鄰近運營高鐵路基設計的幾點探討

于榮喜

（中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200071）

1 引言

伴隨高速鐵路快速發展，越來越多的項目由于接入既有運營高鐵網的需要或地形、地貌、既有構筑物限制，不可避免地遇到鄰近運營高鐵設計施工的問題。由于高速鐵路特別是設計時速350 km的無砟軌道高速鐵路[1]，運營期間對軌道的變形要求極其苛刻，鄰近其施工存在較大困難及風險。設計、施工過程如何減少對運營高鐵的影響，是目前需要解決的問題。

2 運營高鐵變形控制標準

根據《上海鐵路局工務安全管理辦法》（上鐵工【2015】648 號）[2]：高鐵無砟軌道路基和橋梁樁基沉降或橫向位移不得超過1 mm；有砟軌道鐵路路基水平橫向位移或垂向位移變化速率大于2 mm／d（施工時間大于3 d后按最近3 d平均值計算），或累計水平（或垂直）變化量大于10 mm時應暫停施工。按照上海路局文件要求，鄰近無砟軌道高速鐵路施工，運營高鐵沉降或橫向位移不得超過1 mm，鄰營施工壓力及風險非常大。

3 鄰近運營高鐵路堤設計方案研究

3．1 方案研究

圖1為引入既有高鐵站前區間路堤代表性斷面。由于要接入既有高鐵，線間距無法拉開，必須在運營高鐵邊進行路基幫寬。由于幫寬土石方、新線軌道、新線列車荷載對于既有線而言均為新增荷載，如何保證運營高鐵沉降和橫向變形控制在運營要求之內，是設計的重難點。由于運營部門要求變形控制在1 mm，要通過理論計算得出新建路基對運營路基的變形影響大小，目前的計算理論均達不到該精度，只能從減少新增荷載和如何采用結構措施來分擔新增荷載來入手。

圖1 引入既有高鐵站前區間路堤代表性斷面

3．1．1 輕質混凝土幫寬＋挖除回填置換方案（方案一）

圖2為軟土地區高速鐵路拓寬工程經常采用的一種減少路基沉降的方法[3]。原理為用輕質混凝土置換掉同等重量的土層，使換填底部的附加應力基本為零，從而減少路基沉降。該方案施工簡單、快捷[4]，但存在3個問題：（1）輕質混凝土及列車、軌道荷載對既有路基邊坡仍有斜向壓應力，可能會引起運營高鐵路基變形；（2）輕質混凝土本身耐久性還有待考證；（3）挖除換填開挖基坑對既有高鐵運營也存在影響。

圖2 輕質混凝土回填置換土層

3．1．2 U型槽＋鉆孔樁方案（方案二）

幫寬路基采用U型槽[5]＋鉆孔灌注樁方案見圖3。U型槽承受所有新增荷載，然后通過鉆孔灌注樁傳遞至深層持力層或巖層，將新增荷載對運營高鐵的影響降到最低[6]。但該方案實施需對既有高鐵邊坡進行開挖，開挖過程對既有高鐵運營安全將造成較大影響。

圖3 U型槽＋鉆孔樁方案

目前僅在一些離既有線相對較遠，不開挖既有線的項目，采用了U型槽＋鉆孔樁方案，如商合杭高鐵接入既有合蚌高鐵合肥北城站等。

3．1．3 上承式樁板結構＋板下回填輕質混凝土（方案三）

采用上承式樁板結構[7]，使軌道、列車荷載通過樁板結構傳遞至深層持力層或巖層[8]，板下采用輕質混凝土回填（見圖4）。該方案施工不需要開挖既有線邊坡，對既有線路基影響較小，但現場施工也存在以下幾個問題：

圖4 上承式樁板結構＋板下回填輕質混凝土方案

（1）一般既有高鐵地基都采用樁基處理，多為CFG樁，鉆孔灌注樁施工容易與既有樁基、樁帽、擴大樁頭發生沖突，造成樁基施工困難。

（2）接觸網立柱外側2 m左右路基面上方約6 m有一條電氣化貫通高壓線，距離內側排樁較近，一般樁基施工機具無法滿足安全距離要求。

（3）樁基施工需搭設施工平臺，施工平臺及樁基施工機械設備作為荷載在施工期間對運營高鐵的影響難以預測。

目前鄰近高鐵設計樁板結構較多，如連鎮線接入滬寧城際鎮江站、魯南高鐵接入京滬高鐵曲阜東站[9]等項目。現場施工遇到的問題較多，困難較大。

3．1．4 箱式路基結構＋鉆孔樁基礎（方案四）

采用鋼筋混凝土倒梯形箱式路基＋鉆孔灌注樁加固（見圖5），將軌道、列車荷載通過箱式路基、鉆孔樁傳遞至深層持力層或巖層，減少其對既有高鐵的影響。該方案優點：鉆孔灌注樁在既有高鐵坡腳外施工，不會與既有線地基加固樁發生沖突；離電氣化貫通線較遠，樁基施工機具受影響較??；沿既有邊坡澆筑，對既有線路基影響較小。缺點：結構所承受軌道、列車荷載為偏心荷載；軌道結構恒載可采用對稱配置衡重塊來平衡，但列車活載無法平衡；結構比較復雜，偏心動載計算復雜；箱式路基結構較大，工程投資巨大。

圖5 箱式路基＋鉆孔樁基礎方案

3．2 關于鄰近運營高鐵路堤設計的幾點思考

上述四個方案均有各自的優缺點，相比而言，筆者認為方案四，即箱式路基＋鉆孔灌注樁方案對既有線影響相對較小，施工相對方便，值得進一步研究。

由于運營高鐵對變形控制要求嚴格，想要通過純理論分析評估新增路基對既有運營高鐵的變形影響幾乎不可能，所以對運營高鐵在施工及運營期間的沉降監測、評估資料進行分析，可能是一個相對可行的辦法。針對這點，有以下幾點想法：

