高速铁路路基工程设计经验及意见 大风及风沙路基防护专题.docx

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高速铁路路基工程设计经验及意见大风及风沙路基防护专题

高速铁路路基工程设计经验及意见

大风及风沙路基防护专题

一、高速铁路防风工程设计

1、概述

兰新铁路第二双线，通过甘肃境内的安西风区，以及新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区的五大风区。

大风区自然条件恶劣，人烟稀少，多为戈壁，风灾严重。

其中以新疆境内的百里风区、三十里风区的风力最为强劲，经常威胁兰新铁路、南疆铁路的行车安全，造成翻车等重大安全事故。

根据既有兰新铁路及南疆铁路资料，自开通运营以来，铁路运输因风害造成列车脱轨、倾覆事故为32起，损毁货车111节，客车11节。

因大风造成的列车停轮更是数不胜数，严重影响了铁路运输安全，造成了不良的社会影响。

2、防风工程设计的主要技术问题及其要求

2.1横风作用下的列车倾覆问题

在横风作用下，随着环境风速的加大，列车所受的倾覆力矩增加，当风力、离心力、振动惯性力等作用引起的倾覆力矩达到或超过稳定力矩时，列车可能就会处于危险状态，甚至发生翻车事故。

对于兰新铁路第二双线，列车速度的提高，会导致倾覆力矩的增加，在同等环境风速条件下，高速列车的稳定性低于普速列车。

2.2大风影响下的列车限速及停运问题

根据铁路运营有关规程及动车组风区行车限速值、风区大风观测资料，通过概率分析，兰新铁路第二双线在无防风措施的情况下，列车出现停运的天数为：

百里风区、三十里风区达77天，其它风区25天，分别占全年天数的21%、7%；需限速的天数：

百里风区、三十里风区达127天，其它风区70天，分别占全年天数的35%、19%。

因此，要保证列车安全、快速、正常运营，最大限度地减少限速，则必须采取防风措施。

2.3接触网受流不稳问题

大风对接触网的稳定性、安全性影响较大。

主要是受电弓的接触稳定性、输电设备及线路的安全性和可靠性。

在设置挡风墙地段，大风流受阻后，在墙体上部形成大风增速区，在挡风墙后形成涡流区，加大了电力机车接触网的受力和振动，对接触网本身的安全性和抗疲劳性产生影响。

兰新铁路第二双线大风区，接触网的安全及受流稳定性问题，是铁路正常运营的重要制约因素。

2.4轨道积沙及沙石击打玻璃问题

兰新铁路第二双线，列车运营速度较高。

在线路迎风侧，当风速达到一定值时，地表失稳，大量小沙粒及碎石开始飞跃，造成较强的风沙流，将会引起线路能见度下降、打碎客车玻璃等，影响列车运营安全。

防风工程设计中应当予以考虑。

3、防风工程设计总结

3.1设计范围

兰新铁路第二双线，全线共有五大风区。

其中甘青段有安西风区；新疆段分布有烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区。

（1）甘青段安西风区，根据该线大风分级划分原则，为II级风区。

根据防风工程设计方案审查及补充初步设计的批复意见，仅在下列地段迎风侧设置了3.5m高悬臂式挡风墙：

玉门进站前及玉门昌马风电场范围DK853+571.25～DK874+650.00段左侧路肩；龙源北大桥第三风电场及国投华靖第二风电场范围DK959+400.00～DK965+000.00段右侧路肩。

