鐵路煙臺(tái)南站改建邊坡防護(hù)方案及對(duì)并行高速公路安全影響分析

尹貽新 楊書生

濟(jì)青高速鐵路有限公司，濟(jì)南250014

隨著我國高速公路、高速鐵路路網(wǎng)加密，其并行的情況越來越常見。尤其在城區(qū)，為集約利用土地，避免割裂城市空間，一般會(huì)選擇高速公路與高速鐵路共用交通廊道。國內(nèi)學(xué)者針對(duì)公鐵并行問題從多個(gè)方面開展了研究。單東輝等［1］根據(jù)公鐵并行技術(shù)要求對(duì)運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。韓國倩等［2］分析公鐵并行段可能存在的四類安全風(fēng)險(xiǎn)，提出了針對(duì)性措施。劉昊等［3］分析了鐵路列車光源特性及鐵路機(jī)車前照燈對(duì)高速公路駕駛員造成的影響，提出了解決方案。陳艾榮等［4］針對(duì)公鐵并行問題給出了眩光分析流程，設(shè)計(jì)了一種可裝配、立體化的防眩光網(wǎng)，有效降低了鐵路機(jī)車前照燈對(duì)汽車駕駛?cè)搜９庥绊憽Ｌ镉甑龋?］針對(duì)高速鐵路橋梁與高速公路鄰近并行情況，對(duì)高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)安全、鐵路及公路運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行了評(píng)估，并給出具體措施。單東輝等［6］分析了高速公路突發(fā)事件對(duì)蘭合高速鐵路的影響，提出了突發(fā)事件時(shí)公鐵并行應(yīng)急救援措施。

現(xiàn)有研究多從定性角度提出公鐵并行段的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于公鐵并行段工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、建成后對(duì)另外一方的運(yùn)營(yíng)影響有待深入研究。對(duì)于高速鐵路車站與高速公路并行間距較小的復(fù)雜情況，以往的研究較少。本文以青榮（青島—榮成）城際鐵路煙臺(tái)南站與榮烏（榮成—烏海）高速公路并行段為例，對(duì)鐵路煙臺(tái)南站改建邊坡防護(hù)方案進(jìn)行研究，對(duì)影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的公路路側(cè)護(hù)欄、影響高速公路運(yùn)營(yíng)的眩光等進(jìn)行分析，可為公鐵并行工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 青榮城際鐵路

煙臺(tái)南站為青榮城際鐵路中間站，車站規(guī)模為2臺(tái)5線，站房面積為1萬m2。車站辦理客車48對(duì)，其中立折車1對(duì)，年發(fā)送旅客人數(shù)約300萬人。

1.2 榮烏高速公路

煙臺(tái)南站北側(cè)緊鄰榮烏高速公路，該段為榮烏高速公路繞城段，雙向四車道，限速120 km/h。據(jù)公路管理單位統(tǒng)計(jì)，2020年榮烏高速公路雙向年平均日交通量為30 105輛，車型以中小客車為主。

2 站場(chǎng)改建方案

2.1 客車作業(yè)量

濰煙（濰坊—煙臺(tái)）高速鐵路引入煙臺(tái)南站后，煙臺(tái)南站近/遠(yuǎn)期共辦理始發(fā)車46/58對(duì)，其中濰煙高速鐵路32/40對(duì)（包含蓬萊、跨海通道方向），青榮城際鐵路14/18對(duì)。近/遠(yuǎn)期辦理通過列車71/93對(duì)，其中濰煙高速鐵路跨線通過列車15/26對(duì)，青榮城際鐵路通過列車56/67對(duì)［7］。

