金桂德 李鑫

摘 要：高速鐵路的發(fā)展已成為我國鐵路建設(shè)乃至國家技術(shù)輸出的重要組成部分，在復(fù)雜地形區(qū)域設(shè)計和修建高速鐵路也已成為當(dāng)前我國鐵路技術(shù)人員面臨的常見問題。在充分考慮環(huán)境優(yōu)化和工程安全的前提下，該文分析了此時工程設(shè)計和建設(shè)面臨的各項問題，在充分考慮水土流失、生態(tài)破壞和粉塵污染等環(huán)境友好問題和邊坡滑坡、建筑物穩(wěn)定和地表變形等工程安全問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)技術(shù)及評價方法，提出了結(jié)論和需要審慎解決的工程技術(shù)關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：環(huán)境友好 工程安全 復(fù)雜地形 高速鐵路建設(shè)

中圖分類號：U298 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0056-02

隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資越來越大，快速高效、綠色低碳的交通方式成為目前的主流發(fā)展趨勢。其中高速鐵路在世界范圍內(nèi)的推廣速度越來越快，普及率也越來越高。高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，多采用樁基高架線路支撐，在山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形條件下布置線路，樁基穩(wěn)定將會成為高鐵行車安全的一個關(guān)鍵影響因素。

1 列車振動的環(huán)境響應(yīng)問題及其研究現(xiàn)狀

高速鐵路、高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)造成地質(zhì)條件變化和生態(tài)破壞已經(jīng)得到廣泛認(rèn)識，尤其在山區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件下修建高速鐵路、公路，暴露出的問題更加嚴(yán)重，隧道、橋梁均會引起地質(zhì)變化，處理不當(dāng)還會造成滑坡、泥石流、水土流失、固體廢棄物污染、噪音污染等問題。

目前，高鐵建設(shè)是全世界范圍內(nèi)的大課題，關(guān)于這方面的研究也非常豐富，高鐵的修建對于山區(qū)邊坡確實存在影響，其影響程度的大小取決于工程結(jié)構(gòu)和運行車體。2010年6月13日，中國福建閩清縣修建高速鐵路，路基開挖造成山體大范圍滑坡，切斷水泥道路30m，造成10余座民房和多處地面開裂，影響施工進度，經(jīng)濟損失巨大[1]。

列車振動是鐵路邊坡滑坡的一個關(guān)鍵因素，1952年中國寶天線上一列火車剛通過滑坡地區(qū)，斜坡就發(fā)生了滑動[2]。有關(guān)資料表明，常速列車振動荷載相當(dāng)于3～4級地震破壞力，對邊坡穩(wěn)定性的影響較小，通常忽略不計。但是，隨著我國鐵路列車運行速度的不斷提高，高速重載鐵路強化了輪軌間的動力作用，列車振動荷載將會加強。因此，在滑坡治理、邊坡設(shè)計及穩(wěn)定性評價等工程實踐中，如何考慮列車振動荷載影響，已經(jīng)成為山區(qū)鐵路建設(shè)中遇到的一個重要問題。

挪威的Amir M.Kaynia等[4]針對高速列車引起的振動問題，建立了在移動荷載作用下地基-軌道系統(tǒng)的計算模型，并確立了相應(yīng)的動力方程。英國劍橋大學(xué)的S.L. Gasaie等[5]人研究了軌道在高頻車輛作用下的動力響應(yīng)問題。英國的Krylov[6]采用格林函數(shù)法近似解出了列車產(chǎn)生的地面振動，并將這一結(jié)果應(yīng)用到彎曲波的傳播對地基-軌道系統(tǒng)的影響；日本的竹宮宏和[7-8]分析了高速列車通過時對高架橋以及樁基礎(chǔ)的振動作用，并研究了彈性波在地基土壤中的傳播，提出了在振源周圍設(shè)置阻波區(qū)（WIB）以達(dá)到減振效果的措施，中國西南交通大學(xué)的鄭黎明[9]在分析現(xiàn)場測振和模型試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，歸納出鐵路邊坡巖體受列車振動激發(fā)的若干振動特性。中國北方交通大學(xué)的王逢朝等[10]人采用車輛-結(jié)構(gòu)-土層-建筑物的二維共同作用模型分析了地鐵列車振動在地面的傳播特性，并計算了地面上不同位置、不同層數(shù)的建筑物的振動響應(yīng)及隧道深度不同時地鐵列車振動對鄰近建筑物的影響。

國內(nèi)外許多學(xué)者就鐵路軌道系統(tǒng)計算模型、列車振動荷載模型、鐵路環(huán)境振動響應(yīng)及隔振、減振措施等方面進行了卓有成效的研究工作，并取得了許多重要的理論、試驗研究成果。但是，對高速鐵路列車振動荷載作用下山區(qū)邊坡動態(tài)響應(yīng)及邊坡穩(wěn)定性分析等方面的研究較少，尤其是我國高速鐵路的修建和運營里程進一步提高，地形地貌復(fù)雜區(qū)域的路網(wǎng)需求巨大，對這一課題的研究顯得尤為重要和緊迫。

2 綜合考慮環(huán)境友好和運營安全的復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)評價方法

復(fù)雜地形高速鐵路建設(shè)的環(huán)境與安全評價涉及因素多，考慮過程復(fù)雜。在設(shè)計評價方法時，充分考慮各因素要求，確定了全面可靠的評價思路和設(shè)計方法。設(shè)計確定的具體評價過程如圖1所示。