（2）烟墩风区：

DK1123+063～DK1256+000，长129.325km；

（3）百里风区：

DK1370+000～DK1540+000，长170.114km；

（4）三十里风区：

DK1656+000～DK1746+227，长86.398km；

（5）达板城风区：

DK1746+227～DK1822+760，长76.572km；

3.2防风工程设计原则及工程措施

（1）兰新铁路第二双线大风区，以极端天气下可以停轮，一般情况下少限速、少停轮为运营目标，进行防风工程设计。

（2）防风结构以防止列车倾覆为主要目标，适当考虑路基积沙问题；主要通过设置阻沙栅栏以阻挡流沙。

（3）设置路基防风工程时，应综合考虑的特征因素有：

风区划分、风速分布及其频率特征，路堤高度和路堑深度，以及微地形地貌；工程设置还要考虑全线防护效果的均衡统一、连续性及匹配性，景观以及适度防沙的要求。

（4）路基挡风墙采用的钢筋混凝土结构形式主要有：

悬臂式挡风墙、扶臂式挡风墙、柱板式挡风墙等。

（5）防风工程措施：

路堤本体迎风侧帮宽3.8m，挡风墙设置于迎风侧距右线5.7m处，结构形式主要有：

悬臂式挡风墙，墙高3.5m；扶臂式挡风墙，墙高4.0m；柱板式挡风墙，墙高4.0m。

路堑挡风墙原则上设置于路堑堑顶之外5.0m处，主要采用悬臂式挡风墙及扶臂式挡风墙结构形式；V区的核心区、沟口地貌、路堤路堑过渡段、所处地形地貌复杂等地段采用柱板式挡风墙。

对于低路堤浅路堑频繁过渡段，路基迎风侧均加宽3.8m，挡风墙均设置于迎风侧距右线5.7m处，结构形式同路堤挡风墙。

挡风墙的顶部挡风板，采用挑檐式结构，挡风板采用平口对接方式。

按照《高速铁路设计规范（试行）》（TB10020-2009）的要求，路堤挡风墙接入综合接地系统。

（6）防沙工程措施

甘青段安西风区，玉门进站前及玉门昌马风电场范围DK853+571.25～DK874+650.00段落，第二双线线路两侧原既有线已设置有防风沙工程林带。

甘青段安西风区，在设置挡风墙以外的其余段落，除城市及农田区以外，仅在路基迎风侧坡脚外侧100米处，设置了透风式阻沙栅栏进行风沙防护。

烟墩风区的沙害分布段落，于迎风侧路基坡脚之外100m处设置一道阻沙栅栏；于背风侧路基坡脚之外50m处设置一道阻沙栅栏（II型）。

百里风区的沙害分布段落，于线路迎风侧路基坡脚之外100m处设置一道阻沙栅栏（I型）。

阻沙栅栏均采用钢筋混凝土透风式结构。

（7）路基面排水设施：

路堤（低路堑）挡风墙内侧路肩，紧邻电缆槽外侧设置0.3×0.4m的矩形排水沟。

排水沟遇涵洞、桥头、路基V字型变坡点等处，设置横向排水沟引出。

按照《铁路路基电缆槽（通路（2010）8401）》的要求，电缆槽与排水沟之间，每隔3m设置一处Φ5cm的泄水孔。

电缆槽及排水沟底部，设置透水砾石或碎石排水垫层。

排水沟底部每隔15m设横向排水管，并与路堤坡面排水槽连接；排水管采用φ100mmPVC管。

3.3对甘青段防风工程设计的一点意见

兰新第二双线甘青段，仅有各个城市气象资料，而沿线各城市相距较远，城市之间缺乏大风观测资料。

安西风区防风工程设计阶段，通过现场调查研究，以及防风工程设计方案审查及补充初步设计的批复意见，仅对大风影响较重的部分段落设置了挡风墙。

安西风区的其它段落，大风对线路运营安全的影响，亟需根据运营情况及沿线大风观测资料进行进一步的研究。

另外，建议根据运营情况及沿线大风观测资料，对安西风区以西至甘新省界范围内，挖方路基路堑顶部，大风吹动砂砾石的可能性及对运营安全的影响进行研究，以确定合理的防护设施。

4、创新性技术成果

系统研究了大风条件下高速铁路路基防风体系的空气动力学特性，确定了路基挡风结构的位置、型式、高度等参数，提出了适合不同风速、频率及列车运行速度的高速铁路路基防风结构，形成了系统的大风区高速铁路路基防风技术成果、以及高速铁路路基防风工程设计原则。