2.2 站場(chǎng)改建方案

根據(jù)客車作業(yè)量，車站總規(guī)模設(shè)計(jì)為5臺(tái)11線，其中5條到發(fā)線主要辦理通過列車作業(yè)，4條到發(fā)線主要辦理始發(fā)終到列車作業(yè)，每條到發(fā)線可辦理始發(fā)終到列車15～17對(duì)，可辦理通過停站列車21～24對(duì)，因此車站規(guī)模與作業(yè)量匹配。車站平面布置如圖1所示。為使青榮城際鐵路青島—榮成方向始發(fā)終到列車作業(yè)更加流暢，減少對(duì)正線的切割，須在車站北側(cè)增設(shè)2條到發(fā)線，以滿足青榮城際鐵路始發(fā)車及青榮城際鐵路、濰煙高速鐵路通過列車的作業(yè)需求。

圖1 車站平面布置示意

3 鐵路路塹邊坡設(shè)計(jì)

根據(jù)站場(chǎng)設(shè)計(jì)方案，需在5股道外加寬22 m，增至9股道。同時(shí)要求滿足站房、站臺(tái)及線路工作面和施工、消防通道需求，9股道外側(cè)與路塹之間至少保證凈寬11 m。結(jié)合地形、地貌條件，9股道外側(cè)路塹邊坡考慮采用放坡防護(hù)和樁板式擋土墻防護(hù)兩種方案。

3.1 邊坡放坡防護(hù)方案

為降低施工期間對(duì)榮烏高速公路交通的影響，需盡量減少挖方。同時(shí)考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和施工方法等，將邊坡放坡分為兩級(jí)。邊坡放坡防護(hù)方案見圖2。一級(jí)邊坡坡率1∶1.0，邊坡采用錨桿框架格梁防護(hù)。二級(jí)邊坡坡率為1∶1.5，邊坡采用拱形骨架防護(hù)。

圖2 邊坡放坡防護(hù)方案（單位：m）

采用該方案時(shí)榮烏高速公路與煙臺(tái)南站之間的山體基本被挖除，施工期間需對(duì)榮烏高速公路進(jìn)行防護(hù)并實(shí)行交通限行。由于榮烏高速公路與煙臺(tái)南站并行段屬于城區(qū)范圍，車流量較大，采取交通限行措施將引起擁堵。同時(shí)，挖除榮烏高速公路與煙臺(tái)南站之間的山體天然屏障將增大榮烏高速公路與煙臺(tái)南站之間的相互影響。故不推薦邊坡放坡防護(hù)方案。

3.2 樁板式擋土墻防護(hù)方案

為保留公鐵并行段的山體，綜合考慮邊坡高度、地質(zhì)條件等采用樁板式擋土墻防護(hù)方案。根據(jù)邊坡的高度、煙臺(tái)南站與榮烏高速公路的距離，在煙臺(tái)南站與榮烏高速公路并行段選取兩個(gè)典型斷面進(jìn)行研究。

斷面1為邊坡高度最高斷面。樁懸臂段長(zhǎng)12.0 m，錨固段長(zhǎng)14.0 m。樁橫截面寬2.5 m、高3.0 m，樁頂設(shè)2根壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索。根據(jù)以往高速鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，若樁過長(zhǎng)，樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則樁頂位移、樁錨固處位移均較大，且會(huì)導(dǎo)致工程投資增加，故樁頂上方土體采用放坡形式開挖，采用錨桿框架格梁形式防護(hù)，見圖3。

圖3 樁板式擋土墻防護(hù)方案（斷面1，單位：m）

斷面2為榮烏高速公路與煙臺(tái)南站距離最近斷面。樁懸臂段長(zhǎng)8.0 m，錨固段長(zhǎng)12.0 m，樁橫截面寬2.0 m、高2.5 m。樁頂上方土體采用放坡形式開挖，采用框架格梁形式防護(hù)，見圖4。

圖4 樁板式擋土墻防護(hù)方案（斷面2，單位：m）

4 施工安全分析

榮烏高速公路與煙臺(tái)南站并行間距較小，公路路肩至煙臺(tái)南站鐵路路肩間距29.80~34.75 m。煙臺(tái)南站改建施工過程中樁板式擋土墻施工及邊坡開挖將會(huì)對(duì)榮烏高速公路產(chǎn)生影響。根據(jù)JT/T 1116—2017《公路鐵路并行路段設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》要求，并行間距小于35 m時(shí)應(yīng)進(jìn)行施工安全分析。選取樁板式擋土墻防護(hù)方案的2個(gè)典型斷面，采用MIDAS GTS軟件對(duì)樁、公路路基位移及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。分析時(shí)依據(jù)的規(guī)范為TB 10025—2019《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4.1 模型邊界條件及假定

