西安枢纽北环线路基工程浅析

西安枢纽北环线路基工程浅析
铁道第一勘察设计院任雪玲张宗堂
摘要:本文系统介绍了西安枢纽北环线路基所处的地形地质条件和工程概况,针对本线所经地形平坦、大部分为高产农田、填料匮乏、地表广布湿陷性黄土,在
处理湿陷性黄土方面提出重视地表排水与地基处理措施相结合、并注意
各种地基处理措施适用条件;在节约填料、土地资源方面提出采用土工格
栅设置加筋土挡墙、加筋土陡坡路堤等对策。

以上对策在北环线路基建设
中得到广泛的应用并取得了预期的效果。

关键词:路基工程浅析
1概述
1.1地质概况
(1)地形地貌:北环线位于西安、咸阳市区,经过的主要地貌为渭河一、二、三级阶地,渭河、灞河河床及漫滩,地势平坦开阔,交通发达,人口密集。

其中IDK3+100 (新丰镇)～IDK6+730、北环联络线ILDK0+000～ILDK6+ 640、陇海与西康联络线为二级阶地,IDK52+910～IDK63+400为三级阶地,其余均走行于一级阶地和漫滩之上。

咸阳北侧的三级阶地地势最高,其高程430.00m 左右,中间段的渭河河床地势最低,高程为365.00m。

(2)地层岩性:全线均为第四系松散堆积层覆盖,第四系全新统粘质黄土,主要分布于渭河一级阶地及漫滩表层,以冲积为主,厚度变化较大,一般1～10m,多呈浅黄色、棕黄色及褐黄色,不均匀,含砂及卵砾石,土体较疏松,硬塑为主,普遍具湿陷性,其下为粉质粘土、砂和碎石类土;在IDK7+180～IDK7+800、IDYK7+180～IDYK7+800、IL DK7+166～ILDK7+780段粘质黄土下部分布有淤泥质粉质粘土,厚1～5m,埋深3～6m,深灰色、灰黑色,土质不甚均匀,含砂砾,属高压缩性土,承载力低。

第四系上、中更新统粘质黄土,分布于二、三级阶地,厚10～30m,以风积为主,呈灰黄色,软塑--硬塑,一般直立性好;其中上更新统黄土,孔隙发育,属湿陷性黄土;中更新统黄土中夹有多层棕红色古土壤层和灰白色钙质结核层,一般不具湿陷性。

(3)不良地质及特殊岩土对路基有影响的不良地质为咸阳地裂缝,主要出现在渭河北岸二级阶地后缘,三级阶地阶前缘陡坎南侧,延伸长度15km,高角度南倾,方向为NEE,基本与阶坎及渭河北岸断裂走向一致。

与线路有关的大泉地裂缝(编号为XY3),在IDK63+ 507处与线路相交,夹角25°。

特殊岩土:沿线大量分布湿陷性黄土及淤泥质粉质粘土,湿陷性黄土厚度、类型及湿陷等级见表1
湿陷性分段表
线别湿陷等级厚度
北
环
线
Ⅱ-Ⅳ级15m
Ⅰ-Ⅱ级3-7m
Ⅱ级7m
Ⅰ级5-9m
Ⅱ级8m
Ⅰ级5-8m
Ⅰ级5m
Ⅰ级7.5m
Ⅰ级3m
无无
Ⅰ~Ⅱ级5-12m
Ⅱ级2-5m
Ⅱ级1-9m
Ⅱ~Ⅲ级7-19m
Ⅰ~Ⅱ级9-15m
Ⅱ级7-18m
Ⅰ~Ⅱ级5-8m
Ⅱ~Ⅲ级6-15m
Ⅰ~Ⅱ级3-8m
Ⅱ级8-14m
Ⅰ~Ⅱ级3-12m 北环联
络线
Ⅲ~Ⅳ级15-20m
Ⅰ~Ⅱ级3-7m 西康联络线Ⅲ~Ⅳ级5
里程湿陷类型
起点~IDK6-710自重
I DK12+710~IDK12+650非自重
I DK12+650~IDK12+750自重
I DK12+750~IDK13+750非自重
I DK13+750~IDK14+000自重
I DK14+000~IDK14+400非自重
I DK14+400~IDK15+350非自重
I DK15+350~IDK15+600非自重
I DK15+600~DK25+980非自重
DK25+980~DK30+930无
DK30+930~D K233+392非自重
DK33+392~DK33+850自重
DK33+850~DK52+960非自重
I DK52+960~IDK55+100自重
I DK55+100~IDK55+765非自重
I DK55+765~IDK58+200自重
I DK58+200~IDK58+900非自重
I DK58+900~IDK63+050自重
I DK63+050~IDK64+800非自重
I DK64+800~IDK64+200自重
IDK65+200~终点非重点
起点~ILDK6+670自重
ILKD6+670~终点非自重
全线自重
增刊6
(4)气象特征:本线所经地区属温带半干旱气候。

