高速鐵路穿越大型垃圾場(chǎng)存在問(wèn)題與對(duì)策

王成青

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

引言

濰煙高鐵是一條連接山東省濰坊市與煙臺(tái)市的高速鐵路,全長(zhǎng)236.452 km,設(shè)計(jì)速度350 km/h,是國(guó)家“八縱八橫”高鐵主通道中沿海通道的重要組成部分,建成后將有效加快山東半島城市群互聯(lián)互通進(jìn)程[1-2]。 濰煙高鐵在煙臺(tái)市內(nèi)需穿過(guò)鳳凰山垃圾填埋場(chǎng),主要采用衛(wèi)生填埋的方式將垃圾集中堆放。 垃圾集中填埋是我國(guó)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)普遍采用的垃圾處理方式之一[3],但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制,垃圾場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后導(dǎo)致填埋場(chǎng)地區(qū)的地質(zhì)成分十分復(fù)雜,形成地質(zhì)上的“特殊地區(qū)”[4-5],對(duì)濰煙高鐵施工建設(shè)造成較大困難。

已有學(xué)者對(duì)鐵路穿越特殊地區(qū)的施工方案進(jìn)行實(shí)踐研究。 針對(duì)施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)較大地區(qū)[6-7],常遇到土地資源緊缺[8]、環(huán)境保護(hù)要求高[9]、客運(yùn)需求量大[10]、接軌方案復(fù)雜等情況[11-15],需針對(duì)不同路段、地區(qū)實(shí)際工程情況,采用不同的設(shè)計(jì)理念,并考慮地質(zhì)情況、工程施工難度、經(jīng)濟(jì)情況、客運(yùn)需求等因素,提出了相應(yīng)的路線設(shè)計(jì)方案。

鐵路穿越垃圾填埋場(chǎng)方案設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一在于垃圾土的地質(zhì)成分十分復(fù)雜,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及物理性質(zhì)指標(biāo)難以測(cè)定。 陳云敏利用靜力觸探技術(shù)和室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)的土體參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)定[16];劉海濤采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法測(cè)定了垃圾土的力學(xué)特性,認(rèn)為垃圾土力學(xué)性質(zhì)較差,在工程中難以直接應(yīng)用,需要進(jìn)行地基處理[17-18];薛祥等提出了考慮固結(jié)度增長(zhǎng)的垃圾土地基承載力評(píng)估方法[19]。

綜合可知,垃圾填埋場(chǎng)是鐵路工程中的不可忽視的特殊地區(qū),而目前針對(duì)鐵路工程穿越垃圾填埋場(chǎng)方案的研究仍相對(duì)不足。 針對(duì)濰煙高鐵穿越鳳凰山老垃圾填埋場(chǎng)路段,開展了壓低鐵路縱斷面方案和拉高縱斷面方案的詳細(xì)對(duì)比研究,以期對(duì)類似穿越大型垃圾填埋場(chǎng)的鐵路工程提供參考。

1 工程概況

濰煙高鐵DK144+140.00~DK144+380.00 段穿越鳳凰山垃圾填埋場(chǎng)老填埋區(qū),該工點(diǎn)線路北側(cè)為既有龍口市正規(guī)的市政垃圾場(chǎng)(距離線位中心約20 m),南側(cè)為既有G18 榮烏高速公路(距離線位中心約55 m),擬建鐵路平面位置見圖1。 該路段工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜且地基承載力較差,地層主要包括垃圾土、全風(fēng)化泥巖。 其中,垃圾土厚度可達(dá)40.0 m,主要由生活垃圾及少量建筑垃圾組成;垃圾土下部為全風(fēng)化泥巖,具有弱膨脹性;另外,該路段地層還有弱發(fā)育的巖溶。

圖1 擬建鐵路平面位置

該線路的設(shè)計(jì)高程位于填埋區(qū)深度中下部,施工時(shí)需將上部垃圾土全部挖除,且需對(duì)路基進(jìn)行加固處理,工程投資巨大,同時(shí)也會(huì)造成較為嚴(yán)重的社會(huì)環(huán)境影響。 因此,分別提出了壓低縱斷面、拉高縱斷面以及維持原設(shè)計(jì)高程的貫通方式優(yōu)化方案(見圖2)。

