基于TRIZ理论的某高原铁路陡坡路基方案设计

成启航 程 云 郑六益

（中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵阳 550002）

随着国家经济的发展和西部大开发战略的推进，西南高原地区现有的公路运输通道已不能满足当前经济及社会发展的需求，建设高原铁路势在必行。因此，高原铁路的设计逐渐成为当下重要的研究课题之一。

在高原铁路的设计中，复杂的地质条件常给铁路路基的设计带来许多困难，陡坡路基便是其中之一。高原陡坡路基的设计不仅需要考虑复杂的地形、地貌条件和地震等不利因素，还需兼顾严格的位移控制要求，常规的陡坡路基方案已不能满足其设计需求。鉴于实际工程的需要及设计的复杂性，亟需引入一种新的方法来优化高原铁路陡坡路基的设计方案。

作为一种技术和管理创新的方法，TRIZ 理论已被广泛应用于社会生产、生活和科研的各种问题［1-3］。本文将TRIZ 理论应用于某高原铁路陡坡路基的方案设计中，在解决工程实际的同时，验证该理论在陡坡路基设计领域应用的可行性。

1 TRIZ 理论及技术矛盾矩阵

TRIZ 理论又被称为“发明问题解决理论”，意为通过识别并解决复杂问题来实现技术或管理上的创新。根据技术系统的问题属性，TRIZ 理论可将实际的问题转化为理论的问题模型，并利用不同的解题工具得到解决方案模型，最后将解决方案模型应用于实际问题中，从而实现创新。

技术系统中的问题往往呈现出多样化的表现形式，这些问题的影响因素也存在着相互影响、相互制约的技术矛盾，即在提高技术系统中某一个参数时，导致了另一个参数的恶化而产生的矛盾。作为一种TRIZ 理论中的常用的解题工具，技术矛盾矩阵可用于解决影响因素间相互制约的问题［4］。在技术矛盾矩阵中，将实际问题转化为技术矛盾，利用技术矛盾找到创新原理，并以创新原理作为启发，推导出针对实际问题的可行方案，最后实现对现有技术的优化创新。在陡坡路基的设计中，同样存在着相互影响、相互制约的因素，例如加大结构尺寸虽能提高其承载能力及抗变形能力，但会增加现场施工难度及工程造价。因此，需要使用TRIZ 理论中的技术矛盾矩阵解决这些影响因素间相互制约的问题，从而得到合理的陡坡路基设计方案。

2 基于矛盾矩阵的路基方案设计

2.1 技术矛盾矩阵在设计中的应用

在陡坡路基的设计中，问题的根源主要在于路基填筑材料的物理力学性质、结构与填筑材料之间复杂的相互作用、施工的可行性与路基的整体稳定性之间的矛盾，上述不同的设计参数间存在着相互制约的关系，属于技术矛盾问题。因此，可采用TRIZ 理论中的技术矛盾矩阵工具进行解决方案模型的求解。

根据技术矛盾矩阵工具，上述影响因素可一般化表达为“静止物体的重量”“结构的稳定性”“系统的复杂性”等恶化的通用参数和改善的通用参数。通过查阅矛盾矩阵［5］，得到在陡坡路基方案设计中的矛盾矩阵表，如表1所示。由表1 可知，可使用的创新原理中排名前三位的编号依次为：1 号分割原理（出现10 次）、35 号物理或化学参数改变原理（出现10 次）、10 号预先作用原理（出现9 次）。因此，可基于上述创新原理进行陡坡路基的方案设计。

表1 陡坡路基设计中的技术矛盾矩阵表

2.2 创新原理的应用

2.2.1 分割原理

分割原理的思路在于将复杂的系统分为相互独立的部分，提高其可分性，以实现系统的改造。在陡坡路基的设计中，不仅需要保证路基本体的稳定性，还需要确保相邻陡坡的稳定性。因此，可将路基本体与相邻陡坡分为2 个相互独立部分，然后分别采用不同的工程措施确保各独立部分的稳定性。在工程设计领域，可采用桩板墙对陡坡路基进行支挡，采用低预应力锚杆框架梁对路基下部陡坡进行防护。

2.2.2 物理或化学参数改变原理

物理或化学参数改变原理是指通过改变系统的聚集态、浓度、密度或温度等物理或化学参数，以达到创新改造的目的。在陡坡路基的设计中，路基填料的物理力学性质是影响其稳定性的重要因素，常采用回填碎块石土与满铺土工格栅的方法来提高路基抗剪强度等物理力学参数，从而达到提高路基稳定性的作用。

2.2.3 预先作用原理

预先作用原理的思路在于预先对部分或全部系统施加必要的改变，从而达到预期的功能。在工程设计领域，该原理常被以预应力锚索的形式应用于高陡边坡危岩落石的加固设计中。对于陡坡路基的设计，也可以通过在锚固桩上添加预应力锚索的方式，达到对陡坡路基的预加固作用，减弱地震等不利工况对陡坡路基的破坏。

2.3 最终方案选择

通过综合利用以上3 种创新原理，得到了最终的陡坡路基设计方案。

针对路基本体，采用回填级配碎块石土作为填料、竖向满铺土工格栅的方法提高路基本体的抗剪强度，同时采用桩板结构对路基本体进行支挡，确保其稳定性。针对相邻陡坡，根据实际地质情况，可采用多排低预应力锚杆框架梁进行防护。针对高原地区可能存在的地震动因素，采用锚固桩上添加多束预应力锚索的方式进行预加固，从而减弱地震工况对路基的破坏作用，提高支挡结构的安全性。

