考虑环境和安全的复杂地形高速铁路建设评价方法设计

金桂德 李鑫

摘 要：高速铁路的发展已成为我国铁路建设乃至国家技术输出的重要组成部分，在复杂地形区域设计和修建高速铁路也已成为当前我国铁路技术人员面临的常见问题。在充分考虑环境优化和工程安全的前提下，该文分析了此时工程设计和建设面临的各项问题，在充分考虑水土流失、生态破坏和粉尘污染等环境友好问题和边坡滑坡、建筑物稳定和地表变形等工程安全问题的基础上，设计了复杂地形高速铁路建设技术及评价方法，提出了结论和需要审慎解决的工程技术关键问题。

关键词：环境友好 工程安全 复杂地形 高速铁路建设

中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0056-02

随着世界经济的高速发展，基础设施建设的投资越来越大，快速高效、绿色低碳的交通方式成为目前的主流发展趋势。其中高速铁路在世界范围内的推广速度越来越快，普及率也越来越高。高速铁路基础设施的建设，多采用桩基高架线路支撑，在山区、丘陵等复杂地形条件下布置线路，桩基稳定将会成为高铁行车安全的一个关键影响因素。

1 列车振动的环境响应问题及其研究现状

高速铁路、高速公路等交通基础设施的建设造成地质条件变化和生态破坏已经得到广泛认识，尤其在山区等复杂地质条件下修建高速铁路、公路，暴露出的问题更加严重，隧道、桥梁均会引起地质变化，处理不当还会造成滑坡、泥石流、水土流失、固体废弃物污染、噪音污染等问题。

目前，高铁建设是全世界范围内的大课题，关于这方面的研究也非常丰富，高铁的修建对于山区边坡确实存在影响，其影响程度的大小取决于工程结构和运行车体。2010年6月13日，中国福建闽清县修建高速铁路，路基开挖造成山体大范围滑坡，切断水泥道路30m，造成10余座民房和多处地面开裂，影响施工进度，经济损失巨大[1]。

列车振动是铁路边坡滑坡的一个关键因素，1952年中国宝天线上一列火车刚通过滑坡地区，斜坡就发生了滑动[2]。有关资料表明，常速列车振动荷载相当于3～4级地震破坏力，对边坡稳定性的影响较小，通常忽略不计。但是，随着我国铁路列车运行速度的不断提高，高速重载铁路强化了轮轨间的动力作用，列车振动荷载将会加强。因此，在滑坡治理、边坡设计及稳定性评价等工程实践中，如何考虑列车振动荷载影响，已经成为山区铁路建设中遇到的一个重要问题。

挪威的Amir M.Kaynia等[4]针对高速列车引起的振动问题，建立了在移动荷载作用下地基-轨道系统的计算模型，并确立了相应的动力方程。英国剑桥大学的S.L. Gasaie等[5]人研究了轨道在高频车辆作用下的动力响应问题。英国的Krylov[6]采用格林函数法近似解出了列车产生的地面振动，并将这一结果应用到弯曲波的传播对地基-轨道系统的影响；日本的竹宫宏和[7-8]分析了高速列车通过时对高架桥以及桩基础的振动作用，并研究了弹性波在地基土壤中的传播，提出了在振源周围设置阻波区（WIB）以达到减振效果的措施，中国西南交通大学的郑黎明[9]在分析现场测振和模型试验结果的基础上，归纳出铁路边坡岩体受列车振动激发的若干振动特性。中国北方交通大学的王逢朝等[10]人采用车辆-结构-土层-建筑物的二维共同作用模型分析了地铁列车振动在地面的传播特性，并计算了地面上不同位置、不同层数的建筑物的振动响应及隧道深度不同时地铁列车振动对邻近建筑物的影响。

国内外许多学者就铁路轨道系统计算模型、列车振动荷载模型、铁路环境振动响应及隔振、减振措施等方面进行了卓有成效的研究工作，并取得了许多重要的理论、试验研究成果。但是，对高速铁路列车振动荷载作用下山区边坡动态响应及边坡稳定性分析等方面的研究较少，尤其是我国高速铁路的修建和运营里程进一步提高，地形地貌复杂区域的路网需求巨大，对这一课题的研究显得尤为重要和紧迫。

2 综合考虑环境友好和运营安全的复杂地形高速铁路建设评价方法

复杂地形高速铁路建设的环境与安全评价涉及因素多，考虑过程复杂。在设计评价方法时，充分考虑各因素要求，确定了全面可靠的评价思路和设计方法。设计确定的具体评价过程如图1所示。

在评价方法的设计中，考虑采用区域调查、地质勘探、理论分析及数值模拟相结合的研究方法，各方法之间相互承接并对比验证。每个环节的研究方法有多种，具体方法和思考过程如下。

区域调查：圈定高铁线路通过的关键研究区域，采用GIS的专业测绘软件（如ARCGIS和Global Mapper等）对该区域地形进行安全性评价，具体包括高铁修建区域地形、坡率、地表径流、道路、高程、降水等基本因素，评估整个研究区域的安全性。

