渝昆高鐵斜坡軟土地段方案研究

張 翔

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

在復雜山區，工程地質問題是影響鐵路方案的重要因素。在勘察設計過程中，因局部工點勘探資料相對滯后，可能導致線位調整，將造成勘察設計工作反復，對工期影響較大[1]。為確定合理的方案，應綜合考慮多方面的控制因素，結合工點處理措施，確定最優方案[2-3]。已有許多學者開展相關研究，范俊懷等基于杭紹臺鐵路穿越硅藻土地質條件分析，對線路走向方案進行研究[4]；彭學理對宜萬鐵路繞避危巖落石、巖堆和古滑坡各方案進行分析，推薦繞避方案[5]；王凱在渝西高鐵大巴山地區選線研究中，圍繞地質構造、巖溶分布、危巖落石等不良地質進行方案比較，最終選擇地質條件相對較好，風險相對較小的經達州方案[6]。不難看出，不良地質風險是影響線路方案的重要控制因素之一，在探明工點地質情況后，應對工點措施進行全面分析以確保鐵路安全；如不能保證，則應選擇繞避[7-9]。以渝昆高鐵某工點為例，重點分析斜坡軟土特性對工程的影響，并提出工程可行、經濟合理的方案[10-11]。

1 概述

1.1 項目概述

渝昆高速鐵路 (重慶—昆明)位于我國西南地區，是我國規劃的 “八縱八橫”高速鐵路網中北京至昆明大通道的一部分，目前處于建設階段。線路自重慶西站引出，沿途經過重慶江津和永川區、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節市、云南昭通和曲靖市后，接入昆明南站，線路全長699.325 km。渝昆高鐵建成后，可串聯成渝城市群、滇中城市群，進而連接關中城市群、中原城市群、京津冀經濟區等經濟中心，重慶至昆明運行時分將縮短為2.6 h，將形成云南與重慶、四川之間快速旅客交流新通道，從而進一步輻射西北地區。其速度目標值為350 km/h[12]。

1.2 地形地貌及地質特征

線路自四川盆地至云貴高原，總體地勢為北東低、南西高，主要經過四大地貌單元：重慶至永川段屬四川自地川東平行嶺谷“隔檔式”褶皺區，由一系列北東—北北東向的高背斜山脈及向斜谷地組成；永川至筠連段屬四川盆地川中丘陵區，為典型的紅色丘陵景觀，渾圓、寬平的緩丘及丘間寬谷相間；筠連至昭通段屬高原斜坡地帶低-中山峽谷區，褶皺構造強烈，河谷深切，山坡陡立；昭通至昆明段位于云貴高原，地形波狀起伏，以侵蝕、溶蝕、構造、斷陷形成的山原地貌為主。沿線出露地層時代較齊全，自第四系至震旦系地層均有出露，其中以中生界、古生界地層為主[12]。

1.3 斜坡軟土工點工程性質

斜坡軟土工點位于滇東高原區，屬低中山地貌。線路走向方向地形平坦，垂直線路方向地面自然坡度為5°～10°。斜坡軟土工點覆蓋層厚為20～55 m。依據GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，該區域地震動峰值加速度為0.30g，屬于Ⅷ度地震區。對斜坡軟土工點進行穩定性檢算時，應考慮發生Ⅷ度地震對工點穩定性的影響[13]。斜坡軟土工點現場照片及衛星影像見圖1。

圖1 斜坡軟土地段現場照片及衛星影像

斜坡軟土存在含水量高、壓縮性大、強度低等特點。粉質黏土和黏土的孔隙比為1.29～1.49；天然含水率達50%；壓縮模量為3.66～4.76 MPa；黏聚力為20～22 kPa；內摩擦角為5.5°～8.7°，斜坡軟土工點地層分布見圖2，巖土物理參數見表1。

圖2 斜坡軟土工點地層分布示意

表1 巖土物理參數

由圖2、表1可知，工點斜坡軟土最大深度為50 m，天然含水量高，黏聚力及內摩擦角均較小，壓縮性大，強度低。高速鐵路無砟軌道一般地段工后沉降要求≤15 mm；0.30g地震工況下，穩定性安全系數應≥1.15。因此，該工點設計較為困難[14]。

