软土地区路桥分界设计方案研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：马欢雄（1991），男，汉族，陕西榆林人，工程师，研究方向为铁路工程。-126-软土地区路桥分界设计方案研究 马欢雄 中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308 摘要：摘要：软土地区路桥方案比选是控制工程投资，保证工程设计合理的重要内容。本文以天津枢纽某复线工程为例，从工程实施的合理性和投资的节约性角度，系统研究分析铁路工程路桥分界设计方案的主要影响因素，包括：路基沉降控制标准、地基处理措施、路基填料来源、土地资源、环境保护及桥梁设计方案等。通过投资对比计算，合理确定软土地区的路桥分界高度值。关键词：关键词：软土地基；路桥分界；路基工程；影响因素 中图分类号：中图分类号：U41 0 引言 路桥分界高度是设置桥梁的临界高度，在一般地区，当线路高度大于该临界高度时则采用桥梁通过，低于临界高度则采用路基形式。铁路工程沿线受立交需求、地形地貌、水文地质等因素限制，需设置桥梁。一般而言，桥梁经济指标要高于路基，但是随着路基高度的增加，受多方面因素影响，则可能出现相反的结果。以天津枢纽某复线工程为例，沿线广泛分布较深厚软土层，受地区工程建设多种因素影响，需要进一步研究路桥设置的临界高度，以保证工程设计方案的合理性，并合理控制工程投资。1 软土地区工程概况 1.1 地形地貌 天津枢纽某复线工程位于天津南部平原区，海河流域下游，东靠渤海湾，由海侵层和河流冲积层交互形成第四系覆盖广泛，主要为冲积-冲海积相地层。在地貌形态上，地势平坦，主要为起伏很小的冲积海积平原。地形平坦开阔，陆地平均海拔 03m，地面坡度 130000110000 左右，平原中洼淀众多，坑塘遍布；人工沟渠纵横交错，河网密布，浅层地下水埋深 1m 左右。1.2 工程地质 根据区域地质资料，沿线揭示地层均为第四系全新统、上更新统及部分中更新统沉积地层。从整体上看主要由黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、淤泥质粉质黏土等组成，一般具有成层分布特点，土层分布较稳定。沿线分布的软土层主要为软质粉质黏土、淤泥质粉质黏土层，普遍具有天然含水量高，孔隙比大，压缩性高，具有触变性、流变性（蠕变性，变形持续时间长），抗剪强度低，承载力低的特点，岩土物理力学参数详见表 1。2 路基设计因素分析 2.1 路基沉降控制标准 为保证列车行进安全、平顺，需对路基沉降进行严格控制。根据 铁路路基设计规范（TB10001-2016）要求，I 级铁路路基工后沉降量应满足以下要求：一般地段工后沉降不应大于 200mm，路桥过渡段不应大于100mm，沉降速率均不应大于 50mm/年1。表 1 岩土物理力学参数 岩土 名称 天然含水量(%)质量密度(g/cm3)天然孔隙 比 e 液限L(%)液性指数 IL 粘聚力c(kPa)内摩擦角()压缩模量Es(MPa)地基基本承载力0(kPa)素填土 25.9 1.93 0.783 34.6 0.42/粉质 黏土 40.4 1.81 1.121 39.1 1.08 9.5 6.5 3.2 80100 淤泥质黏土 40 1.78 1.122 41.5 1.21 8.7 4.9 2.32 4060 粉质 黏土 30.7 1.91 0.859 34.3 0.78 14 17.7 7.2 120140 粉土 19 2.09 0.537 22.4 0.57 11.7 27.6 15.3 180 中国科技期刊数据库 工业 A-127-路基工后沉降主要分两部分：一是路基填方本体的沉降，二是地基沉降。已有的研究成果表明：路基填方本体压实度达到规定要求，其后期沉降很小粗粒土压实度达 0.9 工后沉降仅为路堤高度的 0.10.3，且工后沉降大部分在 1 年之内完成3。因此路基工后沉降控制主要是对地基变形的控制。对于高填方地段路基，为达到沉降控制要求，需增加地基处理桩基长度，必要时穿透软土层厚度，以降低下卧层沉降量。2.2 地基加固处理措施 软土地基路基应根据软土厚度及特性、成层情况等因素进行加固。