高速铁路深路堑方案与隧道方案的比较研究
徐向叶;夏润禾
【摘 要】高速铁路线路长、点多面广，沿线地理环境和地质环境均较复杂，在设计时应更注重环境选线、景观选线和地质选线。因此，深入系统地对山区高速铁路深路堑方案与隧道方案进行比较研究，具有十分重要的学术价值和工程应用价值。文章针对山区高速铁路线路中深路堑、高边坡的风险特征进行了分析，基于建成后运营安全和降低维护费用投入的角度考虑，从地质条件、结构稳定性、对环境的影响程度、视觉景观效果、施工难易程度、工程造价、运营安全等进行了综合比对，在实际工程应用中科学、合理选择设计方案，这既为工程项目安全、优质、顺利完成提供技术保障，又可为今后山岭地区高速铁路建设提供设计参考。%High-speed railway is featured by long route,many spots and wide areas,and complexly geographical and geo-logical environment,so route selection based on environment,landscape and geology shall be preferred in the future de-sign.Therefore,a deep and systematic study on the comparison of deep cutting and tunnel in mountainous high-speed railway has significantly academic value and engineering application value.In this paper,it is analyzed the risky charac-teristics of deep cutting and high slope in mountainous high-speed railway,and an alternative comparison is undertaken from different sides,like geological conditions,structural stability,impact on environment,visual landscape effect,com-plexity of construction,engineering cost and operational safety,given the operational safety and decrease of maintenance charge after it is completed.In practical projects,scientific and reasonable selection of design proposals provides not only the technical guarantee for the completion of projects in safety and success,but the reference for the future high-speed railway design in mountainous area.
【期刊名称】《高速铁路技术》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】高速铁路;深路堑;隧道;运营安全;方案比选
【作 者】徐向叶;夏润禾
【作者单位】中国交通建设集团第二公路工程局有限公司，西安710065;中国交通建设集团第二公路工程局有限公司，西安710065
【正文语种】中 文
【中图分类】U213
安全对于高速铁路是至关重要的，尤其是新建高速铁路安全运营，对我国铁路事业的健康发展至关重要。西部西南地区重点铁路建设项目将陆续开工和建成运营，特别是西部地区铁路不断地向山区纵深方向延伸。而西南山区铁路目前在运营的正线铁路中，沿线山高坡陡、地质复杂、各种不良地质现象遍布各线。加之西南地区雨量充沛，雨季时间长，又多为单点暴雨，以致路基边坡坍方、滑坡、落石、路堤下沉等水害频发，直接威胁铁路行车安全。