年平均气温13.0～13.7℃,极端最高气温41.8℃,极端最低气温-19.4℃;年平均降水量500.5～591.8mm ;最大风速为22.3m/s ,主导风向为ENE ,土壤最大冻结深度
50cm ,最大积雪厚度15cm 。

(5)地震烈度:北环线IDK3+100～DK45+400、北环至西康联络线、西康至陇海联络线地震动峰值加速度为0.20g (对应地震基本烈度八度),DK45+400～茂陵地震动峰值加速度为0.15g (对应地震基本烈度八度),地震动反应谱特征周期为0.35s 。

1.2路基工程概况
(1)工程概况:西安枢纽北环线东起新丰镇编组
站,上行线起点为西康线K4+600,下行线起点自新丰镇编组站Ⅴ场ⅠDK3+300引出,向西经新筑站,跨灞河、渭河至咸铜线萧家村车站;沿咸铜线增建二线至长陵站,出站后北折上塬,上跨312国道后西行至陈家台村附近下塬,疏解分上、下行引入茂陵车站,正线长度
63.941km ,各联络线合计长度6.075km 。

路基总长(含车
站)57.943km ,区间路基长51.093km ,占线路总长的
79.91%。

其中新建双线路基长28.433km ,新建单线路基
长11.318km ,增建二线及改建既有线路基长11.342km 。

(2)路基工程设置情况:根据平原及市区地形、地理环境,地质、岩土以及建筑工程材料情况,依据相关规范及铁道部对北环线各阶段的审查批复意见,工程设置以稳固、环保、节约用地为原则,工程类型主要有加筋土路肩、路堤挡土墙工程3处,累计长度986m ,重力式路堤挡土墙工程4处,累计长度596m 。

加筋土路堤工程3处,累计长度4235.75m ,路堤坡面防护工程23处(地基处理分开统计),累计长度17292m ,浸水路基4处,累计长度2737.84m ,路堑坡面防护工程4处(含路堑排水工程2处),累计长度6397.5m ,湿陷性黄土及软弱地基处理工程28处,累计长度25006.78m 。

工点合计48处,累计线路长度36330.78m 。

2路基设计主要内容2.1
路基面宽度及基床
(1)路基面宽度
注:表中路基面宽度I 级重型为铺设无缝线路(加
0.2m )宽度值,I 级次重型为普通轨道标准。

(2)路基基床:基床总厚度为2.5m ,表层0.6m ,底层
1.9m 。

(3)路基基床填料:北环线全线均为黄土填料,属C 组填料,不宜作为基床填料。

本次设计路堤基床表层
0.6m 、湿陷性黄土路堑基床1.2m 范围内采用2:8石灰改
良土填筑,与既有线并肩等高地段,自既有路肩向外做
4%排水坡,其上用渗水土填筑。

