焦瑞玲

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

高速鐵路穿越斷裂帶地段路基設(shè)計(jì)方法探討

焦瑞玲

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

結(jié)合青榮城際鐵路工程實(shí)際，介紹穿越斷裂帶地段路基概況及工程地形地貌、地層巖性、地基變形分析方法等，并根據(jù)本線為有砟軌道特點(diǎn)，提出路基工程設(shè)計(jì)應(yīng)按照保證非地震情況下路基變形滿足安全運(yùn)營要求，采取加寬路基、放緩邊坡及柔性加筋路基結(jié)構(gòu)形式、加強(qiáng)防排水、進(jìn)行變形監(jiān)測等工程措施，使斷裂帶區(qū)域內(nèi)路基能適應(yīng)斷裂帶變形、易修復(fù)和留有修復(fù)條件，降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省投資。

高速鐵路；斷裂帶；路基設(shè)計(jì)

1 概述

隨著高速鐵路建設(shè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，遇到了愈來愈多的不良地質(zhì)問題，斷層破碎帶就是遭遇的一種典型不良地質(zhì)情況。由于破碎帶通常地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖層狀態(tài)和巖性多變，裂隙發(fā)育和含水率大，地形變化和基巖埋深異常，部分還具有一定的活動度，給路基沉降變形控制帶來了一系列的困難。由于高速鐵路對沉降變形有著嚴(yán)格要求，斷裂帶地基的沉降計(jì)算及加固處理與一般地基有顯著的不同。再者，無論如何進(jìn)行處理，由于斷層的活動性，除豎向外還有橫向的變形，其變形方式多種多樣，斷裂帶及兩側(cè)區(qū)域的變形差異難以避免，需要采取一定的結(jié)構(gòu)措施。但其調(diào)整能力是建立在一定的新的沉降變形的基礎(chǔ)上的，在高速鐵路中如何控制沉降變形值得探討和研究，這對于保證高速鐵路線路的穩(wěn)定和設(shè)計(jì)的可靠性都具有重要的意義。目前國內(nèi)外對有關(guān)高速鐵路路基通過斷層破碎區(qū)的設(shè)計(jì)介紹較少，下面依托青榮城際鐵路遇到的斷裂帶地段路基設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，以其能拋磚引玉。

2 青榮城際鐵路穿越斷裂帶地段概況

青榮城際鐵路位于膠東半島東部，是膠東半島城市群的重要聯(lián)絡(luò)通道，正線全長約300 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h， 由于該線線路所經(jīng)區(qū)域位于地震地質(zhì)斷裂帶，鋪設(shè)無砟軌道路基沉降控制風(fēng)險(xiǎn)很大，故采用有砟軌道路基。線路自青島北站引出，經(jīng)即墨市、萊西市、萊陽市、海陽市、棲霞市、煙臺市、牟平區(qū)、威海市、文登市，終點(diǎn)為榮成市，路基工程總長度107.613 km。

沿線地貌主要為沖洪積平原、剝蝕平原、濱海平原、丘陵區(qū)。青島北站至萊陽為沖洪積平原及剝蝕平原區(qū)，局部存在剝蝕殘丘，地形平坦開闊；萊陽至煙臺間為丘陵區(qū)，地形起伏；煙臺至威海為重丘陵區(qū)，地形起伏較大，威海至榮成間為丘陵區(qū)，局部夾濱海平原。