铁路建设对生态环境保护的关键是在设计阶段，但对生态环境造成的具体不良影响主要在施工阶段和运营阶段。可是，在山区高速铁路建设中，不可避免地会出现深路堑，这对生态环境的影响主要是施工期改变地貌、占用土地、破坏植被、影响水环境等。特别是深路堑对原生生态的线性切割、影响野生动植物原来的生存环境等，以及线路运营后，高边坡可能诱发的地质环境病害而带来危害运营安全的因素增多。铁路沿线地质环境复杂，地质构造发育，多种多样的地质灾害频繁发生，每年都对铁路安全运营带来严重威胁。那么，如何在高速铁路设计及施工阶段，针对深路堑和高边坡对环境不利因素，影响开通运营安全而应采取不同的防护措施，施工阶段尽可能减少原始自然环境的破坏和对环境安全的破坏。为保证高速铁路运营安全，在工程设计和施工阶段有必要从安全、环保、施工技术、工程造价等角度综合分析，最大限度地保护生态环境协调，有助于深刻地理解建设绿色铁路、和谐铁路的理念，从而体现高速铁路高速度、高密度、高安全、高舒适的技术要求。
2.1 沿线边坡数量多，坡面大
我国是一个多山的国家，75%的国土是山地、丘陵及崎岖的高原。铁路路线长，工点多，劈山筑路不可避免会造成许多大大小小的边坡，高填、深挖和长路堑形式多样，加之沿线地形地质复杂，使得山区铁路边坡具有量多面广的特点。
2.2 沿线地质环境复杂
在西南地区，铁路沿线地质环境脆弱、工程地质问题复杂，地质环境复杂多变，岩质、岩层倾向、构造、节理和裂隙等各不相同，均会导致山区铁路边坡的复杂多变性，一些长大、高深边坡更增加了施工建设难度。
2.3 气象水文条件复杂
由于铁路途经线路长，涉及区域广，而山区气象条件多变，河流水系发育，岩层裂隙水发育，并且汛期雨量大，极端天气气候事件发生较频繁，极易诱发各类地质灾害，影响边坡安全稳定。
2.4 边坡形成时间短，安全稳定性较差
在建铁路正处于快速施工时期，工期紧、任务重，项目工期普遍加快。由于种种条件限制，施工前期的地质勘察资料的完整性和准确性不够，甚至有的项目存在较大的经验设计特点。从建设工期和工程投资两个方面考虑，设计的高边坡的高度或深度增加，快速开挖施工破坏了原来的山体自然平衡，造成安全稳定性问题更为凸显。
2.5 对运营安全危害较大
据有关文献及新闻媒体报道分析，近年来运营铁路沿线路堑、路堤安全隐患明显增多。其中每年汛期发生路堑边坡崩塌落石、边坡溜坍等灾害性事故较多，有的甚至影响行车数十小时，这当中路堑边坡坍方落石占灾害性事故的80%以上。因此，山区高速铁路深路堑边坡的治理存在很大的不确定因素和风险，由于高填深挖破坏原有植被，改变原有水系造成水土流失，毁坏土地，诱发泥石流等现象，将长期严重影响高速铁路正常安全运营。尤其是高速铁路运营中深路堑的线路沉降和边坡坍方落石，有可能将会造成不可预估的严重后果。
根据铁路有关设计和规范规定，铁路路基工程应避免高填、深挖和长路堑，特殊岩土、不良地质区段应严格控制路基填挖高度。客运专线及时速200 km客货共线I级铁路，路堑边坡高度土质及风化破碎软质岩地段不应超过15 m，硬质岩石地段不应超过30 m，中～强膨胀岩土地段不应超过10 m。高路堑边坡坡形一般设计为台阶形式，台阶高度一般为6～12 m，完整性岩体及顶级缓坡可设至15 m左右，边坡坡率一般根据地质岩性、产状及风化程度确定。
在施工过程中，由于原有的山体大量土方开挖，对岩土地质环境平衡被破坏，所以开挖后的边坡常常诱发工程地质病害(沉降、滑塌、落石等)，造成边坡防护加固、管养维护工程费用增加。尤其是高陡边坡，一旦发生失稳必将造成巨大的经济损失，或可能发生施工安全风险事故，也对项目工期造成损失。目前，西南地区开工建设的高速铁路项目，由于受地勘资料详细程度以及工程设计工期限制，施工图设计阶段难以对全线工程边坡的稳定性做出全面、科学合理的评价，所以需要施工阶段进行边坡的稳定性复核和动态设计。
