李鎖平

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團公司,西安 710043)

1 概述

隨著國際間文化交流日益頻繁和世界能源利用量的加劇,中東地區(qū)交通運輸業(yè)的建設(shè)突飛猛進,城市地鐵輕軌、國內(nèi)城際鐵路、阿拉伯國家聯(lián)盟(League of Arab States)及海灣合作委員會(Gulf Cooperation Council——GCC)國家間路網(wǎng)鐵路等區(qū)域性鐵路建設(shè)大規(guī)模的開發(fā),阿拉伯鐵路網(wǎng)覆蓋除島國科摩羅外的21個國家,設(shè)計長度達3.3萬km[1]。當(dāng)前沙特、伊朗、科威特、卡塔爾、阿爾及利亞、摩洛哥、利比亞等阿盟(League of Arab States)國家的高速鐵路先后列入擬建或在建計劃,歐美、日韓等世界鐵路巨頭國家紛紛進軍中東市場。我國多年來在致力于國內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)的同時大力開拓國外市場,不斷地加強與阿拉伯國家的經(jīng)濟技術(shù)交流和合作,鐵路企業(yè)已在阿盟國家的鐵路市場上占有一席之地,承建了多條鐵路建設(shè)項目。世界高速鐵路設(shè)計咨詢主要控制在以法國為首的歐洲國家的公司,法國的設(shè)計標準基本覆蓋了東歐市場,索菲圖(Systra)公司總部在巴黎,是世界鐵路和城市軌道交通領(lǐng)域首屈一指的工程技術(shù)公司,是海灣合作委員會(GCC)成員六國(科威特、沙特、巴林、卡塔爾、阿聯(lián)酋、阿曼)鐵路網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計咨詢公司,已設(shè)計了中東地區(qū)第一條高速鐵路——沙特阿拉伯哈拉曼(Haramain)高速鐵路,承接了伊朗、阿曼等多個國家高速鐵路的可行性研究,在中東地區(qū)高速鐵路占有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

2 哈拉曼高速鐵路概況

中東第一條高速鐵路誕生于沙特阿拉伯西部,即哈拉曼(Haramain)高速鐵路,也叫麥加(Makkah)～麥地那(Madinah)高速鐵路,起始于沙特伊斯蘭教穆斯林第一圣城麥加(Makkah),途經(jīng)西部紅海沿海重要經(jīng)濟城吉達(Jeddah)、國際機場、拉比赫(Rabigh)等,終止于第二圣城麥地那(Madinah)。哈拉曼(Haramain)高速鐵路通過東西城際連接鐵路——大陸橋,與東部利雅得(Riyadh)、達曼(Dammam)及北部哈伊勒(Hail)、阿爾阿爾(Arar)等經(jīng)濟重鎮(zhèn)連通,是沙特鐵路網(wǎng)的重要部分(圖1)[2]。線下工程由法國索菲圖(Systra)公司駐黎巴嫩分公司設(shè)計,麥加、吉達、拉比赫、麥地那等四重要城鎮(zhèn)車站由英國福斯特建筑事務(wù)所(Foster Partners)設(shè)計。該項目將于2014年完工投入運營,主要是承擔(dān)麥加(Makkah)至麥地那(Madinah)沿途城鎮(zhèn)伊斯蘭教穆斯林到圣城麥加(Makkah)、麥地那(Madinah)朝覲的旅運工作,預(yù)計線路開通后麥加(Makkah)至吉達(Jeddah)的運行時間縮短至0.5 h,麥地那(Madinah)至吉達(Jeddah)的運行時間縮短不到2 h,年運輸能力將達2 000萬人次。

圖1 沙特鐵路網(wǎng)示意

哈拉曼(Haramain)高速鐵路途經(jīng)低山丘陵區(qū)、山前侵蝕平原區(qū)、海濱平原區(qū)及山間平原區(qū),線路全長449.3 km,設(shè)計行車速度350 km/h,雙線有砟軌道電氣化鐵路。區(qū)內(nèi)屬于熱帶沙漠氣候,月平均降雨量11.2～25.8 mm,年平均風(fēng)速7～14 km/h,降雨量極少,干燥炎熱,水資源缺乏,干溝、干谷發(fā)育。涉及地層主要為前寒武紀巖漿巖及火山碎屑沉積巖、第三紀中新世碎屑巖及玄武巖、第四紀玄武巖及沖積沉積層等,地表主要為礫石、砂土、淤泥、黏土以及風(fēng)積沙等第四系沉積物。沿線流動沙鏈、新月形沙丘、沙堆及沙地等沙害區(qū)段性分布,主要存在有危巖落石、泥石流、空洞風(fēng)沙等不良地質(zhì)及淤泥質(zhì)軟黏土、淤泥質(zhì)砂軟土、薩巴哈(Sabakha)鹽漬土等特殊土[3]。

