梅龙铁路桥梁勘察设计综述及创新技术

谢秉敏,王德华,张崇斌

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

新建梅州至龙川铁路项目(以下简称“梅龙高铁”)位于广东省东部，线路自梅汕高铁梅州西站引出，沿途经梅州市梅县区、兴宁市、五华县和河源市龙川县，终至赣深高铁龙川西站，大致呈东西走向，新建正线全长93.986 km(以左线计)。右线绕行段落长3.519 km；上、下行联络线长度分别为4.946、4.432 km，共计8.465 km。

本项目东与既有梅汕高铁互通，西与在建赣深高铁相联，是广河梅通道的组成部分；是粤东地区对接华中、华北地区的高速客运通道的组成部分；本项目也是龙岩经梅州至龙川铁路项目的一部分，是长三角经海西经济区联系珠三角地区重要的辅助通道。

1.1 自然条件

1.1.1 主要河流水系

本线沿线主要跨越宁江、五华河、鹤市河、东江、义都河等。宁江是韩江的一级支流，是流域面积最大的梅江支流。东江是珠江流域的三大河流之一，是龙川、河源、惠州等地通往珠江三角洲地区的水上通道，本线跨越东江处为规划内河Ⅲ级航道。

1.1.2 地形地貌

梅龙高铁走行于粤东北地区，以低山丘陵、河流冲积平原为主，中新生代断陷盆地镶嵌其间，整体地形起伏较大。低山丘陵地面高程80～600 m，山丘植被茂密，其间沟谷河流发育，村庄城镇密集。

1.1.3 工程地质

沿线覆盖层主要为第四系全新统(Q4)地层；下伏基岩主要为古近系(E)、白垩系(K)、石炭系(C)、泥盆系沉积岩，下古生界(Pz1)变质岩及燕山期(γ5)侵入岩地层。沿线桥涵工程不良地质主要为岩溶、溜塌、顺层、人为坑洞、放射性。沿线特殊岩土主要为人工弃土、软土。

1.1.4 地震动参数

Ⅱ类场地条件下，沿线桥涵工程基本地震动峰值加速度为0.05g～0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35～0.42 s。

1.2 主要技术标准

(1)铁路等级：高速铁路。(2)正线数目：双线。(3)设计行车速度：350 km/h。(4)正线线间距：5.0 m。(5)最小曲线半径：一般7 000 m，困难5 500 m。(6)最大坡度：20‰，困难25‰。(7)轨道类型：双块式无砟轨道。

2 桥梁工程概况

梅龙高铁新建桥梁长35.202 km(以左线计)，桥梁占比37.45%。

沿线桥涵分布概况如表1所示。

表1 梅龙高铁全线桥涵分布

3 下部结构设计

本线大中桥基础一般按钻孔桩基础设计，钻孔桩桩径一般采用1.0、1.25、1.5 m及2.0 m。

3.1 不良地质、特殊岩土基础设计

本线不良地质、特殊岩土主要有岩溶、采空区、城镇建设堆积的深厚素填土等。

3.1.1 岩溶、采空地区桥梁选线和基础设计

(1)岩溶(断层接触带)

本线岩溶发育段落主要位于既有梅州西出站端至何公塘隧道入口之间，共计约2.540 km。该区域内发育覆盖型岩溶，其主要岩性为石炭系中上统壶天群(C2-3ht)灰岩，岩溶弱-中等发育，表现类型主要为溶(土)洞。

其中尤以梅州西站出站端的叶屋特大桥最为典型。

工点桥范围内灰岩地段钻孔数205个，揭露溶洞的钻孔152个，见洞率74.0%，平均线岩溶率23.0%，溶洞发育规模及大小不等。已揭露岩溶最大埋深约62 m、未揭穿。溶洞充填形式主要为全充填、半充填及无充填3种，充填物为黏性土、碎石、杂砂及灰岩碎块，呈串珠状等发育形式，局部顶板已全部溶蚀，充填黏性土夹砂类土及碎块。

叶屋特大桥41号墩附近为灰岩和石英砂岩两岩层断层接触带。41号墩小里程侧为灰岩段落，岩溶呈强烈发育，形成较大充填和半充填串珠状溶洞。41号墩大里程为石英砂岩段落，节理裂隙较发育，岩层产状为35°∠40°。41号墩受断层影响，两侧基岩产生滑动和位移影响，岩体较破碎，地下水易富集。

