姜子清

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

雙塊式無(wú)砟軌道鋪設(shè)里程約占我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)里程的一半左右，是我國(guó)主要無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式［1-3］，路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件系統(tǒng)、雙塊式軌枕、道床板、支承層等部分組成。道床板為縱向連續(xù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑。路基區(qū)段道床板沿線(xiàn)路縱向連續(xù)，標(biāo)準(zhǔn)道床板寬度為2 800 mm，高度為240 mm。道床板頂面向線(xiàn)路外側(cè)設(shè)置2%的橫向排水坡。設(shè)計(jì)要求道床板混凝土不得出現(xiàn)橫向或豎向貫通裂縫。支承層是路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道的支承基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)支承層設(shè)計(jì)寬度3 400 mm，厚度300 mm，其主要功能是承受豎向荷載，并將荷載傳遞、分散至路基面。為防止溫度力作用下出現(xiàn)過(guò)大的自由裂縫，支承層在施工階段每隔5 m左右設(shè)置深度為1/3 厚度的假縫。設(shè)計(jì)要求路基地段支承層不應(yīng)有豎向貫通裂縫，支承層與道床板、路基基床表層間應(yīng)密貼，不得有離縫［4-5］。

我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)下部基礎(chǔ)沉降有明確要求：TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］中要求無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮下部基礎(chǔ)變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，路基工后沉降不宜超過(guò)15 mm。對(duì)于無(wú)砟軌道線(xiàn)路基礎(chǔ)沉降問(wèn)題，采取特殊調(diào)整扣件［6］、道床整體注漿抬升等技術(shù)，均可以實(shí)現(xiàn)在不影響無(wú)砟道床整體性的基礎(chǔ)上快速消除基礎(chǔ)沉降不利影響。而針對(duì)線(xiàn)路下部基礎(chǔ)上拱問(wèn)題，前期研究較少，相關(guān)規(guī)范中也未有明確要求，但高速鐵路線(xiàn)路由于路基填料或地基中膨脹性物質(zhì)、隧道內(nèi)水壓、山體應(yīng)力等因素影響［7］，部分區(qū)段下部基礎(chǔ)出現(xiàn)不同程度的上拱，個(gè)別上拱較為嚴(yán)重區(qū)段上拱量達(dá)到100 mm 以上，且大部分基礎(chǔ)上拱變形伴隨著不同程度的線(xiàn)路偏移，影響高速鐵路列車(chē)正常運(yùn)行。

對(duì)于線(xiàn)路下部基礎(chǔ)上拱，扣件負(fù)調(diào)整能力僅為4 mm，遠(yuǎn)無(wú)法解決上拱對(duì)行車(chē)帶來(lái)的不利影響；前期基礎(chǔ)上拱整治主要采取拆除重建的方案，對(duì)無(wú)砟軌道整體性和線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)影響較大。因此，需要從無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和線(xiàn)下基礎(chǔ)著手，研究消除上拱影響的整治技術(shù)。

本文以路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道為對(duì)象，通過(guò)有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，提出通過(guò)切割承軌臺(tái)、切割支承層及暗挖基床技術(shù)降低軌面標(biāo)高，解決路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱問(wèn)題，也可為隧道區(qū)段、路橋過(guò)渡段等不同線(xiàn)下基礎(chǔ)上無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)線(xiàn)路基礎(chǔ)上拱整治提供借鑒。

1 基礎(chǔ)上拱變形分析

1.1 基礎(chǔ)上拱變形監(jiān)測(cè)分析

不同工況的路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱特征各不相同［8-10］，因此，基礎(chǔ)上拱整治前須掌握上拱變形發(fā)展規(guī)律，確定上拱部位，而基礎(chǔ)上拱變形監(jiān)測(cè)技術(shù)則是上拱整治方案制定的重要依據(jù)?；A(chǔ)上拱變形監(jiān)測(cè)主要包括：縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)和分層變形監(jiān)測(cè)，其中縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)主要確定基礎(chǔ)上拱沿線(xiàn)路縱向的影響范圍和線(xiàn)路不同里程位置的上拱量；而分層變形監(jiān)測(cè)主要確定基礎(chǔ)上拱沿路基深度方向的具體上拱部位和路基不同結(jié)構(gòu)層的上拱量。