牟平～即墨斷裂帶為控制本區(qū)的斷裂帶，它是該區(qū)域內(nèi)的主干斷裂，為非活動性斷裂帶，主要由桃村～陡山斷裂、郭城～即墨斷裂、朱吳～店集斷裂和育黎～海陽斷裂組成，走向?yàn)?0°～50°，長約335 km，寬40～50 km，貫穿整個(gè)膠東半島。斷裂帶諸斷裂具多期活動的特點(diǎn)，在呂梁運(yùn)動時(shí)期形成，經(jīng)歷晉寧運(yùn)動時(shí)期時(shí)，形成中淺構(gòu)造層次的糜棱巖帶和構(gòu)造片巖帶，在燕山運(yùn)動時(shí)期早期，以張扭性為主，晚期為壓扭性，該斷裂是由一系列的壓性、壓扭性斷裂組成，斷裂在平面及剖面上呈舒緩波狀，有的具有較大的破碎帶，壓性特征顯著；斷裂帶諸斷裂平移特征明顯，由斷裂兩側(cè)錯(cuò)位的燕山期巖體對比分析，斷裂南東盤相對北移10～30 km，這種位移自西向東遞減；斷裂有平行等距的特征，幾條主干斷裂間距10～12 km，與其伴生的北西向斷裂，在平面上呈“多”字型展布；斷裂帶諸斷裂具多期活動的特點(diǎn)，對中生界有明顯的控制作用。由于該斷裂帶規(guī)模大，活動強(qiáng)烈、持續(xù)時(shí)間長，因此，對現(xiàn)代河谷、泉的分布有著重要影響。其中，主斷裂桃村～陡山斷裂北起煙臺市初家鎮(zhèn)以東，向南西經(jīng)鐵口、徐家店至姜疃鎮(zhèn)一帶，全長約100 km，走向北東，傾角60°～80°，傾向南東，傾角50°～80°，破碎帶寬度一般50～100 m不等，局部達(dá)200 m或更寬。

斷裂帶分布情況：桃村主斷裂帶在徐家店至煙臺南范圍內(nèi)多次與線路相交，交叉角度為10°～60°，其余地段大部分并行。斷裂帶地區(qū)路基段落共有7段，既有填方，也有挖方，最大填方高度約9 m，最大挖方高度9.8 m，塹坡高度11.8 m。

由于區(qū)域斷裂帶的影響，青榮線經(jīng)過的區(qū)域巖性復(fù)雜，巖體破碎，小斷層發(fā)育。斷裂帶地表第四系地層很薄，在野外露頭較好的地段可見到斷層邊緣的巖石發(fā)生揉皺、擦痕等，巖石被強(qiáng)烈擠壓破碎，形成寬窄不一的破碎帶，擠壓片理、頁理發(fā)育，形成大量的碎裂巖、角礫巖、擠壓透鏡體、糜棱巖、斷層泥等，厚度超過70 m。

代表性平面位置如圖1所示，代表性立面位置如圖2所示。

圖1 斷裂帶與線位交叉關(guān)系平面位置示意

圖2 斷裂帶與線位交叉關(guān)系立面位置示意

3 斷裂帶地段路基設(shè)計(jì)情況

青榮城際鐵路穿過的斷裂帶地段雖然其地表地基承載力滿足高速鐵路的要求，但路基沉降量是否滿足需要，路基設(shè)計(jì)前首先需進(jìn)行沉降變形估算。由于路基沉降計(jì)算所需要的參數(shù)現(xiàn)場獲取困難，路基范圍內(nèi)破碎帶不同地層的壓縮模量選取參考《鐵路工程地質(zhì)手冊》內(nèi)土的壓縮模量一般范圍值，進(jìn)行了沉降量估算，以DK163+550～+850為例，計(jì)算如下。

3.1 地層情況

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，地面以下0～70 m范圍內(nèi)為強(qiáng)～全風(fēng)化斷層角礫巖，巖芯呈角礫狀～碎塊狀，鉆孔多處可見泥狀巖芯，地層巖性較差。

其中10-ZBD-1058孔12.8～14.0 m巖芯呈泥狀，10-ZBD-1054-4孔12.5～20.5 m巖芯以斷層泥為主，10-ZBD-1054-2孔0～7 m巖芯以斷層泥為主，該孔7 m以下強(qiáng)風(fēng)化層也見斷層泥。地基承載力σ0=200～400 kPa。30 m以下地層為強(qiáng)風(fēng)化斷層角礫巖，巖芯呈碎塊狀，地基承載力σ0=400 kPa。原位測試參數(shù)如表1所示。

