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        川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

        2021-08-05 01:58:42劉啟賓
        關(guān)鍵詞:錯(cuò)動(dòng)扣件聚氨酯

        劉啟賓

        (陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

        川藏鐵路昌都至林芝段為設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h的客貨共線鐵路,沿線高原寒冷、線外交通設(shè)施薄弱,且局部穿越了無(wú)人區(qū),養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣[1-3]。為減少線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量,正線以采用少維護(hù)的無(wú)砟軌道為主。本項(xiàng)目沿線位于青藏高原東南隅,是印度板塊與歐亞板塊碰撞核心帶,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、地震頻繁且強(qiáng)烈,存在3個(gè)一級(jí)構(gòu)造、7個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,線路穿越了4條具有活動(dòng)性的活動(dòng)斷裂帶,其預(yù)估最大錯(cuò)位量均大于1 m,其中嘉黎活動(dòng)斷裂最大水平錯(cuò)位量為5~6 m,最大垂直錯(cuò)位量為2~3 m。現(xiàn)有無(wú)砟軌道一旦成型,則軌道線形僅能通過(guò)扣件調(diào)整,一旦基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)量超過(guò)扣件調(diào)整能力,則需要拆除重建或采用基礎(chǔ)糾偏措施,工程實(shí)施難度大且代價(jià)高,不適用活動(dòng)斷層等基礎(chǔ)穩(wěn)定性差的區(qū)域[4-5]。有砟軌道線形調(diào)整簡(jiǎn)單、便捷,但本項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)維修條件極為惡劣,在正線以鋪設(shè)無(wú)砟軌道為主的情況下局部采用有砟軌道,存在日常維護(hù)工作量大、作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn),不適用本項(xiàng)目特殊的工程與環(huán)境條件[6-8]。

        針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合本項(xiàng)目沿線工程與環(huán)境特征,提出了川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求,并基于對(duì)既有不良地質(zhì)區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用的調(diào)研分析,提出川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,為活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

        1 現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)及對(duì)本項(xiàng)目適應(yīng)性分析

        活動(dòng)斷裂帶區(qū)域鐵路選線以應(yīng)盡量繞避活動(dòng)斷裂為主,必須穿越時(shí),應(yīng)選擇穩(wěn)定性相對(duì)較好地段或者巖質(zhì)較硬區(qū)域通過(guò)。目前活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)以采用有砟軌道為主[9-11],如京唐客專穿越夏墊斷裂、大張高鐵穿越天鎮(zhèn)—陽(yáng)高盆地北緣斷裂、成蘭鐵路穿越活動(dòng)斷層區(qū)域等。個(gè)別正線以鋪設(shè)無(wú)砟軌道為主的項(xiàng)目,在活動(dòng)斷裂帶等不良地質(zhì)區(qū)域采用了特殊設(shè)計(jì)方案,以降低運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量。典型的有可調(diào)式框架板、寬枕板式固化道床、聚氨酯固化道床等,各方案的特點(diǎn)及其對(duì)本項(xiàng)目工程環(huán)境的適應(yīng)性分析如下。

        1.1 可調(diào)式框架板

        西安分布多條地裂縫,具有緩慢的持續(xù)變形特征,在地裂縫區(qū)域采用了可調(diào)式框架板[12-13]。該結(jié)構(gòu)道床板采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu),當(dāng)基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)量超過(guò)扣件調(diào)整能力時(shí),可將框架板抬升,并在板下放置調(diào)高墊塊即可完成軌道線形的調(diào)整修復(fù)。該結(jié)構(gòu)理論上高程調(diào)整量不小于500 mm,水平調(diào)整量不小于84 mm,能夠適應(yīng)地裂縫區(qū)域地層持續(xù)性緩慢錯(cuò)動(dòng)的調(diào)整,且運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量少。但該結(jié)構(gòu)僅地鐵中應(yīng)用,對(duì)本項(xiàng)目為200 km/h客貨共線鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性需要進(jìn)行研究分析。

        1.2 寬枕板式固化道床

        烏魯木齊地鐵1號(hào)線穿越了具有瞬時(shí)空間大變形活動(dòng)特征的斷裂帶,采用了寬枕板式固化道床軌道結(jié)構(gòu)[14-16]。該結(jié)構(gòu)采用單向預(yù)應(yīng)力的小板結(jié)構(gòu),便于基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后的調(diào)整,基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后可根據(jù)調(diào)線調(diào)坡結(jié)果在板與固化道床之間填充快速修復(fù)材料,達(dá)到快速修復(fù)、恢復(fù)行車的目的;道床采用聚氨酯材料固化,可避免道砟粉化,降低運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修工作量。該結(jié)構(gòu)與可調(diào)式框架板類似,也僅在地鐵中進(jìn)行了應(yīng)用,對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工程環(huán)境的適應(yīng)性需要進(jìn)一步研究分析。