1）縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)

縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)一般在基礎(chǔ)上拱工點(diǎn)的路肩側(cè)無(wú)砟軌道支承層上布設(shè)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上拱情況間隔布設(shè)傳感器。選擇路肩臨近未上拱段的CPⅢ樁作為基準(zhǔn)點(diǎn)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀與基準(zhǔn)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀共同構(gòu)成一個(gè)密封液路系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)傳感器如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)縱向連續(xù)變形監(jiān)測(cè)傳感器

2）分層變形監(jiān)測(cè)

分層變形監(jiān)測(cè)一般沿路基深度方向?qū)脖韺?、基床底層、基床以下路基、地基進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，同時(shí)每個(gè)工點(diǎn)布設(shè)一個(gè)溫度和水分傳感器，對(duì)監(jiān)測(cè)位置的溫度和水分情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而獲取基礎(chǔ)上拱變化趨勢(shì)和不同部位不同時(shí)間上拱量?，F(xiàn)場(chǎng)分層變形監(jiān)測(cè)傳感器如圖2 所示。典型基礎(chǔ)上拱變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)分層變形監(jiān)測(cè)傳感器

圖3 典型基礎(chǔ)上拱變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

1.2 膨脹性物質(zhì)檢測(cè)分析

為進(jìn)一步分析路基區(qū)段無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱具體原因，須要對(duì)上拱位置的基床表層、基床底層、基床以下路基及地基等不同深度分別取樣，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范［11-2］要求進(jìn)行膨脹性物質(zhì)檢測(cè)分析，主要包括：

1）膨脹性指標(biāo)

對(duì)自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量等膨脹性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析。

2）易溶鹽

對(duì)易溶鹽總量與易溶鹽離子含量進(jìn)行檢測(cè)，并分析各類(lèi)易溶鹽離子所占比例。

3）礦物成分

使用X 衍射分析（XRD）法確定取樣中的礦物成分及其含量。

通過(guò)對(duì)路基區(qū)段無(wú)砟軌道線(xiàn)路基礎(chǔ)上拱區(qū)段的上拱變形監(jiān)測(cè)分析和膨脹性物質(zhì)檢測(cè)分析，基本可明確基礎(chǔ)上拱部位，掌握上拱變化規(guī)律，分析上拱主要原因，確定整治時(shí)機(jī)，從而為上拱整治方案的制定提供支撐。

2 基礎(chǔ)上拱整治技術(shù)

2.1 切割承軌臺(tái)降低軌面標(biāo)高

切割更換承軌臺(tái)方案是通過(guò)切除上拱區(qū)間承軌臺(tái)，在原承軌臺(tái)間道床板上鉆孔預(yù)埋套管，安裝WJ-7型扣件，以降低軌面標(biāo)高。采用該方案，并考慮WJ-7型扣件標(biāo)準(zhǔn)高度為37 mm、道床板排水坡及扣件既有負(fù)調(diào)整等情況，對(duì)于通用參考圖設(shè)計(jì)參數(shù)的線(xiàn)路可降低軌面標(biāo)高35～40 mm。此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵為天窗時(shí)間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)承軌臺(tái)切割及新植入套管，滿(mǎn)足抗拔力試驗(yàn)要求。

通過(guò)雙塊式無(wú)砟軌道承軌臺(tái)切割試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）采用繩鋸法可實(shí)現(xiàn)天窗時(shí)間內(nèi)切割雙塊式無(wú)砟軌道承軌臺(tái)，切割后經(jīng)打磨外觀(guān)平整，單塊承軌臺(tái)切割時(shí)間約30 min，準(zhǔn)備時(shí)間20 min，拆除時(shí)間10 min。

