晉中南重載鐵路下穿京滬高速鐵路立交方案研究

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

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

晉中南重載鐵路與京滬高鐵在山東泰安地區交叉,其上跨京滬高速鐵路方案存在影響高速鐵路運營安全的風險,而下穿京滬高速鐵路方案,其線路在交叉處北臨大汶河,設計的路肩高程低于大汶河百年洪水位。如何使晉中南鐵路設計既滿足鐵路防洪要求,又避免重載列車運營時的動應力對高速鐵路橋墩產生不利影響,是兩線立交方案需要研究解決的關鍵問題。研究提出采用路堤式U形槽下穿京滬高速鐵路的方案,解決了上述關鍵技術問題,使得方案順利通過技術審查并實施,取得了良好的設計效果。

重載鐵路;高速鐵路;交叉;方案

1 概述

晉中南鐵路是我國第一條一次建成1 260 km的大能力運煤重載鐵路通道,從西向東依次經過晉豫魯三省,其在山東省泰安地區與京滬高速鐵路交叉。根據鐵道部《關于鐵路工程設計線路交叉跨越有關規定的通知》(鐵建設(2010)146號)要求,為確保京滬高速鐵路運營安全,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的方案(圖1)。

立交工程位于沖洪積平原區,地勢平坦開闊。地表出露第四系沖洪積粉質黏土層,層厚1.8～3.5 m,基本承載力150～200 kPa;基巖為弱風化灰巖,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,巖質堅硬,地質條件較好。

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

該段線路經泰安市南側磁窯鎮,該地區是寧陽縣工業園區所在地,同時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,與本線呈交叉關系。影響線位方案的主要因素有:寧陽工業園區規劃、新建寧陽東站、設置與京滬線的聯絡線引入磁窯站、與道路及鐵路(京福高速公路、國道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、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

通過對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)下穿京滬高速鐵路方案進行比選(圖2)。

北繞下穿京滬高速鐵路方案(方案1):線路自寧陽東站引出后,向東經寧陽工業園區北側,跨京福高速公路、國道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后至方案比較終點,線路長度40.529 km,同時修建與既有京滬線上、下行聯絡線引入京滬鐵路磁窯站,聯絡線總長15.351 km。

南繞下穿京滬高速鐵路方案(方案2):線路自寧陽站引出,向東經寧陽工業園區北側,跨京福高速公路、國道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后至方案比較終點,線路全長47.056 km。同時修建與既有京滬線上、下行聯絡線引入京滬鐵路磁窯站,聯絡線總長15.318 km,并改建既有磁東線10.9 km。

兩方案優缺點對比分析見表1。

圖2 下穿京滬高速鐵路立交線位方案示意

表1 方案優缺點分析比較

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構方案研究

3.1 結構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,其設計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30 t重載列車動應力對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應力對高速鐵路橋墩的影響是結構方案研究的關鍵控制因素。

(1)大汶河百年洪水位的設防要求

大汶河是黃河下游最大的一條支流(全長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(軌面設計高程為100.35 m)。為避免洪水侵入路基,鐵路設防高程應不低于百年洪水位+0.5 m,即鐵路路基防水結構頂控制高程不低于103.88 m(圖3)。

(2)對京滬高速鐵路橋墩基礎影響的防護問題

本線在京滬高速鐵路大汶河特大橋441號和442號墩間下穿,大汶河特大橋墩間為32 m簡支箱梁,墩高9 m,橋墩采用3層擴大基礎,基底為承載力1 000 kPa的弱風化灰巖。京滬高速鐵路梁底高程為107.29 m,本線軌面設計高程為100.35 m,凈空6.94 m滿足要求;左線距橋墩基礎最外邊線7.7 m,右線距橋墩基礎最外邊線7.3 m(圖4)。需研究重載鐵路荷載附加應力對高速鐵路橋墩可能產生的影響,提出解決方案以確保高速鐵路運營安全。

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防方案研究

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

(1)路堤式U形槽方案

根據本工點的功能要求,應設置不同于一般路塹U形槽的路堤式U形槽(圖5、圖6),U形槽內填土至路肩高程,U形槽外兩側設2 m寬回填土,回填土邊坡采用空心磚草灌結合,坡腳種樹綠化。底板下設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形槽結構設計(單位:m)

圖6 京滬橋梁下U形槽結構(單位:m)

為防止雨水進入槽內,U形槽邊墻頂上安裝雨棚(梁下不設雨棚),雨棚采用鋼筋混凝土結構,耐久性好,整體性強,受列車通過時的氣流影響小,耐火性亦優良,還具有施工簡單,可以和U形槽同步施工。