经施工、运营证明用石
灰改良土封闭的路基,其强度和隔水、排水效果良好,造价经济,施工方便。

2.2主要设计原则
(1)湿陷性黄土及软弱地基处理
针对北环线湿陷性黄土、松软土及地基承载力普
遍不足的问题,为控制沉降,保证路基竣工后在长期运营中的稳固安全,首先应加强地表排水措施,完善的排水系统与必要的地基表层灰土封闭相结合;其次依据地质资料,充分考虑湿陷性黄土层厚度、湿陷等级、湿陷量以及对路基的危害程度,分别对I ～II 级非自重湿陷性黄土以及浅层承载力不足地段采用冲击碾压处理;对II 、Ⅲ级自重湿陷性黄土地段,采用重锤夯实或强夯处理,位于居民区或距既有线较近无法实施强夯地段,采用冲击碾压加灰土封闭措施;对Ⅲ级以上的厚层自重湿陷性黄土或较厚的软弱土层地基,采用灰土挤密桩或石灰桩加固处理。

施工实践证明,以上措施对提高地基的承载力、消除沉降量效果非常明显,经现场测试,强夯后的地基承载力可提高一倍以上,处理深度5～
7m 时,沉降量可达0.6～1.0m ,达到小型挖掘机挖掘困难
的强度效果。

随着铁路行车速度的不断提高,铁路建设技术标准也在不断完善和提高,湿陷性黄土地基对路基的危害也日益被重视,北环线根据工程所处湿陷地层的湿陷类型、厚度、排水条件等情况,分别采用换填灰土封闭、冲击碾压、重锤夯实、强夯处理措施,取得预期效果,具有措施得当、经济合理、施工简便之优势,有较好的经济和技术效益,具有示范和推广价值。

(2)路堤坡面防护工程
北环线地处西安市区和咸阳市区内,沿线地形平坦,线路通过处交通发达、人口密集。

线路区域内片石材料缺乏,路基填料为具湿陷性的粘质黄土,边坡易被雨水冲蚀,路基设计以稳定边坡、美化城市环境的全坡
非渗水土岩石、渗水土11.811.410.810.4Ⅰ级次重型(西康联络线)
单线
663
5路暂(m)
6.4路堤(m)
6.8路暂(m)
7.3路堤(m)
7.7Ⅰ级重型(北环正线、西康至陇海联络线)
单线双线土石种类
路基形式
线路等级
7.1
.7
..9
面防护为原则,填方高度在3m以内的路堤边坡全部种草或紫穗槐防护,填方高度大于3m的路堤边坡采用C15混凝土预制块带排水槽的拱形骨架护坡防护,骨架内种草或紫穗槐绿化,骨架护坡上部设混凝土镶边保护路肩,下部设高1.3m(地面以上0.5m)的脚墙基础及护脚,可防止坡脚被人为耕种活动损坏,还可阻挡地面水流浸蚀路基。

工程建成后整体效果良好,达到了防护、环保的双重目的。

(3)加筋土挡土墙工程
土地是不可再生资源,本着“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策,为节约用地,减少填方,北环线在通过基本农田区高度大于8米的高路堤,设加筋土挡土墙工程收坡,共计3处。

IDK14+000～IDK14+165、IDK50+700～IDK51+286为加筋土路肩挡土墙,分别位于西安市临潼区及咸阳市区内,地基为Ⅰ、Ⅱ级非自重湿陷性黄土及中粗砂,IDK63+282～IDK63+ 595.37段为加筋土路堤挡土墙,地基地层,上部为人工填筑土,下部为粘质黄土软弱层。

挡土墙最大墙高9.8m。

墙胸坡为1:0.1,路肩墙顶距路基面的距离为0.5m,基础埋入地面下不小于0.9m,面板采用C25混凝土预制块,拉筋采用高密度聚乙烯土工格栅,基底换填2:8石灰改良土提高承载力。

