談中東地區第一條高速鐵路的路基設計標準

李鎖平

(中鐵第一勘察設計院集團公司,西安 710043)

1 概述

隨著國際間文化交流日益頻繁和世界能源利用量的加劇,中東地區交通運輸業的建設突飛猛進,城市地鐵輕軌、國內城際鐵路、阿拉伯國家聯盟(League of Arab States)及海灣合作委員會(Gulf Cooperation Council——GCC)國家間路網鐵路等區域性鐵路建設大規模的開發,阿拉伯鐵路網覆蓋除島國科摩羅外的21個國家,設計長度達3.3萬km[1]。當前沙特、伊朗、科威特、卡塔爾、阿爾及利亞、摩洛哥、利比亞等阿盟(League of Arab States)國家的高速鐵路先后列入擬建或在建計劃,歐美、日韓等世界鐵路巨頭國家紛紛進軍中東市場。我國多年來在致力于國內經濟建設的同時大力開拓國外市場,不斷地加強與阿拉伯國家的經濟技術交流和合作,鐵路企業已在阿盟國家的鐵路市場上占有一席之地,承建了多條鐵路建設項目。世界高速鐵路設計咨詢主要控制在以法國為首的歐洲國家的公司,法國的設計標準基本覆蓋了東歐市場,索菲圖(Systra)公司總部在巴黎,是世界鐵路和城市軌道交通領域首屈一指的工程技術公司,是海灣合作委員會(GCC)成員六國(科威特、沙特、巴林、卡塔爾、阿聯酋、阿曼)鐵路網絡的主要設計咨詢公司,已設計了中東地區第一條高速鐵路——沙特阿拉伯哈拉曼(Haramain)高速鐵路,承接了伊朗、阿曼等多個國家高速鐵路的可行性研究,在中東地區高速鐵路占有相當大的優勢。

2 哈拉曼高速鐵路概況

中東第一條高速鐵路誕生于沙特阿拉伯西部,即哈拉曼(Haramain)高速鐵路,也叫麥加(Makkah)～麥地那(Madinah)高速鐵路,起始于沙特伊斯蘭教穆斯林第一圣城麥加(Makkah),途經西部紅海沿海重要經濟城吉達(Jeddah)、國際機場、拉比赫(Rabigh)等,終止于第二圣城麥地那(Madinah)。哈拉曼(Haramain)高速鐵路通過東西城際連接鐵路——大陸橋,與東部利雅得(Riyadh)、達曼(Dammam)及北部哈伊勒(Hail)、阿爾阿爾(Arar)等經濟重鎮連通,是沙特鐵路網的重要部分(圖1)[2]。線下工程由法國索菲圖(Systra)公司駐黎巴嫩分公司設計,麥加、吉達、拉比赫、麥地那等四重要城鎮車站由英國福斯特建筑事務所(Foster Partners)設計。該項目將于2014年完工投入運營,主要是承擔麥加(Makkah)至麥地那(Madinah)沿途城鎮伊斯蘭教穆斯林到圣城麥加(Makkah)、麥地那(Madinah)朝覲的旅運工作,預計線路開通后麥加(Makkah)至吉達(Jeddah)的運行時間縮短至0.5 h,麥地那(Madinah)至吉達(Jeddah)的運行時間縮短不到2 h,年運輸能力將達2 000萬人次。

圖1 沙特鐵路網示意

哈拉曼(Haramain)高速鐵路途經低山丘陵區、山前侵蝕平原區、海濱平原區及山間平原區,線路全長449.3 km,設計行車速度350 km/h,雙線有砟軌道電氣化鐵路。區內屬于熱帶沙漠氣候,月平均降雨量11.2～25.8 mm,年平均風速7～14 km/h,降雨量極少,干燥炎熱,水資源缺乏,干溝、干谷發育。涉及地層主要為前寒武紀巖漿巖及火山碎屑沉積巖、第三紀中新世碎屑巖及玄武巖、第四紀玄武巖及沖積沉積層等,地表主要為礫石、砂土、淤泥、黏土以及風積沙等第四系沉積物。沿線流動沙鏈、新月形沙丘、沙堆及沙地等沙害區段性分布,主要存在有危巖落石、泥石流、空洞風沙等不良地質及淤泥質軟黏土、淤泥質砂軟土、薩巴哈(Sabakha)鹽漬土等特殊土[3]。

3 路基填挖高度

路基填挖邊坡越大,邊坡穩定性越差,為了鐵路運營安全,路基工程一般要避免深挖、高填和長路塹路基,特殊巖土、不良地質地段的路基填挖高度要嚴格控制[4]。一般鐵路路基邊坡填挖高度控制在20 m以內,超過20 m時要按高路堤、深路塹進行邊坡穩定性計算分析進行特殊設計,最小邊坡穩定安全系數1.15～1.25[5]。法國的高速鐵路標準對路基填挖高度沒有具體的明文條款限制,高邊坡路基主要采取放緩邊坡、設置邊坡平臺設計。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路路基長440.3 km,路堤長359.5 km,路塹80.8 km,深挖、高填路基主要集中于南部賽拉特低山丘陵區及北部賽拉特山間平原區,紅海濱海平原區基本為填方路堤,路塹段落很少,深挖、高填路基零星分布,路基中心最大填挖高度見表1。

