朱興永，蔡德鉤，戚志剛，陳 峰

(1.中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國地域遼闊，隨著高速鐵路運營線路長度的不斷增加，路基上拱問題日益凸顯[1]。上拱造成的無砟軌道不平順[2-4]只能采用扣件精調(diào)整治，超出扣件調(diào)整量后只能限速，嚴重影響高速鐵路的運營秩序。因此，本文通過一實例探索高速鐵路路基上拱整治成套技術(shù)，通過運營線無砟軌道路基上拱段的整治，完善高速鐵路養(yǎng)護維修技術(shù)體系。

1 工程概況

地質(zhì)情況：表層為6.5～9.5 m厚第四系上更新統(tǒng)洪積粗圓礫土夾細圓礫土、礫砂，稍濕至飽和，局部夾鈣質(zhì)半膠結(jié)薄層，密實；圓礫土以下為粉質(zhì)黏土，厚度>10 m。2009年5月勘察地下水位埋深6.8 m；2015年補充勘察地下水位埋深9.5 m。

路基填料：基床表層填筑級配碎石，底層為A，B組填料，基床以下為B組填料。路基兩側(cè)設有2.0 m寬、1.5 m高護道。涵洞與路基過渡段基床表層級配碎石摻5%的P.O 42.5水泥，基床表層以下級配碎石摻3%的P.O 42.5水泥，路基平均高度4.0 m。

地基處理：涵洞及過渡段地基處理措施均為強夯，強夯完成檢測合格后進行墊層施工，墊層為0.5 m厚摻P.O 42.5水泥的卵礫石，墊層內(nèi)鋪設高強度土工格柵。

地勢情況：上拱段位于K2456+296箱形涵(1孔3 m)兩側(cè)路涵過渡段，周圍戈壁灘地勢平坦，涵底低于兩側(cè)地面約1.0 m。

2 無砟軌道路基上拱監(jiān)測

高速鐵路開通后，設備管理單位對比分析動檢車波形發(fā)現(xiàn)，部分橋涵過渡段線路發(fā)生變化，靜態(tài)絕對測量軌面高程持續(xù)增大。因此進行監(jiān)測[5]和原因分析。

2.1 水準監(jiān)測

路基上拱地段間隔20 m設一觀測斷面，每斷面在上下行道床板、路肩封閉層、路基坡腳各設1個觀測點，使用電子水準儀每月觀測1次。整治前水準觀測88期，與第1次水準監(jiān)測值比，上行K2456+292路肩封閉層累計上拱量達108 mm,上拱無收斂趨勢。

2.2 絕對測量

使用絕對測量小車對K2456+240—K2456+340上拱段軌面高程進行測量，與設計高程相比，累計上拱量上行為102 mm，下行為91 mm(含上拱撤出墊板量)。上拱情況見圖1。上拱速率上行為2.1 mm/月，下行為1.6 mm/月，與水準監(jiān)測上拱趨勢一致，未出現(xiàn)收斂。

圖1 小車測量軌面上拱情況

2.3 分層監(jiān)測

2017年3月在上拱段布設分層監(jiān)測系統(tǒng)，沿線路縱向間距0.5 m在路肩布設0.4，1.5，3.0，7.0 m不同深度的單點位移計，對基床表層、底層、路基、地基的位移量進行分層監(jiān)測，分析具體上拱部位。分層監(jiān)測布設如圖2所示。

圖2 分層監(jiān)測布設示意(單位：m)

2017年3月31日至9月10日，分層監(jiān)測顯示K2456+292斷面上拱主要發(fā)生在基床以下4.0～7.0 m層位，上拱量6.7 mm(速率1.2 mm/月)，其余各層均未發(fā)生明顯膨脹變形。上拱趨勢與小車測量、水準監(jiān)測一致，上拱未收斂。

2.4 動檢波形對比

對比2017年動檢波形，上行1月22日至9月8日高低幅值由2 mm增到18.4 mm，每次動檢車檢測K2456+240—K2456+340高低波形都在變化，上拱未收斂。整治后，10月28日動檢車高低幅值0.44 mm。下行動檢波形對比分析，與上行上拱情況相同。

