰安地區(qū)交叉,其上跨京滬高速鐵路方案存在影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的風(fēng)險(xiǎn),而下穿京滬高速鐵路方案,其線路在交叉處北臨大汶河,設(shè)計(jì)的路肩高程低于大汶河百年洪水位。如何使晉中南鐵路設(shè)計(jì)既滿足鐵路防洪要求,又避免重載列車運(yùn)營(yíng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力對(duì)高速鐵路橋墩產(chǎn)生不利影響,是兩線立交方案需要研究解決的關(guān)鍵問(wèn)題。研究提出采用路堤式U形槽下穿京滬高速鐵路的方案,解決了上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,使得方案順利通過(guò)技術(shù)審查并實(shí)施,取得了良好的設(shè)計(jì)效果。

重載鐵路;高速鐵路;交叉;方案

1 概述

晉中南鐵路是我國(guó)第一條一次建成1 260 km的大能力運(yùn)煤重載鐵路通道,從西向東依次經(jīng)過(guò)晉豫魯三省,其在山東省泰安地區(qū)與京滬高速鐵路交叉。根據(jù)鐵道部《關(guān)于鐵路工程設(shè)計(jì)線路交叉跨越有關(guān)規(guī)定的通知》(鐵建設(shè)(2010)146號(hào))要求,為確保京滬高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全,研究從京滬高速鐵路大汶河特大橋橋下下穿高速鐵路通過(guò)的方案(圖1)。

立交工程位于沖洪積平原區(qū),地勢(shì)平坦開闊。地表出露第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層,層厚1.8～3.5 m,基本承載力150～200 kPa;基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r,基本承載力800～1 000 kPa。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,地下水位埋深約3.0 m。地震動(dòng)峰值加速度0.05g,地震基本烈度為Ⅵ度。第四系覆蓋層較薄,基巖埋深淺,巖質(zhì)堅(jiān)硬,地質(zhì)條件較好。

2 下穿京滬高速鐵路線位方案選擇

2.1 影響線位方案的主要控制因素

該段線路經(jīng)泰安市南側(cè)磁窯鎮(zhèn),該地區(qū)是寧陽(yáng)縣工業(yè)園區(qū)所在地,同時(shí)也是山東中部南北向主要交通要道的匯集地,交通要道均為南北向,與本線呈交叉關(guān)系。影響線位方案的主要因素有:寧陽(yáng)工業(yè)園區(qū)規(guī)劃、新建寧陽(yáng)東站、設(shè)置與京滬線的聯(lián)絡(luò)線引入磁窯站、與道路及鐵路(京福高速公路、國(guó)道G104、省道S80、京滬鐵路、京滬高速鐵路)的立交條件、華豐煤礦采空區(qū)、大汶河等。

圖1 下穿京滬高速鐵路立交方案平面示意

2.2 線位方案比選

通過(guò)對(duì)線位方案控制因素的研究,提出了北繞和南繞(華豐煤礦采空區(qū))下穿京滬高速鐵路方案進(jìn)行比選(圖2)。

北繞下穿京滬高速鐵路方案(方案1):線路自寧陽(yáng)東站引出后,向東經(jīng)寧陽(yáng)工業(yè)園區(qū)北側(cè),跨京福高速公路、國(guó)道104、省道S801、京滬鐵路后向北繞下穿京滬高速鐵路,北繞華豐煤礦采空區(qū)后至方案比較終點(diǎn),線路長(zhǎng)度40.529 km,同時(shí)修建與既有京滬線上、下行聯(lián)絡(luò)線引入京滬鐵路磁窯站,聯(lián)絡(luò)線總長(zhǎng)15.351 km。