结合地质钻探资料，为保证铁路运营安全[1]，在该断层、岩溶发育段落，采用1-(56+90+56) m连续梁跨越，避免墩柱、基础支立于断层、串珠式溶洞段落。叶屋特大桥跨越岩溶、断层布置见图1、图2。

图1 连续梁跨越岩溶、断层平面布置(单位：m)

图2 连续梁跨越岩溶、断层立面 (单位：cm)

岩溶地区的桥梁基础可采用钻孔灌注桩或预应力管桩基础[2]。预应力管桩无泥浆排放、高效环保，符合国家绿色建筑的桥梁装配化发展战略方向。但本项目基岩埋深较浅、覆盖层较薄、有孤石、表层软土层较厚等情况，易导致预应力管桩桩身倾斜、桩体折断、桩端或桩头破损等问题。经综合比选，本项目均采用钻孔灌注桩基础。

钻孔桩桩底均要求支撑于岩层，桩底嵌入新鲜岩面的深度应按计算确定，且不应小于0.5 m。

一般桩底处持力层应完整、稳定；同时结合相关文献、规范，规定持力层底板厚度不应小于6 m要求[3]。

当位于串珠状溶洞区域内时，桩间溶洞顶、底厚度若大于1 m，该厚度可计入累计嵌岩深度，但应满足累计嵌岩深度不小于6 m。

桩身穿越未填充或填充不饱满溶洞，且桩底未揭示有下伏溶洞者，可采取抛填片石、黏土处理并辅以钢护筒等措施。

(2)采空区

本线石排特大桥桥址范围分布人工开挖形成的废弃矿坑，线位跨越老石灰岩采空区，见图3、图4。

图3 穿越采空区段落桥址平面(单位：m)

图4 穿越采空区段落部分立面(单位：m)

通过钻探结合物探探测手段，于10号墩～12号墩之间揭露暗挖矿洞1和巷道，巷道高度为2.5 m，开挖深度10.75～22.30 m。矿洞2位于12号墩～13号墩，钻探揭露最大开采深度达29.8 m，上覆回填碎石与弃砟。15号墩揭露采空区为矿洞3，为双层矿洞，上、下层矿洞开挖深度分别为4.5、8.2 m。

根据地质详勘资料，该采空区规模较小且较稳定，设计应充分考虑采空区对施工期间地表塌陷、沉降的影响，对采空区预处理处后，再行实施桥梁基础，桩底穿透采空区并嵌入新鲜、稳定弱风化基岩，最大桩长60 m。[4-6]。

矿洞1的采矿通道与地表贯通，可参照岩溶地区桩基施工处理，即：施工前先向矿洞内抛填片石、黏土填充密实，防止地表塌陷。桩基施工过程中，继续抛填片石、黏土，并辅以钢护筒等措施，保证成桩质量。

3.1.2 山谷地形深厚素填土

受线站位影响，本线东江特大桥西岸跨越一处深厚弃砟场。弃砟场占地面积约13 hm2，堆砟方量约为240万m3，最大堆砟高度为51 m，弃砟场堆积连续时间超过10年，最近堆土时间3～4年，弃砟场级别判定为1级，见图5、图6。

图5 弃砟场全景

图6 线位穿越弃砟场平面(单位：m)

根据该工点处地质勘察与评估报告，弃砟场边坡局部稳定性在天然和暴雨工况下不满足要求。

(1)桥梁方案(图7，图8)

图7 局部桥跨布置(单位：m)

图8 典型墩台横断面(单位：m)

弃砟场内以8孔32 m简支梁桥形式通过，刷坡减载后桥下弃砟厚度最大处达28 m。

由于素填土具有压密性、不均匀性、沉陷性、高压缩性和低强度性等特点，对工程的影响主要表现为欠固结素填土对桩基的负摩阻力作用，以及不均匀场地土体蠕动导致的水平力作用[7-8]。