2 斜坡軟土工點路基、橋梁方案研究

2.1 路基方案

擬對水泥攪拌樁、CFG樁帽網結構、樁板結構3個方案進行比選，經檢算，僅樁板結構工后沉降(為8 mm)符合小于15 mm的要求，故推薦采用樁板結構。

該方案采用埋入式樁板結構，樁和板梁均為C35鋼筋混凝土。鉆孔灌注樁樁長為30～55 m，φ1 m，縱、橫間距均為5 m。樁頂鋪設板梁，板梁厚0.8 m，板梁長25 m，寬15.0 m。板梁底部平鋪0.2 m厚碎石墊層。線路右側設置側向約束樁，樁間距5 m，樁長24 m，φ2.5 m[13]。樁板結構方案布置見圖3，在沉降滿足要求情況下，對其進行穩定性檢算，穩定性檢算滑面見圖4。

圖3 樁板結構方案布置示意

圖4 穩定性檢算滑面

(1)穩定性計算方法

路堤及地基的整體穩定性按圓弧滑動法考慮，采用瑞典條分法分析[15-16]，見圖5。

圖5 瑞典條分法計算示意

穩定安全系數Fs計算公式為

(1)

式中，下標i表示土條底部的滑裂面在地基土層內，下標j表示土條底部的滑裂面在路堤填料內；Pt為各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和，有

Pt=∑Wisinαi+∑Wjsinαj

Si為地基土內(AB弧)抗剪力，Sj為路堤內(BC弧)抗剪力，有

Si=Wicosαitanφqi+cqiliSj=Wjcosαjtanφqj+cqjlj

其中，Wi、Wj為第i、j土條重量，Wi=Wti+Wdi，Wdi、Wti:當第i土條的滑裂面處于地基內(AB弧)時，分別為滑面以上該土條中的地基自重及路堤自重；i、j為第i、j土條底滑面的傾角；l為第i、j土條底滑面的長度；R為滑動圓弧半徑；cqi、qi:當第i土條的滑裂面處于地基內(AB弧)時，分別為該土條所在土層的天然抗剪黏聚力、內摩擦角；cqi、qi:當第j土條的滑裂面處于路堤內(BC弧)時，分別為該土條所在路堤填料的黏聚力與內摩擦角。

(2)推力計算方法

最不利圓弧滑動面滑坡推力可采用傳遞系數法計算[17]，公式為

Ti=KWisinαi+ψTi-1-Wicosαitanφi-ciLi

(2)

ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(3)

式中，Ti為第i個條塊末端的滑坡推力(含地震力)；K為安全系數(由工程的重要性、外界條件對滑坡的影響、滑坡的性質和規模、滑動的后果及整治的難易等因素)，本次計算取1.15；Wi為第i個條塊滑體的重力；αi為第i個條塊所在滑動面的傾角；αi-1為第i-1個條塊所在滑動面的傾角；φi為第i個條塊所在滑動面上的內摩擦角；ci為第i個條塊所在滑動面上的單位黏聚力；Li為第i個條塊所在滑動面上的長度;ψ為第i-1個條塊的傳遞系數。

(3)穩定性檢算結論

結合斜坡軟土工點巖土物力參數及特性，按瑞典條分法及傳遞系數法計算，在0.30g地震工況下，穩定性系數最小值為0.67(<1.15)，存在深層滑面，且深層滑面出口處推力較大，最大推力達5 000 kN/m，施工及運營安全存在風險。

2.2 橋梁方案

經比較，(60+100+60) m連續梁方案僅有2個橋墩在斜坡軟土范圍內，且埋深分別為30 m、50 m，樁基處理后，工后沉降滿足要求。

在橋墩四周布滿圓形樁基進行抗滑處理，并對其進行穩定性檢算。0.30g地震工況下，按照圓弧滑面法計算，深層滑面出口處最大推力達5 000 kN/m以上，橋墩管樁不能保證其穩定性，施工及運營安全存在風險。橋梁方案布置見圖6。