2）承軌臺(tái)切割過(guò)程可能會(huì)對(duì)道床板表面造成磨損，切割前應(yīng)采取措施保護(hù)承軌槽及預(yù)埋套管。承軌臺(tái)切割現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 承軌臺(tái)切割現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)對(duì)原承軌臺(tái)間植入WJ-7 型扣件套管并開(kāi)展抗拔力試驗(yàn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）在原承軌臺(tái)間可鉆入孔徑50 mm 或60 mm 的孔，孔徑60 mm比孔徑50 mm更容易定位和鉆孔。

2）植筋錨固膠可實(shí)現(xiàn)扣件套管的錨固，3 h以上錨固力均在100 kN以上，滿(mǎn)足套管抗拔力試驗(yàn)要求。

3）由于方案中天窗時(shí)間內(nèi)新植入套管不必當(dāng)天承受列車(chē)荷載影響，因此，有足夠的時(shí)間保證套管錨固膠的可靠黏結(jié)。

2.2 切割支承層降低軌面標(biāo)高

切割支承層法是通過(guò)切除一定厚度的支承層來(lái)降低軌道高度，并結(jié)合順坡措施調(diào)整線(xiàn)路線(xiàn)形，以滿(mǎn)足正常行車(chē)要求。如何確定最大切割厚度是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)雙塊式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)情況，采用有限元軟件建立雙塊式無(wú)砟軌道數(shù)值分析模型?？紤]高速列車(chē)和貨物列車(chē)荷載作用，重點(diǎn)分析減薄后對(duì)支承層受力的影響。切割支承層法如圖5所示。

圖5 切割支承層法示意

無(wú)砟軌道-路基有限元模型如圖6 所示。模型縱向長(zhǎng)度取3 塊大單元板的長(zhǎng)度，共58.5 m。鋼軌采用60 軌型面?？奂偠?0 kN/mm，扣件間距為0.65 m。道床板寬度2.8 m，厚度0.26 m；支承層寬度3.4 m，厚度0.265 m；基床采用實(shí)體單元模擬，基床表層厚0.4 m，底層厚2.3 m。列車(chē)荷載考慮客車(chē)軸重15 t，動(dòng)荷載系數(shù)3.0。支承層厚度分別按減薄0，40，80，100，120，150 mm考慮。

圖6 無(wú)砟軌道-路基有限元模型

計(jì)算結(jié)果表明：

1）隨著支承層厚度的減小，支承層底面的拉應(yīng)力逐漸增加，但遠(yuǎn)小于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2）隨著支承層厚度的減小，支承層底面各方向的壓應(yīng)力均隨支承層厚度減小而減小，但是當(dāng)厚度減薄150 mm 時(shí)，支承層變薄，列車(chē)荷載下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中明顯，垂向壓應(yīng)力會(huì)迅速增加，但仍小于結(jié)構(gòu)材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。支承層底最大拉壓應(yīng)力見(jiàn)圖7。

圖7 支承層底最大拉壓應(yīng)力

2.3 暗挖基床降低軌面標(biāo)高

暗挖基床法是沿線(xiàn)路縱向分單元挖除一定厚度基床，挖除期間采用臨時(shí)鋼支撐，挖除后重新填筑混凝土材料，實(shí)現(xiàn)降低軌道標(biāo)高的方法。暗挖基床法如圖8 所示。挖除基床后軌道結(jié)構(gòu)受力，尤其是支承層結(jié)構(gòu)受力是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

通過(guò)建立有限元模型，分析縱向開(kāi)挖后軌道結(jié)構(gòu)受力。建立長(zhǎng)度為13 m 路基區(qū)段軌道模型，結(jié)構(gòu)尺寸按實(shí)際結(jié)構(gòu)選取，列車(chē)荷載與2.2 節(jié)相同。計(jì)算結(jié)果表明：基床挖除后，支承層最大壓應(yīng)力為0.882 MPa，最大拉應(yīng)力為0.652 MPa，小于支承層混凝土材料的抗壓和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖8 暗挖基床法示意（單位：mm）

