晋中南重载铁路下穿京沪高速铁路立交方案研究

乔俊飞

晋中南重载铁路下穿京沪高速铁路立交方案研究

乔俊飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

晋中南重载铁路与京沪高铁在山东泰安地区交叉,其上跨京沪高速铁路方案存在影响高速铁路运营安全的风险,而下穿京沪高速铁路方案,其线路在交叉处北临大汶河,设计的路肩高程低于大汶河百年洪水位。如何使晋中南铁路设计既满足铁路防洪要求,又避免重载列车运营时的动应力对高速铁路桥墩产生不利影响,是两线立交方案需要研究解决的关键问题。研究提出采用路堤式U形槽下穿京沪高速铁路的方案,解决了上述关键技术问题,使得方案顺利通过技术审查并实施,取得了良好的设计效果。

重载铁路;高速铁路;交叉;方案

1 概述

晋中南铁路是我国第一条一次建成1 260 km的大能力运煤重载铁路通道,从西向东依次经过晋豫鲁三省,其在山东省泰安地区与京沪高速铁路交叉。根据铁道部《关于铁路工程设计线路交叉跨越有关规定的通知》(铁建设(2010)146号)要求,为确保京沪高速铁路运营安全,研究从京沪高速铁路大汶河特大桥桥下下穿高速铁路通过的方案(图1)。

立交工程位于冲洪积平原区,地势平坦开阔。地表出露第四系冲洪积粉质黏土层,层厚1.8～3.5 m,基本承载力150～200 kPa;基岩为弱风化灰岩,基本承载力800～1 000 kPa。地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,地下水位埋深约3.0 m。地震动峰值加速度0.05g,地震基本烈度为Ⅵ度。第四系覆盖层较薄,基岩埋深浅,岩质坚硬,地质条件较好。

2 下穿京沪高速铁路线位方案选择

2.1 影响线位方案的主要控制因素

该段线路经泰安市南侧磁窑镇,该地区是宁阳县工业园区所在地,同时也是山东中部南北向主要交通要道的汇集地,交通要道均为南北向,与本线呈交叉关系。影响线位方案的主要因素有:宁阳工业园区规划、新建宁阳东站、设置与京沪线的联络线引入磁窑站、与道路及铁路(京福高速公路、国道G104、省道S80、京沪铁路、京沪高速铁路)的立交条件、华丰煤矿采空区、大汶河等。

图1 下穿京沪高速铁路立交方案平面示意

2.2 线位方案比选

通过对线位方案控制因素的研究,提出了北绕和南绕(华丰煤矿采空区)下穿京沪高速铁路方案进行比选(图2)。

北绕下穿京沪高速铁路方案(方案1):线路自宁阳东站引出后,向东经宁阳工业园区北侧,跨京福高速公路、国道104、省道S801、京沪铁路后向北绕下穿京沪高速铁路,北绕华丰煤矿采空区后至方案比较终点,线路长度40.529 km,同时修建与既有京沪线上、下行联络线引入京沪铁路磁窑站,联络线总长15.351 km。

南绕下穿京沪高速铁路方案(方案2):线路自宁阳站引出,向东经宁阳工业园区北侧,跨京福高速公路、国道104、省道S801、京沪铁路后向南绕,下穿京沪高速铁路后,南绕华丰煤矿采空区后至方案比较终点,线路全长47.056 km。同时修建与既有京沪线上、下行联络线引入京沪铁路磁窑站,联络线总长15.318 km,并改建既有磁东线10.9 km。

两方案优缺点对比分析见表1。

图2 下穿京沪高速铁路立交线位方案示意

表1 方案优缺点分析比较

图3 铁路控制高程示意

从以上分析可知,北绕方案线路短、投资省,距采空区距离不存在安全隐患。因此,选择北绕方案。

3 下穿高速铁路立交结构方案研究

3.1 结构方案的控制因素分析

由于下穿京沪高速铁路方案,线路北临大汶河,其设计路肩高程因下穿高速铁路净空要求而低于大汶河百年洪水位,同时30 t重载列车动应力对高速铁路桥墩的影响大。因此,满足大汶河百年洪水位防洪要求和避免重载列车动应力对高速铁路桥墩的影响是结构方案研究的关键控制因素。

(1)大汶河百年洪水位的设防要求

大汶河是黄河下游最大的一条支流(全长208.20 km),总流域面积9 069 km2,百年洪水位为103.38 m。线路下穿京沪高速铁路处路肩高程最低(轨面设计高程为100.35 m)。为避免洪水侵入路基,铁路设防高程应不低于百年洪水位+0.5 m,即铁路路基防水结构顶控制高程不低于103.88 m(图3)。