4.1路基防风体系下列车空气动力学特性

（1）无防风设施条件下，动车组所受的倾覆力矩随路基高度变化规律一致，头车倾覆力矩最大，中间车其次，尾车最小；列车所受到的倾覆力矩随着列车运行速度和环境风速的增大逐渐增大；接触网高度的横向风速均随着风速的增大而增大。

（2）当挡风墙位置为5.7m时，无论是在一线或是二线运行，动车组所受的气动力均最小，气动性能相对最好。

（3）大风条件下的列车倾覆安全问题，主要是横向力、升力和两者引起的倾覆力矩过大，超过临界倾覆力矩引起的。

临界倾覆力矩和车辆自重、重心、运行线路、车辆外形、横向加速度等诸多因素有关。

列车安全运行的评价依据，在于考察设置挡风结构后大风环境下车辆运行中的气动倾覆力矩，以不同风速、车速组合下的临界气动倾覆力矩作为评判标准，研究合理的防风结构设置参数。

（4）对试验（动模型试验和风洞试验）测得的动车组气动力和位置风速，防风结构（挡风墙与防风走廊）、动车组车体表面测点压力变化等数据与数值计算的结果进行比较分析，其数值变化规律一致，数值计算与试验结论一致。

4.2利用风洞实验，对路基防风设施下动车组的气动特性进行了系统研究，全面掌握了挡风墙后和防风走廊内动车组的气动特性。

（1）路肩以上3.5m～4.0m高的挡风墙，对路堤上动车组有很好的防护作用，路堤高度不高时，动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值都有较大幅度的降低，但是对接触网处的风速有加速效应。

（2）防风走廊对动车组和接触网有非常好的防护作用。

（3）半封闭式防风走廊开口处的风速非常小，不会存在沙粒卷入防风走廊的情况。

4.3利用列车空气动力特性动模型试验系统，对防风结构与动车组模型表面空气压力和出口微压波变化等进行测试与分析。

提出了路基挡风结构（挡风墙及防风走廊）受力列车与防风走廊表面压力波传播、出口微压波变化等重要参数。

（1）动车组交会下通过挡风墙与防风走廊模型，按照对动车组模型车体表面所布测点中表面压力波峰峰值的极值影响排序，全封闭走廊影响最大；2种半封闭防风方案影响相当，相比全封闭方案其减压效果较大；挡风墙方案影响最小。

（2）研究动车组模型以350km/h通过全封闭防风走廊模型时，离洞口20m处的微气压波幅值为小于20Pa，其微气压波满足环境评估标准要求。

（3）动车组单车通过时，其半封闭防风走廊模型内外侧测点压力值的绝对值，在模型入口处稍大一些，中间各截面测点随测点水平位置变动不大。

动车组通过半封闭防风走廊交会时，其防风走廊内外侧测点压力波最大值、最小值和峰峰值的绝对值在防风走廊中间交会处最大。

（4）动车组通过全封闭防风走廊时，其防风走廊模型测点会感受与过隧道类似的空气压力波，不同测点波形变化较大，规律较复杂，与隧道空气动力效应相同。

4.4在试验研究路基挡风结构的合理形式、位置、高度、接触网风偏量、列车安全评估结论等参数推荐值的基础上，形成了系统完整的高速铁路路基防风工程设计原则。

（1）综合得出不同高度路堤、路堑条件下的挡风墙的合理高度，总体而言，路堤挡风墙高度在路肩以上3.5～4.0m，路堑挡风墙高度在路堑顶以上2.0～3.0m较为适宜。