3 路基上拱原因分析

在上拱段路肩、路基坡腳開挖，對基床表層、底層、基床以下、地基分別進行取樣，得到路基、地基不同深度試樣。依據(jù)試驗規(guī)程[6-7]，過0.5 mm篩，對自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等膨脹性指標進行化驗。取樣分析結(jié)果顯示蒙脫石含量很低，礦物成分分析顯示填料中石膏和燒石膏含量較高?；脖韺雍猩倭克蜾X酸鈣，水泥卵礫石墊層中含有較高含量的硅灰石膏和鈣礬石；地基表層和路基填料中硫酸根含量較高。路基含水率在2.5%～6.6%，路肩以下2 m含水率5.5%。

地基土及路基填料易溶鹽分析表明，K2456+240—K2456+340上拱段蒙脫石類膨脹性物質(zhì)含量不顯著，但易溶鹽含量偏高。對比分析其余上拱段上拱量與易溶鹽含量，結(jié)果顯示上拱量與含鹽量高低呈現(xiàn)一致性趨勢[8]，表明硫酸根離子遇水結(jié)晶膨脹造成路基上拱。戈壁灘表層鹽離子隨雨水流到橋涵處，涵底低于兩側(cè)地面，雨水匯積在橋涵處，蒸發(fā)后造成橋涵過渡段鹽離子較多。在溫度、含水量發(fā)生變化時，鹽分吸水結(jié)晶、析出，造成土粒間孔隙增大，體積膨脹引起上拱，所以橋涵過渡段路基上拱病害多。冬季氣溫降低，適于硫酸根鹽離子結(jié)晶，夏季高溫，鹽離子結(jié)晶減緩。所以冬季上拱變化較大，夏季路基相對穩(wěn)定，與動靜態(tài)監(jiān)測上拱速率一致。

4 整治方案

4.1 防排水

路基鹽漬土中硫酸根鹽離子遇水結(jié)晶造成路基上拱，因此，整治路基上拱首先要做好路基防排水工作。①在上游側(cè)(擋風墻外側(cè))修建5 m深截水溝、擋水墻，阻斷地表水滲入路基基底；②下游側(cè)修建滲水盲溝、蒸發(fā)池，做好路基表面封閉，降低路基內(nèi)含水率；③在路基上拱層位鉆孔排水、泄壓，減小膨脹壓力。

4.2 切割減薄支承層

為恢復上拱段無砟軌道高程，需對無砟軌道進行落道整治。與素混凝土支承層相比，摻5%水泥級配碎石的路基表層軟硬不均，繩鋸切割減薄時易卡鋸，且切割精度不易控制，因此，采取切割減薄支承層的方案進行無砟軌道落道整治。

4.2.1 無砟軌道結(jié)構(gòu)受力計算

切割減薄支承層削弱了無砟軌道結(jié)構(gòu)強度，需通過理論計算驗證該措施是否可行。通過建立緩和曲線段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道有限元[10]分析模型，分析支承層減薄對軌道結(jié)構(gòu)(鋼軌、軌道板、支承層、基床)受力情況的影響。建模時鋼軌支承考慮為離散點支承[7]，僅在扣件處設置支承點，鋼軌網(wǎng)格縱向密度取0.325 m。將扣件等效為一個線彈性體，采用彈簧-阻尼單元模擬，扣件剛度[11]50 kN/mm，扣件間距 0.65 m。軌道板、支承層和基床均采用8節(jié)點實體縮減積分實體單元(C3D8R)模擬。

支承層厚度取265，225，185 mm，計算列車荷載(15 t和25 t)作用于枕間和軌枕上方時軌道板和支承層底面的受力情況。隨著支承層厚度的減薄，軌道板底面和支承層底面拉應力逐漸增加，但遠小于C15混凝土材料的抗拉強度設計值。軌道板底面的橫向壓應力增加，其他方向壓應力在減小。而支承層底面各方向的壓應力均隨支承層厚度減小而減小，軌道板和支承層所有受力均小于材料的抗壓強度設計值，可以采用切割減薄支承層措施進行無砟軌道落道整治。