圖6 橋梁方案布置

2.3 研究結論

通過對斜坡軟土工點工程措施的研究，采用路基方案和橋梁方案抗滑穩定性均不能滿足時速350 km高速鐵路相應技術要求，施工及運營存在較大風險，故需研究繞避方案。

3 線路方案研究

隨著地質勘察工作的深入，除該工點外，區域內溝谷兩側存在軟土的斜坡區域較多，且溝谷內軟土厚度>50 m，在0.30g地震烈度下，路基、橋梁工點穩定性均無法滿足規范要求。為繞避區域內斜坡軟土，研究了東側隧道方案(方案Ⅰ)、西側隧道方案(方案Ⅱ)、沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)3個方案(見圖7)。

圖7 線路方案比選示意

3.1 方案概況

(1)東側隧道方案(方案Ⅰ)

線路自方案比較起點引出，東移繞避斜坡軟土后，以隧道形式自剛紀村、羊毛沖村、倪家村東側通過，穿越倪家村隧道后至方案比較終點。該方案穿越軟土段長1.8 km，軟土最深為50 m，但均處于比較平緩地段，斜坡穩定性影響較小。線路全長24.724 km，橋隧比為95.5%，投資37.35億元。

(2)西側隧道方案(方案Ⅱ)

線路自方案比較起點引出，西移繞避斜坡軟土后，以隧道形式從大橫山西側通過，穿越倪家村隧道后至比較終點。該方案穿越斜坡軟土長2.5 km，軟土最深為50 m，地震工況下存在深層滑面，穩定性系數最小為0.72，遠小于規范值的1.15。深層滑面的出口處推力最大，最大推力達4 500 kN/m，斜坡穩定性較差。線路全長25.124 km，橋隧比為96.4%。投資38.77億元。

(3)沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)

線路自方案比較起點引出，以橋梁、路基工程沿河谷兩岸行進，經剛紀村東側、羊毛沖村和倪家村西側通過，穿越倪家村隧道后至方案比較終點。該方案穿越了4.5 km斜坡軟土，軟土深度最深60 m，地震工況下，按瑞典條分法計算，存在深層滑面，穩定性系數最小為0.67，遠遠小于規范值的1.15。深層滑面的出口處推力最大，最大推力達5 000 kN/m，斜坡穩定性風險相最高。線路全長24.682 km，橋隧比為93.6%。投資為36.48億元。

3.2 方案比較

各方案主要工程數量及投資比較見表2。

表2 工程經濟比較

由表2可知， 沿溝谷取直方案(方案Ⅲ)投資最少，東側隧道方案(方案Ⅰ)投資適中，西側隧道方案 (方案Ⅱ)投資最高。

各方案優缺點分析見表3。

表3 方案優缺點綜合評價

3.3 方案比選推薦意見

經分析，東側隧道方案(方案Ⅰ)地質條件最好，工程投資適中，施工、運營安全風險均最小，方案可實施性強，在高烈度地震工況下，斜坡軟土是否產生深層滑移尚無成熟經驗情況下，可最大限度地降低斜坡軟土對高速鐵路安全影響，故選擇東側隧道方案(方案Ⅰ)為推薦方案。

4 結語

(1)通過對斜坡軟土工點設置路基、橋梁方案的分析研究，得出地震工況下，斜坡軟土工點穩定性系數僅為0.67(小于規定值1.15)，且存在深層滑面，安全隱患大。在此基礎上，對線路方案進行比選，推薦東側隧道方案以繞避斜坡軟土地段。

(2)在0.30g地震工況下，斜坡軟土工點穩定性系數最小值為0.67，存在深層滑面，且深層滑面出口處最大推力達5 000 kN/m，施工及運營安全存在較大風險。建議山區鐵路選線過程中應高度重視斜坡影響，必要時在選線階段進行穩定性檢算，以免發生方案反復，影響工期進度。