在U形槽排水溝最低點處(設于D1K959+860,避免在京滬高速鐵路橋下設置)兩側設置排水泵站各1座(5 m×6 m×7.5 m),排出U形槽范圍內少量飄雨及結構滲漏水。在擋水墻側壁設DN300排水管并埋設柔性防水套管,路基排水溝排水經側壁排水管流入泵站,經抽升后排出。泵站水泵均采用固定式耦合安裝,自動攪勻潛污泵啟動及停止由水位控制,全自動運行。雨水經過提升后排入路基排水截溝(圖7、圖8)。

(2)明洞方案

考慮到結構受力合理和結合景觀需要,明洞采用邊墻為直墻頂部為弧形的框架結構形式,其中下穿京滬高速鐵路段,由于凈空限制,采用矩形框架結構形式。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形槽結構簡單,支擋、防水效果優良,景觀效果較好,投資省(估算每公里造價較明洞少230萬元左右);明洞方案防水性能較U形槽方案好,但通風效果沒有U形槽方案好,需要照明設備,投資較高。經綜

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 明洞結構斷面(下穿高速鐵路段落外)(單位:cm)

圖10 明洞結構斷面(下穿高速鐵路段)(單位:cm)

合比較,選擇采用路堤式U形槽結構形式。

3.2.2 對京滬高速鐵路橋墩動應力影響的解決方案

采用路堤式U形槽結構下穿京滬高速鐵路,為避免對橋墩產生影響,一般可采用加大U形槽基礎埋深使

U形槽底板兩端附加應力擴散線控制在橋墩臺階基礎外側,或在U形槽兩側設置隔離樁阻止應力橫向傳遞。

本處下穿京滬高速鐵路橋墩孔跨有效間距僅19 m,應盡可能地減小U形槽結構尺寸,從而擴大U形槽與京滬高速鐵路橋墩間的距離。U形槽內壁到線路中心線按隧道建筑限界2.44 m設計,考慮曲線加寬,設計線路中心左線到U形槽內壁距離為2.51 m,線路中心右線到U形槽內壁距離為2.89 m,U形槽凈寬為9.75 m,總寬11.35 m。U形槽結構與京滬高速鐵路441號橋墩承臺基礎邊線最近距離為4.48 m,與442號橋墩承臺基礎邊線最近距離為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生的動應力大(軸重大),橋墩有效間距小(僅19 m)的困難因素,但該工點第四系覆蓋層不厚(層厚1.8～3.5 m),下伏強度較高的硬質灰巖,存在直接將應力通過基礎傳遞至深部地層而不用設置隔離樁的有利條件。設計考慮挖除表層覆蓋層,根據應力擴散線(取擴散角45度)與橋墩臺階基礎線控制U形槽基礎埋置深度(圖6),使U形槽底板兩端附加應力擴散線控制在橋墩臺階基礎外側,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生的附加應力不會對京滬高速鐵路橋墩產生不利影響。

4 結論

由于下穿京滬高速鐵路方案受新建寧陽東站、與京滬線的聯絡線及華豐煤礦采空區等因素控制,線路北臨大汶河走行,其設計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。通過研究,設計采用路堤式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形槽排水溝最低點處兩側設置排水泵站排出U形槽內少量飄雨及結構滲漏水等措施解決了防洪、防水的問題;采取挖除表層覆蓋層,控制U形槽基礎埋置深度使U形槽底板兩端附加應力擴散線控制在橋墩臺階基礎外側,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力對京滬高速鐵路橋墩產生影響的問題,使得本線下穿京滬高速鐵路方案順利通過技術審查并實施,取得了良好的設計效果。

[1] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建鐵路山西中南部鐵路通道下穿京滬高鐵補充初步設計[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2011.

[2] 馬濤,鄧帥.封閉式路塹U形槽結構設計分析[J].鐵道勘察, 2013(1):36-38.

[3] 王海峰,韓濤.封閉式路塹U形槽在某鐵路工程中的應用[J].鐵道勘察,2013(2):52-54.

[4] 彭妮蘭,陳曉珠.蒙西至華中鐵路荊門至岳陽段與漢宜鐵路立交方案研究[J].鐵道勘察,2013(6):51-53.

[5] 耿殿魁.大慶西城工業園區鐵路封閉式U形槽結構設計[J].鐵道勘察,2013(5):36-38.

[6] 吳劍峰,李季宏.U形結構在某鐵路路堤地段的應用研究[J].鐵道標準設計,2013(9):44-46.

[7] 張勁松,吳連海.公路下穿式立交引道U形封閉式路塹結構的設計[J].鐵道標準設計,2005(1):41-42.

[8] 周革.U形槽結構在龍廈鐵路某地下水發育路塹中的設計與應用.鐵道標準設計,2009(3):27-29.

[9] 中華人民共和國鐵道部.GB50090—2006鐵路線路設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2006.

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

[11]國家標準局.GB146.1—146.2—83標準軌距鐵路機車車輛限界和建筑限界[S].北京:國家標準局,1983.

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,高級工程師,1992年畢業于上海鐵道學院鐵道工程專業。