圖2 優(yōu)化方案示意

針對(duì)路基方案和貫通方案的優(yōu)化設(shè)計(jì),下部軟弱地基對(duì)道路的影響較小,但垃圾處理的工程量巨大;隧道方案無(wú)需對(duì)垃圾土進(jìn)行挖除,但存在瓦斯不良地質(zhì)現(xiàn)象、施工難度高;拉高縱斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)減少了垃圾土的開挖量,社會(huì)環(huán)境影響較小,但需增加地基處理的費(fèi)用,且需增加樁基長(zhǎng)度,增加了工程的風(fēng)險(xiǎn)性。 因此,針對(duì)4 種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,分別從工程量、工程投資、施工技術(shù)難度以及對(duì)環(huán)境和社會(huì)的影響等方面進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析,以選擇出最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 施工方案

2.1 路基方案

將線路高程向下移動(dòng)10 m,需在垃圾填埋區(qū)內(nèi)開挖約30 m 高邊坡,同時(shí)路基基底約10 m 深度范圍內(nèi)需處理,共包括挖方工程、邊坡工程和地基處理3 部分。 路基方案填埋區(qū)施工橫斷面見圖3。

圖3 路基方案填埋區(qū)施工橫斷面

該方案主要施工措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+200.00 段落內(nèi)設(shè)置U 形槽,路基基床填筑1.8 m 纖維混凝土, DK144 +140.00~DK144+380.00 段落內(nèi)垃圾土全部挖除至原始地層,最大挖方深度約為38 m。

(2)地基處理

DK144+140.00~DK144+200.00 段U 形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長(zhǎng)17 m;其余松軟土地段采用螺桿樁進(jìn)行地基處理。

(3)邊坡工程

DK144+010.00~DK144+140.00 段兩側(cè)、DK144+200.00~DK144+750.00 段兩側(cè)設(shè)置錨索樁板墻。

2.2 隧道方案

為避免垃圾土大量挖除對(duì)周圍環(huán)境和社會(huì)影響,提出了壓低縱斷面的隧道方案;其中,隧道進(jìn)口里程DK143+915,出口里程DK144+865,全長(zhǎng)950 m;工程共包括地表垂直注漿和隧底加固處理。 填埋區(qū)橫斷面示意見圖4,隧道襯砌類型見表1。

表1 鳳凰山隧道襯砌類型

圖4 隧道方案填埋區(qū)施工橫斷面

該方案主要施工措施如下。

(1)地表垂直注漿

注漿段落:DK144+120~DK144+400 段。

注漿范圍:橫向?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)外邊緣左側(cè)10 m、右側(cè)10 m;豎向?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)頂部以上10 m 至底部以下5 m 范圍。

注漿方式:采用后退式注漿,袖閥管注漿工藝。

注漿孔布置:注漿范圍內(nèi),注漿孔按梅花形布置,間距1.5 m×1.5 m。

注漿參數(shù):孔徑90 mm,袖閥管外徑50 mm,分為擴(kuò)散孔和無(wú)擴(kuò)散孔2 種,漿液擴(kuò)散半徑1~1.5 m,注漿壓力2~3 MPa 或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整,注漿材料選用普通水泥漿,水灰比(0.8 ∶1)~(1 ∶1)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

(2)隧底加固處理

隧道底部采用鋼筋混凝土短樁進(jìn)行加固處理。

2.3 貫通方案

貫通方案維持線路的原設(shè)計(jì)高程。 在段落內(nèi),一部分垃圾土挖除至路基U 形槽,部分垃圾土全部挖除,路基全部進(jìn)行地基處理,工程共包括挖方工程、地基處理和邊坡工程3 部分。 填埋區(qū)橫斷面示意見圖5。

圖5 貫通方案填埋區(qū)施工橫斷面

貫通方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+220.00 段落內(nèi)設(shè)置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纖維混凝土,DK144+220.00~DK144+380.00 段落內(nèi)垃圾土全部挖除,路基基床表層采用級(jí)配碎石填筑。

(2)地基處理

DK144+140.00~DK144+220.00 段U 形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長(zhǎng)36 m;其余松軟土地段采用螺桿樁加固。

(3)邊坡工程

DK144+220.00~DK144+340.00 段左側(cè)、DK144+580.00~DK144+700.00 段右側(cè)設(shè)置重力式擋土墻,墻高7.0 m;DK144+340.00~DK144+580.00 段兩側(cè)設(shè)置錨索樁板墻。