3 设计方案验证

3.1 工程概况

该高原铁路车站陡坡路基位于川西高原的高山区，区内河谷深切，地形陡峻。车站范围内微地貌主要表现为低中山构造剥蚀、河流阶地地貌，地形呈“鱼脊背”状，起伏较大，绝对高程2 582～2 798 m，相对高差60 ～ 215 m。车站位于山体脊背处，两侧为斜坡，其下为河流阶地。车站上覆0～2 m 细角砾土层，下伏基岩主要为三叠系上统两河口组二段含炭板岩与砂岩不等厚互层，岩芯整体较完整，呈柱状、长柱状，岩层以中厚层为主。车站范围内特殊岩土主要为季节性冻土，边坡未见拉裂缝及其他变形迹象，无明显不利节理，整体上坡体稳定。

车站为削山设站，车站平均设计高程约为2 740 m。因此，在施工过程中，不可避免地产生了许多陡坡路基，本文选取了其中较为典型的剖面进行设计方案的验证。结合现场实际情况，基于TRIZ理论的陡坡路基方案设计，陡坡路基左侧设置桩板墙收坡，锚固桩尺寸为2.75 m ×3.5 m，桩长40 m，桩间距6 m，采用C35级混凝土。锚固桩桩顶以下2 m、4 m 和6 m 位置分别布置6 束15.2 mm 的1860 级钢绞线，锚索长度分别为40 m、35 m 和30 m，锚固段长10 m，最终预加应力均为720 kN。路堤下部坡面共设置6 排低预应力锚杆框架梁护坡，锚杆长10 m，节点间距4 m。路堤填料采用级配碎块石土，同时竖向间隔0.6 m 满铺土工格栅。

3.2 计算模型建立

为验证最终陡坡路基设计方案的合理性，采用有限差分软件FLAC3D 建立计算模型，对该铁路车站的陡坡路基工点进行计算。

计算模型尺寸为192 m×100 m（宽×高），厚度根据锚固桩桩间距取为6 m。模型中陡坡路基及地层岩土体采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，支挡结构采用线弹性本构模型［6-7］。

路堤锚固桩采用FLAC3D 内置的Pile 单元模拟，锚固桩重度γ=25 kN／m3，弹性模量E=35 GPa，泊松比v=0.2。桩上锚索采用Cable 单元模拟，其中锚索锚固段弹性模量E=36 GPa，锚索自由段弹性模量E=183.1 GPa［8］。路堤填土部分满铺土工格栅，采用Geogrid 单元模拟，重度γ=10 kN／m3，弹性模量E=21 GPa［9-10］。路堤下部低预应力锚杆采用Cable单元模拟，弹性模量取值为E=15.7 GPa［11］。陡坡路基表面设置70 kPa 的均布荷载，用以模拟铁路车辆荷载［12］。各地层的物理力学参数如表2所示。

表2 地层物理力学参数表

3.3 计算结果分析

采用有限差分软件FLAC3D 对在一般工况和地震工况下的陡坡路基模型进行数值计算。考虑到该陡坡路基位移控制要求较为严格，因此主要对路堤的变形进行分析，分析内容主要包括路堤土体和锚固桩的位移。

3.3.1 一般工况

陡坡路基土体最大水平及竖向位移均位于路基面顶部，最大水平位移9.5 mm，最大竖向位移25.3 mm，路基相邻陡坡水平位移不足1 mm 锚固桩桩顶最大水平位移7.2 mm。一般工况下土体水平及竖向位移如图1所示，锚固桩水平位移如图 2所示。

图1 一般工况土体位移云图

图2 一般工况锚固桩水平位移云图

根据TB 10001-2016《铁路路基设计规范》及TB 10025-2019 《铁路路基支挡结构设计规范》，路基土体工后沉降应小于150 mm，锚固桩桩顶水平位移应小于悬臂段长度的1／100 且不大于100 mm。根据计算结果，一般工况中路基土体及锚固桩的位移均满足设计要求。

3.3.2 地震工况

在模型底部施加水平向的地震应力波模拟地震工况，地震波为EL CENTRO 波（N-S），滤波及基线校正后加速度幅值为0.15 g，模型计算取其主频段0 ～10 s 进行计算，地震波时程曲线如图3所示。

图3 地震波加速度时程曲线图

陡坡路基土体最大水平位移11.3 mm，最大竖向位移31.6 mm；锚固桩桩顶最大水平位移8.8 mm；地震工况中路基土体及锚固桩的位移均满足设计要求。地震工况下土体水平及竖向位移如图4所示，锚固桩水平位移如图5所示。

图4 地震工况土体位移云图

图5 地震工况锚固桩水平位移云图

3.3.3 计算结果分析

基于TRIZ理论的陡坡路基设计方案在一般工况及地震工况下均能满足设计要求，因此，基于TRIZ理论的陡坡路基方案设计是可行的。

4 结论

本文采用TRIZ 理论对某高原铁路车站的陡坡路基方案进行了设计，并采用有限差分软件FLAC3D 验证了设计方案的合理性。数值计算结果表明，基于TRIZ理论的陡坡路基设计方案在一般工况及地震工况下均能满足设计要求，可以认为TRIZ 理论在陡坡路基方案设计领域的应用是可行的。

本文有待改进的地方包括：（1）未能结合实际监测资料来验证计算结果的准确性；（2）模型厚度仅根据桩间距取值为6 m，未能考虑三维空间效应，有待后续开展深入研究。