高速铁路穿越大型垃圾场存在问题与对策

王成青

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

引言

潍烟高铁是一条连接山东省潍坊市与烟台市的高速铁路,全长236.452 km,设计速度350 km/h,是国家“八纵八横”高铁主通道中沿海通道的重要组成部分,建成后将有效加快山东半岛城市群互联互通进程[1-2]。 潍烟高铁在烟台市内需穿过凤凰山垃圾填埋场,主要采用卫生填埋的方式将垃圾集中堆放。 垃圾集中填埋是我国自20 世纪80 年代以来普遍采用的垃圾处理方式之一[3],但受当时的技术和经济限制,垃圾场长期运营后导致填埋场地区的地质成分十分复杂,形成地质上的“特殊地区”[4-5],对潍烟高铁施工建设造成较大困难。

已有学者对铁路穿越特殊地区的施工方案进行实践研究。 针对施工难度、施工风险较大地区[6-7],常遇到土地资源紧缺[8]、环境保护要求高[9]、客运需求量大[10]、接轨方案复杂等情况[11-15],需针对不同路段、地区实际工程情况,采用不同的设计理念,并考虑地质情况、工程施工难度、经济情况、客运需求等因素,提出了相应的路线设计方案。

铁路穿越垃圾填埋场方案设计的难点之一在于垃圾土的地质成分十分复杂,其抗剪强度指标及物理性质指标难以测定。 陈云敏利用静力触探技术和室内试验,对某垃圾填埋场的土体参数进行了详细的测定[16];刘海涛采用室内试验的方法测定了垃圾土的力学特性,认为垃圾土力学性质较差,在工程中难以直接应用,需要进行地基处理[17-18];薛祥等提出了考虑固结度增长的垃圾土地基承载力评估方法[19]。

综合可知,垃圾填埋场是铁路工程中的不可忽视的特殊地区,而目前针对铁路工程穿越垃圾填埋场方案的研究仍相对不足。 针对潍烟高铁穿越凤凰山老垃圾填埋场路段,开展了压低铁路纵断面方案和拉高纵断面方案的详细对比研究,以期对类似穿越大型垃圾填埋场的铁路工程提供参考。

1 工程概况

潍烟高铁DK144+140.00~DK144+380.00 段穿越凤凰山垃圾填埋场老填埋区,该工点线路北侧为既有龙口市正规的市政垃圾场(距离线位中心约20 m),南侧为既有G18 荣乌高速公路(距离线位中心约55 m),拟建铁路平面位置见图1。 该路段工程地质条件十分复杂且地基承载力较差,地层主要包括垃圾土、全风化泥岩。 其中,垃圾土厚度可达40.0 m,主要由生活垃圾及少量建筑垃圾组成;垃圾土下部为全风化泥岩,具有弱膨胀性;另外,该路段地层还有弱发育的岩溶。

图1 拟建铁路平面位置

该线路的设计高程位于填埋区深度中下部,施工时需将上部垃圾土全部挖除,且需对路基进行加固处理,工程投资巨大,同时也会造成较为严重的社会环境影响。 因此,分别提出了压低纵断面、拉高纵断面以及维持原设计高程的贯通方式优化方案(见图2)。

图2 优化方案示意

针对路基方案和贯通方案的优化设计,下部软弱地基对道路的影响较小,但垃圾处理的工程量巨大;隧道方案无需对垃圾土进行挖除,但存在瓦斯不良地质现象、施工难度高;拉高纵断面的优化设计减少了垃圾土的开挖量,社会环境影响较小,但需增加地基处理的费用,且需增加桩基长度,增加了工程的风险性。 因此,针对4 种不同的优化设计方案,分别从工程量、工程投资、施工技术难度以及对环境和社会的影响等方面进行详细的对比分析,以选择出最优的优化设计方案。

2 施工方案

2.1 路基方案

将线路高程向下移动10 m,需在垃圾填埋区内开挖约30 m 高边坡,同时路基基底约10 m 深度范围内需处理,共包括挖方工程、边坡工程和地基处理3 部分。 路基方案填埋区施工横断面见图3。

图3 路基方案填埋区施工横断面

该方案主要施工措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+200.00 段落内设置U 形槽,路基基床填筑1.8 m 纤维混凝土, DK144 +140.00~DK144+380.00 段落内垃圾土全部挖除至原始地层,最大挖方深度约为38 m。

(2)地基处理

DK144+140.00~DK144+200.00 段U 形槽以下采用钢筋混凝土钻孔灌注桩进行地基处理,灌注桩ϕ1.25 m,桩横纵向间距6.25 m,最大桩长17 m;其余松软土地段采用螺杆桩进行地基处理。

(3)边坡工程

DK144+010.00~DK144+140.00 段两侧、DK144+200.00~DK144+750.00 段两侧设置锚索桩板墙。

2.2 隧道方案

为避免垃圾土大量挖除对周围环境和社会影响,提出了压低纵断面的隧道方案;其中,隧道进口里程DK143+915,出口里程DK144+865,全长950 m;工程共包括地表垂直注浆和隧底加固处理。 填埋区横断面示意见图4,隧道衬砌类型见表1。

