我國高速鐵路橋梁和區(qū)間路基結構設計方案的比選探討

劉玉杰， 謝亞偉

(1.京廣鐵路客運專線河南有限責任公司，河南 鄭州 450053;2.河南鐵路投資公司，河南 鄭州 450008)

一、引言

近年來隨著我國高速鐵路建設的蓬勃發(fā)展，鐵道部相繼出臺了針對高速鐵路建設項目投資控制的一系列辦法，如《新建時速300—350公里高速鐵路鐵路設計暫行規(guī)定》(鐵建設[2007]47號)[1]等。2010年，鐵道部又發(fā)行了新版高速鐵路設計規(guī)范(試行)。

我國高速鐵路線路結構形式有路基、橋梁、隧道等，而路基又分為站場路基和區(qū)間路基，線路結構的選取便是設計方案比選問題。高鐵線路隧道結構受地形地質限制，一般別無選擇，站場段由于性能和技術要求而均為路基，本文主要探討橋梁和區(qū)間路基結構設計方案的比選。

按照不同的用途，高速鐵路橋梁可分為以下三類[2]:高架橋，用以穿越既有交通路網(wǎng)、人口稠密地區(qū)及地質不良地段，高架橋通常墩身不高，跨度較小，但橋梁很長，往往延伸達十余或幾十公里;谷架橋，用以跨越山谷，跨度較大，墩身較高;跨越河流的一般橋梁。

高速鐵路線路橋梁所占比例非常高，路基所占比例很小，區(qū)間路基所占比例更小，也很分散。例如:中國臺北至高雄的高速鐵路全長345公里，其中高架橋長252公里，占73%;已經(jīng)通車的京津城際高速鐵路全長120公里，其中橋梁總長104.4公里，占87%;京滬高速鐵路線路全長1318公里，其中橋梁長度約為1140公里，占86.5%。京廣鐵路河南段全長為545公里(含鄭西貫通線)，其中橋梁長度為420.501 公里，占83.0%。

投資控制追求的目標是使得建設過程中項目的質量、工期、投資總額以及收益之間實現(xiàn)均衡，可以認為是一個尋找最優(yōu)點使項目投資最優(yōu)化的過程。鐵路投資控制的關鍵點并起決定性作用的階段是設計階段。設計方案比選有多種技術經(jīng)濟分析方法，例如凈現(xiàn)值法、投資回收期法、計算費用法、多因素評分優(yōu)選、價值工程法[3]。本文根據(jù)高鐵實例，采用對比分析法，定量與定性相結合，從造價、質量、工期、環(huán)保等方面對新建時速300—350公里高速鐵路線路進行橋梁和區(qū)間路基結構設計方案比選。

二、從造價上測算比選

本文以某即將竣工通車的客運專線為實例，以單公里造價指標來分析比較橋梁和區(qū)間路基結構形式。

該段客運專線151.236公里，設計標準時速350公里，無砟軌道，劃分為兩個標段。標段1總長度78.653公里，其中橋梁72.935公里，區(qū)間路基兩段，共2.935公里。標段2總長度72.584公里，其中橋梁58.178公里，區(qū)間路基3段，共11.5044公里。現(xiàn)分別測算兩個標段橋梁和區(qū)間路基結構的平均綜合造價指標。根據(jù)鐵路建設項目設計概預算編制辦法，我國高速鐵路概預算按照不同的費用類別分為拆遷與征地費用、路基、橋涵、隧道等章節(jié)[4]。

為了測算兩種結構的綜合造價，需要將現(xiàn)有概算章節(jié)進行調整，為此有以下幾點說明:一是假設通信及信號、電力及電力牽引供電、大臨和過渡工程、站房造價等站后工程造價與線路結構形式無關，只比較站前工程造價;二是涵洞存在于路基段，或者說路基結構形式才有涵洞，所以將涵洞造價從橋涵章節(jié)中分出來平均加到路基段;三是區(qū)間路基與橋梁的紅線寬度不一樣大，所以綜合造價對比要加上拆遷與征地費用;四是要考慮改路改渠費用。橋梁段紅線征地18米寬含維修通道用地約3.7米，且橋下出行暢通，一般只存在橫向交叉改路改渠。路基段防護柵欄封閉，不僅當?shù)厝罕娨罂v向和橫向改路改渠，鐵路沿線的四電基站、鐵路警務區(qū)和約2公里一個警亭也需要縱向保持道路暢通。在此假設兩種結構形式的橫向改路改渠數(shù)量一樣多，但路基段要比橋梁段多兩側的縱向改路改渠。一般兩側改路改渠為機耕道，單側寬度3.5—4米，土地只補不征，工程費用一般是簡單的路基清理和泥結碎石面層，有的需要水泥混凝土或者瀝青混凝土硬化，按照20萬元/畝標準估算，計2098951元/公里。該項費用要加到區(qū)間路基綜合平均造價上。

橋梁與區(qū)間路基結構的平均綜合造價測算結果見表1。

表1 某高鐵項目橋梁與區(qū)間路基平均綜合造價

從表1可以看出，兩個標段區(qū)間路基平均綜合造價分別為84590692元/公里和69460079元/公里，均高于橋梁平均綜合造價(69870448元/公里和66490328元/公里)，超出比例分別是21.5%和4.5%。