3 路基填挖高度

路基填挖邊坡越大,邊坡穩(wěn)定性越差,為了鐵路運營安全,路基工程一般要避免深挖、高填和長路塹路基,特殊巖土、不良地質(zhì)地段的路基填挖高度要嚴格控制[4]。一般鐵路路基邊坡填挖高度控制在20 m以內(nèi),超過20 m時要按高路堤、深路塹進行邊坡穩(wěn)定性計算分析進行特殊設(shè)計,最小邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.15～1.25[5]。法國的高速鐵路標準對路基填挖高度沒有具體的明文條款限制,高邊坡路基主要采取放緩邊坡、設(shè)置邊坡平臺設(shè)計。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路路基長440.3 km,路堤長359.5 km,路塹80.8 km,深挖、高填路基主要集中于南部賽拉特低山丘陵區(qū)及北部賽拉特山間平原區(qū),紅海濱海平原區(qū)基本為填方路堤,路塹段落很少,深挖、高填路基零星分布,路基中心最大填挖高度見表1。

表1 路基中心最大填挖高度 m

路堤中心高度大于6 m長約161.4 km、大于8 m長約112.7 km、大于12 m長約46. 5 km、大于20 m長約5.9 km,邊坡坡率1∶2,自路肩向下每隔5.0 m高分級設(shè)置4.0 m寬邊坡平臺；路塹中心挖方深度大于15 m長約11.6 km、大于30 m長約4.7 km,土質(zhì)路塹邊坡坡率1∶2(風(fēng)積沙1∶6),自基床下表層向上每隔5.0 m高分級設(shè)置4.0 m寬邊坡平臺,巖石路塹邊坡坡率1∶0.25～1∶0.5,自土側(cè)溝底部向上每隔10.0 m高分級設(shè)置4.0 m寬邊坡平臺[6]。

4 路基結(jié)構(gòu)及填料

列車動荷載作用力在基床內(nèi)衰減最快,表層0.6 m范圍作用力衰減最大,達60%,向下逐漸減弱[7]。荷載作用路基填料強度不足基床容易產(chǎn)生下沉變形,路基面排水不暢易使局部基床填料含水量增大、強度降低,出現(xiàn)基床下沉邊坡凸起、路基面外擠鼓包、陷槽積水引泥、翻漿冒泥等基床病害,嚴重影響行車速度和運營安全,為了提高鐵路運輸效率和安全度,路基基床填料要求較高。法國高速鐵路的標準對基床厚度和填料有嚴格的控制規(guī)定,基床厚度見表2,主要根據(jù)下部土基承重層的承受能力確定,多為0.55～0.85 m,道砟底層(Sub ballast,相當(dāng)于基床上表層)厚0.2～0.35 m,填筑礫石、砂顆?；旌狭系葍?yōu)質(zhì)填料,道砟基床(Subgrade,即定型層,相當(dāng)于基床下表層)厚0.3～0.5 m,填筑混合顆粒料、粗礫料及細粒土、改良土等填料,也可用天然土石料,基床以下路堤填筑混合或細顆粒土、天然土石料[8]。

表2 法國高速鐵路標準有砟軌道基床厚度 cm

哈拉曼(Haramain)高速鐵路路基基床厚度見表3,基床厚度主要為55 cm,道砟底層(Sub ballast)厚20 cm,填筑碎(礫)石、砂?；旌狭?道砟基床(Sub grade)厚35 cm,填筑粒狀料或改良土,路堤基床以下填料主要就地取材,利用路塹挖方棄碴或路基兩側(cè)外取土；地下水位較淺的濱海挖方地段道砟底層底部設(shè)置一層細粒狀或粒狀材料夾土工布防滲層。土基承重層達到80 MPa的地段不設(shè)道砟基床,對土基承重層達不到承重標準的地段必須采取換填或石灰改良達到S1的承重級別[9]。