在評價方法的設(shè)計中，考慮采用區(qū)域調(diào)查、地質(zhì)勘探、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，各方法之間相互承接并對比驗證。每個環(huán)節(jié)的研究方法有多種，具體方法和思考過程如下。

區(qū)域調(diào)查：圈定高鐵線路通過的關(guān)鍵研究區(qū)域，采用GIS的專業(yè)測繪軟件（如ARCGIS和Global Mapper等）對該區(qū)域地形進行安全性評價，具體包括高鐵修建區(qū)域地形、坡率、地表徑流、道路、高程、降水等基本因素，評估整個研究區(qū)域的安全性。

地質(zhì)勘探：在研究區(qū)域進行工程、水文地質(zhì)調(diào)查，收集基礎(chǔ)資料，借助槽探工程調(diào)查巖層的走向、傾斜、厚度及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，揭露研究范圍內(nèi)的小型地質(zhì)構(gòu)造。對于淺表地層，膠結(jié)程度較差、難以完整取樣的巖體，采用原位試驗測定其平均物理力學(xué)參數(shù)。對于深部地層的參數(shù)獲取，通過鉆探工程取出深部地層的巖芯進行實驗測定。對于硬度較低的巖芯，采用固結(jié)排水快速直剪實驗測定物理力學(xué)參數(shù)（黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ）；硬度較大的巖芯，采用單軸和三軸壓縮實驗，測定其黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E；根據(jù)地層分布、產(chǎn)狀建立邊坡的地質(zhì)模型，然后進行理論分析和數(shù)值模擬研究。

理論分析：基于極限平衡理論對樁基所在邊坡的潛在滑體進行力學(xué)建模分析，并將水壓力、震動應(yīng)力、樁基抗滑力等多種動力因素納入力學(xué)體系中，通過理論計算，評估潛在滑體的穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬：采用二維和三維邊坡分析軟件，如FLAC、GEO-studio。首先，采用CAD對高鐵建設(shè)區(qū)域內(nèi)的邊坡進行模型化處理，導(dǎo)入FLAC3D軟件分析三維邊坡穩(wěn)定性，論證高速鐵路在該區(qū)域建設(shè)的安全性。其次根據(jù)樁基修建的程序，采用FLAC3D模擬基坑開挖堆載對地表變形的影響規(guī)律，對山區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)的弱化效果，將樁基換算為抗滑樁，納入邊坡穩(wěn)定性分析，分析樁基植入后對邊坡穩(wěn)定性的影響。最后，在高速鐵路開通之后，采集車輛高速運行產(chǎn)生的震動應(yīng)力波形，并依據(jù)車輛運行頻次，將多條波形合成出綜合應(yīng)力波，以此應(yīng)力波作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入GEO-studio軟件，分析車輛振動影響下的山區(qū)邊坡穩(wěn)定性，為山區(qū)高鐵建設(shè)提供合理的修正參數(shù)及邊坡防治措施。

3 結(jié)語及思考

通過對復(fù)雜地區(qū)高鐵建設(shè)和評價的研究，得到以下結(jié)論。

（1）設(shè)計通過分析高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所引發(fā)的開挖堆載作業(yè)，對區(qū)域范圍內(nèi)的地表變形和地層巖移規(guī)律進行研究，揭示開挖堆載工程對周圍區(qū)域的影響規(guī)律，并為高鐵樁基基坑開挖提供合理的工程建議。

（2）高陡山坡地形條件下高速鐵路樁基的建設(shè)，會對原始地層造成較大的擾動。樁基開挖過程造成的坡面破壞程度及應(yīng)力集中效果，樁基植入取代開挖點的地層后，對原始邊坡的穩(wěn)定性存在較大影響。

（4）高鐵運行后的高頻次震動對樁基施加周期性動態(tài)荷載，該荷載傳遞到坡面上，會對邊坡施加動荷載，因此，車輛震動對復(fù)雜地區(qū)的樁基邊坡穩(wěn)定性存在影響。

基于上述分析，在復(fù)雜地區(qū)高速鐵路建設(shè)和設(shè)計過程中，需要充分考慮以下問題。

（1）山區(qū)的工程利用價值需要經(jīng)過進行評價論證。其自然狀態(tài)下穩(wěn)定，經(jīng)受工程擾動之后的穩(wěn)定性這難以掌控，需要進行區(qū)域穩(wěn)定性評價和工程利用價值評定。

（2）開挖堆載會造成周圍地層變形，山區(qū)條件下的樁基開挖堆載對地表變形的影響會直接影響樁基位置和角度的準(zhǔn)確性，影響樁基質(zhì)量和行車安全，因此開挖堆載造成的變形是需要重點研究的關(guān)鍵問題。

（3）樁基修建造成了山區(qū)邊坡的破壞，降低結(jié)構(gòu)完整性，缺失的部分由承重樁替代，其對原始坡體穩(wěn)定性影響規(guī)律有待研究。高鐵建成通車之后，車輛運行產(chǎn)生的高頻振動通過路基橋墩傳遞至樁基，長期動態(tài)荷載對山區(qū)邊坡穩(wěn)定性也存在直接影響，因此，設(shè)計過程中需要解決影響高鐵樁基穩(wěn)定的關(guān)鍵安全問題。

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