表1 路基中心最大填挖高度 m

路堤中心高度大于6 m長約161.4 km、大于8 m長約112.7 km、大于12 m長約46. 5 km、大于20 m長約5.9 km,邊坡坡率1∶2,自路肩向下每隔5.0 m高分級設置4.0 m寬邊坡平臺；路塹中心挖方深度大于15 m長約11.6 km、大于30 m長約4.7 km,土質路塹邊坡坡率1∶2(風積沙1∶6),自基床下表層向上每隔5.0 m高分級設置4.0 m寬邊坡平臺,巖石路塹邊坡坡率1∶0.25～1∶0.5,自土側溝底部向上每隔10.0 m高分級設置4.0 m寬邊坡平臺[6]。

4 路基結構及填料

列車動荷載作用力在基床內衰減最快,表層0.6 m范圍作用力衰減最大,達60%,向下逐漸減弱[7]。荷載作用路基填料強度不足基床容易產生下沉變形,路基面排水不暢易使局部基床填料含水量增大、強度降低,出現基床下沉邊坡凸起、路基面外擠鼓包、陷槽積水引泥、翻漿冒泥等基床病害,嚴重影響行車速度和運營安全,為了提高鐵路運輸效率和安全度,路基基床填料要求較高。法國高速鐵路的標準對基床厚度和填料有嚴格的控制規定,基床厚度見表2,主要根據下部土基承重層的承受能力確定,多為0.55～0.85 m,道砟底層(Sub ballast,相當于基床上表層)厚0.2～0.35 m,填筑礫石、砂顆粒混合料等優質填料,道砟基床(Subgrade,即定型層,相當于基床下表層)厚0.3～0.5 m,填筑混合顆粒料、粗礫料及細粒土、改良土等填料,也可用天然土石料,基床以下路堤填筑混合或細顆粒土、天然土石料[8]。

表2 法國高速鐵路標準有砟軌道基床厚度 cm

哈拉曼(Haramain)高速鐵路路基基床厚度見表3,基床厚度主要為55 cm,道砟底層(Sub ballast)厚20 cm,填筑碎(礫)石、砂粒混合料,道砟基床(Sub grade)厚35 cm,填筑粒狀料或改良土,路堤基床以下填料主要就地取材,利用路塹挖方棄碴或路基兩側外取土；地下水位較淺的濱海挖方地段道砟底層底部設置一層細粒狀或粒狀材料夾土工布防滲層。土基承重層達到80 MPa的地段不設道砟基床,對土基承重層達不到承重標準的地段必須采取換填或石灰改良達到S1的承重級別[9]。

表3 哈拉曼高速鐵路有砟軌道基床厚度設計 cm

5 路基沉降控制

路基沉降嚴重影響行車速度和運輸安全,主要表現為基床受力強度不足變形沉降、填土路堤自重壓密變形沉降、支撐路基地基壓密(或固結)沉降等,高速鐵路路基工后沉降要嚴格控制。路基本體沉降主要通過提高填料材質和加強壓實密度來控制,在確保路基填料和工程施工質量的前提下,一般在工程竣工后1年左右就能完成；地基沉降是主要的控制對象,采取地基加固處理來增強土體強度,提高基礎承載力,地基壓密、固結一般需要4～5年才能完成趨于穩定,路基竣工完成后要預留一定的預壓期完成工后沉降。法國高速鐵路的標準有明確的規定,在地基層驗收時的首次剩余沉降量應小于20 mm,并在鐵路交付使用前最后一次平整時,或最晚在地基層驗收后18個月內沉降全部吸收穩定；短距離路段上的沉降比長距離路段上的更難確定,規定30 m變形長度范圍內年沉降限值為4 mm,200 m(或更長)變形長度范圍內年沉降限值為10 mm[8]。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路最大允許下沉為100 mm,且下沉速率必須保持在25年中小于10 mm/年。要求沉降差必須最小,最大沉降必須與軌道幾何維護目標的縱向水準測量(每15 m小于3 mm,每30 m小于8 mm)和弧形測量(對于2條鐵軌之間的獨立水準測量每3 m小于3 mm)相一致,剩余沉降必須盡可能限制在永久結構調控范圍內。路基沉降控制采用施工測量和試運行2種控制標準,標準不小于表4中的變形模量(Ev2)控制值[9]。不良地質和特殊土地基沉降控制方案為：空洞地段采用灌漿或填充毛石混凝土處理,勘探鉆孔用水泥漿封閉；軟黏土、軟土地段全部挖除換填為顆粒土,換填土夯實密度不小于最大干密度的95%；風沙地段拉槽灌水48h以上,消除薄弱環節,排干積水清除劣質土層,用靜載重不小于120 kN的碾壓機械適當的振蕩壓密；薩巴哈(Sabakha) 鹽漬土地段清除表層2.0 m厚松軟土，換填為顆粒土,換填層及底部夯實密度不小于最大干密度的95%,并設置1層0.25 m厚的壓碎巖和礫石毛細水隔斷層[3]。