南繞下穿京滬高速鐵路方案(方案2):線路自寧陽(yáng)站引出,向東經(jīng)寧陽(yáng)工業(yè)園區(qū)北側(cè),跨京福高速公路、國(guó)道104、省道S801、京滬鐵路后向南繞,下穿京滬高速鐵路后,南繞華豐煤礦采空區(qū)后至方案比較終點(diǎn),線路全長(zhǎng)47.056 km。同時(shí)修建與既有京滬線上、下行聯(lián)絡(luò)線引入京滬鐵路磁窯站,聯(lián)絡(luò)線總長(zhǎng)15.318 km,并改建既有磁東線10.9 km。

兩方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見表1。

圖2 下穿京滬高速鐵路立交線位方案示意

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析比較

圖3 鐵路控制高程示意

從以上分析可知,北繞方案線路短、投資省,距采空區(qū)距離不存在安全隱患。因此,選擇北繞方案。

3 下穿高速鐵路立交結(jié)構(gòu)方案研究

3.1 結(jié)構(gòu)方案的控制因素分析

由于下穿京滬高速鐵路方案,線路北臨大汶河,其設(shè)計(jì)路肩高程因下穿高速鐵路凈空要求而低于大汶河百年洪水位,同時(shí)30 t重載列車動(dòng)應(yīng)力對(duì)高速鐵路橋墩的影響大。因此,滿足大汶河百年洪水位防洪要求和避免重載列車動(dòng)應(yīng)力對(duì)高速鐵路橋墩的影響是結(jié)構(gòu)方案研究的關(guān)鍵控制因素。

(1)大汶河百年洪水位的設(shè)防要求

大汶河是黃河下游最大的一條支流(全長(zhǎng)208.20 km),總流域面積9 069 km2,百年洪水位為103.38 m。線路下穿京滬高速鐵路處路肩高程最低(軌面設(shè)計(jì)高程為100.35 m)。為避免洪水侵入路基,鐵路設(shè)防高程應(yīng)不低于百年洪水位+0.5 m,即鐵路路基防水結(jié)構(gòu)頂控制高程不低于103.88 m(圖3)。

(2)對(duì)京滬高速鐵路橋墩基礎(chǔ)影響的防護(hù)問(wèn)題

本線在京滬高速鐵路大汶河特大橋441號(hào)和442號(hào)墩間下穿,大汶河特大橋墩間為32 m簡(jiǎn)支箱梁,墩高9 m,橋墩采用3層擴(kuò)大基礎(chǔ),基底為承載力1 000 kPa的弱風(fēng)化灰?guī)r。京滬高速鐵路梁底高程為107.29 m,本線軌面設(shè)計(jì)高程為100.35 m,凈空6.94 m滿足要求;左線距橋墩基礎(chǔ)最外邊線7.7 m,右線距橋墩基礎(chǔ)最外邊線7.3 m(圖4)。需研究重載鐵路荷載附加應(yīng)力對(duì)高速鐵路橋墩可能產(chǎn)生的影響,提出解決方案以確保高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

圖4 晉中南鐵路與京滬高速鐵路交叉示意(單位:cm)

3.2 控制因素的解決方案研究

3.2.1 大汶河百年洪水位設(shè)防方案研究

山西中南部鐵路DK958+970～DK960+800段長(zhǎng)1 830 m地段路肩高程低于百年洪水位,需對(duì)該段線路的洪水防護(hù)方案進(jìn)行研究,目前已在市政、公路及鐵路工程中較常用的防護(hù)方案有U形槽、明洞等。

(1)路堤式U形槽方案

根據(jù)本工點(diǎn)的功能要求,應(yīng)設(shè)置不同于一般路塹U形槽的路堤式U形槽(圖5、圖6),U形槽內(nèi)填土至路肩高程,U形槽外兩側(cè)設(shè)2 m寬回填土,回填土邊坡采用空心磚草灌結(jié)合,坡腳種樹綠化。底板下設(shè)0.15 m厚C20混凝土墊層,基底挖除換填碎石墊層至基巖面。

圖5 京滬橋外U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位:m)

