邻近运营高铁路基设计的几点探讨

于荣喜

（中铁上海设计院集团有限公司 上海 200071）

1 引言

伴随高速铁路快速发展，越来越多的项目由于接入既有运营高铁网的需要或地形、地貌、既有构筑物限制，不可避免地遇到邻近运营高铁设计施工的问题。由于高速铁路特别是设计时速350 km的无砟轨道高速铁路[1]，运营期间对轨道的变形要求极其苛刻，邻近其施工存在较大困难及风险。设计、施工过程如何减少对运营高铁的影响，是目前需要解决的问题。

2 运营高铁变形控制标准

根据《上海铁路局工务安全管理办法》（上铁工【2015】648 号）[2]：高铁无砟轨道路基和桥梁桩基沉降或横向位移不得超过1 mm；有砟轨道铁路路基水平横向位移或垂向位移变化速率大于2 mm／d（施工时间大于3 d后按最近3 d平均值计算），或累计水平（或垂直）变化量大于10 mm时应暂停施工。按照上海路局文件要求，邻近无砟轨道高速铁路施工，运营高铁沉降或横向位移不得超过1 mm，邻营施工压力及风险非常大。

3 邻近运营高铁路堤设计方案研究

3．1 方案研究

图1为引入既有高铁站前区间路堤代表性断面。由于要接入既有高铁，线间距无法拉开，必须在运营高铁边进行路基帮宽。由于帮宽土石方、新线轨道、新线列车荷载对于既有线而言均为新增荷载，如何保证运营高铁沉降和横向变形控制在运营要求之内，是设计的重难点。由于运营部门要求变形控制在1 mm，要通过理论计算得出新建路基对运营路基的变形影响大小，目前的计算理论均达不到该精度，只能从减少新增荷载和如何采用结构措施来分担新增荷载来入手。

图1 引入既有高铁站前区间路堤代表性断面

3．1．1 轻质混凝土帮宽＋挖除回填置换方案（方案一）

图2为软土地区高速铁路拓宽工程经常采用的一种减少路基沉降的方法[3]。原理为用轻质混凝土置换掉同等重量的土层，使换填底部的附加应力基本为零，从而减少路基沉降。该方案施工简单、快捷[4]，但存在3个问题：（1）轻质混凝土及列车、轨道荷载对既有路基边坡仍有斜向压应力，可能会引起运营高铁路基变形；（2）轻质混凝土本身耐久性还有待考证；（3）挖除换填开挖基坑对既有高铁运营也存在影响。

图2 轻质混凝土回填置换土层

3．1．2 U型槽＋钻孔桩方案（方案二）

帮宽路基采用U型槽[5]＋钻孔灌注桩方案见图3。U型槽承受所有新增荷载，然后通过钻孔灌注桩传递至深层持力层或岩层，将新增荷载对运营高铁的影响降到最低[6]。但该方案实施需对既有高铁边坡进行开挖，开挖过程对既有高铁运营安全将造成较大影响。

图3 U型槽＋钻孔桩方案

目前仅在一些离既有线相对较远，不开挖既有线的项目，采用了U型槽＋钻孔桩方案，如商合杭高铁接入既有合蚌高铁合肥北城站等。

3．1．3 上承式桩板结构＋板下回填轻质混凝土（方案三）

采用上承式桩板结构[7]，使轨道、列车荷载通过桩板结构传递至深层持力层或岩层[8]，板下采用轻质混凝土回填（见图4）。该方案施工不需要开挖既有线边坡，对既有线路基影响较小，但现场施工也存在以下几个问题：

图4 上承式桩板结构＋板下回填轻质混凝土方案

（1）一般既有高铁地基都采用桩基处理，多为CFG桩，钻孔灌注桩施工容易与既有桩基、桩帽、扩大桩头发生冲突，造成桩基施工困难。

（2）接触网立柱外侧2 m左右路基面上方约6 m有一条电气化贯通高压线，距离内侧排桩较近，一般桩基施工机具无法满足安全距离要求。

（3）桩基施工需搭设施工平台，施工平台及桩基施工机械设备作为荷载在施工期间对运营高铁的影响难以预测。

目前邻近高铁设计桩板结构较多，如连镇线接入沪宁城际镇江站、鲁南高铁接入京沪高铁曲阜东站[9]等项目。现场施工遇到的问题较多，困难较大。

3．1．4 箱式路基结构＋钻孔桩基础（方案四）

采用钢筋混凝土倒梯形箱式路基＋钻孔灌注桩加固（见图5），将轨道、列车荷载通过箱式路基、钻孔桩传递至深层持力层或岩层，减少其对既有高铁的影响。该方案优点：钻孔灌注桩在既有高铁坡脚外施工，不会与既有线地基加固桩发生冲突；离电气化贯通线较远，桩基施工机具受影响较小；沿既有边坡浇筑，对既有线路基影响较小。缺点：结构所承受轨道、列车荷载为偏心荷载；轨道结构恒载可采用对称配置衡重块来平衡，但列车活载无法平衡；结构比较复杂，偏心动载计算复杂；箱式路基结构较大，工程投资巨大。

图5 箱式路基＋钻孔桩基础方案

3．2 关于邻近运营高铁路堤设计的几点思考

上述四个方案均有各自的优缺点，相比而言，笔者认为方案四，即箱式路基＋钻孔灌注桩方案对既有线影响相对较小，施工相对方便，值得进一步研究。

由于运营高铁对变形控制要求严格，想要通过纯理论分析评估新增路基对既有运营高铁的变形影响几乎不可能，所以对运营高铁在施工及运营期间的沉降监测、评估资料进行分析，可能是一个相对可行的办法。针对这点，有以下几点想法：

