高增增

（中國鐵路設計集團有限公司 線路站場樞紐設計研究院，天津 300308）

1 概況

活動斷裂帶在我國分布廣泛，隨著我國高鐵建設的大規(guī)模開展，已有部分線路跨越活動斷裂帶影響范圍。我國對活動斷裂帶區(qū)域鐵路選線主要通過對活動斷裂帶的活動特征、年代、走滑等進行分析，評估對鐵路工程的影響，提出通過活動斷裂帶的最佳方式、位置、工程設置類型及所采取的防護措施。主要設計原則為：線路應盡量繞避活動斷裂帶，必須跨越活動斷裂帶時，應選擇穩(wěn)定性相對較好地段或巖質較硬區(qū)域通過。線路不宜在活動斷層上盤迂回展線，工程盡可能設置于下盤。

受活動斷裂帶影響，隧道仰拱等下部結構易隨基礎發(fā)生變形或錯動，因此要求軌道結構應具有一定的變形調整能力及快速修復能力，能夠在隧道仰拱等下部結構發(fā)生變形時，通過軌道結構調整，保證線路的平、縱斷面和幾何線形滿足要求［1］。

TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)定：“對于活動斷裂帶、地面嚴重沉降區(qū)、凍結深度較大且地下水位較高的季節(jié)凍土區(qū)以及深厚層軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質條件，不應采用無砟軌道”；TB 10082—2017《鐵路軌道設計規(guī)范》規(guī)定：“活動斷裂帶、地面嚴重沉降區(qū)、凍結深度較大且地下水位較高的季節(jié)凍土區(qū)及深厚層軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質條件地段，宜采用有砟軌道”；鐵路工程設計措施優(yōu)化指導意見（鐵總建設〔2013〕103號）規(guī)定：“活動斷裂帶、地面嚴重沉降區(qū)、凍結深度較大且地下水位較高的季節(jié)性凍土區(qū)及深厚軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質條件地段，不應采用無砟軌道結構”。

2 軌道結構選型

2.1 選型原則

活動斷裂帶斷層發(fā)生運動時，會造成隧道仰拱等下部結構發(fā)生橫向和（或）垂向錯動，從而引發(fā)軌道結構發(fā)生變形、傷損和軌道平順性超限，影響行車舒適性，嚴重時影響行車安全。為盡量減小活動斷裂帶影響，活動斷裂帶范圍軌道結構選型應遵循以下原則［2-3］：

（1）結構安全可靠：即軌道結構選型的基本原則。

（2）較強的適應性：軌道結構應盡量與線下基礎變形相協(xié)調，避免過大的變形能積聚于軌道結構，造成軌道結構傷損。

（3）足夠的幾何調整能力：當斷層隨時間發(fā)生蠕變導致軌道變形時，軌道結構可快速調整，保證線路的平、縱斷面和軌道平順性滿足要求。

（4）施工簡單方便、可修復性較好：當線下基礎變形較大，無法通過扣件調整恢復軌道平順性時，軌道結構應具備通過自身結構特點調整達到快速修復的能力。

2.2 有砟軌道

有砟軌道彈性好，在一定的維修質量條件下，具有較好的輪軌接觸效應；軌道結構形式簡單，便于養(yǎng)護維修，工程造價相對較低；且減振、降噪效果較好。但是，有砟軌道受其自身結構特點影響，不利于保持軌道結構的幾何形位，道砟易磨損，養(yǎng)護維修工作量大，特別是在工務養(yǎng)護作業(yè)難度大的長大隧道內。受活動斷裂帶影響，下部基礎易發(fā)生變形或錯動，導致軌道結構變形，有砟軌道道床為碎石散粒結構，可通過調整道床厚度恢復軌道平順性。有砟軌道具有變形適應性強、調整量大、易修復性等特點，應作為活動斷裂帶范圍首選的軌道結構形式。在設計時速250 km及以下的線路，應優(yōu)先采用有砟軌道。