桥梁基础设计中充分考虑以下因素的综合影响：墩台水平刚度限值要求和工后沉降限值要求，素填土沉降固结产生的负摩擦力影响，克服素填土固结过程中不均匀沉降以及附加水平蠕变等不利影响。在此基础上，基础设计采取了如下措施：采用6～8根大直径群桩基础(弃砟范围内基础桩径为1.8 m，弃砟体以下桩径为1.5 m)、桩基外套永久钢护筒、涂抹沥青，以增强抗剪能力、抵消负摩阻力；适当增加桩间距以增大基础刚度；考虑桩侧土压力、自由桩长等因素，验算基础稳定性与沉降，以确保安全。

(2)路基方案(图9，图10)

图9 局部路基桩板结构(单位：m)

图10 典型路基横断面(单位：m)

基底采用桩板结构加固，桩基采用C35钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径1.2 m，纵向间距7 m、横向间距4.4 m，方形布置，桩长17.0～49 m。承载板采用C40钢筋混凝土、板厚1.2 m，纵向长20 m、横向13.0 m，共计9块。

经桥、路方案综合比较，考虑铁路安全和避免路基后期沉降影响线路正常使用等因素，推荐以桥梁形式通过。

边坡刷坡坡率1∶1.5～1∶3.0，采用C25混凝土拱型截水骨架防护，骨架内客土植草种灌木防护。刷坡段落设置完善的排水系统，避免雨水冲刷，引起边坡滑塌。

由于此类山地型深厚素填土地层分布不均，填土厚度随地形变化，其沉降控制、水平变形及负摩阻值难以准确预估，以往也没有类似的、可较好参照的经验。为确保主体结构安全可靠，现场仍应进行桩基试验、边坡监测等工作，以验证设计参数、指导施工，并为后续无砟轨道铺设、运营等各阶段提供指导性意见。

3.2 基础设计

本线作为速度350 km/h的高速铁路，刚度要求高。沿线地质条件较为复杂，基岩埋深较浅，地形高差大，墩台处纵、横向坡度较陡。为匹配基础与墩身、梁部刚度，增强纵、横向水平抗力，基础布置一般选用较大直径桩基础、行列式布置[9]。特别是单线、高墩承台，在满足铁路规范“刚性角”条件下，基础尺寸较大。

本线承台均按照“撑杆-系杆体系”理论进行验算，确定承台厚度及钢筋配置。由于HRB400钢筋应力偏大，为节省工程投资，承台主筋采用HRB500高强钢筋。

3.3 墩台设计

本线所经区域以低山丘陵、河流冲积平原为主，地形复杂、高差大，墩高3～55 m不等。

墩台设计中，结合线路条件、地质情况、墩顶构造要求、墩身受力等因素，统一墩身坡比、尽量减少墩身外坡比的分档，以节省墩身模板、简化施工：双线墩高3～50 m，采用直坡、45∶1、25∶1、35∶1，共计4种坡比；单线墩高3～55 m，采用直坡、45∶1、40∶1、25∶1、35∶1，共计5种坡比。

当桥墩高度超过30 m时，从受力及经济造价出发，宜采用空心墩[10]。

根据计算，结合墩型统一、节省模板等因素考虑，当桥梁工点墩高不超过一定高度(双线33 m、单线32 m)且段落内桥墩均为实体墩时，30 m以上桥墩亦可采用实体墩。

3.4 连续梁桥墩刚度控制

桥墩纵向水平线刚度是桥梁和无缝线路设计的关键技术参数，桥上无缝线路钢轨与墩台纵向力的分配以及梁、轨位移的大小很大程度上取决于桥墩纵向水平线刚度。

规范对一般简支梁墩台最小纵向刚度均做出了明确要求。本线结合相关文献[11-12]，提出一般跨度无砟轨道连续梁固定墩墩顶最小纵向水平线刚度数值(表2)。

表2 双线连续梁桥墩墩顶最小纵向水平线刚度

3.5 下部结构主要指标

本线桥梁工程下部结构主要统计数据详见表3、表4。

表3 桩基础统计数据

表4 下部结构主要数量统计指标

本线双线段落位于粤东梅州—龙川(不含龙川县城)的低山丘岭地区，高差大，弱风化花岗岩、砂岩等基岩埋深较浅，正线以1.25 m柱桩为主；单线桥梁工点均位于龙川县城镇中心区域，持力层为弱风化砾岩，泥钙质胶结，节理较发育，岩质极软，以摩擦桩为主，1 m、1.25 m桩基占比基本相当。