地质勘探：在研究区域进行工程、水文地质调查，收集基础资料，借助槽探工程调查岩层的走向、倾斜、厚度及节理裂隙发育情况，揭露研究范围内的小型地质构造。对于浅表地层，胶结程度较差、难以完整取样的岩体，采用原位试验测定其平均物理力学参数。对于深部地层的参数获取，通过钻探工程取出深部地层的岩芯进行实验测定。对于硬度较低的岩芯，采用固结排水快速直剪实验测定物理力学参数（黏聚力C、内摩擦角φ）；硬度较大的岩芯，采用单轴和三轴压缩实验，测定其黏聚力C、内摩擦角φ和弹性模量E；根据地层分布、产状建立边坡的地质模型，然后进行理论分析和数值模拟研究。

理论分析：基于极限平衡理论对桩基所在边坡的潜在滑体进行力学建模分析，并将水压力、震动应力、桩基抗滑力等多种动力因素纳入力学体系中，通过理论计算，评估潜在滑体的稳定性。

数值模拟：采用二维和三维边坡分析软件，如FLAC、GEO-studio。首先，采用CAD对高铁建设区域内的边坡进行模型化处理，导入FLAC3D软件分析三维边坡稳定性，论证高速铁路在该区域建设的安全性。其次根据桩基修建的程序，采用FLAC3D模拟基坑开挖堆载对地表变形的影响规律，对山区边坡结构的弱化效果，将桩基换算为抗滑桩，纳入边坡稳定性分析，分析桩基植入后对边坡稳定性的影响。最后，在高速铁路开通之后，采集车辆高速运行产生的震动应力波形，并依据车辆运行频次，将多条波形合成出综合应力波，以此应力波作为基础数据输入GEO-studio软件，分析车辆振动影响下的山区边坡稳定性，为山区高铁建设提供合理的修正参数及边坡防治措施。

3 结语及思考

通过对复杂地区高铁建设和评价的研究，得到以下结论。

（1）设计通过分析高速铁路基础设施建设所引发的开挖堆载作业，对区域范围内的地表变形和地层岩移规律进行研究，揭示开挖堆载工程对周围区域的影响规律，并为高铁桩基基坑开挖提供合理的工程建议。

（2）高陡山坡地形条件下高速铁路桩基的建设，会对原始地层造成较大的扰动。桩基开挖过程造成的坡面破坏程度及应力集中效果，桩基植入取代开挖点的地层后，对原始边坡的稳定性存在较大影响。

（4）高铁运行后的高频次震动对桩基施加周期性动态荷载，该荷载传递到坡面上，会对边坡施加动荷载，因此，车辆震动对复杂地区的桩基边坡稳定性存在影响。

基于上述分析，在复杂地区高速铁路建设和设计过程中，需要充分考虑以下问题。

（1）山区的工程利用价值需要经过进行评价论证。其自然状态下稳定，经受工程扰动之后的稳定性这难以掌控，需要进行区域稳定性评价和工程利用价值评定。

（2）开挖堆载会造成周围地层变形，山区条件下的桩基开挖堆载对地表变形的影响会直接影响桩基位置和角度的准确性，影响桩基质量和行车安全，因此开挖堆载造成的变形是需要重点研究的关键问题。

（3）桩基修建造成了山区边坡的破坏，降低结构完整性，缺失的部分由承重桩替代，其对原始坡体稳定性影响规律有待研究。高铁建成通车之后，车辆运行产生的高频振动通过路基桥墩传递至桩基，长期动态荷载对山区边坡稳定性也存在直接影响，因此，设计过程中需要解决影响高铁桩基稳定的关键安全问题。

参考文献

[1] 陈生东.闽清县高速铁路某施工便道滑坡成因分析及其应急处置[J].福建地质，2010，29（S1）：35-38.

[2] 金亮星.高速铁路路堑岩质边坡的动态响应及稳定性研究[D].长沙：中南大学，2005.

[4] 徐劲.移动荷载作用下轨道—地基系统的动力特性分析[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[5] S.L.Grassieect.Thedynmaicresponse of

railway track tohigh frequeney vertieal excitation.Journal of Engineering Mechanic

s[J].Science，1982，24（2）.

[6] VietorV.Krylov.Vibrationalimpact ofhigh-speedtrains[J].Effect of trackdyn

amics.AcousticalSoeietyofAmerica，1996，100（5）：3121-3129.

[7] TakemiyaH，Fujiwara A.Wave propagation-impediment in a stratum and wave impeding block（WIB） measured for SSI response reduction[J].Soil Dynamic and Earthquake Engineering，1994（1）：49-61.

[8] Terumi TOUHEI. Impulsive response of an elastic layered medium in the anti-plane wave field based on a thin-layered element and discrete wave number method[J]. Structural Eng/Earthquake Eng，JSCE，1993（22）：119-128.

[9] 郑黎明.铁路边坡岩体的振动特性和机理[J].岩石力学与工程学报，1994，13（1）：69-78.

[10] 王逢朝，夏禾，吴营.列车振动对环境及建筑物的影响分析[J].北方交通大学学报，1999，23（4）：19-23.