表1 DK163+550～+850段原位測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 路基參數(shù)

路基填高8.4 m，填料重度20 kN/m3，地基土天然重度：斷層角礫巖Ⅲ類22 kN/m3；斷層角礫巖Ⅳ類22 kN/m3；壓縮模量Es按表2組合范圍選取。

表2 路基設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 荷載

列車荷載為ZK活載。列車及軌道荷載按照換算土柱，考慮應(yīng)力擴(kuò)散分布于路基本體底部。

3.4 地基沉降量

按分層綜合法估算總沉降量為270～70 mm，可見變形差異很大，壓縮層最大深度約40 m。

從計(jì)算結(jié)果看出，壓縮模量數(shù)值的選擇對路基沉降量的影響較大，在無實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，取多大的壓縮模量進(jìn)行計(jì)算能與現(xiàn)場實(shí)際地層情況相吻合，直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。所以加強(qiáng)斷裂帶區(qū)域的詳細(xì)地質(zhì)勘察，查清斷層內(nèi)巖土工程性質(zhì)，對于分析其變形特點(diǎn)十分重要。

3.5 路基設(shè)計(jì)措施

青榮城際鐵路由于斷裂帶地段地層變化大，斷層泥分布深淺不一，對路基沉降到底有多大影響，地基要不要樁基處理，選用何種樁型進(jìn)行處理，都需要詳細(xì)研究。結(jié)合本線實(shí)際情況，由于跨越斷裂帶地段多，而且地段長，斷裂帶情況復(fù)雜，采取各種樁加固斷裂帶地基不僅工程投資巨大，而且實(shí)施難度大，且效果難以肯定。根據(jù)本線為有砟軌道特點(diǎn)，按照既要保證非地震情況下路基變形滿足安全運(yùn)營要求，盡可能降低過大的沉降引起的路基變形風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省工程投資，地震時(shí)能適應(yīng)斷裂帶變形、易修復(fù)和留有修復(fù)條件的路基結(jié)構(gòu)形式。在沉降估算的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多方案比選，確定斷裂帶地段設(shè)計(jì)原則如下。

(1)采取適宜的平縱斷面，盡可能大角度短距離穿越斷裂帶，并避免路基高填、深挖。

(2)加寬路肩、采用優(yōu)質(zhì)填料填筑。

(3)放緩邊坡。

(4)采取非剛性路基，柔性分層加筋措施，增加路基本體穩(wěn)定性，并適應(yīng)斷裂帶變形。填方地段，斷裂帶寬度+20 m范圍內(nèi)每隔0.6 m分層鋪設(shè)高強(qiáng)土工格柵；挖方地段：斷裂帶寬度+50 m范圍內(nèi)自路塹基床換填底面開始每隔0.6 m鋪設(shè)一層高強(qiáng)土工格柵。

(5)加寬側(cè)溝平臺及分級塹坡平臺，降低分級塹坡高度。塹坡一般采用漿砌片石孔窗護(hù)坡防護(hù)，高塹坡地段采用框架格梁+錨索或錨桿防護(hù)。

(6)加強(qiáng)防水及排水，封閉地表水，防止地表水下滲影響路基基底穩(wěn)定，斷裂地地段挖除地表0.5 m，換填三七灰土，基底采用重錘夯實(shí)處理等措施。

(7)布置監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷裂帶路基變形。

代表性橫斷面設(shè)計(jì)見圖3、圖4。

圖3 斷裂帶地段填方橫斷面設(shè)計(jì)(單位：m)

圖4 斷裂帶地段挖方橫斷面設(shè)計(jì)(單位：m)

