成贵高铁喀斯特地貌区路基工程设计关键技术

成贵高铁喀斯特地貌区路基工程设计关键技术

肖雄

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都610031）

摘要：成贵高铁云贵段穿越世界上最大的喀斯特地貌区，地形、地质极为复杂。喀斯特地貌衍生出的危岩落石、岩溶等各种不良地质极为发育，与喀斯特地貌伴生的路基刚度不均、硬质岩边坡绿化困难等难题突出，沿线穿越多处采空区，长期变形控制困难，工程难度极大，是近年来最为地形地质条件最为复杂的喀斯特地貌区无砟轨道高速铁路路基工程。

关键词：成贵高铁；喀斯特地貌；危岩落石；岩溶

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一、项目概况

成贵高铁穿越世界上最大的喀斯特地貌区，地形、地质极为复杂。本线喀斯特地貌区路基关键技术及设计创新有：

针对以陡崖高180m的白杨林危岩落石、陡崖高300m的坪上危岩落石为代表的200余处危岩落石工点，采用动态勘察设计思路，基于地形三维扫描技术和非接触手段勘察成果，提出了多种措施相结合的综合整治设计方案，解决了危岩落石地段桥隧选址难题，创造了近年来山区危岩落石整治设计之最。

采用三维BIM正向技术，高效、精准、直观、可靠的完成了路桥隧复杂边坡设计，打破专业界限，实现了路基、桥梁、隧道交界处边坡的设计统一、景观协调。

针对沿线占比高达98%的岩溶路基，提出了岩溶普查和详查的物探新模式，总结了不同发育形态岩溶的整治原则，采用了探灌结合动态注浆、桩板结构等多元化、系统化的路基加固设计方案；创新性地提出了智能高强土工布加固岩溶路基方案。针对基底溶缝、溶沟、溶槽发育的问题，提出了无砟轨道路基纵向刚度匹配设计技术，确保了无砟轨道高速铁路列车平稳性和舒适性。

针对线路穿越的11处采空区，提出了“注浆先行、结构强化、长期监测”的设计方案，解决了以往高铁无法穿越采空区群的难题，避免了线路大幅绕避，创造了高速铁路成功穿越采空区群的典型设计范例。

针对沿线石灰岩等硬质岩边坡，采用了生态喷锚、锚网模筑等防护措施，践行了绿色高铁设计理念。依托物联网、分布式光纤等技术对复杂工点进行了全寿命、全过程、智能化的监测设计，为智慧高铁奠定了基础。

二、工程特点、难点及主要创新点

（一）喀斯特地貌区深切峡谷地段危岩落石综合防治技术创新，解决了危岩落石地段长大桥隧选址难题

沿线危岩落石极为发育，工点多达200余处。山峦起伏，乌江上游的鸭池河、猫跳河、落脚河、六冲河等河谷强烈下切，地形陡峭，山高坡陡。基岩裸露，溶蚀严重，层理、节理相互切割，在自身重力、水和风化等因素作用下，岩体悬空、孤峰耸立，导致崩塌和落石，严重威胁铁路建设和运营安全。全线危岩落石225段，危及线路长度22.83km，危岩落石严重制约桥隧选址和线路走向，多个类似项目因危岩落石难以整治而被迫改线，因此喀斯特地貌区深切峡谷地段危岩落石防治是本线设计的首要难点。其中,白杨林危岩落石高达180m,坪上危岩落石高达300m，危岩体近乎垂直，若线路绕避此两处危石工点需要延长线路长度略15km、增加投资约12亿，且鸭池河特大桥、白杨林隧道及坪上隧道工程地质条件严重恶化，为节约投资、优化桥隧地形地质条件，设计采用了结构支顶+遮盖式爆破清方+危岩体锚固+长期变形监测等危岩落石综合整治措施，解决了危岩落石位于高铁桥梁、隧道上方时，在保证不影响下方建筑物安全的同时还保证了施工效率的难题，创造了近年来山区危岩落石整治设计之最，大幅节省了工程投资，解决了危岩落石地段桥隧选址难题。创新方法成果如下：

1、采用地形三维扫描技术和非接触手段进行勘测，高精度地获得了危岩落石边坡高度、坡度、岩体产状、节理裂隙等参数，为落石灾害风险评估和整治设计提供了充实依据。

2、采用Rockfall、PFC3D等软件，对落石运动轨迹进行了模拟，得出落石的位移、运动速度、冲击动能、弹跳高度等参数，为落石防护整治提供重要的设计参数和依据。

