我國(guó)高速鐵路橋梁和區(qū)間路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比選探討

劉玉杰， 謝亞偉

(1.京廣鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450053;2.河南鐵路投資公司，河南 鄭州 450008)

一、引言

近年來隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，鐵道部相繼出臺(tái)了針對(duì)高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目投資控制的一系列辦法，如《新建時(shí)速300—350公里高速鐵路鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]47號(hào))[1]等。2010年，鐵道部又發(fā)行了新版高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)。

我國(guó)高速鐵路線路結(jié)構(gòu)形式有路基、橋梁、隧道等，而路基又分為站場(chǎng)路基和區(qū)間路基，線路結(jié)構(gòu)的選取便是設(shè)計(jì)方案比選問題。高鐵線路隧道結(jié)構(gòu)受地形地質(zhì)限制，一般別無選擇，站場(chǎng)段由于性能和技術(shù)要求而均為路基，本文主要探討橋梁和區(qū)間路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比選。

按照不同的用途，高速鐵路橋梁可分為以下三類[2]:高架橋，用以穿越既有交通路網(wǎng)、人口稠密地區(qū)及地質(zhì)不良地段，高架橋通常墩身不高，跨度較小，但橋梁很長(zhǎng)，往往延伸達(dá)十余或幾十公里;谷架橋，用以跨越山谷，跨度較大，墩身較高;跨越河流的一般橋梁。

高速鐵路線路橋梁所占比例非常高，路基所占比例很小，區(qū)間路基所占比例更小，也很分散。例如:中國(guó)臺(tái)北至高雄的高速鐵路全長(zhǎng)345公里，其中高架橋長(zhǎng)252公里，占73%;已經(jīng)通車的京津城際高速鐵路全長(zhǎng)120公里，其中橋梁總長(zhǎng)104.4公里，占87%;京滬高速鐵路線路全長(zhǎng)1318公里，其中橋梁長(zhǎng)度約為1140公里，占86.5%。京廣鐵路河南段全長(zhǎng)為545公里(含鄭西貫通線)，其中橋梁長(zhǎng)度為420.501 公里，占83.0%。

投資控制追求的目標(biāo)是使得建設(shè)過程中項(xiàng)目的質(zhì)量、工期、投資總額以及收益之間實(shí)現(xiàn)均衡，可以認(rèn)為是一個(gè)尋找最優(yōu)點(diǎn)使項(xiàng)目投資最優(yōu)化的過程。鐵路投資控制的關(guān)鍵點(diǎn)并起決定性作用的階段是設(shè)計(jì)階段。設(shè)計(jì)方案比選有多種技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法，例如凈現(xiàn)值法、投資回收期法、計(jì)算費(fèi)用法、多因素評(píng)分優(yōu)選、價(jià)值工程法[3]。本文根據(jù)高鐵實(shí)例，采用對(duì)比分析法，定量與定性相結(jié)合，從造價(jià)、質(zhì)量、工期、環(huán)保等方面對(duì)新建時(shí)速300—350公里高速鐵路線路進(jìn)行橋梁和區(qū)間路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選。

二、從造價(jià)上測(cè)算比選

本文以某即將竣工通車的客運(yùn)專線為實(shí)例，以單公里造價(jià)指標(biāo)來分析比較橋梁和區(qū)間路基結(jié)構(gòu)形式。

該段客運(yùn)專線151.236公里，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)速350公里，無砟軌道，劃分為兩個(gè)標(biāo)段。標(biāo)段1總長(zhǎng)度78.653公里，其中橋梁72.935公里，區(qū)間路基兩段，共2.935公里。標(biāo)段2總長(zhǎng)度72.584公里，其中橋梁58.178公里，區(qū)間路基3段，共11.5044公里?，F(xiàn)分別測(cè)算兩個(gè)標(biāo)段橋梁和區(qū)間路基結(jié)構(gòu)的平均綜合造價(jià)指標(biāo)。根據(jù)鐵路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)概預(yù)算編制辦法，我國(guó)高速鐵路概預(yù)算按照不同的費(fèi)用類別分為拆遷與征地費(fèi)用、路基、橋涵、隧道等章節(jié)[4]。