根据铁路设计原则，隧道一般应选择在地质构造简单、地层单一、岩体较为完整等工程地质较好的地段，开挖方法应根据工程特点、围岩情况、水环境等，选择适宜的掘进方式和开挖工法，如传统的矿山法、台阶法、以及分部开挖和辅助支护工法，支护设计多采用复合式衬砌。施工难点主要是防止隧道开挖过程中软弱围岩变形沉降失控，穿越地质破碎地层可能出现坍塌，或因爆破震动过大使围岩失稳而出现坍塌。其他地质灾害如突水突泥、高地应力等特殊地质情况，在本文所比选的深路堑条件下较为少见，不作分析。
在山岭地区高速铁路的建设中，从长期经济效益和安全出发，将线路选线设计总体方案中深路堑方案与隧道方案比选，目的就在满足相同工程价值功能的前提下，研究方案间具有的相互替代性。隧道方案在环境保护方面具有一定的优越性，相对而言比深挖方路堑方案更有利于可持续发展。但是如果深挖方路堑工程开挖量很大，占用土地面积范围大，那么采用隧道方案不一定会使工程造价增高。根据高速铁路设计原则和降低施工难度，以及铁路运营后维护等方面综合考虑，路基大挖方地段是明挖还是隧道穿越，要结合现场实际地形地貌、工程地质条件、开挖的土方量、弃方运距、边坡防护量的大小及防护型式和环保等因素综合考虑，这既是降低工程造价的有效途径，又符合当前国家倡导的工程建设节能环保设计政策要求。
5.1 深路堑与较短隧道的经济性对比
经查阅有关文献资料，在设计目标值相同的前提下，深路堑与隧道的经济性对比首先要在取得工程所在地址段落的确切且充分的地质勘查资料的基础上，路堑方案与隧道方案应综合施工技术、工程可靠性、工程占地、环境影响等因素而决定。
5.1.1 工程造价比较
根据调研目前国内在建或已建成的主要干线铁路建设投资概算梳理情况，并查阅有关文献资料，以2种不同设计目标值的隧道与2种开挖高度不同的深路堑进行造价对比(大概估算造价),如表1所示。
5.1.2 施工难易程度对比
根据表2可以看出，围岩级别较为软弱的地质隧道需要加强超前防护和初支护结构，施工进尺较硬质围岩隧道的要缓慢些，故其施工难度较大。Ⅳ、Ⅴ类软弱围岩地段路堑开挖坡高30 m若用隧道替代，开挖施工难度增加两级；而路堑开挖坡高20 m左右的围岩较好的地段用隧道替代，施工难度基本无多大差异。开挖坡高超过40 m以上的深路堑用隧道替代，施工难度上基本等同，但是路堑的防护工程难度增大，相比而言，隧道的施工难度较低一级，仅仅是洞口边仰坡防护施工难度明显降低。
5.1.3 隧道与深路堑方案经济综合比选
在进行经济综合比选前，先要选择适合深路堑和隧道选址条件的有代表性的典型地段进行计算和分析，通过计算直接工程费用比较得出开挖临界深度，即深挖路堑和浅埋隧道的费用相等计算出开挖深度HL，称为开挖临界深度。当深挖路堑的挖深大于HL时，其费用大于相应的浅埋隧道。再从设计工期寿命中的经济效益的角度来衡量考虑，深挖方路堑运营维护费用中边坡防护工程的养护费用所占比重可能最大。然后，深路堑的边坡防护工程的养护费用与边坡的工程地质、水文地质条件关系十分紧密，估算相对困难，比如极端天气等偶然因素多，一旦出现滑坡、滚石、坍塌等自然灾害事故，整治处理费用是非常高的，而且往往不能完全根治。从生态文明和环保角度，适当调整增加建设时期的工期造价投资，在保护生态、减少地质灾害及获取长期经济效益方面，浅埋隧道方案要优于深挖路堑方案。同时，据有关文献资料研究表明，当路堑边坡高度<20 m时，隧道方案不经济；土质路堑坡高>40 m、石质路堑坡高为20～30 m，采用隧道方案经济。
5.2 深路堑与较短隧道方案综合性因素对比
通过对调研资料的整理分析和计算，结合西南山区的地质特点，从地质条件、结构稳定性、对环境的影响程度、视觉景观效果、施工难易程度、工程造价、后期运营维护及管理费用估算、运营安全等进行比较对比。深路堑与较短隧道方案综合性因素对比如表3所示。
某在建山区铁路客运专线项目是我国首次在西南山区修建时速250 km的高速铁路，也是世界上首次在复杂山区修建长距离高速铁路工程。2009年6月对该条铁路设计参数进行了技术措施调整，由原设计时速200 km客货共线铁路变为时速250 km，并预留进一步提速条件的客运专线，全线轨道结构由有砟轨道变更为无砟轨道。
该铁路沿线地形复杂、山势陡峻、植物茂密、风景秀丽、地形地质条件相当复杂。地质构造复杂，褶皱、断层发育，通常在褶皱、断层发育区域岩层产状发生剧烈变化，且岩体破碎，对边坡安全稳定性非常不利。尽管在选线过程中，最大限度地绕避这些地质构造发育的不利地带，原预设计全线不少路基地段穿越山体边缘采用深路堑方案。