坪上危岩落石工点

3、创新性采用了分阶段设计的动态设计原则，根据各阶段勘测结果采用了钢轨防护栅栏、浅孔微差控制爆破清方、桁架式支顶、新型让压消能锚索、可修复式防护网、全寿命周期监测等多种措施相结合的整治方案，既保证了工程安全可靠，又实现了经济适用。

4、多处危岩落石位于桥梁、隧道上方，直接爆破清方威胁下方建筑物安全，创新性地提出了遮盖式爆破清方，在保证不影响下方建筑物安全的同时还保证了施工效率。

整治后的白杨林和坪上危岩落石工点

（二）创造了高速铁路成功穿越采空区群的典型设计范例

沿线穿越11处大型煤矿及小煤窑采空区，其中大方车站分部有近百处煤矿采空区，采空区高度一般为2～5m，个别达15m，采空区深浅变化较大，埋深13～35m，且位于大方车站无砟轨道正下方，线路无法绕避，设计难度极大。目前国内对于通过采空区的高速铁路,绝大部分采取绕避,本线在选线绕避了较大规模煤矿采空区及大部分小煤窑采空区后，仍有煤矿及采空区无法绕避。采空区是非常复杂的地质体，具有隐蔽性、复杂性、突发性和长期性的特点，整治方案、加固范围和深度、质量评判标准都缺乏系统的理论研究，尚无规范可循。采煤坑道年代久远，巷道狭窄，且部分已坍塌，勘察难度极大。因此采空区防治也是本线设计的一大难点。针对采空区路基，设计提出了“注浆先行、结构强化、长期监测”的采空区路基设计原则，成功穿越11处大型煤矿及小煤窑采空区，避免了线路大幅绕避，创造了高速铁路成功穿越采空区群的典型设计范例。

1、提出了“注浆先行、结构强化、长期监测”的采空区路基设计方案。

2、对采空区桩板结构的沉降特征、荷载传递机制、桩板作用机制进行了深入研究，形成了桩板结构穿越采空区的路基变形控制技术，为同类工程的设计施工提供可靠的理论依据。

桩板结构穿越采空区示意图

（三）喀斯特地貌区基底岩溶处理方案创新及优化

沿线为全国喀斯特地貌最为显著地段，岩溶路基占比高达98%，为近年来岩溶路基比例最高的铁路项目，发现的最大溶洞横向宽度约230m。沿线喀斯特环境下地下水对土层岩体不断侵蚀、潜蚀、溶蚀，造成溶隙裂缝不断扩大，形成了溶洞、溶槽，岩溶发育极为强烈；沿线云南、贵州地区季节性降水多，地下水的反复上升下降，加剧了溶洞的扩大，使得塌陷形成速度更大。施工过程中的强力扰动可能会破坏溶洞的结构，进而导致岩溶塌陷。自然及人为因素的影响造成的溶洞塌陷，不仅会影响高速铁路建设的质量，也会对运营期高速铁路交通安全造成严重的威胁，因此喀斯特地貌区岩溶强烈发育地段的岩溶整治也是本线设计的重大难点。

1、提出了高速铁路路基岩溶普查和详查的物探新模式，明确了“剔除非可溶岩地层、确定岩溶发育规律、定性及准定量判释单个岩溶”的探察细则，归纳出了高速铁路路基岩溶塌陷模式和塌陷预测评价方法。

2、提出了不同发育形态岩溶的整治原则，归纳总结了揭盖回填、复合地基加固、注浆、桩板结构、高强土工材料加固、悬挂式帷幕注浆等不同整治措施的适用条件和设计方法。

3、通过数值模拟和现场试验分析了岩溶路基安全顶板厚度、注浆范围、注浆扩散半径及浆液粘稠度等参数的关系，为高速铁路岩溶路基注浆设计提供依据。

4、创新性地提出了基底铺设高强土工材料防治岩溶塌陷的设计方案。基底铺设的高强土工材料作为水平加筋体，可有效承担地基内溶洞塌陷引起的上部荷载，避免铁路路基结构的突然性破坏。

（四）喀斯特地貌区基床刚度不均防治技术

沿线穿越的喀斯特地貌区基岩出露面呈石芽或石林状，岩块强度高，但岩体破碎。岩块间发育有不同规模和形状的溶缝、溶槽、溶沟、溶洞和落水洞，其间大多充填红黏土，大多具有膨胀性。当路基以低填或浅挖形式通过时，存在路基纵向刚度不匹配的问题。一方面容易造成高速列车晃动，影响舒适性；另一方面会增大轮轨接触力，并向下传导，诱发基底岩溶塌陷。因此喀斯特地貌区路基纵向刚度匹配问题也是本线设计的又一难点。

