高速鐵路穿越大型垃圾場存在問題與對策

王成青

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

引言

濰煙高鐵是一條連接山東省濰坊市與煙臺市的高速鐵路,全長236.452 km,設計速度350 km/h,是國家“八縱八橫”高鐵主通道中沿海通道的重要組成部分,建成后將有效加快山東半島城市群互聯互通進程[1-2]。 濰煙高鐵在煙臺市內需穿過鳳凰山垃圾填埋場,主要采用衛生填埋的方式將垃圾集中堆放。 垃圾集中填埋是我國自20 世紀80 年代以來普遍采用的垃圾處理方式之一[3],但受當時的技術和經濟限制,垃圾場長期運營后導致填埋場地區的地質成分十分復雜,形成地質上的“特殊地區”[4-5],對濰煙高鐵施工建設造成較大困難。

已有學者對鐵路穿越特殊地區的施工方案進行實踐研究。 針對施工難度、施工風險較大地區[6-7],常遇到土地資源緊缺[8]、環境保護要求高[9]、客運需求量大[10]、接軌方案復雜等情況[11-15],需針對不同路段、地區實際工程情況,采用不同的設計理念,并考慮地質情況、工程施工難度、經濟情況、客運需求等因素,提出了相應的路線設計方案。

鐵路穿越垃圾填埋場方案設計的難點之一在于垃圾土的地質成分十分復雜,其抗剪強度指標及物理性質指標難以測定。 陳云敏利用靜力觸探技術和室內試驗,對某垃圾填埋場的土體參數進行了詳細的測定[16];劉海濤采用室內試驗的方法測定了垃圾土的力學特性,認為垃圾土力學性質較差,在工程中難以直接應用,需要進行地基處理[17-18];薛祥等提出了考慮固結度增長的垃圾土地基承載力評估方法[19]。

綜合可知,垃圾填埋場是鐵路工程中的不可忽視的特殊地區,而目前針對鐵路工程穿越垃圾填埋場方案的研究仍相對不足。 針對濰煙高鐵穿越鳳凰山老垃圾填埋場路段,開展了壓低鐵路縱斷面方案和拉高縱斷面方案的詳細對比研究,以期對類似穿越大型垃圾填埋場的鐵路工程提供參考。

1 工程概況

濰煙高鐵DK144+140.00~DK144+380.00 段穿越鳳凰山垃圾填埋場老填埋區,該工點線路北側為既有龍口市正規的市政垃圾場(距離線位中心約20 m),南側為既有G18 榮烏高速公路(距離線位中心約55 m),擬建鐵路平面位置見圖1。 該路段工程地質條件十分復雜且地基承載力較差,地層主要包括垃圾土、全風化泥巖。 其中,垃圾土厚度可達40.0 m,主要由生活垃圾及少量建筑垃圾組成;垃圾土下部為全風化泥巖,具有弱膨脹性;另外,該路段地層還有弱發育的巖溶。

圖1 擬建鐵路平面位置

該線路的設計高程位于填埋區深度中下部,施工時需將上部垃圾土全部挖除,且需對路基進行加固處理,工程投資巨大,同時也會造成較為嚴重的社會環境影響。 因此,分別提出了壓低縱斷面、拉高縱斷面以及維持原設計高程的貫通方式優化方案(見圖2)。

圖2 優化方案示意

針對路基方案和貫通方案的優化設計,下部軟弱地基對道路的影響較小,但垃圾處理的工程量巨大;隧道方案無需對垃圾土進行挖除,但存在瓦斯不良地質現象、施工難度高;拉高縱斷面的優化設計減少了垃圾土的開挖量,社會環境影響較小,但需增加地基處理的費用,且需增加樁基長度,增加了工程的風險性。 因此,針對4 種不同的優化設計方案,分別從工程量、工程投資、施工技術難度以及對環境和社會的影響等方面進行詳細的對比分析,以選擇出最優的優化設計方案。

2 施工方案

2.1 路基方案

將線路高程向下移動10 m,需在垃圾填埋區內開挖約30 m 高邊坡,同時路基基底約10 m 深度范圍內需處理,共包括挖方工程、邊坡工程和地基處理3 部分。 路基方案填埋區施工橫斷面見圖3。

圖3 路基方案填埋區施工橫斷面

該方案主要施工措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+200.00 段落內設置U 形槽,路基基床填筑1.8 m 纖維混凝土, DK144 +140.00~DK144+380.00 段落內垃圾土全部挖除至原始地層,最大挖方深度約為38 m。

(2)地基處理

DK144+140.00~DK144+200.00 段U 形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進行地基處理,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長17 m;其余松軟土地段采用螺桿樁進行地基處理。

(3)邊坡工程

DK144+010.00~DK144+140.00 段兩側、DK144+200.00~DK144+750.00 段兩側設置錨索樁板墻。

2.2 隧道方案

為避免垃圾土大量挖除對周圍環境和社會影響,提出了壓低縱斷面的隧道方案;其中,隧道進口里程DK143+915,出口里程DK144+865,全長950 m;工程共包括地表垂直注漿和隧底加固處理。 填埋區橫斷面示意見圖4,隧道襯砌類型見表1。