(4)加筋土路堤工程
IDK9+900～IDK12+100、DK18+726～DK20+440、DK24+600～DK25+900加筋土路堤及地基(或鱼塘)处理工程,该三段工程分别位于西安市临潼区及灞桥区内,为长大段落填方路基,填方高5～8m,线路通过处为基本农田区,地形平坦,土地肥沃,周边取土非常困难,为节约用地,减少填方,设加筋土路堤工程予以收坡,加筋土路堤边坡坡率采用圆弧破裂面法进行稳定性检算确定,IDK9+900～IDK12+100工点采用1:1,其余两段采用1:0.75。

边坡内铺设高密度聚乙烯土工格栅,长度经计算确定,坡面采用L型钢筋混凝土预制块面板台阶式收坡,台阶上种植灌木花草绿化。

IDK9+900～IDK12+100段地基为非自重湿陷性黄土,DK18+726～DK20+440段地基有鱼塘分布,地基天然承载力均显不足,为消除地基湿陷性、提高承载力,对地基进行相应的碾压灰土换填处理。

北环线工程中较多采用了加筋土工程,虽然加筋土挡土墙技术在国内外工程建设中已较普遍采用,但在地震区、细粒土路基中采用较少,设计中在受力分析、面板设计、筋带连接等方面都作了优化创新,收到了预期效果。

加筋土路堤根据高度不同采用不同的边坡坡率,坡面采用L型面板台阶型坡面,在工程中尚属首次,通过该项工程的设计、施工,除工程本身条件需要外,意在拓展新技术、新材料、新工艺的使用领域,为黄土、平原地区采用加筋土工程积累经验。

同时3处加筋土挡土墙,3处加筋土路堤累计可节约永久用地80亩,节约填方19万m3,节约临时用地56亩。

取的了较好的工程效益及社会效益。

3特殊路基工点设计介绍
3.1概况
IDK63+282～IDK63+595.37挡土墙、地裂缝及地基处理工程位于咸阳市北侧陈家台及大泉村内,粉铺村特大桥小里程端,所处地貌单元属渭河二级阶地后沿、三级阶地前沿,中心最大填方高18m。

大泉地裂缝在IDK63+507附近与线路交叉,与线路夹角约25°工点范围内主要地层:上部为人工填筑土厚2~4米,为大泉村村民建筑填土,土质不均,硬塑,其下为粘质黄土,厚6~17m,天然含水量28~30%,硬塑~软塑,承载力60~80KPa,下部为粉质黏土、细砂和中砂。

地下水稳定水位15～25m。

大泉地裂缝是咸阳多条地裂缝中的一条,地裂缝总体走向N70°E,南倾,倾角较大,具有明显的北升南降性质,延伸长度约280m,宽度0.005～0.05m,以垂直变形为主,水平扭动变形比较小。

设计中经多方案的经济、技术比较,从以下三个方面采取措施,以减小地裂缝对线路的影响,确保铁路运营安全并满足相应线路标准要求。

首先加强路堤适应不均匀沉降的能力;其次采取地基处理和表层灰土换填等防水措施,避免水流浸入地裂缝产生次生病害;第三加强路堤的整体刚度与强度。

3.2设计
(1)加筋土路堤挡土墙:为减少拆迁、方便当地村民活动、节省填料及用地,在高路堤下部设加筋土路堤挡土墙收坡,墙高6～8.4m,墙胸坡为1:0.1。

墙面板采用六面型带楔槽的C25混凝土预制块,其尺寸为0.5m(长)×0.3m(高)×0.35m(厚),拉筋采用高密度聚乙烯土工格栅,其质控抗拉强度≥120kN/m,对应最大拉伸应变≤10%,蠕变极限强度≥48.9kN/m,碳黑含量≥2%,拉筋长,层间距3,下部层全宽铺设。

墙顶留宽边
!
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# /20011m0.m42m
增刊6
坡平台,上部10m高填方路堤边坡两侧加铺双向土工格栅长4m,基床底层4层全宽铺设,边坡设拱型骨架护坡,骨架内种紫穗槐防护。