2.4 拉高縱斷面方案

將線路的原設(shè)計(jì)高程提高10 m,在段落內(nèi),U 形槽外垃圾土全部挖除,U 形槽下路基全部進(jìn)行地基處理,主要工程為挖方工程和地基處理。 拉高縱斷面方案填埋區(qū)施工橫斷面見圖6。

圖6 拉高縱斷面方案填埋區(qū)施工橫斷面

拉高縱斷面方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+380.00 段落內(nèi)設(shè)置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纖維混凝土。

(2)地基處理

DK144+936.00~DK144+380.00 段樁板結(jié)構(gòu)及U形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長(zhǎng)53 m。 其余松軟土地段采用螺桿樁加固。

3 施工方案對(duì)比

本節(jié)通過(guò)工程量、工程投資、施工技術(shù)難度以及對(duì)環(huán)境和社會(huì)的影響等方面的詳細(xì)對(duì)比分析,確定各方案的優(yōu)劣。

各方案的工程經(jīng)濟(jì)比較表見表2。 其中,垃圾土處置費(fèi)用以相關(guān)部門提供的渣土處置費(fèi)用作為依據(jù),垃圾土處置費(fèi)綜合單價(jià)為130 元/m3。 由表2 可知,路基方案相較于隧道方案占用土地量增大約50%;土石方量為隧道方案的3~5 倍。 隧道方案征地面積較少,拉高縱斷面方案和貫通方案分別增加8%和30%;同時(shí),隧道方案路基施工的土方量和石方量最少,拉高縱斷面方案路基工程量增加20%~30%,貫通方案則增加2~3 倍,且拉高縱斷面方案和貫通方案均需增加大量的垃圾土處理工程量。 拉高縱斷面方案和隧道方案需通過(guò)架設(shè)特大橋梁和開挖隧道的方式實(shí)現(xiàn)縱斷面的高度變化,其中,拉高縱斷面方案較貫通方案縱斷面平均增高約5.8 m,最大高差約9.0 m;隧道方案較貫通方案縱斷面平均降低約6.0 m,最大高差約11.5 m。在工程投資方面,貫通方案工程投資最少,路基方案工程投資最大;路基方案、隧道方案和拉高縱斷面方案相較貫通方案工程投資分別增加19.7%、10%和2%。

表2 各施工方案工程經(jīng)濟(jì)比較

各方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析見表3。 由表3 可知,路基方案工程風(fēng)險(xiǎn)小,工后沉降及變形易控制,但需要進(jìn)行大量的垃圾土處理,對(duì)周圍社會(huì)環(huán)境影響較大。 在施工技術(shù)難度方面,拉高縱斷面方案需要超長(zhǎng)灌注樁基礎(chǔ)施工,隧道方案需要考慮瓦斯不良地質(zhì)現(xiàn)象,施工難度較大。 貫通方案施工技術(shù)難度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小,且路基工程放坡后對(duì)線位左側(cè)市政垃圾場(chǎng)內(nèi)部道路、右側(cè)既有G18 榮烏高速公路沒有影響。

表3 各施工方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

4 結(jié)論

以濰煙高鐵穿越鳳凰山垃圾填埋廠老填埋區(qū)路段為例,探討了高速鐵路穿越大型垃圾場(chǎng)存在的問(wèn)題及對(duì)策,經(jīng)綜合對(duì)比各方案得出以下結(jié)論。

(1)路基方案具有工程風(fēng)險(xiǎn)小,沉降易控制的優(yōu)點(diǎn),但占用土地較隧道方案增加50%,施工量為隧道方案的3~5 倍,垃圾處理困難,所需投資較多。

(2)隧道方案具有垃圾土處置量少、路基工程施工量少、對(duì)環(huán)境社會(huì)影響小、投資相對(duì)較少的優(yōu)點(diǎn),但其施工難度高,存在一定施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)拉高縱斷面方案路基工程量較隧道方案稍有增加,對(duì)環(huán)境和社會(huì)影響小,投資相對(duì)較少,但需對(duì)一定量的垃圾土進(jìn)行處置,且特大橋施工存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

(4)貫通方案需進(jìn)行大量垃圾土處置,對(duì)環(huán)境影響較大,但其施工技術(shù)難度小,安全系數(shù)高,對(duì)場(chǎng)地道路影響小,投資最少,建議優(yōu)先選取。