（1）應加強高鐵特別是無砟軌道高鐵站場及站場前后路基的沉降監測和評估[10]，確保監測數據的真實性，以便后期如有新建高鐵接入時可利用監測資料結合新增荷載對運營高鐵的影響進行評估。

（2）是否可以這樣考慮：在預估后續可能會有新的線路引入的高鐵站及站場前后路基進行超載預壓（見圖6），其中超載部分可看作是對以后新增荷載的提前預壓和檢測。在超載預壓作用下，如果變形監測數據顯示路基沉降已經穩定，是否可以得出這樣一個結論：在兩側新增荷載傳遞至既有高鐵路基基底的荷載小于或等于超載預壓傳遞至既有高鐵路基基底荷載時，新增荷載對既有高鐵變形沒有影響，可以直接采用路基幫寬的形式施工新建路基。

圖6 超載預壓

（3）鄰營施工應加強監測

①深層監測：在預估后續可能會有新的線路引入的高鐵站及前后路基設置深層位移計、孔隙水壓力計等設施，以便于后期進行新線施工時監測既有高鐵路基深層位移變化及孔隙水壓變化。

②路基面監測：建議在已運營的高鐵路基邊坡、路基面、支承層等位置采取全自動監測措施，以便施工期間實時監測既有線變形，保證既有高鐵運營安全[11]。

4 鄰近運營高鐵路塹設計方案研究

由于路塹工程施工對既有運營高鐵和新增線路而言均為卸載過程，只要列車和軌道荷載不大于挖方的荷載，一般不會存在變形問題。所以考慮鄰近高鐵路塹工程最大的問題是新線路塹土石方開挖、爆破、既有線支擋、防護工程拆除等工程施工時對既有線的影響。影響因素主要為防止異物侵入運營高鐵限界，及爆破振動對運營高鐵的影響。某鄰近運營高鐵路塹斷面見圖7。

圖7 某鄰近運營高鐵路塹斷面

主要采用以下方案措施：

（1）土方、風化巖盡量采用機械開挖；石方開挖由外至內逐級、逐區域、反向開挖，采用機械鑿巖、靜態爆破、控制爆破[12]等開挖方式。

（2）逐級拆除既有支擋、防護工程。

（3）土石方施工及拆除既有運營高鐵邊坡施工中在運營高鐵坡腳或擋墻頂平臺設置被動防護網，確保可能的墜落物不侵入高鐵線路；在二級邊坡平臺、運營高鐵無砟軌道支承層側面設置自動變形監測設施，實時監測運營高鐵路基面及邊坡變形；建議鄰近高鐵路塹盡量在高鐵運營天窗期施工，已減少施工對運營安全的影響；施工完后，高鐵運營前應對既有高鐵路基及軌道進行檢查，確保沒有異物侵入高鐵限界。

5 存在的問題及建議

（1）目前對于鄰近高鐵設計施工，路內尚無明確的管理辦法及規范標準，建議相關部門研究制定相關的管理辦法、規范標準指導類似工程設計施工。

（2）由于高速鐵路運營對變形、安全要求嚴格，所以鄰近其施工存在很大的難度及風險，同時高鐵站建成運營后其周邊配套建筑很快陸續建成，這都給新建高鐵的接入造成很大困難，所以建議高鐵建設時應結合近遠期規劃盡量預留新建高鐵的接入條件，鄰近地段土建工程有條件時盡量同步實施，避免后續高鐵接入時鄰近運營高鐵施工的情況，或者路基兩側增加用地，預留遠期接入通道。

（3）對于遠期可能有高鐵接入，而近期又不確定的站點，建議適當增加超載預壓，加強監測及數據管理，設置部分深層監測設備，以便后期有高鐵接入時開展變形影響評估工作及監測工作。

（4）線路平縱設計應使新增線路盡量遠離運營高鐵線；接入站內時，應結合運輸組織盡量接入外側到發線。

（5）鄰近高鐵施工安全風險大，施工困難，施工組織復雜，工程實施代價大。建議針對該類施工，單獨編制概算，提高相關費用。

（6）鄰近高鐵施工是一個系統工程，不僅涉及路基工程，還涉及四電（上部的架空線、路肩上的各類管線、過軌管線等）的遷改及過渡、排水工程銜接、運營組織過渡等方面，所以項目前期應協調各專業做好相關工作。

（7）倒梯形箱式路基＋鉆孔樁方案對既有高鐵影響相對較小，施工相對簡便，建議可以進一步研究。

（8）鄰近運營高鐵樁基施工，由于施工機具較高大，對既有高鐵存在安全影響，建議研究較矮的樁基施工機具，以減少對既有高鐵的影響。

（9）樁基施工過程中對既有運營高鐵的影響還需根據不同的地質條件進行分析，對于軟土地基，建議在施工過程中增加鋼護筒，減少樁基施工對軟土的擾動；同時成孔、下鋼筋籠、回灌混凝土應快速、緊湊，避免成孔后放置時間長，造成塌孔影響鄰近高鐵運營。

（10）鄰近運營高鐵爆破施工對高鐵運營影響程度及爆破方案選擇，目前尚無成熟經驗，建議展開相關試驗研究。

6 結束語

隨著我國高速鐵路網逐步建成運營，將會越來越多地遇到鄰近運營高鐵設計施工的問題。如何保證既有高鐵運營安全，是目前需要研究和解決的問題。本文僅就鄰近運營高鐵路基設計問題及方案進行探討，提出一些初步想法，希望隨著類似研究的深入，可以形成鄰近運營高鐵工程設計施工標準體系。