圖6 京滬橋梁下U形槽結(jié)構(gòu)(單位:m)

為防止雨水進(jìn)入槽內(nèi),U形槽邊墻頂上安裝雨棚(梁下不設(shè)雨棚),雨棚采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),耐久性好,整體性強(qiáng),受列車通過(guò)時(shí)的氣流影響小,耐火性亦優(yōu)良,還具有施工簡(jiǎn)單,可以和U形槽同步施工。

在U形槽排水溝最低點(diǎn)處(設(shè)于D1K959+860,避免在京滬高速鐵路橋下設(shè)置)兩側(cè)設(shè)置排水泵站各1座(5 m×6 m×7.5 m),排出U形槽范圍內(nèi)少量飄雨及結(jié)構(gòu)滲漏水。在擋水墻側(cè)壁設(shè)DN300排水管并埋設(shè)柔性防水套管,路基排水溝排水經(jīng)側(cè)壁排水管流入泵站,經(jīng)抽升后排出。泵站水泵均采用固定式耦合安裝,自動(dòng)攪勻潛污泵啟動(dòng)及停止由水位控制,全自動(dòng)運(yùn)行。雨水經(jīng)過(guò)提升后排入路基排水截溝(圖7、圖8)。

(2)明洞方案

考慮到結(jié)構(gòu)受力合理和結(jié)合景觀需要,明洞采用邊墻為直墻頂部為弧形的框架結(jié)構(gòu)形式,其中下穿京滬高速鐵路段,由于凈空限制,采用矩形框架結(jié)構(gòu)形式。明洞凈空寬度考慮隧道建筑限界寬度+曲線加寬+線間距加寬(圖9、圖10)。

(3)方案比選

路堤式U形槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,支擋、防水效果優(yōu)良,景觀效果較好,投資省(估算每公里造價(jià)較明洞少230萬(wàn)元左右);明洞方案防水性能較U形槽方案好,但通風(fēng)效果沒有U形槽方案好,需要照明設(shè)備,投資較高。經(jīng)綜

圖7 U形槽排水泵站平面位置示意(單位:cm)

圖8 U形槽排水泵站斷面(單位:m)

圖9 明洞結(jié)構(gòu)斷面(下穿高速鐵路段落外)(單位:cm)

圖10 明洞結(jié)構(gòu)斷面(下穿高速鐵路段)(單位:cm)

合比較,選擇采用路堤式U形槽結(jié)構(gòu)形式。

3.2.2 對(duì)京滬高速鐵路橋墩動(dòng)應(yīng)力影響的解決方案

采用路堤式U形槽結(jié)構(gòu)下穿京滬高速鐵路,為避免對(duì)橋墩產(chǎn)生影響,一般可采用加大U形槽基礎(chǔ)埋深使

U形槽底板兩端附加應(yīng)力擴(kuò)散線控制在橋墩臺(tái)階基礎(chǔ)外側(cè),或在U形槽兩側(cè)設(shè)置隔離樁阻止應(yīng)力橫向傳遞。

本處下穿京滬高速鐵路橋墩孔跨有效間距僅19 m,應(yīng)盡可能地減小U形槽結(jié)構(gòu)尺寸,從而擴(kuò)大U形槽與京滬高速鐵路橋墩間的距離。U形槽內(nèi)壁到線路中心線按隧道建筑限界2.44 m設(shè)計(jì),考慮曲線加寬,設(shè)計(jì)線路中心左線到U形槽內(nèi)壁距離為2.51 m,線路中心右線到U形槽內(nèi)壁距離為2.89 m,U形槽凈寬為9.75 m,總寬11.35 m。U形槽結(jié)構(gòu)與京滬高速鐵路441號(hào)橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)邊線最近距離為4.48 m,與442號(hào)橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)邊線最近距離為3.66 m,有足夠的安全距離。