        1.3 聚氨酯固化道床

        濟(jì)青高鐵正線采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道,在濰坊北站與高密北站之間的局部路基地段穿越活動(dòng)斷裂帶區(qū)域采用了聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)[17]。該結(jié)構(gòu)在已穩(wěn)定的道床內(nèi)灌注聚氨酯固化材料,使道床固結(jié)成整體,且具有一定的彈性,可避免道砟顆粒粉化,降低運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量。但濟(jì)青高鐵采用的是現(xiàn)澆聚氨酯固化道床,聚氨酯材料發(fā)泡效果受溫度、濕度影響較大,在溫度較低的情況下其發(fā)泡效果較差。本項(xiàng)目沿線處于寒冷地區(qū),如采用此種現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)存在施工質(zhì)量控制難度大、道床固化效果差的情況。

        綜合分析,在川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域直接采用現(xiàn)有特殊設(shè)計(jì)方案均存在一定的問(wèn)題,為避免局部采用有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量大、作業(yè)環(huán)境差的問(wèn)題,應(yīng)進(jìn)行能夠滿足川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域設(shè)計(jì)需求的軌道結(jié)構(gòu)形式研究。

        2 活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

        2.1 活動(dòng)斷裂帶區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析

        據(jù)評(píng)估,本項(xiàng)目穿越的活動(dòng)斷裂帶以地震誘發(fā)基礎(chǔ)突發(fā)性錯(cuò)動(dòng)變形為主,暫未發(fā)現(xiàn)具有蠕動(dòng)變形特征,即活動(dòng)斷層區(qū)域通常情況下基礎(chǔ)是穩(wěn)定的,在地震時(shí)可能出現(xiàn)瞬時(shí)空間錯(cuò)動(dòng)。

        在活動(dòng)斷層區(qū)域,為便于基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后軌道幾何形位的調(diào)整,軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備易調(diào)整、可修復(fù)的基本功能??紤]到本項(xiàng)目沿線構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,活動(dòng)斷層在生命周期內(nèi)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的概率高,但發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的周期相對(duì)較長(zhǎng),如在活動(dòng)斷層區(qū)域局部采用可靈活調(diào)整的有砟軌道,則存在日常養(yǎng)護(hù)維修量大、作業(yè)環(huán)境差等突出問(wèn)題。因此,本項(xiàng)目活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)還應(yīng)具備少維護(hù)的需求。

        綜合分析,本項(xiàng)目活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備易調(diào)整、可維修、少維護(hù)的基本功能需求。

        2.2 活動(dòng)斷裂帶區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

        結(jié)合川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求,目前已開(kāi)始針對(duì)活動(dòng)斷層區(qū)域進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的研究,典型的方案有裝配式聚氨酯固化道床、短板式無(wú)砟軌道、高低可調(diào)式無(wú)砟軌道、梁式無(wú)砟軌道等4種。

        (1)裝配式聚氨酯固化道床

        針對(duì)既有現(xiàn)澆聚氨酯固化道床施工工序復(fù)雜且受外界環(huán)境因素干擾大、對(duì)本項(xiàng)目工程與環(huán)境條件的適應(yīng)性差的問(wèn)題,研發(fā)了預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、預(yù)制裝配式聚氨酯固化軌枕及細(xì)石混凝土調(diào)整層[18-20]等組成,如圖1所示。

        該結(jié)構(gòu)將軌枕與枕底道砟在工廠內(nèi)采用聚氨酯材料固化成一體,并運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè),可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的工廠化預(yù)制、裝配式施工以及單元化維修。

        相比于既有無(wú)砟軌道,裝配式聚氨酯固化道床可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后軌道結(jié)構(gòu)的便捷調(diào)整、修復(fù),且運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量與無(wú)砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行線上試驗(yàn)段的測(cè)試與研究工作,后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機(jī)選用。

        (2)短板式無(wú)砟軌道

        既有無(wú)砟軌道道床板多采用連續(xù)結(jié)構(gòu)、分段結(jié)構(gòu)(分段長(zhǎng)度50 m以上)和單元結(jié)構(gòu)(板長(zhǎng)6.5~19.5 m),由于道床板較長(zhǎng),在基礎(chǔ)變形時(shí)軌道線形調(diào)整難度大。因此,提出了短板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)方案,該結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、短板及板下自密實(shí)混凝土等組成,如圖2、圖3所示。

        圖2 短板式無(wú)砟軌道橫斷面

        圖3 短板式無(wú)砟軌道平面布置

        該結(jié)構(gòu)軌道板采用單元小板結(jié)構(gòu),板底通過(guò)限位凹槽/凸臺(tái)限位,在基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)量超過(guò)扣件調(diào)整能力時(shí)可將預(yù)制小板抬起,局部鑿除自密實(shí)混凝土層,并按照調(diào)線調(diào)坡結(jié)果固定單元板,重新澆筑細(xì)石混凝土即可完成基礎(chǔ)大變形的調(diào)整。