3 不同整治技術(shù)適用性分析

對(duì)于路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱問(wèn)題，可以通過(guò)切割承軌臺(tái)、切割支承層和暗挖基床的方式降低軌面標(biāo)高，但3 種不同整治方法的最大調(diào)整量及適用條件各有不同。

1）最大調(diào)整量

切割承軌臺(tái)方案最大可降低軌面標(biāo)高40 mm；切割支承層方案最大可降低軌面標(biāo)高150 mm；暗挖基床方案根據(jù)實(shí)際情況，可消除實(shí)際上拱量并預(yù)留一定的后期變形余量，最大調(diào)整量幾乎不受限。

2）適用條件

①切割承軌臺(tái)方案調(diào)整量有限，作業(yè)效率高，單節(jié)點(diǎn)承軌臺(tái)整治時(shí)間約為2 h，經(jīng)濟(jì)性較好，但不具有二次調(diào)整能力，適用于基礎(chǔ)上拱已收斂、局部小范圍上拱的臨時(shí)處理。

②切割支承層方案調(diào)整量受支承層厚度限制，作業(yè)效率較高，在4 h 天窗時(shí)間內(nèi)可切割沿線(xiàn)路縱向長(zhǎng)度2 m 左右，可二次切割調(diào)整，但總調(diào)整量受限，適用于路基、隧道區(qū)段基礎(chǔ)上拱已收斂、上拱量不太大的上拱整治。

③暗挖基床方案調(diào)整量幾乎不受限，作業(yè)效率較高，在3個(gè)天窗時(shí)間（4 h）內(nèi)，可沿線(xiàn)路縱向鉆取2 m 左右，且對(duì)軌道結(jié)構(gòu)影響小，不受基礎(chǔ)上拱收斂與否影響，從根本上消除填料膨脹上拱問(wèn)題，適用于路基區(qū)段（含路橋過(guò)渡段）基礎(chǔ)上拱整治。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)路基區(qū)段雙塊式無(wú)砟軌道線(xiàn)路基礎(chǔ)上拱變形分析以及切割承軌臺(tái)、切割支承層和暗挖基床3種整治方法的對(duì)比，得到主要結(jié)論如下：

1）基礎(chǔ)上拱監(jiān)測(cè)和膨脹性物質(zhì)檢測(cè)是掌握上拱變化規(guī)律、分析上拱原因、明確上拱部位、確定整治時(shí)機(jī)、研究整治方案的關(guān)鍵技術(shù)。

2）切割承軌臺(tái)落道整治措施工程量小、作業(yè)效率高，適用于局部上拱且需應(yīng)急整治的工點(diǎn)，但是落道幅度有限。

3）支承層切割落道整治技術(shù)措施，整治工藝較為成熟，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的受力改變較小，能保證整治期間限速行車(chē)及整治結(jié)束后正常行車(chē)的要求。整治工程量較小，線(xiàn)路調(diào)整快捷，適用于大部分變形已經(jīng)穩(wěn)定的上拱區(qū)段。

4）暗挖基床落道整治措施工藝較為成熟，可多次作業(yè)，適用于絕大部分路基段，整治過(guò)程無(wú)需大型機(jī)械設(shè)備，方便狹小空間作業(yè)，同時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)與線(xiàn)路幾何形位影響較小，特別適用于基床及路基填土部分膨脹引起上拱的工點(diǎn)，可通過(guò)換填方法從根本上進(jìn)行整治。

無(wú)砟軌道基礎(chǔ)上拱病害整治主要采取一處一方案、一處一審查的方式開(kāi)展，建議將上拱整治的主要技術(shù)指標(biāo)要求逐步納入相關(guān)技術(shù)條件，進(jìn)行規(guī)范化管理。