下穿京滬高速鐵路方案存在鐵路產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力大(軸重大),橋墩有效間距小(僅19 m)的困難因素,但該工點(diǎn)第四系覆蓋層不厚(層厚1.8～3.5 m),下伏強(qiáng)度較高的硬質(zhì)灰?guī)r,存在直接將應(yīng)力通過(guò)基礎(chǔ)傳遞至深部地層而不用設(shè)置隔離樁的有利條件。設(shè)計(jì)考慮挖除表層覆蓋層,根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散線(取擴(kuò)散角45度)與橋墩臺(tái)階基礎(chǔ)線控制U形槽基礎(chǔ)埋置深度(圖6),使U形槽底板兩端附加應(yīng)力擴(kuò)散線控制在橋墩臺(tái)階基礎(chǔ)外側(cè),并將U形槽底板直接放置在基巖中。采取上述解決方案,鐵路荷載在地基中所產(chǎn)生的附加應(yīng)力不會(huì)對(duì)京滬高速鐵路橋墩產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

由于下穿京滬高速鐵路方案受新建寧陽(yáng)東站、與京滬線的聯(lián)絡(luò)線及華豐煤礦采空區(qū)等因素控制,線路北臨大汶河走行,其設(shè)計(jì)路肩高程因下穿高速鐵路凈空要求而低于大汶河百年洪水位。通過(guò)研究,設(shè)計(jì)采用路堤式U形槽下穿京滬高速鐵路,U形槽頂高程滿足大汶河百年洪水位的防洪要求,在U形槽邊墻頂上安裝鋼筋混凝土雨棚防雨水,在U形槽排水溝最低點(diǎn)處兩側(cè)設(shè)置排水泵站排出U形槽內(nèi)少量飄雨及結(jié)構(gòu)滲漏水等措施解決了防洪、防水的問(wèn)題;采取挖除表層覆蓋層,控制U形槽基礎(chǔ)埋置深度使U形槽底板兩端附加應(yīng)力擴(kuò)散線控制在橋墩臺(tái)階基礎(chǔ)外側(cè),將U形槽底板直接放置在基巖中的方案,解決了鐵路荷載附加應(yīng)力對(duì)京滬高速鐵路橋墩產(chǎn)生影響的問(wèn)題,使得本線下穿京滬高速鐵路方案順利通過(guò)技術(shù)審查并實(shí)施,取得了良好的設(shè)計(jì)效果。

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Study on Grade Separation Scheme of Middle and Southern Shanxi Heavyhaul Railway Crossing below Beijing-Shanghai High-speed Railway

QIAO Jun-fei
(China Railway Engineering Consultants Group Co.,Ltd beijing 100055,China)

The purpose of this study was to find a best way in order that the middle and southern Shanxi heavy-haul railway could safely intersect the existing Beijing-Shanghai High-speed Railway at Taian region in Shandong province.If it crossing above the high-speed railway,it would pose a threat to operation safety of the high-speed railway;while if it crossing below the high-speed railway,the subgrade shoulder level designed would be lower than the once-in-a-hundred-years highest flood level,due to this railway facing the Dawen River on the north at the intersection point.Thus,the key technical problem that needed to be solved in the study of grade separation scheme of the two railways was:how to achieve an ideal design of this heavy-haul railway,with which not only the requirement of flood control of railway ______could be satisfied,but also the adverse effect of dynamical stresses on high-speed railway's bridge pierscould be avoided during trains running on this heavy-haul railway.Eventually after research,a optimal scheme of crossing below the high-speed railway via an embankment-type U-shaped structure was proposed in this study,and above-mentioned key technical problem was solved by that scheme.As a result,that scheme has successfully passed relevant technical reviewandhas beenput into implementation,with a good effect of design.

heavy-haul railway;high-speed railway;intersection;scheme

U448.17

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.011

1004-2954(2014)04-0048-04

2014-01-19

喬俊飛(1970—),男,高級(jí)工程師,1992年畢業(yè)于上海鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè)。