為了測(cè)算兩種結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)，需要將現(xiàn)有概算章節(jié)進(jìn)行調(diào)整，為此有以下幾點(diǎn)說明:一是假設(shè)通信及信號(hào)、電力及電力牽引供電、大臨和過渡工程、站房造價(jià)等站后工程造價(jià)與線路結(jié)構(gòu)形式無關(guān)，只比較站前工程造價(jià);二是涵洞存在于路基段，或者說路基結(jié)構(gòu)形式才有涵洞，所以將涵洞造價(jià)從橋涵章節(jié)中分出來平均加到路基段;三是區(qū)間路基與橋梁的紅線寬度不一樣大，所以綜合造價(jià)對(duì)比要加上拆遷與征地費(fèi)用;四是要考慮改路改渠費(fèi)用。橋梁段紅線征地18米寬含維修通道用地約3.7米，且橋下出行暢通，一般只存在橫向交叉改路改渠。路基段防護(hù)柵欄封閉，不僅當(dāng)?shù)厝罕娨罂v向和橫向改路改渠，鐵路沿線的四電基站、鐵路警務(wù)區(qū)和約2公里一個(gè)警亭也需要縱向保持道路暢通。在此假設(shè)兩種結(jié)構(gòu)形式的橫向改路改渠數(shù)量一樣多，但路基段要比橋梁段多兩側(cè)的縱向改路改渠。一般兩側(cè)改路改渠為機(jī)耕道，單側(cè)寬度3.5—4米，土地只補(bǔ)不征，工程費(fèi)用一般是簡(jiǎn)單的路基清理和泥結(jié)碎石面層，有的需要水泥混凝土或者瀝青混凝土硬化，按照20萬元/畝標(biāo)準(zhǔn)估算，計(jì)2098951元/公里。該項(xiàng)費(fèi)用要加到區(qū)間路基綜合平均造價(jià)上。

橋梁與區(qū)間路基結(jié)構(gòu)的平均綜合造價(jià)測(cè)算結(jié)果見表1。

表1 某高鐵項(xiàng)目橋梁與區(qū)間路基平均綜合造價(jià)

從表1可以看出，兩個(gè)標(biāo)段區(qū)間路基平均綜合造價(jià)分別為84590692元/公里和69460079元/公里，均高于橋梁平均綜合造價(jià)(69870448元/公里和66490328元/公里)，超出比例分別是21.5%和4.5%。

另外，上述征拆成本是按照批復(fù)概算測(cè)算，隨著征拆成本逐年上漲，實(shí)際征拆費(fèi)用要高于批復(fù)概算，將來的高鐵建設(shè)項(xiàng)目區(qū)間路基綜合造價(jià)會(huì)進(jìn)一步超出橋梁綜合造價(jià)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省市更是如此。再者，我國(guó)對(duì)鐵路工程給予了很多征地稅費(fèi)優(yōu)惠，例如土地?zé)o償劃撥方式、耕地占用稅優(yōu)惠、城鎮(zhèn)土地使用稅減免等規(guī)定，如果加上這些機(jī)會(huì)成本，區(qū)間路基綜合造價(jià)更高于橋梁綜合造價(jià)。

三、從工程質(zhì)量分析比選

高速鐵路橋梁主要承重結(jié)構(gòu)按照100年使用設(shè)計(jì)，下部結(jié)構(gòu)一般采用混凝土或者鋼筋混凝土墩臺(tái)，上部結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，通常是制梁場(chǎng)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)32米或24米預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁，也可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu)[1]。橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)要求嚴(yán)格但很明確，可控性強(qiáng)，工程質(zhì)量可靠，在國(guó)外高速鐵路線路也是大量采用高架橋梁結(jié)構(gòu)[5]。