4 變形監(jiān)控措施

由于目前客運(yùn)專線穿越斷裂帶地段無設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為監(jiān)測在上部荷載作用下斷裂帶地基沉降變形規(guī)律，分析沉降變形原因、趨勢及規(guī)律，同時(shí)提高客運(yùn)專線抗風(fēng)險(xiǎn)能力，為安全運(yùn)營提供保障，對部分橫穿主斷裂帶工點(diǎn)除布設(shè)常規(guī)觀測樁等觀測斷面外，還增加分層沉降觀測及側(cè)斜等觀測設(shè)備，選定部分工點(diǎn)典型斷面，于路基基底處路基中心、兩側(cè)坡腳等分別布設(shè)單、多點(diǎn)位移沉降計(jì)，以監(jiān)測地基總沉降量及地基各層的沉降大小及變化規(guī)律，進(jìn)行長期的變形觀測。路基兩側(cè)坡腳外設(shè)側(cè)斜管，以監(jiān)測水平位移。

監(jiān)測斷面布設(shè)示意見圖5。

從施工階段檢測的部分?jǐn)?shù)據(jù)看變形較小，目前沉降變形觀測正在數(shù)據(jù)采集過程中(由于目前采集數(shù)據(jù)較少，無法在此具體介紹)。

5 結(jié)語

青榮城際鐵路所穿越的斷層破碎帶，范圍大、斷裂區(qū)巖石極端破碎和不均勻，局部含有斷層泥等，對鐵路工程結(jié)構(gòu)影響較大，斷裂帶地段線位本應(yīng)該躲避和大角度短距離穿越，但由于受各種地形和村鎮(zhèn)等地表建筑等因素影響和控制，線路平縱斷面不得不采用多次穿越斷裂帶。這也是以后高速鐵路客運(yùn)專線選線過程中值得引起注意的問題。設(shè)計(jì)方面，穿越斷裂帶還應(yīng)避免高填深挖的路基，并應(yīng)該采取適應(yīng)斷裂帶變形、易修復(fù)和留有修復(fù)條件的路基結(jié)構(gòu)形式。

目前國內(nèi)外尚未見到有關(guān)高速鐵路客運(yùn)專線穿過斷裂帶地段路基處理措施，故此，以青榮城際鐵路工程為依托，開展高速鐵路穿越斷層破碎帶路基關(guān)鍵技術(shù)的研究，以其能夠提出高速鐵路穿越斷層破碎帶的路基的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)措施。對斷層破碎帶路基工程進(jìn)行沉降變形監(jiān)測和試驗(yàn)檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性和沉降變形的控制調(diào)整功能，評價(jià)其實(shí)際效果，為安全運(yùn)營及后期養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，保證運(yùn)營階段線路的暢通和安全，盡可能地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為以后類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

圖5 監(jiān)測斷面布設(shè)示意

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009J971—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005J447—2005鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10106—2010J1078—2010鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10025—2006鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[6] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

[7] 鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·路基[M].北京：中國鐵道出版社，1992．

[8] 鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[9] 曾國熙，盧肇鈞，等.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993．

[10]陳仲頤，周景星，王洪瑾，等.土力學(xué)[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2006．

An Approach to Subgrade Design Methods for High Speed Railway Passing through Fault Zone

JIAO Rui-ling

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

With reference to the engineering practices in Qing～Rong intercity railway， this paper introduces the general conditions of the line subgrade， the landform， the formation lithologic and the analysis of ground settlement in passing through fault zone. The requirements are proposed for subgrade deformation in non-earthquake situation to ensure safe train operation on ballasted track by widening subgrade， easing slope， reinforcing the subgrade with flexible bars， improving drainage and deformation monitoring to make the subgrade in fault zone adaptable to the deformation， easy to be maintained with reservations for future maintenance. Thus， risk is reduced and investment is saved. projects．

High speed railway; Fault Zone; Subgrade design

2015-03-18；

2015-03-27

焦瑞玲(1964—)，女，高級工程師，1986年畢業(yè)于北方交通

大學(xué)鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：jiaoruiling@tsdig.com。

1004-2954(2015)10-0013-05

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.004