(2)对京沪高速铁路桥墩基础影响的防护问题

本线在京沪高速铁路大汶河特大桥441号和442号墩间下穿,大汶河特大桥墩间为32 m简支箱梁,墩高9 m,桥墩采用3层扩大基础,基底为承载力1 000 kPa的弱风化灰岩。京沪高速铁路梁底高程为107.29 m,本线轨面设计高程为100.35 m,净空6.94 m满足要求;左线距桥墩基础最外边线7.7 m,右线距桥墩基础最外边线7.3 m(图4)。需研究重载铁路荷载附加应力对高速铁路桥墩可能产生的影响,提出解决方案以确保高速铁路运营安全。

图4 晋中南铁路与京沪高速铁路交叉示意(单位:cm)

3.2 控制因素的解决方案研究

3.2.1 大汶河百年洪水位设防方案研究

山西中南部铁路DK958+970～DK960+800段长1 830 m地段路肩高程低于百年洪水位,需对该段线路的洪水防护方案进行研究,目前已在市政、公路及铁路工程中较常用的防护方案有U形槽、明洞等。

(1)路堤式U形槽方案

根据本工点的功能要求,应设置不同于一般路堑U形槽的路堤式U形槽(图5、图6),U形槽内填土至路肩高程,U形槽外两侧设2 m宽回填土,回填土边坡采用空心砖草灌结合,坡脚种树绿化。底板下设0.15 m厚C20混凝土垫层,基底挖除换填碎石垫层至基岩面。

图5 京沪桥外U形槽结构设计(单位:m)

图6 京沪桥梁下U形槽结构(单位:m)

为防止雨水进入槽内,U形槽边墙顶上安装雨棚(梁下不设雨棚),雨棚采用钢筋混凝土结构,耐久性好,整体性强,受列车通过时的气流影响小,耐火性亦优良,还具有施工简单,可以和U形槽同步施工。

在U形槽排水沟最低点处(设于D1K959+860,避免在京沪高速铁路桥下设置)两侧设置排水泵站各1座(5 m×6 m×7.5 m),排出U形槽范围内少量飘雨及结构渗漏水。在挡水墙侧壁设DN300排水管并埋设柔性防水套管,路基排水沟排水经侧壁排水管流入泵站,经抽升后排出。泵站水泵均采用固定式耦合安装,自动搅匀潜污泵启动及停止由水位控制,全自动运行。雨水经过提升后排入路基排水截沟(图7、图8)。

(2)明洞方案

考虑到结构受力合理和结合景观需要,明洞采用边墙为直墙顶部为弧形的框架结构形式,其中下穿京沪高速铁路段,由于净空限制,采用矩形框架结构形式。明洞净空宽度考虑隧道建筑限界宽度+曲线加宽+线间距加宽(图9、图10)。

(3)方案比选

路堤式U形槽结构简单,支挡、防水效果优良,景观效果较好,投资省(估算每公里造价较明洞少230万元左右);明洞方案防水性能较U形槽方案好,但通风效果没有U形槽方案好,需要照明设备,投资较高。经综

图7 U形槽排水泵站平面位置示意(单位:cm)

图8 U形槽排水泵站断面(单位:m)

图9 明洞结构断面(下穿高速铁路段落外)(单位:cm)

图10 明洞结构断面(下穿高速铁路段)(单位:cm)

合比较,选择采用路堤式U形槽结构形式。

3.2.2 对京沪高速铁路桥墩动应力影响的解决方案

采用路堤式U形槽结构下穿京沪高速铁路,为避免对桥墩产生影响,一般可采用加大U形槽基础埋深使

U形槽底板两端附加应力扩散线控制在桥墩台阶基础外侧,或在U形槽两侧设置隔离桩阻止应力横向传递。

本处下穿京沪高速铁路桥墩孔跨有效间距仅19 m,应尽可能地减小U形槽结构尺寸,从而扩大U形槽与京沪高速铁路桥墩间的距离。U形槽内壁到线路中心线按隧道建筑限界2.44 m设计,考虑曲线加宽,设计线路中心左线到U形槽内壁距离为2.51 m,线路中心右线到U形槽内壁距离为2.89 m,U形槽净宽为9.75 m,总宽11.35 m。U形槽结构与京沪高速铁路441号桥墩承台基础边线最近距离为4.48 m,与442号桥墩承台基础边线最近距离为3.66 m,有足够的安全距离。