为解决低填浅挖路基基床刚度不均的问题，本线提出了无砟轨道路基纵向刚度匹配设计技术，有效解决并消除岩溶地区高速列车运行不平稳的问题。

1、对于规模较小的溶缝、溶槽采用挖除换填C20混凝土进行处理；当深度较大难以全部清除时，局部铺设钢筋混凝土板进行跨越。

2、对于规模较大的溶槽、溶沟和落水洞，采用地基处理、桩板结构进行跨越。挖除换填、钢筋混凝土板、地基处理和桩板结构顶标高设定为基床底层底标高。

（五）喀斯特地貌区路桥隧复杂边坡三维BIM正向设计技术

成贵高铁沿线穿越的喀斯特地貌区地形起伏较大，路基、桥梁、隧道边坡极为复杂，三维效应凸显，边坡的形式和范围难以通过有限的横断面确定。一方面传统二维设计手段只能结合横纵断面和平面图根据经验大致确定边坡的开挖范围，有可能导致现场施工与设计产生较大出入，不利于工程质量的把控。另一方面土石方及坡面防护等工程数量的准确计算也非常困难，不利于成本管控。此外，以往路基、桥梁、隧道边坡多为各自专业单独设计，容易造成设计原则不一致，景观不协调。因此喀斯特地貌区路桥隧复杂边坡协调设计也是本线设计的一大难点。

为解决传统二维手段难以准确设计的问题，采用了三维BIM技术，实现了高效、精准、直观、可靠的路桥隧复杂边坡设计。

1、基于Bentely OpenRailDesigner、AutoCAD Civil 3D、Microsoft Visual Studio等软件，对成贵高铁多个路桥隧复杂边坡工点进行了三维BIM正向设计。

2、实现了三维地形建模、支挡结构布置、边仰坡三维放坡、边坡防护加固、数量精准计算、三维实景渲染等功能，有效提高了设计精度，同时为建设单位和施工单位提供直观可靠的边坡模型，更好的指导施工、为工程建设服务。

3、借助三维BIM正向设计工具，打破专业界限，对路基、桥梁、隧道交界处边坡统一设计，实现了设计原则相互统一，防护功能有机结合，景观效果协调一致。

（六）践行了绿色高铁设计理念

沿线路基边坡多为石灰岩、白云岩等硬质岩边坡，传统客土法的基材、土壤固定、保持难，绿化施工难度大，植物生命力不强、生长困难，植被的水分和肥分缺乏保障等问题，边坡绿化难以维持，绿化极其困难。因此喀斯特地貌区硬质岩边坡绿化也是本线践行绿色高铁设计理念所要解决的难点之一。

1、针对沿线石灰岩等硬质岩边坡，采用了生态喷锚、锚网模筑等防护措施，优化传统防护结构型式，缩减圬工体量，践行了绿色高铁设计理念。

2、授权“一种铁路路肩桩板墙加固构造”、“一种路堤地段弃渣消纳构造”等多项专利，申报省级工法“空窗式锚网模筑混凝土护坡施工工法”。

（七）形成了智慧路基雏形，奠定了智慧高铁基础

沿线复杂工点众多，为降低运营期风险，减少工务养护工作量，针对沿线危岩落石、岩溶、采空区、高陡边坡、软弱地基等复杂工点进行了全寿命、全过程、智能化的监测设计，实现了部分路基工点的智能建造、智能运维，形成了智慧路基雏形，奠定了智慧高铁基础。

1、依托物联网技术，对危岩落石及陡崖边坡的地表位移、裂缝宽度、锚索拉力等进行监测，并进行了无线组网，实现了自动采集、远程传输，减少了人工巡查难度与工作量。

2、采用物位计和分布式光纤技术对全线路基沉降与上拱变形进行了长时、连续、自动监测，为施工期铺设铺设无砟轨道提供了依据，为运营期工务检修提供了数据支撑。

3、结合采空区地形地质条件、釆空区分布特征、地基加固方法及工程结构特点，提出了采空区监测方案，对采空区沉降、桩身内力及位移等进行了监测，确保了运营期安全。

4、创新性地提出了基于分布式光纤的智能高强土工布，在实现岩溶路基加固、控制变形的同时，还实现了对岩溶塌陷的监测，提升了巡检人员对路基沉降灾害的响应速度，对高铁路基安全监测与变形控制具有重要的工程价值。