除模型頂面設(shè)為自由面外，其余五個(gè)面施加法向約束，約束其位移。實(shí)際工程中現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境及材料變形機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，為有效進(jìn)行數(shù)值模擬，作如下假定：①施工場(chǎng)地表面及各土層均呈水平狀分布；②分層連續(xù)開挖；③所有土層均為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；④地層和材料的應(yīng)力-應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化，地應(yīng)力場(chǎng)由重力自動(dòng)生成。

4.2 模型建立及參數(shù)確定

充分考慮土體開挖邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型的長(zhǎng)、寬、高按邊坡開挖深度3倍取值。土體、樁采用實(shí)體單元模擬，樁前掛板采用板單元模擬，框架格梁采用梁?jiǎn)卧M，錨索、錨桿采用植入式桁架單元模擬。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，樁、樁前掛板、框架格梁、錨索、錨桿本構(gòu)模型均采用彈性模型［8］。

根據(jù)地勘報(bào)告及工程地質(zhì)手冊(cè)［9］，地層及公路路基材料參數(shù)見表1，樁板式擋土墻材料參數(shù)見表2。

表1 地層及公路路基材料參數(shù)

表2 樁板式擋土墻材料參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 樁及公路路基位移

土體開挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，樁頂水平位移及公路路基豎向位移見圖5。可知：①當(dāng)土體開挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，斷面1、斷面2樁頂水平位移為13.3、4.8 mm，滿足不大于100、80 mm（兩個(gè)斷面樁長(zhǎng)度不同）的規(guī)范要求。②土體開挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，斷面1、斷面2公路路基豎向位移分別為2.95、0.32 mm，均滿足運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下公路路基豎向位移不大于10 mm的規(guī)范要求。

圖5 樁基及公路路基位移（單位：mm）

4.3.2 樁板式擋土墻穩(wěn)定性

土體開挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，斷面1和斷面2樁板式擋土墻穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為5.1和4.8，滿足不小于1.6的規(guī)范要求。

5 交通安全分析

5.1 公路護(hù)欄對(duì)交通安全的影響分析

由于煙臺(tái)南站與榮烏高速公路并行間距較近，高速公路側(cè)風(fēng)險(xiǎn)因素除考慮汽車駛出公路到達(dá)鐵路軌道外，還需考慮汽車越過鐵路軌道后對(duì)鐵路站臺(tái)、鐵路旅客以及煙臺(tái)南站站房結(jié)構(gòu)的安全影響。

根據(jù)公路管理單位提供的2014—2020年本路段事故統(tǒng)計(jì)，未發(fā)生過汽車越過公路護(hù)欄事故，公路側(cè)事故風(fēng)險(xiǎn)基本可控。并行段高速公路側(cè)護(hù)欄采用了波形鋼護(hù)欄、混凝土護(hù)欄等形式。為了減少不同形式護(hù)欄過渡段的設(shè)置，在該路段按照最不利路側(cè)事故確定統(tǒng)一的護(hù)欄防護(hù)等級(jí)。由于公鐵并行段兩者間距在29.80~34.75 m，小于規(guī)范中最小值35 m，公鐵并行等級(jí)為Ⅰ級(jí)。護(hù)欄統(tǒng)一按照HB級(jí)進(jìn)行改建，以降低榮烏高速公路事故對(duì)煙臺(tái)南站的影響。