由于多层立交关系，单线段落平均墩高较高，存在较多空心墩，故单线墩台延米混凝土、钢筋数量较大。

4 特殊结构桥梁

梅龙高铁沿线跨越河流、既有铁路、在建铁路、高速公路、国省道及市政道路等，受通航及立交净空、防洪、城镇规划等条件制约，全线共设特殊结构桥梁29座。东江特大桥跨越东江规划内河Ⅲ级航道，采用1-(95+160+95) m连续刚构主跨一跨跨越，为本线最大跨度工点。

4.1 东江特大桥

东江特大桥位于河源市龙川县东北侧东江干流上，距下游广梅汕铁路东江桥150 m，位于双线、直曲线(R=2 000 m)段落，正线线间距为4.426～4.400 m。桥址处桥轴线法线方向与水流流向交角约15°，东江河段为规划内河Ⅲ级航道，代表船型为1 000 t级货船、多用途集装箱船、自卸砂船。

主桥按单孔双向通航、与下游广梅汕铁路东江特大桥对孔布置，最高通航水位72.60 m，最低通航水位65.98 m。百年洪峰流量8 330 m3/s，百年水位74.716 m。

主桥立面布置见图11。

图11 东江特大桥主桥立面(单位：cm)

梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，采用C60混凝土、三向预应力体系设计。

主桥中支点处截面最低点梁高10.5 m，跨中7 m及边跨19.3 m直线段截面最低点梁高5.50 m，梁底下缘按二次抛物线变化。边支座中心线至梁端0.8 m，梁缝中心线至梁端0.15 m。边支座横桥向中心距6.4 m。

边墩采用实体桥墩，墩高29、25 m。

主墩位于东江主河中，中墩高37.87、41.85 m。为满足防洪要求，墩身采用两段式双肢刚壁墩[13]：下墩身顺水流方向扭转约10°、墩宽5.0 m，上墩身保持与线路垂直、单肢宽2.2 m。

5 本项目技术创新

(1)完善了桥梁工程跨越岩溶发育段落、采空区的勘察设计内容，有效规避了铁路建设、运营风险。

(2)提出了以桥代路穿越山谷大型深厚弃砟场的设计原则及具体措施。

(3)总结了本线桥梁墩台基础设计相关参数、指标及一般跨度无砟轨道连续梁固定墩墩顶最小纵向水平线刚度数值，可为后续高速铁路设计提供经验、借鉴。

6 结语

本文基于梅龙铁路施工图勘察及设计成果，重点研究了如下问题。

(1)岩溶、断层、采空区、深厚弃砟场等不良地质、特殊岩土段落的桥梁工程勘察设计。

如以叶屋特大桥为代表的岩溶、断层发育段落，不仅应根据地质勘探成果逐桩设计，还应结合地质构造情况，重视并深入研究灰岩与其他不可溶岩层接触带附近的桥梁工程桥式、桥跨方案，避免桥墩、基础落于不稳定的持力层上，引起后续调跨，甚至影响后续运营安全。

以石排特大桥跨越采空区为例。在研究线路无条件绕避的前提下，综合多种勘察手段，详细研究并判明了采空区的空间形态、稳定性等情况后，采用32 m简支梁跨越，基础施工时采取先抛填片石、黏土、跟进钢护筒等措施，现场实施时总体风险可控。

如东江特大桥以8孔32 m简支梁穿越深厚弃砟场，桥下弃砟最大可达50 m，刷坡减载后桥下弃砟厚度最大处仍达28 m。根据设计提出变桩径、外套钢护筒、涂刷沥青以减少负摩阻效应等措施，目前现场已相应开展试桩作业。后续结合相关试验、监测，验证并完善设计，并可为施工作业及无砟轨道铺设、运营等各阶段提供指导性意见，为后续高速铁路穿越山谷大型深厚弃砟场的建设提供实践经验。

(2)下部结构设计

本文总结了梅龙铁路桥梁工程下部结构相关指标，提出了一般跨度连续梁墩顶最小纵向水平刚度的建议数值，可作为后续铁路建设的有益参考。