(2)地基处理:挖除地基上部1米厚人工填筑土,地裂缝前后80m左右软弱地基采用灰土挤密桩(局部为石灰桩)加固,采用桩长8m,桩径0.4m,桩间距1.0m,按梅花型布设;地裂缝前后150m范围内,铺设三层高密度聚乙烯土工格室(规格150mm×400mm,片材拉伸强度≥25M Pa),土工格室层间距0.3m,层间及格室内夯填二八灰土,以抵抗地基的拉裂变形,增强地基承载力,其余地段冲击碾压后夯填灰土封闭地表。

(见图1)
(3)监测:在路基及地裂缝两侧布设18个观测桩,形成一个变形监测网,随时对地裂缝的活动进行观测,维护,以保证线路的安全运营。

图1路基通过大泉地裂缝横断面图
3.3施工配合
工程设计于2005年10月完成,2005年11月开工建设,2006年8月完成施工,2006年9月1日通车运营。

在施工过程中,设计人员随时跟踪每一道工序,对设计及现场情况做比对,如有问题及时解决:
(1)2005年12月,在施工灰土挤密桩过程中,局部地基软塑土含水量大,用沉管(锤击)设备成孔时,出现缩孔现象,难以成孔,后改为螺旋钻成孔,填料改为石灰土,施工顺利。

(2)2006年2月,在地基挖槽开挖时,对地基地质情况和地裂缝的具体位置进行了现场核实,及时对设计文件作了完善和补充。

(3)针对加筋土挡土墙与涵洞斜交处,墙面与涵洞连接及筋带长度不足问题作了补充设计,墙面与涵洞斜交处,不够放置一块面板砖时采用混凝土浇注三角区;并采用平行涵洞方向加铺筋带的方法补强三角区带长度不足问题,涵洞顶部垂直涵洞轴线方向加铺一层土工格栅加强筋,以提高涵、路过渡段抵御变形的能力。

4结束语
4.1湿陷性黄土的地基处理根据其湿陷沉降原理,首先应从加强排水着手,完善的排水系统和必要的地基表层封闭措施相结合,其次根据湿陷性黄土的湿陷等级、厚度以及所处地层情况和地理环境,分别采用不同的处理措施。

特别应注意的是各种处理措施的适应性,工程措施、施工工艺要求、采用的施工机械三者应有效的结合起来。

4.2长期以来,路基工程多以浆砌片石为主要工程材料,存在结构笨重,机械施工困难,施工工期长,造价高的弊端,且开采片石易造成污染、破坏环境。

北环线根据片石材料匮乏情况,路基挡、护、排水工程以混凝土、片石混凝土为主要建筑材料,为保证工程质量多以预制块砌筑为主。

优点是可以因地制宜,采用工业原料替代天然石料,工厂化预制,现场机械化吊装施工,施工方便,速度快,工程质量有保证。

有较好的工程和环境效果,宜于在同类地区推广使用。

但在使用中对预制块的厚度、体积尚需进一步研究优化,不宜用人力施工替代机械吊装施工。

4.3加筋土工程是北环线路基工程的一大特色,共设计6处,累计长度达
5.2km,除了节约用地,节约填方外,具有外型美观、环保、与城市环境协调的工程效果。

采用高科技的工业土工合成材料作为主要工程材料,设计先进,技术合理,为以后的同类工程设计积累经验。

4.4IDK63+282～IDK63+59
5.37线路通过地裂缝地段的路基工程,是本线路基设计的重点之一,高路堤、地裂缝、软弱地基等,诸多不利因素集结,使路基工程设置复杂。

设计中经多方案优化比选,确定以柔性挡护加固为主要工程措施,多种技术综合使用,采用抗拉裂、抗变形能力较强的多种土工材料,最大限度的增强路堤的整体性,以适应和协调地裂缝的变形,使其对路基的影响控制在可接受的范围。

从竣工运营至今半年的情况看效果达到预期目的。