地基处理深度应满足路堤稳定和工后沉降的基本要求。本项目所处位置属于冲海积平原区，地形平坦开阔。全线影响路基设计的主要特殊岩土为人工填土、软土及松软土，未经处理的地基，在路基本体填筑后，易造成路基失稳、不均匀沉降或沉降过大导致路基及轨道变形，影响线路运营安全。本项目所在区域广泛存在软土地层，软土层厚达12m。经综合比选，针对路基一般地段采用常规的水泥搅拌桩或者高压旋喷桩处理措施，路基代表性设计横断面如图 1 所示。图 1 路基代表性横断面 工后沉降计算按 I 级铁路一般地段的沉降要求进行控制计算，通过软土沉降分析计算如下表。可见随着填高的增加，计算桩长则显著增长。且随着填高的增加，对复合桩基加固强度需求明显增大。若需满足路桥过渡段不应大于 10cm 的沉降要求，则需要选取刚度更强的桩基进行地基加固。以水泥搅拌桩为例，沉降计算结果如表 2 所示。2.3 路基填料来源影响 路基填筑需要大量土石方，以单线I级铁路为例，路基面宽度 8.1m，边坡坡率 1：1.5，路基填高 6m 时，路基断面土石方为 102.6m3，且路基填筑对填料具有较高的要求。路基填料选取受多方面因素制约，一般平原地区填料资源稀缺且来源匮乏，尤其在经济较为发达地区，邻近城区地带一般受到环保、水利等多方面政策制约，取土尤为困难。以本项目为例，经广泛调查核实，路基填料需采用远距离运输，最终确定路基填料来源于河北滦县。工程弃土，受城市建设及环保要求，一般避免跨区域运输，但需置于政府指定区域。本项目最终确定取土运距达到 150km，弃土运距为 10km。由于超远距离填料运输，则不可避免造成路基工程造价的提高。2.4 土地资源 土地是工业、农业及城市发展的重要资源。我国铁路建设要求严格贯彻“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策。本线新征用地设计时，线路尽量适应地形、地貌与周围环境协调，尽量避开既有水利设施，减少高填深挖；对全线路基进行必要的支挡防护，少占地、少拆迁。路基地段，用地数量随着路堤高度增加而增加，桥梁用地一般不受桥梁高度的影响。本线为单线 I 级铁路，路基面宽度 8.1m，当路基填高 6m 时，边坡坡率1：1.5，路基每公里用地约 54 亩；当为桥梁时，每公里用地 19.5 亩。2.5 环境保护影响 铁路工程路基修建对环境产生影响主要体现在：路堤、路堑的工程措施不可避免地造成水土流失，恶化自然环境，破坏自然景观。铁路作为线性工程，形 表 2 水泥搅拌桩计算结果 序号 路堤高度(m)桩型 桩长(m)桩间距(m)工后沉降计算值(mm)沉降控制值(mm)备注 1 5 水泥搅拌桩 8 1.2 182 200 工期 6 个月 2 5.5 10 1.2 178 3 6 10 1.2 198 4 6.5 12 1.2 188 5 7 16 1.2 191 6 7.5 20 1.2 198 7 8 20 1.1 197 中国科技期刊数据库 工业 A-128-表 3 路基每公里工程投资表（水泥搅拌桩）序号 工程项目 单位 工程指标（元）路基工程投资（万元）填高4m 填高5m 填高5.5m 填高6m 填高6.5m 填高7m 填高7.5m 填高8m 1 路基土石方 m3 200 1128 1560 1798 2052 2320 2604 2902 3216 2 桩基处理 m 42 544 625 832 882 1119 1572 2066 2582 3 附属圬工 m3 650 335 374 394 414 434 454 474 494 4 用地 亩 420000 1896 2085 2180 2274 2369 2463 2558 2652 不含用地费用 合计 2007 2559 3024 3348 3873 4630 5443 6292 含用地费用合计 3903 4645 5204 5622 6242 7094 8000 8944 成的堑槽或堤坝必然为动物的活动造成阻碍，间接劣化了当地的生态环境。对地表水的拦截引排、对地下水的疏导引渗，必然会影响当地的生态环境。地基不能满足要求时进行加固处理等，这些措施必然对水质、壤质造成一定影响。