（2）动车组以推荐运行规则安全运行，挡风墙所能防护的环境风速一般不超过40m/s。

（3）大风核心区、车站条件或地形变化等恶劣条件下，宜设置封闭或半封闭防风结构。

（4）封闭式防风走廊和半封闭式防风走廊都有很好的防风效果，动车组的倾覆力矩都非常小，接触网处的风速度也很小。

（5）半封闭式防风走廊由于背风面开口，因此，车体表面压力变化、走廊内部壁面压力及车厢内部压力变化方面，半封闭式防风走廊都要好于全封闭式防风走廊型式。

4.5研究的防风走廊新型复合材料，满足兰新第二双线路基防风结构对材料力学性能、耐疲劳性能、耐环境性能及抗风沙性能的综合要求。

其材料力学指标远高于防风结构可能承受的极限强度，具有较高的安全系数，且抗风沙性能优于常用的建筑材料。

二、高速铁路风沙防护工程设计

1、概述

兰新第二双线大风引起的沙害，尤其是16、17级强风天气下的风沙流活动，使得原来比较稳定的戈壁地表失稳。

丰富的地表沙物质为风沙流的形成提供了充分的条件，起沙风速高，风沙流扬沙高，风沙流密度大。

多数风沙流呈不饱和状态，风蚀能力非常强。

但环境风速随着微地形地貌环境的变化，随时发生着变化，风沙流的饱和状态也在发生变化，风沙流的蚀积特点也随着风速的变化而发生转变。

当环境风速大于起沙风速且大于某一临界风速时，风沙流由不饱和状态转变为饱和状态，沙粒撞击荷载大幅度增加，同时风积能力增强，对铁路运营安全构成重大威胁。

兰新第二双线新疆段，沿线经过烟墩风区、百里风区、三十里风区、达板城风区，四大风区风力强劲。

地表细颗粒土被风蚀搬运，使表层残留2～5cm厚中粗砾砂或卵砾石薄层，部分地段形风蚀槽。

既有线路肩迎风侧可见有吹蚀槽痕。

全线主要风蚀段落集中在：

烟墩风区DK1126+000～DK1256+000，长约130km；百里风区DK1385+000～DK1540+000，长约155km；三十里风区DK1680+000～DK1760+000，长约80km；达板城风区DK1760+000～DK1820+000，长约60km。

风害严重地段主要在百里风区和三十里风区；风速高，最大风速达60m/s；风期长，局部地段大于8级风天数，已超过200天；全年最大风速主要发生在冬春交替的4～5月；风向稳定，主导风向大约在N～N20°W范围内。

在兰新第二双线设计施工过程中，针对路基边坡受大风风蚀、降雨冲刷等引起的破坏，对路基边坡防护措施进行了专门的验证性研究。

2、风沙防护工程设计

2.1路基边坡防护措施及效果

（1）预制混凝土空心砖防护

空心砖材料一般为C25混凝土，尺寸20×8×3cm；空心砖内填较大粒径的戈壁砾石，以防风蚀；有粘性土来源的地段，还可在空心砖内砾石上用粘性土抹平，以减少降雨对边坡的冲蚀。

沿线路方向每隔15m左右，设置一道竖向预制混凝土排水槽，材料一般为C25混凝土；另在路基集水井排水管出口处，须增设一道排水槽；排水槽单节预制长度为0.4m，埋入边坡0.1m。

空心砖护坡顶部，设置挡水板，材料一般为C25混凝土，尺寸为0.3×0.3×0.1m，挡水板应与排水槽连接。

因路肩处风蚀强烈，故在路肩处设置M10浆砌片石镶边加固路肩。

空心砖护坡底部，设置M10浆砌片石护脚，尺寸为1.0×0.4m。

路堤坡脚设置脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，脚墙顶部与护脚底部连接，尺寸为0.8×1.0m、坡率为1:

0.25。

混凝土空心砖护坡如图2.1

（1）。

图2.1

（1）预制混凝土空心砖防护

预制混凝土空心砖防护，施工方便、灵活，外形美观。

可有效防护3m以下路堤边坡，防止戈壁地区风沙流对路基边坡的风蚀和降雨的冲蚀。

（2）拱形骨架护坡内铺混凝土空心砖防护

拱形骨架护坡骨架材料为M10浆砌片石，拱距3.0m，拱圈和拱柱宽度0.6m，厚0.6m；沿线路方向每隔15m左右设伸缩缝一道，缝宽0.02m，全断面填充沥青麻筋；每隔100m设踏步一道，踏步宽0.6m。

骨架内铺设混凝土空心砖，空心砖材料一般为C25混凝土，尺寸为17.5×8×3cm；空心砖内填较大粒径的戈壁砾石；有粘性土来源的地段，可在空心砖内砾石上用粘性土抹平。

路肩风蚀强烈处设置M10浆砌片石镶边。

集水井横向排水管出口处，设置预制混凝土块排水槽，集中排除路基面汇水，防止冲刷路基坡面；排水槽材料一般采用C25混凝土。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.6m，与骨架相连。

骨架及护脚下部设脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，尺寸1×0.96m，坡率为1:

0.25。

拱形骨架护坡内铺混凝土空心砖防护如图2.1

（2）。

图2.1

（2）拱形骨架护坡内铺混凝土空心砖防护

拱形骨架护坡内铺混凝土空心砖防护，可防止戈壁风沙流对路基边坡的风蚀及降雨对边坡的冲蚀，且施工方便，外形美观。

（3）拱形骨架护坡内栽砌卵石防护

拱形骨架护坡，骨架材料为M10浆砌片石，拱距3.0m，拱圈和拱柱宽度0.6m，厚0.6m；沿线路方向每隔15m左右设伸缩缝一道，缝宽0.02m，全断面填充沥青麻筋；每隔100m设踏步一道，踏步宽0.6m。

骨架内栽砌卵石，卵石粒径不小于10cm。

路肩风蚀强烈处设置M10浆砌片石镶边。

集水井横向排水管出口处，设置混凝土预制块排水槽，集中排除路基面汇水，防止冲刷路基坡面；排水槽材料一般采用C25混凝土。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.6m，与骨架相连。

骨架及护脚下部设脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，尺寸1×0.96m，坡率为1:

0.25。

拱形骨架护坡内栽砌卵石防护如图2.1（3）。

图2.1（3）拱形骨架护坡内栽砌卵石防护

拱形骨架护坡内栽砌卵石防护，戈壁风沙流对路基边坡的风蚀及降雨对边坡的冲蚀的防护果显著，且施工方便，外形美观。

（4）混凝土预制块拼装骨架护坡

混凝土预制块拼装护坡，方格骨架用C25预制混凝土块拼装而成；每个方格骨架间距1.5m；接头处采用锚杆进行加固，锚杆长1.0m，材料为20mm的螺纹钢筋，外露1cm，与尺寸为15×15×1cm垫板焊接。

路肩及骨架两侧镶边，用尺寸为42×30×15cm的C25混凝土板块铺设。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.6m，与骨架相连接。

护脚下部设脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，尺寸为1×0.96m，坡率为1:

0.25。

混凝土预制块拼装骨架护坡如图2.1（4）。

图2.1（4）混凝土预制块拼装骨架护坡

混凝土预制块拼装骨架护坡，由于边坡坡面裸露面积较大，戈壁风沙流对路基边坡的风蚀，以及降雨对边坡的冲蚀防护果相对较差。

（5）混凝土预制块拼装骨架护坡内栽砌卵石防护

混凝土预制块拼装护坡，方格骨架一般用C25预制混凝土块拼装而成；每个方格骨架间距1.5m；接头处采用锚杆进行加固，锚杆长1.0m，材料为20mm的螺纹钢筋，外露1cm，与尺寸为15×15×1cm垫板焊接。

骨架内栽砌卵石，卵石粒径不小于10cm。

路肩及骨架两侧镶边，用尺寸为42×30×15cm的C25混凝土板块铺设。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.6m，与骨架相连接。

