基于TRIZ理論的某高原鐵路陡坡路基方案設計

成啟航 程 云 鄭六益

（中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴陽 550002）

隨著國家經濟的發展和西部大開發戰略的推進，西南高原地區現有的公路運輸通道已不能滿足當前經濟及社會發展的需求，建設高原鐵路勢在必行。因此，高原鐵路的設計逐漸成為當下重要的研究課題之一。

在高原鐵路的設計中，復雜的地質條件常給鐵路路基的設計帶來許多困難，陡坡路基便是其中之一。高原陡坡路基的設計不僅需要考慮復雜的地形、地貌條件和地震等不利因素，還需兼顧嚴格的位移控制要求，常規的陡坡路基方案已不能滿足其設計需求。鑒于實際工程的需要及設計的復雜性，亟需引入一種新的方法來優化高原鐵路陡坡路基的設計方案。

作為一種技術和管理創新的方法，TRIZ 理論已被廣泛應用于社會生產、生活和科研的各種問題［1-3］。本文將TRIZ 理論應用于某高原鐵路陡坡路基的方案設計中，在解決工程實際的同時，驗證該理論在陡坡路基設計領域應用的可行性。

1 TRIZ 理論及技術矛盾矩陣

TRIZ 理論又被稱為“發明問題解決理論”，意為通過識別并解決復雜問題來實現技術或管理上的創新。根據技術系統的問題屬性，TRIZ 理論可將實際的問題轉化為理論的問題模型，并利用不同的解題工具得到解決方案模型，最后將解決方案模型應用于實際問題中，從而實現創新。

技術系統中的問題往往呈現出多樣化的表現形式，這些問題的影響因素也存在著相互影響、相互制約的技術矛盾，即在提高技術系統中某一個參數時，導致了另一個參數的惡化而產生的矛盾。作為一種TRIZ 理論中的常用的解題工具，技術矛盾矩陣可用于解決影響因素間相互制約的問題［4］。在技術矛盾矩陣中，將實際問題轉化為技術矛盾，利用技術矛盾找到創新原理，并以創新原理作為啟發，推導出針對實際問題的可行方案，最后實現對現有技術的優化創新。在陡坡路基的設計中，同樣存在著相互影響、相互制約的因素，例如加大結構尺寸雖能提高其承載能力及抗變形能力，但會增加現場施工難度及工程造價。因此，需要使用TRIZ 理論中的技術矛盾矩陣解決這些影響因素間相互制約的問題，從而得到合理的陡坡路基設計方案。

2 基于矛盾矩陣的路基方案設計

2.1 技術矛盾矩陣在設計中的應用

在陡坡路基的設計中，問題的根源主要在于路基填筑材料的物理力學性質、結構與填筑材料之間復雜的相互作用、施工的可行性與路基的整體穩定性之間的矛盾，上述不同的設計參數間存在著相互制約的關系，屬于技術矛盾問題。因此，可采用TRIZ 理論中的技術矛盾矩陣工具進行解決方案模型的求解。

根據技術矛盾矩陣工具，上述影響因素可一般化表達為“靜止物體的重量”“結構的穩定性”“系統的復雜性”等惡化的通用參數和改善的通用參數。通過查閱矛盾矩陣［5］，得到在陡坡路基方案設計中的矛盾矩陣表，如表1所示。由表1 可知，可使用的創新原理中排名前三位的編號依次為：1 號分割原理（出現10 次）、35 號物理或化學參數改變原理（出現10 次）、10 號預先作用原理（出現9 次）。因此，可基于上述創新原理進行陡坡路基的方案設計。

表1 陡坡路基設計中的技術矛盾矩陣表

2.2 創新原理的應用

2.2.1 分割原理

分割原理的思路在于將復雜的系統分為相互獨立的部分，提高其可分性，以實現系統的改造。在陡坡路基的設計中，不僅需要保證路基本體的穩定性，還需要確保相鄰陡坡的穩定性。因此，可將路基本體與相鄰陡坡分為2 個相互獨立部分，然后分別采用不同的工程措施確保各獨立部分的穩定性。在工程設計領域，可采用樁板墻對陡坡路基進行支擋，采用低預應力錨桿框架梁對路基下部陡坡進行防護。

2.2.2 物理或化學參數改變原理

物理或化學參數改變原理是指通過改變系統的聚集態、濃度、密度或溫度等物理或化學參數，以達到創新改造的目的。在陡坡路基的設計中，路基填料的物理力學性質是影響其穩定性的重要因素，常采用回填碎塊石土與滿鋪土工格柵的方法來提高路基抗剪強度等物理力學參數，從而達到提高路基穩定性的作用。

2.2.3 預先作用原理

預先作用原理的思路在于預先對部分或全部系統施加必要的改變，從而達到預期的功能。在工程設計領域，該原理常被以預應力錨索的形式應用于高陡邊坡危巖落石的加固設計中。對于陡坡路基的設計，也可以通過在錨固樁上添加預應力錨索的方式，達到對陡坡路基的預加固作用，減弱地震等不利工況對陡坡路基的破壞。

2.3 最終方案選擇

通過綜合利用以上3 種創新原理，得到了最終的陡坡路基設計方案。

針對路基本體，采用回填級配碎塊石土作為填料、豎向滿鋪土工格柵的方法提高路基本體的抗剪強度，同時采用樁板結構對路基本體進行支擋，確保其穩定性。針對相鄰陡坡，根據實際地質情況，可采用多排低預應力錨桿框架梁進行防護。針對高原地區可能存在的地震動因素，采用錨固樁上添加多束預應力錨索的方式進行預加固，從而減弱地震工況對路基的破壞作用，提高支擋結構的安全性。