表1 凤凰山隧道衬砌类型

图4 隧道方案填埋区施工横断面

该方案主要施工措施如下。

(1)地表垂直注浆

注浆段落:DK144+120~DK144+400 段。

注浆范围:横向为隧道结构外边缘左侧10 m、右侧10 m;竖向为隧道结构顶部以上10 m 至底部以下5 m 范围。

注浆方式:采用后退式注浆,袖阀管注浆工艺。

注浆孔布置:注浆范围内,注浆孔按梅花形布置,间距1.5 m×1.5 m。

注浆参数:孔径90 mm,袖阀管外径50 mm,分为扩散孔和无扩散孔2 种,浆液扩散半径1~1.5 m,注浆压力2~3 MPa 或现场试验调整,注浆材料选用普通水泥浆,水灰比(0.8 ∶1)~(1 ∶1)或现场试验确定。

(2)隧底加固处理

隧道底部采用钢筋混凝土短桩进行加固处理。

2.3 贯通方案

贯通方案维持线路的原设计高程。 在段落内,一部分垃圾土挖除至路基U 形槽,部分垃圾土全部挖除,路基全部进行地基处理,工程共包括挖方工程、地基处理和边坡工程3 部分。 填埋区横断面示意见图5。

图5 贯通方案填埋区施工横断面

贯通方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+220.00 段落内设置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纤维混凝土,DK144+220.00~DK144+380.00 段落内垃圾土全部挖除,路基基床表层采用级配碎石填筑。

(2)地基处理

DK144+140.00~DK144+220.00 段U 形槽以下采用钢筋混凝土钻孔灌注桩,灌注桩ϕ1.25 m,桩横纵向间距6.25 m,最大桩长36 m;其余松软土地段采用螺杆桩加固。

(3)边坡工程

DK144+220.00~DK144+340.00 段左侧、DK144+580.00~DK144+700.00 段右侧设置重力式挡土墙,墙高7.0 m;DK144+340.00~DK144+580.00 段两侧设置锚索桩板墙。

2.4 拉高纵断面方案

将线路的原设计高程提高10 m,在段落内,U 形槽外垃圾土全部挖除,U 形槽下路基全部进行地基处理,主要工程为挖方工程和地基处理。 拉高纵断面方案填埋区施工横断面见图6。

图6 拉高纵断面方案填埋区施工横断面

拉高纵断面方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+380.00 段落内设置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纤维混凝土。

(2)地基处理

DK144+936.00~DK144+380.00 段桩板结构及U形槽以下采用钢筋混凝土钻孔灌注桩进行地基处理,灌注桩ϕ1.25 m,桩横纵向间距6.25 m,最大桩长53 m。 其余松软土地段采用螺杆桩加固。

3 施工方案对比

本节通过工程量、工程投资、施工技术难度以及对环境和社会的影响等方面的详细对比分析,确定各方案的优劣。

各方案的工程经济比较表见表2。 其中,垃圾土处置费用以相关部门提供的渣土处置费用作为依据,垃圾土处置费综合单价为130 元/m3。 由表2 可知,路基方案相较于隧道方案占用土地量增大约50%;土石方量为隧道方案的3~5 倍。 隧道方案征地面积较少,拉高纵断面方案和贯通方案分别增加8%和30%;同时,隧道方案路基施工的土方量和石方量最少,拉高纵断面方案路基工程量增加20%~30%,贯通方案则增加2~3 倍,且拉高纵断面方案和贯通方案均需增加大量的垃圾土处理工程量。 拉高纵断面方案和隧道方案需通过架设特大桥梁和开挖隧道的方式实现纵断面的高度变化,其中,拉高纵断面方案较贯通方案纵断面平均增高约5.8 m,最大高差约9.0 m;隧道方案较贯通方案纵断面平均降低约6.0 m,最大高差约11.5 m。在工程投资方面,贯通方案工程投资最少,路基方案工程投资最大;路基方案、隧道方案和拉高纵断面方案相较贯通方案工程投资分别增加19.7%、10%和2%。

表2 各施工方案工程经济比较

各方案的优缺点分析见表3。 由表3 可知,路基方案工程风险小,工后沉降及变形易控制,但需要进行大量的垃圾土处理,对周围社会环境影响较大。 在施工技术难度方面,拉高纵断面方案需要超长灌注桩基础施工,隧道方案需要考虑瓦斯不良地质现象,施工难度较大。 贯通方案施工技术难度和技术风险小,且路基工程放坡后对线位左侧市政垃圾场内部道路、右侧既有G18 荣乌高速公路没有影响。

表3 各施工方案优缺点分析

4 结论

以潍烟高铁穿越凤凰山垃圾填埋厂老填埋区路段为例,探讨了高速铁路穿越大型垃圾场存在的问题及对策,经综合对比各方案得出以下结论。

(1)路基方案具有工程风险小,沉降易控制的优点,但占用土地较隧道方案增加50%,施工量为隧道方案的3~5 倍,垃圾处理困难,所需投资较多。

(2)隧道方案具有垃圾土处置量少、路基工程施工量少、对环境社会影响小、投资相对较少的优点,但其施工难度高,存在一定施工安全风险。

(3)拉高纵断面方案路基工程量较隧道方案稍有增加,对环境和社会影响小,投资相对较少,但需对一定量的垃圾土进行处置,且特大桥施工存在一定的技术风险。

(4)贯通方案需进行大量垃圾土处置,对环境影响较大,但其施工技术难度小,安全系数高,对场地道路影响小,投资最少,建议优先选取。