表3 哈拉曼高速鐵路有砟軌道基床厚度設(shè)計 cm

5 路基沉降控制

路基沉降嚴重影響行車速度和運輸安全,主要表現(xiàn)為基床受力強度不足變形沉降、填土路堤自重壓密變形沉降、支撐路基地基壓密(或固結(jié))沉降等,高速鐵路路基工后沉降要嚴格控制。路基本體沉降主要通過提高填料材質(zhì)和加強壓實密度來控制,在確保路基填料和工程施工質(zhì)量的前提下,一般在工程竣工后1年左右就能完成；地基沉降是主要的控制對象,采取地基加固處理來增強土體強度,提高基礎(chǔ)承載力,地基壓密、固結(jié)一般需要4～5年才能完成趨于穩(wěn)定,路基竣工完成后要預(yù)留一定的預(yù)壓期完成工后沉降。法國高速鐵路的標準有明確的規(guī)定,在地基層驗收時的首次剩余沉降量應(yīng)小于20 mm,并在鐵路交付使用前最后一次平整時,或最晚在地基層驗收后18個月內(nèi)沉降全部吸收穩(wěn)定；短距離路段上的沉降比長距離路段上的更難確定,規(guī)定30 m變形長度范圍內(nèi)年沉降限值為4 mm,200 m(或更長)變形長度范圍內(nèi)年沉降限值為10 mm[8]。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路最大允許下沉為100 mm,且下沉速率必須保持在25年中小于10 mm/年。要求沉降差必須最小,最大沉降必須與軌道幾何維護目標的縱向水準測量(每15 m小于3 mm,每30 m小于8 mm)和弧形測量(對于2條鐵軌之間的獨立水準測量每3 m小于3 mm)相一致,剩余沉降必須盡可能限制在永久結(jié)構(gòu)調(diào)控范圍內(nèi)。路基沉降控制采用施工測量和試運行2種控制標準,標準不小于表4中的變形模量(Ev2)控制值[9]。不良地質(zhì)和特殊土地基沉降控制方案為：空洞地段采用灌漿或填充毛石混凝土處理,勘探鉆孔用水泥漿封閉；軟黏土、軟土地段全部挖除換填為顆粒土,換填土夯實密度不小于最大干密度的95%；風(fēng)沙地段拉槽灌水48h以上,消除薄弱環(huán)節(jié),排干積水清除劣質(zhì)土層,用靜載重不小于120 kN的碾壓機械適當(dāng)?shù)恼袷帀好?；薩巴哈(Sabakha) 鹽漬土地段清除表層2.0 m厚松軟土，換填為顆粒土,換填層及底部夯實密度不小于最大干密度的95%,并設(shè)置1層0.25 m厚的壓碎巖和礫石毛細水隔斷層[3]。

表4 哈拉曼高速鐵路路基變形模量(Ev2)控制值 MPa

6 路基斷面

路基斷面寬度要受到路基安全穩(wěn)定、養(yǎng)護維修方便、線間距、軌道結(jié)構(gòu)形式、曲線超高設(shè)置、通信信號和電力電纜槽的布設(shè)、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)位置、聲屏障基礎(chǔ)等多種影響因素的控制。不同的行車速度具有不同的路基面寬度,高速鐵路有砟軌道中心距外側(cè)接觸網(wǎng)的安全凈距一般為3.1 m,雙線線間距隨行車速度的不同而不同,行車速度越高線間距越大,一般行車速度200 km/h線間距4.4 m、250 km/h線間距4.6 m、300 km/h線間距4.8 m、350 km/h線間距5.0 m,路肩寬度影響較大。路肩寬度是影響列車正常運行、養(yǎng)護維修機械設(shè)備及作業(yè)人員或過往行人安全的關(guān)鍵,行車速度200 km/h不應(yīng)小于1.0 m,250～350 km/h雙線不應(yīng)小于1.4 m、單線不應(yīng)小于1.5 m。法國高速鐵路標準路肩寬度雖沒有明確的條文限制,但鐵路設(shè)計路肩寬度均較大,巴黎—里昂高速鐵路(TGV)路肩寬度1.5～2.0 m、大西洋高速鐵路(TGV)路肩寬度2.25 m[10]。