        相比于現(xiàn)有無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)調(diào)整簡(jiǎn)單、便捷,且運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量與現(xiàn)有無(wú)砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)檢算階段,后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機(jī)選用。

        (3)高低可調(diào)式無(wú)砟軌道

        針對(duì)既有無(wú)砟軌道一旦成型調(diào)整困難的問(wèn)題,提出一種高低可調(diào)式無(wú)砟軌道,該結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、預(yù)制底座及限位凸臺(tái)、高低可調(diào)彈性支座及細(xì)石混凝土底座等組成,如圖4、圖5所示。

        圖4 高低可調(diào)式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)模型

        圖5 高低可調(diào)式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意

        該結(jié)構(gòu)在底座板與道床板之間設(shè)置可調(diào)支座,預(yù)制板與限位凸臺(tái)之間采用樹(shù)脂材料填充,在基礎(chǔ)錯(cuò)位量超過(guò)扣件調(diào)整能力時(shí),可采用支座對(duì)高程進(jìn)行調(diào)整、采用樹(shù)脂材料對(duì)平面位置進(jìn)行微調(diào)。

        相比于現(xiàn)有無(wú)砟軌道,該結(jié)構(gòu)具備易調(diào)整、可維修的能力,且運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修工作量與現(xiàn)有無(wú)砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)檢算階段,后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機(jī)選用。

        (4)梁式無(wú)砟軌道

        針對(duì)川藏鐵路實(shí)際工程環(huán)境條件,結(jié)合活動(dòng)斷層的活動(dòng)特征,提出了一種梁式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、梁式軌道板、支座系統(tǒng)、支撐墊石等部分組成,如圖6、圖7所示。

        圖6 梁式無(wú)砟軌道平面

        圖7 梁式無(wú)砟軌道縱斷面

        該結(jié)構(gòu)采用梁式點(diǎn)支承軌道板結(jié)構(gòu)代替既有的連續(xù)面支承軌道結(jié)構(gòu)體系,在基礎(chǔ)工程變形后,一方面可以通過(guò)扣件和支座系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間變形的快速便捷調(diào)整,增加基礎(chǔ)變形后軌道的調(diào)整方式和調(diào)整量,另一方面,在基礎(chǔ)出現(xiàn)大變形時(shí),可以通過(guò)對(duì)可調(diào)式支座支撐墊石的快速鑿除、恢復(fù),實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的快速、便捷、低成本修復(fù)。

        該結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修量小,且可根據(jù)基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)量分別通過(guò)扣件、支座和支撐墊石實(shí)現(xiàn)三級(jí)空間調(diào)整,調(diào)整修復(fù)簡(jiǎn)單便捷,調(diào)整能力大。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)檢算階段,后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機(jī)選用。

        綜合以上分析可以看出,上述方案中裝配式聚氨酯固化道床和短板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理念均是將道床設(shè)計(jì)為小單元預(yù)制結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)出現(xiàn)較大錯(cuò)動(dòng)后采用道床進(jìn)行調(diào)整,相比于普通無(wú)砟軌道采用道床或線下基礎(chǔ)調(diào)整的方式較為簡(jiǎn)單;高低可調(diào)式無(wú)砟軌道及梁式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理念均為采用點(diǎn)支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面支撐,基礎(chǔ)出現(xiàn)較大錯(cuò)動(dòng)后通過(guò)點(diǎn)支撐快速調(diào)整。下一步將對(duì)上述方案進(jìn)行深化研究,并根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試情況最終選擇適用于本項(xiàng)目工程環(huán)境條件及活動(dòng)斷層區(qū)域的新型軌道結(jié)構(gòu)形式。

        3 結(jié)語(yǔ)

        川藏鐵路昌都至林芝段沿線構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,活動(dòng)斷層分布段落多,局部采用有砟軌道存在養(yǎng)護(hù)維修難度大的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題,結(jié)合本項(xiàng)目沿線工程與環(huán)境特征,探明了川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求?;趯?duì)既有不良地質(zhì)區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況的調(diào)研、分析與總結(jié),提出4種川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,分析了不同設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并明確了其調(diào)整修復(fù)方式,凝練出活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,為活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)深化研究指明了方向,也為川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。得出的主要結(jié)論如下。

        (1)川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備易調(diào)整、可維修、少維護(hù)的基本功能需求。

        (2)現(xiàn)有不良地質(zhì)區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)形式均不適用本項(xiàng)目工程環(huán)境條件或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)進(jìn)行適用于本項(xiàng)目活動(dòng)斷層區(qū)域的新型軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)。

        (3)川藏鐵路活動(dòng)斷層區(qū)域可采用基于道床結(jié)構(gòu)小單元化或基于點(diǎn)支撐設(shè)計(jì)理念的軌道設(shè)計(jì)方案,后續(xù)可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各方案調(diào)整、維修的便捷性進(jìn)行綜合評(píng)估并擇優(yōu)選用。

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