3 桥梁方案设计分析 3.1 自然概况及主要控制因素 沿线所在区域地势平坦，主要为起伏很小的冲积海积平原，地形平坦，设桥主要穿越较多坑塘、沟渠，上跨既有河流、道路及既有铁路，周边大部分为回填虾池，局部为汽车运输货场。3.2 桥式方案 桥梁孔跨大小与墩台高度、基础类型、通航条件及既有构筑净空和限界等因素决定，梁部结构类型如采用标准梁，其工程数量不受桥梁高度的影响。本桥为跨越既有铁路而设，起终桥尾填土高度及跨越铁路节点为控制桥长的主要因素。从经济合理性及施工的角度考虑，全线桥梁孔径主要采用 24m、32m 预应力混凝土简支梁。与既有铁路跨点处，采用常规跨度简支 T 梁及箱梁无法满足净空 7.3m 要求，故采用 40m 槽形梁进行跨越。本桥结合工程地质条件、施工条件、沿线场地控制等因素，桥台采用单线 T 形桥台，桥墩采用圆端形实体墩。基础均采用钻孔灌注桩。3.3 施工方法 24m、32m 简支 T 梁为外地购梁至工地存梁场后，采用架桥机架设。上跨既有铁路处 40 简支槽形梁，采用现浇转体施工。基础均采用常规方法施工。临近既有铁路的桥墩，施工时应注意对既有铁路的路基边坡防护，尽量不干扰到铁路运营，为了将对铁路的影响减少到最低，基坑采用钢板桩防护。4 路桥比选投资分析 针对软土地区铁路工程，以天津地区为例，按 1km线路长度内路基与桥梁进行综合投资对比分析，详见表 3。对于桥梁工程，一般梁部工程数量不受其高度的影响，桥梁墩高、承台体积及基础随桥梁高度的增加而略微增加。总体而言，一般地段桥梁工程指标变化不大，不妨将其认为定值，桥梁每公里工程投资详见表 4。表 4 桥梁每公里工程投资表 序号 工程项目 单位 工程指标（元）桥梁工程投资（万元）1 下部工程（基础、墩台）延米 16000 1600 2 上部工程（梁部）延米 21000 2100 3 附属及辅助工程 延米 200 20 4 用地 亩 420000 819 5 不含用地费用合计 3720 5 含用地费用合计 4539 本项目邻近天津滨海城区，沿线地类主要为村镇集体用地及工业用地，因此用地费用明显高于一般工程项目。路基填筑受填料来源限制，远距离运输，导致土石方工程费用较高。通过对路基与桥梁的每公里投资计算，经综合分析可知，软土地区地基处理工程量较大，其处理形式对路基投资具有显著的影响。以较为便宜的水泥搅拌桩作为地基处理桩型，不考虑用地费用对工程投资影响时，计算结果显示，路堤高度不应超过 6.5m。若考虑用地费用时，路堤高度不应超过 5m。5 结语 路桥方案比较的影响因素较多，从工程实施的合理性和投资的节约性考虑，经综合研究分析表明：软土路基工程造价主要受地基处理、填料来源、用地数中国科技期刊数据库 工业 A-129-量控制。邻近城区铁路工程，沿线地类主要为村镇集体用地及工业用地，用地费用明显高于一般工程项目。邻近城区取土困难，受填料来源限制，往往需远距离运输，导致土石方工程费用较高。软土路基地基处理需求量大，不同桩型则导致路基工程指标出现明显差异，且随着路基填高增加，受沉降控制影响，地基处理数量和费用出现大幅增加。对于桥梁工程，一般地段桥梁指标随线路高度变化较小。投资分析表明（考虑用地费用）：软土路基路堤高度不应超过 5m。考虑路基修建易影响自然景观、劣化生态，因此软土地区铁路工程设计时，应尽量降低路堤高度。参考文献 1国家铁路局.铁路路基设计规范:TB 100012016S.北京:中国铁道出版社,2017:38.2国家铁路局.铁路特殊路基设计规范:TB 100352018S.北京:中国铁道出版社,2018:48-52.3魏永幸,左德元.对高速铁路以桥代路条件及其决策的思考J.铁道勘察,2004(03):9-12.4庄仲欣.高速铁路软土区路基处理与路桥方案比较J.铁道勘察,2005(01):39-41.5刘惠云.工程造价在公路路桥方案比选的应用J.青海交通科技,2017(03):13-15.6李莎.基于灰色和模糊集理论的高速铁路路桥分界方案评价方法研究D.成都:西南交通大学,2011.7杜华安.软土地区桥梁设计与研究J.铁道标准设计通讯,1990(08):15-18.8孙永志.铁路工程不同地质单元路桥分界高度的研究J.铁路工程造价管理,2014,29(01):12-15.