哈拉曼(Haramain)高速鐵路為雙線、有砟、電氣化鐵路,一般地段路基面寬度16.6 m、線間距5.0 m、左側(cè)路肩寬1.5 m、右側(cè)路肩寬3.5 m(檢修通道)；在高速鐵路穿越哈拉曼(Haramain)高速公路、麥地那(Madinah)三環(huán)道路等公路中央分隔帶地段,鐵路路基受到分隔帶寬度條件的限制,路基面寬度為12.0 m(或11.8 m)、線間距5.0 m、無路肩(直墻收坡),軌道中心距接觸網(wǎng)支柱中線只有2.85 m、距收坡墻內(nèi)緣3.1 m；沿線路塹兩側(cè)設(shè)置深1.8 m、底寬1.0 m梯形土溝,內(nèi)側(cè)溝邊坡率1∶2,外側(cè)溝邊同路塹坡率,無側(cè)溝平臺。鐵路右側(cè)3.5 m寬路肩兼作鐵路檢修通道,有利于鐵道快速維修和故障排除；路塹斷面溝槽寬大,邊坡坍塌對線路影響小,有利于鐵路運營安全[6]。

7 結(jié)語

哈拉曼(Haramain)高速鐵路,即麥加(Makkah)—麥地那(Madinah)高速鐵路,一期線下土建工程第一標段由沙特Al Arab Contracting.Co.(ACC)、中鐵十八局集團公司(CR18G)、沙特Mohd.A.Sawilem Group(MASCO)3家公司聯(lián)合共同承建,現(xiàn)已全面開工建設(shè)。我國的建設(shè)企業(yè)是線下工程的主要承建單位,在沙特鐵路建設(shè)中奠定了良好的基礎(chǔ),為我國設(shè)計咨詢企業(yè)與中東阿拉伯國家之間的技術(shù)交流和合作提供了接觸溝通的平臺,有著很好的承接阿拉伯半島鐵路工程的有利條件。我國設(shè)計咨詢企業(yè)要走出國門在阿拉伯世界取得較大的市場份額,必須抓住機遇,在加強同阿拉伯國家技術(shù)交流和合作的同時應(yīng)進一步提高設(shè)計技術(shù)的國際競爭力度,立足于本國高速鐵路的設(shè)計標準,全面了解世界鐵路技術(shù)先進國家,特別是在國際鐵路市場上占主導(dǎo)地位的法國、德國等國家的設(shè)計標準和設(shè)計方法,在分析研究其與我國設(shè)計標準不同點的同時,還應(yīng)結(jié)合線路的地理位置、氣候特點、水文地質(zhì)特征、地層條件及環(huán)境因素等實際情況,全面考慮,因地制宜,靈活取舍,巧妙應(yīng)用,在安全穩(wěn)定、環(huán)保和節(jié)省投資的前提下確定合理的設(shè)計方案,提高綜合實力。

[1] 杭州網(wǎng)-都市快報.中國企業(yè)受邀參與3.3萬km跨洲鐵路網(wǎng)建設(shè)[EB/OL].[2011-01-23]. http://money.2500 sz.com/lc/cjyw/2011/1/23/759080.shtml．

[2] 商務(wù)部合作司.承包工程市場國別報告(沙特阿拉伯)[EB/OL].[2010-07-08]. http://tradeinservices.mofcom.gov.cn/c/index.do．

[3] 沙特阿拉伯鐵路組織.沙特HARAMAIN高速鐵路(Ⅰ期)路線土木工程方案設(shè)計報告[Z]. 2009．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2009]172號 鐵路邊坡防護及防排水工程設(shè)計補充規(guī)定[S].北京：2009．

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

[6] 沙特阿拉伯鐵路組織.沙特HARAMAIN高速鐵路線路平面、縱斷面及路基橫斷面圖[Z].2009.

[7] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2002．

[8] 法國鐵路局.SNCF-IG/IGP TGV-EST/IG-LGS(04/98)歐洲東部高速鐵路Vaires-Vendenheim新線技術(shù)參考標準第一卷·第二冊·鐵路地基平臺土建工程[S].

[9] 沙特阿拉伯鐵路組織. ITT土建工程和基礎(chǔ)設(shè)施以及土方工程的HHR技術(shù)規(guī)范[S].

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009/J971—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范及條文說明[S].北京：中國鐵道出版社,2009.