京唐城際鐵路北京—大廠設計時速200 km，跨越夏墊斷裂帶。為減小活動斷裂帶影響，下部基礎采用路基結構，軌道結構形式采用有砟軌道。大張高鐵設計時速250 km，天鎮(zhèn)—陽高盆地北緣斷裂與大張鐵路相交于大梁山隧道出口段內，為減少該活動斷裂帶的不利影響，線路跨越活動斷裂帶段前后200 m范圍，應優(yōu)先采用有砟軌道。

當列車以時速300 km及以上運行時，有砟軌道將面臨道砟粉化和道砟飛濺兩大難題。研究表明，采取降低道床砟肩堆高、道床表面設置大顆粒道砟等技術措施，可有效防止高速列車運行下道砟飛濺現(xiàn)象。在合福高鐵巢湖東站地基沉降嚴重地段鋪設了有砟軌道，為適應時速300 km列車運營要求，在《高速鐵路設計規(guī)范》有砟軌道結構標準基礎上進行優(yōu)化，取消堆肩堆高、表面鋪設大顆粒道砟、清除散落在軌枕頂面和鋼軌軌底表面道砟顆粒等，在聯(lián)調聯(lián)試期間，列車運行時速最高達328 km，未發(fā)生道砟飛濺。

2.3 無砟軌道

相對于有砟軌道，無砟軌道的結構整體性強，穩(wěn)定性好，養(yǎng)護維修工作量和維修成本大幅度減少。但受扣件調高量限制，無砟軌道在線路水平、高低與方向上的調整量十分有限，下部基礎技術要求非常高，因此其初期建設成本高于有砟軌道。同時，無砟軌道軌道彈性較差，振動、噪聲較大，工程造價較高。受活動斷裂帶影響，下部基礎易發(fā)生變形或錯動導致軌道結構變形，一般只能通過扣件調整。無砟軌道扣件主要有WJ-7型和WJ-8型，扣件調整能力有限。如WJ-8型扣件，標準扣件橫向調整量為±5 mm，垂向調整量為-4 mm、+26 mm。特殊調整扣件最大橫向調整量為±15 mm，垂向調整量為-10 mm、+60 mm（鋼軌垂向調整量超過40 mm時應限速200 km/h及以下運營）。特殊調整扣件在運營線路維修時采用，鋪設后一般情況下使用時間為3年，超過3年進行專項評估。

2.3.1 結構特點

我國高速鐵路無砟軌道類型主要有CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式無砟軌道和CRTS雙塊式無砟軌道等（見圖1），其結構特點各有不同［4-6］。

（1）CRTSⅠ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-7型扣件、預制Ⅰ型預應力軌道板、水泥乳化瀝青砂漿調整層、鋼筋混凝土底座、凸形擋臺及其周圍填充樹脂等組成。軌道為單元結構，軌道板采用雙向后張法預應力混凝土結構，避免了表面裂縫的發(fā)生，可適于東北嚴寒地區(qū)。簡明層狀體系拼裝式設計，軌道系統(tǒng)力學模型清晰、傳力明確?？删S修性好，在軌道板破壞等特殊情況下，能通過采用樹脂砂漿等措施在天窗時間內修復。

（2）CRTSⅡ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件、預制Ⅱ型單向先張法預應力軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層及支承層（鋼筋混凝土底座）等部分組成。軌道為縱連結構，軌道板端部變形小，結構整體性好。無砟軌道結構易出現(xiàn)裂縫，后期增加養(yǎng)護維修工作量。對嚴寒、寒冷地區(qū)的適應性較差。由于軌道板及橋上底座縱向連續(xù)貫通，底座易出現(xiàn)裂紋，軌道結構修復復雜。