表1 鳳凰山隧道襯砌類型

圖4 隧道方案填埋區施工橫斷面

該方案主要施工措施如下。

(1)地表垂直注漿

注漿段落:DK144+120~DK144+400 段。

注漿范圍:橫向為隧道結構外邊緣左側10 m、右側10 m;豎向為隧道結構頂部以上10 m 至底部以下5 m 范圍。

注漿方式:采用后退式注漿,袖閥管注漿工藝。

注漿孔布置:注漿范圍內,注漿孔按梅花形布置,間距1.5 m×1.5 m。

注漿參數:孔徑90 mm,袖閥管外徑50 mm,分為擴散孔和無擴散孔2 種,漿液擴散半徑1~1.5 m,注漿壓力2~3 MPa 或現場試驗調整,注漿材料選用普通水泥漿,水灰比(0.8 ∶1)~(1 ∶1)或現場試驗確定。

(2)隧底加固處理

隧道底部采用鋼筋混凝土短樁進行加固處理。

2.3 貫通方案

貫通方案維持線路的原設計高程。 在段落內,一部分垃圾土挖除至路基U 形槽,部分垃圾土全部挖除,路基全部進行地基處理,工程共包括挖方工程、地基處理和邊坡工程3 部分。 填埋區橫斷面示意見圖5。

圖5 貫通方案填埋區施工橫斷面

貫通方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+220.00 段落內設置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纖維混凝土,DK144+220.00~DK144+380.00 段落內垃圾土全部挖除,路基基床表層采用級配碎石填筑。

(2)地基處理

DK144+140.00~DK144+220.00 段U 形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長36 m;其余松軟土地段采用螺桿樁加固。

(3)邊坡工程

DK144+220.00~DK144+340.00 段左側、DK144+580.00~DK144+700.00 段右側設置重力式擋土墻,墻高7.0 m;DK144+340.00~DK144+580.00 段兩側設置錨索樁板墻。

2.4 拉高縱斷面方案

將線路的原設計高程提高10 m,在段落內,U 形槽外垃圾土全部挖除,U 形槽下路基全部進行地基處理,主要工程為挖方工程和地基處理。 拉高縱斷面方案填埋區施工橫斷面見圖6。

圖6 拉高縱斷面方案填埋區施工橫斷面

拉高縱斷面方案的主要工程措施如下。

(1)挖方工程

DK144+140.00~DK144+380.00 段落內設置U 形槽,U 形槽以外垃圾土全部挖除,路基基床填筑1.8 m厚纖維混凝土。

(2)地基處理

DK144+936.00~DK144+380.00 段樁板結構及U形槽以下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進行地基處理,灌注樁?1.25 m,樁橫縱向間距6.25 m,最大樁長53 m。 其余松軟土地段采用螺桿樁加固。

3 施工方案對比

本節通過工程量、工程投資、施工技術難度以及對環境和社會的影響等方面的詳細對比分析,確定各方案的優劣。

各方案的工程經濟比較表見表2。 其中,垃圾土處置費用以相關部門提供的渣土處置費用作為依據,垃圾土處置費綜合單價為130 元/m3。 由表2 可知,路基方案相較于隧道方案占用土地量增大約50%;土石方量為隧道方案的3~5 倍。 隧道方案征地面積較少,拉高縱斷面方案和貫通方案分別增加8%和30%;同時,隧道方案路基施工的土方量和石方量最少,拉高縱斷面方案路基工程量增加20%~30%,貫通方案則增加2~3 倍,且拉高縱斷面方案和貫通方案均需增加大量的垃圾土處理工程量。 拉高縱斷面方案和隧道方案需通過架設特大橋梁和開挖隧道的方式實現縱斷面的高度變化,其中,拉高縱斷面方案較貫通方案縱斷面平均增高約5.8 m,最大高差約9.0 m;隧道方案較貫通方案縱斷面平均降低約6.0 m,最大高差約11.5 m。在工程投資方面,貫通方案工程投資最少,路基方案工程投資最大;路基方案、隧道方案和拉高縱斷面方案相較貫通方案工程投資分別增加19.7%、10%和2%。

表2 各施工方案工程經濟比較

各方案的優缺點分析見表3。 由表3 可知,路基方案工程風險小,工后沉降及變形易控制,但需要進行大量的垃圾土處理,對周圍社會環境影響較大。 在施工技術難度方面,拉高縱斷面方案需要超長灌注樁基礎施工,隧道方案需要考慮瓦斯不良地質現象,施工難度較大。 貫通方案施工技術難度和技術風險小,且路基工程放坡后對線位左側市政垃圾場內部道路、右側既有G18 榮烏高速公路沒有影響。

表3 各施工方案優缺點分析

4 結論

以濰煙高鐵穿越鳳凰山垃圾填埋廠老填埋區路段為例,探討了高速鐵路穿越大型垃圾場存在的問題及對策,經綜合對比各方案得出以下結論。

(1)路基方案具有工程風險小,沉降易控制的優點,但占用土地較隧道方案增加50%,施工量為隧道方案的3~5 倍,垃圾處理困難,所需投資較多。

(2)隧道方案具有垃圾土處置量少、路基工程施工量少、對環境社會影響小、投資相對較少的優點,但其施工難度高,存在一定施工安全風險。

(3)拉高縱斷面方案路基工程量較隧道方案稍有增加,對環境和社會影響小,投資相對較少,但需對一定量的垃圾土進行處置,且特大橋施工存在一定的技術風險。

(4)貫通方案需進行大量垃圾土處置,對環境影響較大,但其施工技術難度小,安全系數高,對場地道路影響小,投資最少,建議優先選取。