高速鐵路運(yùn)行速度快、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，對(duì)路基的要求嚴(yán)格，控制路基變形已成為高速鐵路的最大特點(diǎn)，因此，建設(shè)高速鐵路路基與普通鐵路路基有本質(zhì)的區(qū)別[5]。根據(jù)研究成果，軟土路基時(shí)，軌道的臨界速度約時(shí)速330公里，當(dāng)列車速度小于軌道臨界速度時(shí)，軌道路基變形過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，超過臨界速度時(shí)，軌道路基變形過程趨于或處于失穩(wěn)狀態(tài)[6]。雖然采取多種技術(shù)措施，但路基段質(zhì)量通病仍較多，原材料類別及配比、含水量、含泥量、壓實(shí)度、粒料直徑、分層施工等環(huán)節(jié)均容易出問題，監(jiān)管也很困難，即使經(jīng)過半年的頂載預(yù)壓，工后沉降仍是路基段的主要問題[2]。且路基段頻繁設(shè)置的涵洞形成了很多的橋涵路基過渡段和結(jié)合部，由于路堤與橋梁的工程性質(zhì)迥異，在路橋交界處極易產(chǎn)生嚴(yán)重的軌道不平順問題[7]，構(gòu)成了更多質(zhì)量隱患。高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有明確路基按照100年使用設(shè)計(jì)，可認(rèn)為路基段使用壽命沒有橋梁的使用壽命長(zhǎng)。所以從工程質(zhì)量角度分析，高鐵橋梁結(jié)構(gòu)要優(yōu)于路基結(jié)構(gòu)。

四、從工期上分析比較

以往高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目實(shí)例表明，區(qū)間路基施工往往制約橋梁施工。橋梁下部結(jié)構(gòu)是逐墩臺(tái)獨(dú)立施工，如果要趕工可以增加鉆井設(shè)備。預(yù)應(yīng)力箱梁工廠化制作，只要增加模板臺(tái)套，完全能夠滿足架梁要求。但如果一個(gè)制梁場(chǎng)供應(yīng)多個(gè)橋梁段，間隔有路基段，由于運(yùn)梁車只能行進(jìn)在已架梁或已完工路基上，下一橋梁段架梁必須等區(qū)間路基完工之后才能進(jìn)行，區(qū)間路基段也增大了運(yùn)梁距離。但路基施工只能從底部做起，層層施工，施工分段也不能太短，而且很多地材需要到外地遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，另外路基施工受天氣影響大，所以區(qū)間路基工期不容易控制，且至少半年的頂載預(yù)壓期更是制約因素。有時(shí)施工單位為了趕工期，不得不犧牲壓縮頂載預(yù)壓期，從而埋下質(zhì)量隱患。

五、從環(huán)保節(jié)能等方面分析

首先，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)要比路基結(jié)構(gòu)節(jié)約土地。前文提到，橋梁段征地控制指標(biāo)1.8—1.98公頃/公里，路基段征地控制指標(biāo)6.25—8.43公頃/公里，前者只是后者的1/4。據(jù)測(cè)算，僅“以橋代路”一項(xiàng)，京津城際鐵路就節(jié)約土地4590余畝[8]。路基段除征地紅線外，還造成了大量的邊角地和夾心地。現(xiàn)在高鐵設(shè)計(jì)要求四電廂房盡量設(shè)置在橋梁下，這樣橋梁結(jié)構(gòu)能夠更節(jié)省土地。隨著我國(guó)土地資源越來越少，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)較路基結(jié)構(gòu)節(jié)省土地的效應(yīng)日益明顯，這也符合鐵道部建設(shè)高鐵節(jié)約土地的原則[9]。

其次，橋梁段能夠保持線路兩側(cè)交通暢通，橋梁下能為路地雙方合理使用，有助于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通條件改善，也有利于防澇泄洪。路基則像一條大堤將平地分割開來，兩側(cè)還要裝設(shè)防護(hù)柵欄，不僅成為地理隔離帶，也成為了經(jīng)濟(jì)隔離帶，甚至造成生態(tài)破壞。在區(qū)間路基施工過程中，地方群眾強(qiáng)烈要求增加立交和橋涵，工程為此經(jīng)常被阻工[10]，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更。

再次，高速列車在橋梁段的噪聲要低于區(qū)間路基段。研究結(jié)果表明，在路基、橋梁、路橋過渡段三種線路形式中，列車通過橋梁段所產(chǎn)生的噪聲最小，路基段次之，路橋過渡段產(chǎn)生的噪聲最大[11－12]。

最后，橋梁結(jié)構(gòu)比路基結(jié)構(gòu)節(jié)省更多的地材，能夠減少對(duì)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源的破壞。

六、結(jié)語

總之，從造價(jià)、質(zhì)量、工期、環(huán)保節(jié)能等方面分析，我國(guó)高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案都優(yōu)于區(qū)間路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在將來的高速鐵路線路設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量少用或者不用區(qū)間路基結(jié)構(gòu)。

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