（3）CRTSⅢ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件、預制Ⅲ型先張法預應力軌道板、配筋的自密實混凝土層、限位凸形擋臺、土工布隔離層和鋼筋混凝土底座等部分組成。軌道結構簡單、傳力明確，便于施工，避免由于結構復雜造成工程質量不易控制。軌道結構各層匹配，無明顯薄弱環(huán)節(jié)，保證軌道結構的耐久性。軌道為單元結構，軌道板采用雙向先張法預應力結構，避免表面裂縫的發(fā)生，可適于東北嚴寒地區(qū)。采用單元結構，可維修性好。

（4）CRTS雙塊式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件（WJ-7型扣件）、SK-2型雙塊式軌枕（SK-1型雙塊式軌枕）、現(xiàn)澆道床板、鋼筋混凝土底座（支承層）等組成。軌道結構簡單、傳力明確，便于施工，避免由于結構復雜造成工程質量不易控制。無砟軌道結構易出現(xiàn)裂縫，后期增加養(yǎng)護維修工作量。對嚴寒、寒冷地區(qū)的適應性較差。一般情況路、隧地段軌道結構縱連，可修復性差，橋梁地段采用單元式結構。路、隧地段軌道結構也可采用單元式結構?，F(xiàn)場混凝土澆筑量大，施工質量不易控制，施工工效低。

不同類型無砟軌道結構特點對比見表1。

表1 不同類型無砟軌道結構特點對比

對于CRTSⅡ型板式無砟軌道與路隧地段CRTS雙塊式無砟軌道為連續(xù)結構，下部基礎發(fā)生變形會造成軌道結構開裂或拱起，軌道結構養(yǎng)護維修工作量較大，適應性相對較差。CRTS雙塊式無砟軌道現(xiàn)場混凝土澆筑量大，施工質量不易控制。CRTSⅠ、Ⅲ型板式無砟軌道在路橋隧地段均采用單元結構，具有較好的修復性；CRTS雙塊式無砟軌道在跨越活動斷裂帶范圍優(yōu)先采用單元式結構［7-10］。

津秦高鐵設計時速350 km，跨越盧龍斷裂范圍灤河特大橋采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構?？紤]斷裂帶影響，無砟軌道在斷裂帶處40#墩上方梁面與底座間不設剪力齒槽，取消CRTSⅡ型板式無砟軌道與橋梁固定支座的固結，軌道結構配筋適度加強。

2.3.2 下部基礎變形整治

下部基礎水平變形超過特殊扣件調整能力時，結合線路、路基、隧道和橋梁等專業(yè)制定綜合調整措施：

（1）調線調坡。對測量數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)高速鐵路線路水平、高低與方向的調整量限值要求，進行縱斷面調整。根據(jù)既有運營高速鐵路縱斷面調整經驗，最小坡長不低于200 m，困難條件下可以降低標準，但應保證前1個豎曲線與后1個豎曲線不重疊。最小豎曲線半徑Rsh≥0.4v2，豎曲線不受圓曲線及緩和曲線的限制，原變坡點豎曲線半徑采用原設計值。

（2）橋梁支座調整。橋梁優(yōu)先采用簡支梁跨越活動斷裂帶，豎向變形主要通過軌道扣件和橋梁調高支座調整，采用在梁底增設鋼墊板的形式調高，調高量為0~60 mm。

（3）路基注漿抬升。采用高壓注漿設備將具有良好充盈性、快速凝結性及膨脹性等特點的高聚物注膠材料注入無砟軌道底座板下的級配碎石中，利用注漿壓力及漿體的膨脹力，對上部軌道結構進行快速、可控地抬升，無砟軌道抬升至設計高程處采用早強、高強度的聚合物填充砂漿對抬升后產生的空隙進行完全填充，以保證軌道結構基礎穩(wěn)定，有足夠的承載力，確保行車安全。無砟軌道注漿抬升是一種較成熟的路基沉降整治方案。