（1）应加强高铁特别是无砟轨道高铁站场及站场前后路基的沉降监测和评估[10]，确保监测数据的真实性，以便后期如有新建高铁接入时可利用监测资料结合新增荷载对运营高铁的影响进行评估。

（2）是否可以这样考虑：在预估后续可能会有新的线路引入的高铁站及站场前后路基进行超载预压（见图6），其中超载部分可看作是对以后新增荷载的提前预压和检测。在超载预压作用下，如果变形监测数据显示路基沉降已经稳定，是否可以得出这样一个结论：在两侧新增荷载传递至既有高铁路基基底的荷载小于或等于超载预压传递至既有高铁路基基底荷载时，新增荷载对既有高铁变形没有影响，可以直接采用路基帮宽的形式施工新建路基。

图6 超载预压

（3）邻营施工应加强监测

①深层监测：在预估后续可能会有新的线路引入的高铁站及前后路基设置深层位移计、孔隙水压力计等设施，以便于后期进行新线施工时监测既有高铁路基深层位移变化及孔隙水压变化。

②路基面监测：建议在已运营的高铁路基边坡、路基面、支承层等位置采取全自动监测措施，以便施工期间实时监测既有线变形，保证既有高铁运营安全[11]。

4 邻近运营高铁路堑设计方案研究

由于路堑工程施工对既有运营高铁和新增线路而言均为卸载过程，只要列车和轨道荷载不大于挖方的荷载，一般不会存在变形问题。所以考虑邻近高铁路堑工程最大的问题是新线路堑土石方开挖、爆破、既有线支挡、防护工程拆除等工程施工时对既有线的影响。影响因素主要为防止异物侵入运营高铁限界，及爆破振动对运营高铁的影响。某邻近运营高铁路堑断面见图7。

图7 某邻近运营高铁路堑断面

主要采用以下方案措施：

（1）土方、风化岩尽量采用机械开挖；石方开挖由外至内逐级、逐区域、反向开挖，采用机械凿岩、静态爆破、控制爆破[12]等开挖方式。

（2）逐级拆除既有支挡、防护工程。

（3）土石方施工及拆除既有运营高铁边坡施工中在运营高铁坡脚或挡墙顶平台设置被动防护网，确保可能的坠落物不侵入高铁线路；在二级边坡平台、运营高铁无砟轨道支承层侧面设置自动变形监测设施，实时监测运营高铁路基面及边坡变形；建议邻近高铁路堑尽量在高铁运营天窗期施工，已减少施工对运营安全的影响；施工完后，高铁运营前应对既有高铁路基及轨道进行检查，确保没有异物侵入高铁限界。

5 存在的问题及建议

（1）目前对于邻近高铁设计施工，路内尚无明确的管理办法及规范标准，建议相关部门研究制定相关的管理办法、规范标准指导类似工程设计施工。

（2）由于高速铁路运营对变形、安全要求严格，所以邻近其施工存在很大的难度及风险，同时高铁站建成运营后其周边配套建筑很快陆续建成，这都给新建高铁的接入造成很大困难，所以建议高铁建设时应结合近远期规划尽量预留新建高铁的接入条件，邻近地段土建工程有条件时尽量同步实施，避免后续高铁接入时邻近运营高铁施工的情况，或者路基两侧增加用地，预留远期接入通道。

（3）对于远期可能有高铁接入，而近期又不确定的站点，建议适当增加超载预压，加强监测及数据管理，设置部分深层监测设备，以便后期有高铁接入时开展变形影响评估工作及监测工作。

（4）线路平纵设计应使新增线路尽量远离运营高铁线；接入站内时，应结合运输组织尽量接入外侧到发线。

（5）邻近高铁施工安全风险大，施工困难，施工组织复杂，工程实施代价大。建议针对该类施工，单独编制概算，提高相关费用。

（6）邻近高铁施工是一个系统工程，不仅涉及路基工程，还涉及四电（上部的架空线、路肩上的各类管线、过轨管线等）的迁改及过渡、排水工程衔接、运营组织过渡等方面，所以项目前期应协调各专业做好相关工作。

（7）倒梯形箱式路基＋钻孔桩方案对既有高铁影响相对较小，施工相对简便，建议可以进一步研究。

（8）邻近运营高铁桩基施工，由于施工机具较高大，对既有高铁存在安全影响，建议研究较矮的桩基施工机具，以减少对既有高铁的影响。

（9）桩基施工过程中对既有运营高铁的影响还需根据不同的地质条件进行分析，对于软土地基，建议在施工过程中增加钢护筒，减少桩基施工对软土的扰动；同时成孔、下钢筋笼、回灌混凝土应快速、紧凑，避免成孔后放置时间长，造成塌孔影响邻近高铁运营。

（10）邻近运营高铁爆破施工对高铁运营影响程度及爆破方案选择，目前尚无成熟经验，建议展开相关试验研究。

6 结束语

随着我国高速铁路网逐步建成运营，将会越来越多地遇到邻近运营高铁设计施工的问题。如何保证既有高铁运营安全，是目前需要研究和解决的问题。本文仅就邻近运营高铁路基设计问题及方案进行探讨，提出一些初步想法，希望随着类似研究的深入，可以形成邻近运营高铁工程设计施工标准体系。