另外，上述征拆成本是按照批復概算測算，隨著征拆成本逐年上漲，實際征拆費用要高于批復概算，將來的高鐵建設項目區(qū)間路基綜合造價會進一步超出橋梁綜合造價，在經(jīng)濟發(fā)達的省市更是如此。再者，我國對鐵路工程給予了很多征地稅費優(yōu)惠，例如土地無償劃撥方式、耕地占用稅優(yōu)惠、城鎮(zhèn)土地使用稅減免等規(guī)定，如果加上這些機會成本，區(qū)間路基綜合造價更高于橋梁綜合造價。

三、從工程質量分析比選

高速鐵路橋梁主要承重結構按照100年使用設計，下部結構一般采用混凝土或者鋼筋混凝土墩臺，上部結構優(yōu)先采用預應力混凝土結構，通常是制梁場生產的標準32米或24米預應力簡支梁，也可采用鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼—混凝土結合結構[1]。橋梁結構簡單，技術要求嚴格但很明確，可控性強，工程質量可靠，在國外高速鐵路線路也是大量采用高架橋梁結構[5]。

高速鐵路運行速度快、技術標準高，對路基的要求嚴格，控制路基變形已成為高速鐵路的最大特點，因此，建設高速鐵路路基與普通鐵路路基有本質的區(qū)別[5]。根據(jù)研究成果，軟土路基時，軌道的臨界速度約時速330公里，當列車速度小于軌道臨界速度時，軌道路基變形過程是一個穩(wěn)態(tài)過程，超過臨界速度時，軌道路基變形過程趨于或處于失穩(wěn)狀態(tài)[6]。雖然采取多種技術措施，但路基段質量通病仍較多，原材料類別及配比、含水量、含泥量、壓實度、粒料直徑、分層施工等環(huán)節(jié)均容易出問題，監(jiān)管也很困難，即使經(jīng)過半年的頂載預壓，工后沉降仍是路基段的主要問題[2]。且路基段頻繁設置的涵洞形成了很多的橋涵路基過渡段和結合部，由于路堤與橋梁的工程性質迥異，在路橋交界處極易產生嚴重的軌道不平順問題[7]，構成了更多質量隱患。高速鐵路設計規(guī)范中沒有明確路基按照100年使用設計，可認為路基段使用壽命沒有橋梁的使用壽命長。所以從工程質量角度分析，高鐵橋梁結構要優(yōu)于路基結構。

四、從工期上分析比較

以往高速鐵路建設項目實例表明，區(qū)間路基施工往往制約橋梁施工。橋梁下部結構是逐墩臺獨立施工，如果要趕工可以增加鉆井設備。預應力箱梁工廠化制作，只要增加模板臺套，完全能夠滿足架梁要求。但如果一個制梁場供應多個橋梁段，間隔有路基段，由于運梁車只能行進在已架梁或已完工路基上，下一橋梁段架梁必須等區(qū)間路基完工之后才能進行，區(qū)間路基段也增大了運梁距離。但路基施工只能從底部做起，層層施工，施工分段也不能太短，而且很多地材需要到外地遠距離運輸，另外路基施工受天氣影響大，所以區(qū)間路基工期不容易控制，且至少半年的頂載預壓期更是制約因素。有時施工單位為了趕工期，不得不犧牲壓縮頂載預壓期，從而埋下質量隱患。

五、從環(huán)保節(jié)能等方面分析

首先，高速鐵路橋梁結構要比路基結構節(jié)約土地。前文提到，橋梁段征地控制指標1.8—1.98公頃/公里，路基段征地控制指標6.25—8.43公頃/公里，前者只是后者的1/4。據(jù)測算，僅“以橋代路”一項，京津城際鐵路就節(jié)約土地4590余畝[8]。路基段除征地紅線外，還造成了大量的邊角地和夾心地?，F(xiàn)在高鐵設計要求四電廂房盡量設置在橋梁下，這樣橋梁結構能夠更節(jié)省土地。隨著我國土地資源越來越少，高速鐵路橋梁結構較路基結構節(jié)省土地的效應日益明顯，這也符合鐵道部建設高鐵節(jié)約土地的原則[9]。

其次，橋梁段能夠保持線路兩側交通暢通，橋梁下能為路地雙方合理使用，有助于地方經(jīng)濟發(fā)展和交通條件改善，也有利于防澇泄洪。路基則像一條大堤將平地分割開來，兩側還要裝設防護柵欄，不僅成為地理隔離帶，也成為了經(jīng)濟隔離帶，甚至造成生態(tài)破壞。在區(qū)間路基施工過程中，地方群眾強烈要求增加立交和橋涵，工程為此經(jīng)常被阻工[10]，最終導致設計變更。

再次，高速列車在橋梁段的噪聲要低于區(qū)間路基段。研究結果表明，在路基、橋梁、路橋過渡段三種線路形式中，列車通過橋梁段所產生的噪聲最小，路基段次之，路橋過渡段產生的噪聲最大[11－12]。

最后，橋梁結構比路基結構節(jié)省更多的地材，能夠減少對當?shù)赝恋刭Y源的破壞。

六、結語

總之，從造價、質量、工期、環(huán)保節(jié)能等方面分析，我國高速鐵路橋梁結構設計方案都優(yōu)于區(qū)間路基結構設計方案，在將來的高速鐵路線路設計上，應盡量少用或者不用區(qū)間路基結構。

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