（4）無砟軌道繩鋸糾偏。無砟軌道繩鋸糾偏主要用于既有線無砟軌道病害整治，該方案主要通過繩鋸切割無砟軌道，抬升或側推恢復軌道線路平順性，再恢復無砟軌道結構。該方案操作簡單、施工速度快、對線路行車干擾小、但投資較高。

2.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是利用聚氨酯材料將散體道砟粘結起來，以增強軌道結構的彈性、整體性和穩(wěn)定性，減少道砟粉化，尤其針對隧道、橋梁下部基礎剛度較大的地段（見圖2）。與有砟軌道散粒體結構不同，聚氨酯固化道床是固結的整體結構，在列車沖擊、振動荷載作用下，道砟顆粒之間沒有相對擠壓、錯動和殘余變形，碎石顆粒之間的空隙被處于壓縮狀態(tài)的膨化氨酯所包裹和填充，起到緩沖作用，減小了碎石顆粒接觸點（面）的接觸應力，延緩了高速行車條件下道砟顆粒的破碎和粉化，延長了有砟道床使用壽命，減少了養(yǎng)護維修工作量。

圖2 聚氨酯固化道床結構模型

聚氨酯固化道床采用的彈條Ⅴ型扣件，進行調高作業(yè)時，在軌下墊板與混凝土軌枕承軌面間墊入調高墊板實現(xiàn)鋼軌高低調整。其中，普通型最大調高量為10 mm，橫向調整量為4 mm；彈條V型大調整量扣件的調整量為+11~+50 mm，橫向調整量為4 mm。當調高量大于上述扣件調高量時，需采用抬高軌枕的方法加以維修。將軌枕起至所需軌面標高后，枕底和聚氨酯泡沫固化道床頂面之間出現(xiàn)間隙，間隙內填入道砟，在補充道砟內灌注維修材料，使固化道床新舊結合面及軌枕粘結一體。抬高軌枕維修是一種非常規(guī)維修措施，在工程中的應用還需進一步研究。聚氨酯固化道床施工和養(yǎng)護比較復雜，需要專用設備。

聚氨酯固化道床是一種新型的軌道結構形式，已在相關工程中得到應用，如設計時速350 km的滬昆高鐵，在北盤江特大橋采用聚氨酯固化道床，其聯(lián)調聯(lián)試時速330 km、運營時速300 km；設計時速350 km的濟青高鐵，在DK209+120—DK212+650里程段穿越沂沭斷裂帶安丘—莒縣斷裂，該斷裂范圍采用聚氨酯固化道床，為防止道砟飛濺，道床表面噴涂道砟膠；設計時速300 km的連徐鐵路，采用聚氨酯固化道床，表面設置大顆粒道砟等技術措施，防止了道砟飛濺現(xiàn)象。

3 結論與建議

（1）針對高速鐵路跨越活動斷裂帶特點，對軌道結構選型進行研究，有砟軌道具有變形適應性強、調整量大、易修復等特點，設計時速250 km及以下線路，優(yōu)先采用有砟軌道。

（2）設計時速300 km及以上線路，為保證全線無砟軌道結構形式統(tǒng)一，在活動斷裂帶范圍可采用單元式的無砟軌道結構；為避免下部變形對軌道結構的影響，軌道結構配筋適度加強。運營期間，當下部基礎變形超過扣件調整能力時，可采取調線調坡、橋梁支座調整、路基注漿抬升等技術措施進行整治。聚氨酯固化道床是一種新型軌道結構形式，工程實踐中的應用還需要進一步的研究。

（3）目前，常用的無砟軌道結構扣件最大調高量一般不超過70 mm，最大橫向調整量在15 mm以內，有必要研究一種新型大調整量無砟軌道扣件系統(tǒng)。

（4）結合活動斷裂帶活動強度和特點，開展線路、橋梁、路基、地質和軌道多專業(yè)專項研究，并采取相應措施，對無砟軌道和下部基礎結構進行特殊設計。對于下部基礎設計，應采取預留調整措施。