护脚下部设脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，尺寸为1×0.96m，坡率为1:

0.25。

混凝土预制块拼装骨架护坡内栽砌卵石防护如图2.1（5）。

图2.1（5）混凝土预制块拼装骨架护坡内栽砌卵石防护

混凝土预制块拼装骨架护坡内栽砌卵石防护，可防止戈壁风沙流对路基边坡的风蚀及降雨对边坡的冲蚀，且施工方便。

6、混凝土预制块对接拼装骨架护坡内栽砌卵石防护

混凝土预制块对接拼装骨架护坡，方格骨架一般为C25预制混凝土块拼装而成，每个杆件尺寸77×15×15cm，接头对接在30×30×45cm的楔块槽中，楔块嵌入坡体45cm；方格骨架间距2.0m；骨架内栽砌卵石，卵石粒径不小于10cm。

路肩及骨架两侧镶边，用尺寸为42×30×15cm的C25混凝土板块铺设。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.6m，与骨架相连接。

护脚下部设脚墙基础，一般采用c15片石混凝土，尺寸为1×0.96m，坡率为1:

0.25。

混凝土预制块对接拼装骨架护坡内栽砌卵石防护如图2.1（6）。

图2.1（6）混凝土预制块对接拼装骨架护坡内栽砌卵石防护

混凝土预制块对接拼装骨架护坡内栽砌卵石防护，能防止戈壁风沙流对路基边坡的风蚀及降雨对边坡的冲蚀，且施工方便。

7、方格骨架护坡内栽砌卵石防护

方格骨架护坡，骨架材料一般为C25混凝土，方格尺寸为2.0×2.0m，肋柱宽度0.6m，厚0.5m；截水槽一般采用C25的混凝土预制，预制块尺寸为30×10×20cm。

沿线路方向每隔15～20m左右设竖向伸缩缝一道，缝宽0.02m，全断面填充沥青麻筋；每隔100～200m设踏步一道，踏步宽0.6m。

骨架内栽砌卵石，卵石粒径不小于10cm。

路肩风蚀强烈处设置镶边。

边坡坡脚设M10浆砌片石护脚，尺寸1.0×0.5m，与骨架相连。

骨架及护脚下部设脚墙基础，一般采用C15片石混凝土，尺寸1×0.96m，坡率为1:

0.25。

方格骨架护坡内栽砌卵石防护如图2.1（7）。

图2.1（7）方格骨架护坡内栽砌卵石防护

方格骨架护坡内栽砌卵石防护，能有效防止戈壁风沙流对路基边坡的风蚀及降雨对边坡的冲蚀，且施工方便。

2.2路基两侧风沙防护设计

兰新铁路第二双线大风区防沙工程措施，在前面高速铁路防风工程设计中已有叙述，这里不再赘述。

风沙路基两侧风沙防护体系：

路堤坡脚、或路堑顶向外依次设置防火带及防护带；有植物防护条件的地段，优先采用植物防护，防护带内种植灌木，不具备植物防护条件的地段，采用石方格等工程防沙措施。

2.3滴灌技术应用及效果

张掖至酒泉之间部分风沙路基工点附近有地下水，具备植物防护条件，采取了节水滴灌系统，建成后植物成活率较高，已初步形成防沙能力。

玉门试验段建成时间较长，灌木长势良好，株高在1～2m之间，取得了良好的绿化和防风沙效果。

3、风沙防护工程设计经验

兰新第二双线甘青段在风沙防护工程设计中，对沙害严重的路堑和低填段，采用了防沙明洞。

具备植物防护条件的段落，优先采用植物防护；在沿线年降水量小于100mm的地区，当附近有地下水可利用时，可采用微灌技术，试验证明是可行的；但微灌技术的工程造价及运营养护成本较高，因此，未大面积推广采用微灌技术；而本线卵石资源丰富，可就地取材，设计中采用了石方格防护，以降低工程造价及运营养护成本。