下穿京沪高速铁路方案存在铁路产生的动应力大(轴重大),桥墩有效间距小(仅19 m)的困难因素,但该工点第四系覆盖层不厚(层厚1.8～3.5 m),下伏强度较高的硬质灰岩,存在直接将应力通过基础传递至深部地层而不用设置隔离桩的有利条件。设计考虑挖除表层覆盖层,根据应力扩散线(取扩散角45度)与桥墩台阶基础线控制U形槽基础埋置深度(图6),使U形槽底板两端附加应力扩散线控制在桥墩台阶基础外侧,并将U形槽底板直接放置在基岩中。采取上述解决方案,铁路荷载在地基中所产生的附加应力不会对京沪高速铁路桥墩产生不利影响。

4 结论

由于下穿京沪高速铁路方案受新建宁阳东站、与京沪线的联络线及华丰煤矿采空区等因素控制,线路北临大汶河走行,其设计路肩高程因下穿高速铁路净空要求而低于大汶河百年洪水位。通过研究,设计采用路堤式U形槽下穿京沪高速铁路,U形槽顶高程满足大汶河百年洪水位的防洪要求,在U形槽边墙顶上安装钢筋混凝土雨棚防雨水,在U形槽排水沟最低点处两侧设置排水泵站排出U形槽内少量飘雨及结构渗漏水等措施解决了防洪、防水的问题;采取挖除表层覆盖层,控制U形槽基础埋置深度使U形槽底板两端附加应力扩散线控制在桥墩台阶基础外侧,将U形槽底板直接放置在基岩中的方案,解决了铁路荷载附加应力对京沪高速铁路桥墩产生影响的问题,使得本线下穿京沪高速铁路方案顺利通过技术审查并实施,取得了良好的设计效果。

[1] 中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路山西中南部铁路通道下穿京沪高铁补充初步设计[R].北京:中铁工程设计咨询集团有限公司,2011.

[2] 马涛,邓帅.封闭式路堑U形槽结构设计分析[J].铁道勘察, 2013(1):36-38.

[3] 王海峰,韩涛.封闭式路堑U形槽在某铁路工程中的应用[J].铁道勘察,2013(2):52-54.

[4] 彭妮兰,陈晓珠.蒙西至华中铁路荆门至岳阳段与汉宜铁路立交方案研究[J].铁道勘察,2013(6):51-53.

[5] 耿殿魁.大庆西城工业园区铁路封闭式U形槽结构设计[J].铁道勘察,2013(5):36-38.

[6] 吴剑峰,李季宏.U形结构在某铁路路堤地段的应用研究[J].铁道标准设计,2013(9):44-46.

[7] 张劲松,吴连海.公路下穿式立交引道U形封闭式路堑结构的设计[J].铁道标准设计,2005(1):41-42.

[8] 周革.U形槽结构在龙厦铁路某地下水发育路堑中的设计与应用.铁道标准设计,2009(3):27-29.

[9] 中华人民共和国铁道部.GB50090—2006铁路线路设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006.

[10]中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[11]国家标准局.GB146.1—146.2—83标准轨距铁路机车车辆限界和建筑限界[S].北京:国家标准局,1983.

Study on Grade Separation Scheme of Middle and Southern Shanxi Heavyhaul Railway Crossing below Beijing-Shanghai High-speed Railway

QIAO Jun-fei
(China Railway Engineering Consultants Group Co.,Ltd beijing 100055,China)

The purpose of this study was to find a best way in order that the middle and southern Shanxi heavy-haul railway could safely intersect the existing Beijing-Shanghai High-speed Railway at Taian region in Shandong province.If it crossing above the high-speed railway,it would pose a threat to operation safety of the high-speed railway;while if it crossing below the high-speed railway,the subgrade shoulder level designed would be lower than the once-in-a-hundred-years highest flood level,due to this railway facing the Dawen River on the north at the intersection point.Thus,the key technical problem that needed to be solved in the study of grade separation scheme of the two railways was:how to achieve an ideal design of this heavy-haul railway,with which not only the requirement of flood control of railway ______could be satisfied,but also the adverse effect of dynamical stresses on high-speed railway's bridge pierscould be avoided during trains running on this heavy-haul railway.Eventually after research,a optimal scheme of crossing below the high-speed railway via an embankment-type U-shaped structure was proposed in this study,and above-mentioned key technical problem was solved by that scheme.As a result,that scheme has successfully passed relevant technical reviewandhas beenput into implementation,with a good effect of design.

heavy-haul railway;high-speed railway;intersection;scheme

U448.17

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.011

1004-2954(2014)04-0048-04

2014-01-19

乔俊飞(1970—),男,高级工程师,1992年毕业于上海铁道学院铁道工程专业。