考虑到铁路沿线的边坡分布范围广、铁路荷载大、高速铁路的高安全性要求以及西南山区的地质、水文、气侯以及地震动峰值加速度影响等因素，满足高速铁路总体设计应符合旅行时间与最高运行速度、节能与环保、安全与防灾等目标要求。在建设、设计、施工、监理各方综合调研的基础上，为了保证高速铁路的运营安全和根治深路堑带来的潜在安全隐患，本着“安全第一、环保优先”原则，先后对6段深挖路堑地段，选择短隧道代替深路堑的方案，避免深路堑大开挖，减少对植被的破坏和对山体的扰动，也就减少了引发地质灾害的可能，也符合高速铁路建设环境保护、水土保持、土地节约的要求。
(1)原预设计深路堑工程措施：多为三～四级高路堑边坡，边坡最大高度超过35 m。在靠山体侧坡脚设置桩间挡土墙，预加固桩桩间距(中-中)为6.0 m，桩截面采用1.5 m×2.5 m的矩形截面，桩长14～16 m，桩身采用C35钢筋混凝土。边坡设置锚杆框架梁喷播植草间植灌木护坡，框架梁框架间距为4 m菱形布置，采用C35钢筋混凝土进行浇筑；框架梁锚杆采用φ32HRB400螺纹钢制作，钻孔直径110 mm，锚孔与水平方向夹角20°，每孔锚杆长8 m，注浆材料选用M30水泥砂浆或水泥浆。
(2)以短隧道代替深路堑的工程措施：隧道衬砌结构设计使用年限级别为一级，设计使用年限为100年。明洞段采用明挖法施工，设置明洞衬砌，衬砌拱部、边墙、仰拱采用C35钢筋混凝土浇筑。明洞衬砌施作完成并回填浆砌片石和夯填土石(距离拱顶回填厚度不小于2 m)后，方可进行暗洞施工。根据现场实际地形，靠线路右侧山体绝对高程一般在300～480 m，相对高差约50～80 m，山体自然坡度为5°～45°。该区段覆盖层主要为第四系全新统冲洪积层)、坡残积层)，山坡普遍覆盖厚度不大的坡残积黏性土；主要岩土包括板岩、千枚岩、片岩、变质砂岩等，各种岩性相间分布，以变质岩为主。为确保隧道结构安全，在隧道洞身靠山侧设置预加固桩，预加固桩桩间距(中-中)5.0～6.0 m，桩截面采用1.5 m×2.5 m～2.0 m×3.0 m的矩形截面，桩长12～28 m，桩身采用C35钢筋混凝土。先施作预加固桩并达到设计强度后，方可进行隧道开挖施工。
(3)经济效益和社会效益分析：按照原有的施工组织计划安排和变更为短隧道后，项目可以调配利用已有的长大隧道配置的施工机械和隧道衬砌模板台车，节约了资源投入和施工成本。施工工期分析对比，相比按照原深路堑施工方案，改成隧道后工期调整优化提前了2个月。初步估算，原边坡高度为 35 m 的深挖路堑每延米的挖方数量在1 800万m3，每100 m的挖方土石方量将达到18万m3，这对工程项目所在地紧缺的土地资源带来挑战。而调整变更为短隧道方案后，弃土方量将近减少了45%，这也为项目减少弃土场征地费用节约了60万元。项目沿线少数民族风情浓厚，生态环境脆弱，通过采用隧道方案最大限度地减少了工程对生态环境的破坏，最大限度地保护山区有限的土地资源，达到了现代高速铁路工程与少数民族村寨环境风情的和谐统一。
在“十二五”期间，随着我国《中长期铁路网规划》的实施，将会进一步大量修建高速铁路。而中西部地区规划铁路中的沪昆、成渝、成贵、渝黔等长大高速铁路正在建设或即将动工兴建，这些铁路都将穿过复杂的西部山岭地区。线路设计过程中，对于大挖方地段是明挖深路堑还是短隧道穿越，要结合实际工程地质条件、开挖的土方量、边坡防护工程措施和环保等因素综合考虑，这既是降低铁路工程造价的有效途径，又是遵循高速铁路环保设计必须考虑的重要因素。采用短隧道替代深路堑，有利于景观，尤其可以避免导致水土大量流失，在后期铁路运营中可以规避诸如落石等一些不安全因素。因此，在山岭地区修建高速铁路，隧道与深路堑方案的比选要在取得充分和确切的地质资料基础上，综合技术、经济、环境以及铁路运营安全等因素，本着“安全第一，环保优先，宜隧则隧，强本简末”的原则，科学选择路与隧设计方案，对提高今后高速铁路建设工程经济性和安全性都有很大工程价值。
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