3 設計方案驗證

3.1 工程概況

該高原鐵路車站陡坡路基位于川西高原的高山區，區內河谷深切，地形陡峻。車站范圍內微地貌主要表現為低中山構造剝蝕、河流階地地貌，地形呈“魚脊背”狀，起伏較大，絕對高程2 582～2 798 m，相對高差60 ～ 215 m。車站位于山體脊背處，兩側為斜坡，其下為河流階地。車站上覆0～2 m 細角礫土層，下伏基巖主要為三疊系上統兩河口組二段含炭板巖與砂巖不等厚互層，巖芯整體較完整，呈柱狀、長柱狀，巖層以中厚層為主。車站范圍內特殊巖土主要為季節性凍土，邊坡未見拉裂縫及其他變形跡象，無明顯不利節理，整體上坡體穩定。

車站為削山設站，車站平均設計高程約為2 740 m。因此，在施工過程中，不可避免地產生了許多陡坡路基，本文選取了其中較為典型的剖面進行設計方案的驗證。結合現場實際情況，基于TRIZ理論的陡坡路基方案設計，陡坡路基左側設置樁板墻收坡，錨固樁尺寸為2.75 m ×3.5 m，樁長40 m，樁間距6 m，采用C35級混凝土。錨固樁樁頂以下2 m、4 m 和6 m 位置分別布置6 束15.2 mm 的1860 級鋼絞線，錨索長度分別為40 m、35 m 和30 m，錨固段長10 m，最終預加應力均為720 kN。路堤下部坡面共設置6 排低預應力錨桿框架梁護坡，錨桿長10 m，節點間距4 m。路堤填料采用級配碎塊石土，同時豎向間隔0.6 m 滿鋪土工格柵。

3.2 計算模型建立

為驗證最終陡坡路基設計方案的合理性，采用有限差分軟件FLAC3D 建立計算模型，對該鐵路車站的陡坡路基工點進行計算。

計算模型尺寸為192 m×100 m（寬×高），厚度根據錨固樁樁間距取為6 m。模型中陡坡路基及地層巖土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，支擋結構采用線彈性本構模型［6-7］。

路堤錨固樁采用FLAC3D 內置的Pile 單元模擬，錨固樁重度γ=25 kN／m3，彈性模量E=35 GPa，泊松比v=0.2。樁上錨索采用Cable 單元模擬，其中錨索錨固段彈性模量E=36 GPa，錨索自由段彈性模量E=183.1 GPa［8］。路堤填土部分滿鋪土工格柵，采用Geogrid 單元模擬，重度γ=10 kN／m3，彈性模量E=21 GPa［9-10］。路堤下部低預應力錨桿采用Cable單元模擬，彈性模量取值為E=15.7 GPa［11］。陡坡路基表面設置70 kPa 的均布荷載，用以模擬鐵路車輛荷載［12］。各地層的物理力學參數如表2所示。

表2 地層物理力學參數表

3.3 計算結果分析

采用有限差分軟件FLAC3D 對在一般工況和地震工況下的陡坡路基模型進行數值計算。考慮到該陡坡路基位移控制要求較為嚴格，因此主要對路堤的變形進行分析，分析內容主要包括路堤土體和錨固樁的位移。

3.3.1 一般工況

陡坡路基土體最大水平及豎向位移均位于路基面頂部，最大水平位移9.5 mm，最大豎向位移25.3 mm，路基相鄰陡坡水平位移不足1 mm 錨固樁樁頂最大水平位移7.2 mm。一般工況下土體水平及豎向位移如圖1所示，錨固樁水平位移如圖 2所示。

圖1 一般工況土體位移云圖

圖2 一般工況錨固樁水平位移云圖

根據TB 10001-2016《鐵路路基設計規范》及TB 10025-2019 《鐵路路基支擋結構設計規范》，路基土體工后沉降應小于150 mm，錨固樁樁頂水平位移應小于懸臂段長度的1／100 且不大于100 mm。根據計算結果，一般工況中路基土體及錨固樁的位移均滿足設計要求。

3.3.2 地震工況

在模型底部施加水平向的地震應力波模擬地震工況，地震波為EL CENTRO 波（N-S），濾波及基線校正后加速度幅值為0.15 g，模型計算取其主頻段0 ～10 s 進行計算，地震波時程曲線如圖3所示。

圖3 地震波加速度時程曲線圖

陡坡路基土體最大水平位移11.3 mm，最大豎向位移31.6 mm；錨固樁樁頂最大水平位移8.8 mm；地震工況中路基土體及錨固樁的位移均滿足設計要求。地震工況下土體水平及豎向位移如圖4所示，錨固樁水平位移如圖5所示。

圖4 地震工況土體位移云圖

圖5 地震工況錨固樁水平位移云圖

3.3.3 計算結果分析

基于TRIZ理論的陡坡路基設計方案在一般工況及地震工況下均能滿足設計要求，因此，基于TRIZ理論的陡坡路基方案設計是可行的。

4 結論

本文采用TRIZ 理論對某高原鐵路車站的陡坡路基方案進行了設計，并采用有限差分軟件FLAC3D 驗證了設計方案的合理性。數值計算結果表明，基于TRIZ理論的陡坡路基設計方案在一般工況及地震工況下均能滿足設計要求，可以認為TRIZ 理論在陡坡路基方案設計領域的應用是可行的。

本文有待改進的地方包括：（1）未能結合實際監測資料來驗證計算結果的準確性；（2）模型厚度僅根據樁間距取值為6 m，未能考慮三維空間效應，有待后續開展深入研究。