5.2 眩光對(duì)交通安全的影響分析

根據(jù)鐵路機(jī)車前照燈、汽車前照燈光強(qiáng)度要求，鐵路機(jī)車前照燈光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于汽車前照燈，兩者相差50~100倍。因此，當(dāng)鐵路機(jī)車與汽車對(duì)向行駛時(shí)，若不采取相應(yīng)的安全保障措施，則易因夜間背景光的光強(qiáng)度過高產(chǎn)生劇烈眩光。眩光的存在降低了人眼的覺察閾值，導(dǎo)致人眼識(shí)別細(xì)節(jié)能力下降，易引發(fā)交通事故。同時(shí)鐵路機(jī)車和汽車相對(duì)行駛速度高，會(huì)分散駕駛?cè)俗⒁饬Γ瑢?duì)駕駛?cè)诵睦懋a(chǎn)生影響［10-12］。

5.2.1眩光影響范圍

鐵路機(jī)車前照燈光強(qiáng)度為2×106cd，鐵路機(jī)車前照燈使汽車駕駛?cè)水a(chǎn)生眩光的光照度基準(zhǔn)值為0.5 lx［13］。

鐵路機(jī)車前照燈光強(qiáng)度I與光照度E的關(guān)系式為

式中：S為從鐵路機(jī)車前照燈至汽車駕駛?cè)搜劬Φ木嚯x，m。

鐵路機(jī)車前照燈與汽車駕駛?cè)说南鄬?duì)位置如圖6所示。圖中：L為S在鐵路機(jī)車前照燈基準(zhǔn)軸上的投影；α為鐵路機(jī)車前照燈與汽車駕駛?cè)搜劬B線與鐵路機(jī)車前照燈基準(zhǔn)軸的夾角；D為汽車駕駛?cè)搜劬噼F路機(jī)車前照燈基準(zhǔn)軸的垂直距離。

圖6 鐵路機(jī)車前照燈與汽車駕駛?cè)说南鄬?duì)位置

根據(jù)式（1）和圖6計(jì)算眩光影響范圍，結(jié)果見表3。可知：當(dāng)公鐵并行間距大于24.55 m時(shí)，鐵路機(jī)車前照燈對(duì)汽車駕駛?cè)搜９庥绊戄^小。

表3 眩光影響范圍

5.2.2 眩光影響分析

煙臺(tái)南站西側(cè)鐵路、高速公路均為路塹。鐵路高程33.90 m，鐵路機(jī)車前照燈高度取3.00 m。路塹頂最低處高程為41.54 m，大于鐵路高程加鐵路機(jī)車前照燈高度，鐵路機(jī)車前照燈對(duì)榮烏高速公路汽車駕駛?cè)搜９庥绊戄^小。煙臺(tái)南站東側(cè)鐵路、高速公路均為路基。鐵路高程33.80 m，鐵路機(jī)車前照燈高度取3.00 m。高速公路高程35.80 m，低于鐵路高程加鐵路機(jī)車前照燈高度，但此處D為48.28 m，大于表3中D的最大值24.55 m，鐵路機(jī)車前照燈對(duì)榮烏高速公路汽車駕駛?cè)搜９庥绊戄^小。

6 結(jié)論

1）煙臺(tái)南站改建后，鐵路路塹采用樁板式擋土墻邊坡防護(hù)方案可以保留山體天然屏障，減少施工期間及濰煙高速鐵路開通后對(duì)榮烏高速公路運(yùn)營(yíng)的影響。

2）選取兩個(gè)典型斷面對(duì)樁板式擋土墻邊坡防護(hù)方案進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，土體開挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)樁頂水平位移、公路路基豎向位移均較小，滿足規(guī)范要求。

3）煙臺(tái)南站改建后公鐵并行段兩者間距在29.80~34.75 m，小于規(guī)范中最小值35 m，公鐵并行等級(jí)為Ⅰ級(jí)。護(hù)欄統(tǒng)一按照HB級(jí)進(jìn)行改建，以降低榮烏高速公路事故對(duì)煙臺(tái)南站的影響。

4）鐵路機(jī)車前照燈對(duì)榮烏高速公路汽車駕駛?cè)搜９庥绊戄^小，不必采取防護(hù)措施。