表4 哈拉曼高速鐵路路基變形模量(Ev2)控制值 MPa

6 路基斷面

路基斷面寬度要受到路基安全穩定、養護維修方便、線間距、軌道結構形式、曲線超高設置、通信信號和電力電纜槽的布設、接觸網立柱基礎位置、聲屏障基礎等多種影響因素的控制。不同的行車速度具有不同的路基面寬度,高速鐵路有砟軌道中心距外側接觸網的安全凈距一般為3.1 m,雙線線間距隨行車速度的不同而不同,行車速度越高線間距越大,一般行車速度200 km/h線間距4.4 m、250 km/h線間距4.6 m、300 km/h線間距4.8 m、350 km/h線間距5.0 m,路肩寬度影響較大。路肩寬度是影響列車正常運行、養護維修機械設備及作業人員或過往行人安全的關鍵,行車速度200 km/h不應小于1.0 m,250～350 km/h雙線不應小于1.4 m、單線不應小于1.5 m。法國高速鐵路標準路肩寬度雖沒有明確的條文限制,但鐵路設計路肩寬度均較大,巴黎—里昂高速鐵路(TGV)路肩寬度1.5～2.0 m、大西洋高速鐵路(TGV)路肩寬度2.25 m[10]。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路為雙線、有砟、電氣化鐵路,一般地段路基面寬度16.6 m、線間距5.0 m、左側路肩寬1.5 m、右側路肩寬3.5 m(檢修通道)；在高速鐵路穿越哈拉曼(Haramain)高速公路、麥地那(Madinah)三環道路等公路中央分隔帶地段,鐵路路基受到分隔帶寬度條件的限制,路基面寬度為12.0 m(或11.8 m)、線間距5.0 m、無路肩(直墻收坡),軌道中心距接觸網支柱中線只有2.85 m、距收坡墻內緣3.1 m；沿線路塹兩側設置深1.8 m、底寬1.0 m梯形土溝,內側溝邊坡率1∶2,外側溝邊同路塹坡率,無側溝平臺。鐵路右側3.5 m寬路肩兼作鐵路檢修通道,有利于鐵道快速維修和故障排除；路塹斷面溝槽寬大,邊坡坍塌對線路影響小,有利于鐵路運營安全[6]。

7 結語

哈拉曼(Haramain)高速鐵路,即麥加(Makkah)—麥地那(Madinah)高速鐵路,一期線下土建工程第一標段由沙特Al Arab Contracting.Co.(ACC)、中鐵十八局集團公司(CR18G)、沙特Mohd.A.Sawilem Group(MASCO)3家公司聯合共同承建,現已全面開工建設。我國的建設企業是線下工程的主要承建單位,在沙特鐵路建設中奠定了良好的基礎,為我國設計咨詢企業與中東阿拉伯國家之間的技術交流和合作提供了接觸溝通的平臺,有著很好的承接阿拉伯半島鐵路工程的有利條件。我國設計咨詢企業要走出國門在阿拉伯世界取得較大的市場份額,必須抓住機遇,在加強同阿拉伯國家技術交流和合作的同時應進一步提高設計技術的國際競爭力度,立足于本國高速鐵路的設計標準,全面了解世界鐵路技術先進國家,特別是在國際鐵路市場上占主導地位的法國、德國等國家的設計標準和設計方法,在分析研究其與我國設計標準不同點的同時,還應結合線路的地理位置、氣候特點、水文地質特征、地層條件及環境因素等實際情況,全面考慮,因地制宜,靈活取舍,巧妙應用,在安全穩定、環保和節省投資的前提下確定合理的設計方案,提高綜合實力。

[1] 杭州網-都市快報.中國企業受邀參與3.3萬km跨洲鐵路網建設[EB/OL].[2011-01-23]. http://money.2500 sz.com/lc/cjyw/2011/1/23/759080.shtml．

[2] 商務部合作司.承包工程市場國別報告(沙特阿拉伯)[EB/OL].[2010-07-08]. http://tradeinservices.mofcom.gov.cn/c/index.do．

[3] 沙特阿拉伯鐵路組織.沙特HARAMAIN高速鐵路(Ⅰ期)路線土木工程方案設計報告[Z]. 2009．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2009]172號 鐵路邊坡防護及防排水工程設計補充規定[S].北京：2009．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005/J447—2005 鐵路路基設計規范 [S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[6] 沙特阿拉伯鐵路組織.沙特HARAMAIN高速鐵路線路平面、縱斷面及路基橫斷面圖[Z].2009.

[7] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都：西南交通大學出版社,2002．

[8] 法國鐵路局.SNCF-IG/IGP TGV-EST/IG-LGS(04/98)歐洲東部高速鐵路Vaires-Vendenheim新線技術參考標準第一卷·第二冊·鐵路地基平臺土建工程[S].

[9] 沙特阿拉伯鐵路組織. ITT土建工程和基礎設施以及土方工程的HHR技術規范[S].

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009/J971—2009 高速鐵路設計規范及條文說明[S].北京：中國鐵道出版社,2009.