4.2.2 切割減薄支承層施工

按以下8步，組織上拱整治施工：①調(diào)整運行圖，天窗內(nèi)設置兩線間硬隔離，做好“一線封鎖、一線施工”準備；②在支承層上間隔1.5 m鉆孔，定位繩鋸切割位置；③安裝無砟軌道限位裝置，防止切割支承層、解除約束后無砟軌道發(fā)生失穩(wěn)；④安裝繩鋸，按設計厚度切割支承層；⑤間隔抽出切割后的支承層，用鋼墊板做好臨時支撐，見圖3；⑥撤出前期精調(diào)整治軌下調(diào)高墊板，依精測數(shù)據(jù)調(diào)整臨時支撐鋼墊板厚度，恢復無砟軌道高程；⑦支承層與道床板間放入鋼筋網(wǎng)片、支模、灌入自流平砂漿，鉆孔植筋，補強道床板與支承層聯(lián)接及無砟軌道結(jié)構(gòu)強度[12]；⑧軌道精調(diào)、檢測，開通線路，逐級提速恢復高速鐵路允許速度。

圖3 撤出切割后的支承層

4.3 軌道動態(tài)測試

為保證整治后軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全、穩(wěn)定、可靠，選取最大落道斷面K2456+292對脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂直力、道床板加速度、鋼軌橫向位移量及垂向位移量進行測試。鋼軌表面打磨除銹后粘貼應變片，用704硅膠進行防水處理；位移傳感器和加速度傳感器采用AB膠、夾具進行固定。

最高速度200 km/h時實測最大脫軌系數(shù)0.10，輪重減載率0.28，輪軸橫向力9.6 kN，道床板橫向位移0.04 mm，道床板垂向位移0.05 mm，道床板縱向位移0.02 mm，鋼軌加速度1 873 m/s2，道床板加速度72.7 m/s2。檢測結(jié)果表明，動車組作用下的軌道結(jié)構(gòu)動力學指標[13]均在其相應評判標準限值內(nèi)，動力性能滿足動車組200 km/h運行時的安全性和平穩(wěn)性要求，整治效果良好，達到動態(tài)驗收各項指標要求。

整治后，動檢高低偏差幅值只有0.44 mm。靜態(tài)小車測量軌面恢復設計高程，見圖4，整治前后軌面上拱趨勢見圖5，反映整治效果良好，達到了恢復線路平順性的目的[14]。

圖4 整治前后軌面高程及整治后上拱量

圖5 斷面K2456+292整治前后軌面上拱趨勢

5 結(jié)語

本文實例在全路首次提出利用切割減薄無砟軌道支承層技術(shù)，整治路基上拱段軌道不平順問題。切割減薄支承層控制精度要求高，為此研制出了小巧輕便、切割控制精度在毫米級的成套切割減薄工裝設備。在上拱段安裝自動分層監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)確定路基膨脹上拱層位，首次針對膨脹層位采取鉆孔泄壓整治措施。

切割、減薄無砟軌道支承層技術(shù)應用于無砟軌道路基上拱，整治效果良好，建議繼續(xù)完善上拱整治方案，采取綜合措施徹底整治路基上拱未收斂問題。路基過渡段膨脹造成箱涵邊墻出現(xiàn)大量水平縱向裂紋，下一步需對路基上拱造成的橋涵病害進行整治，消除上拱造成的結(jié)構(gòu)問題。

[1]楊吉新,馬旭超,劉前瑞.關(guān)于成渝高鐵路基上拱問題的探討[J].鐵道建筑，2016,56(8):112-115.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]83號 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則[S].北京：中國鐵道出版社，2012.

[3]萬復光.高速鐵路合理軌道結(jié)構(gòu)[C]//鐵路高速客運研究論文選.北京：中鐵第五勘察設計院，1992：208-212.

[4]江成，林之岷.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的試驗研究[J].中國鐵路，2000(7):22-24.

[5]中國鐵路總公司.鐵運[2015]113號 運營高速鐵路基礎變形監(jiān)測管理辦法[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB 10102—2012 鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB 10103—2008鐵路工程巖土化學分析規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[8]王鵬程,堯俊凱,陳鋒,等.無砟軌道路基上拱原因試驗研究[J].鐵道建筑，2018,58(1):43-46.

[9]雷海燕.軌道力學與工程新方法[M].北京：中國鐵道出版社，2002:10-30.

[10]賈雪艷，劉平安.ANSYS 18.0有限元分析學習寶典[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017:400-430.

[11]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[13]中華人民共和國鐵道部.TB 10761—2013 高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[14]中華人民共和國鐵道部.TB 10754—2010 高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2011.