蔡向輝，張 岷，唐文國，劉啟賓，褚衛(wèi)松，張生延

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.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; 3.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司,蘭州 730000)

2022年1月8日門源發(fā)生6.9級地震,震源深度10 km,震中距某線垂直距離約4.5 km。該線在K1971+400附近以隧道結(jié)構(gòu)穿越冷龍嶺斷裂帶,線路與斷裂帶交角約67°,地震后以斷裂帶為界,北段呈西北向位移,南段呈東南向位移,形成約2.36 m的相對錯位;同時線形總體呈北(大里程)降南升的趨勢變化,在斷層附近形成高差約40 cm錯臺,是我國高速鐵路首次遭遇的強(qiáng)震作用下嚴(yán)重受災(zāi)事件[1]。

根據(jù)國家地震局2022年1月11日發(fā)布的《青海門源6.9級地震烈度圖》,該線K1967+418～K1973+718段為9度烈度區(qū),也是本次震后排查受損最嚴(yán)重地段,沿線主要分布A隧道(K1965+525～K1972+093)、B隧道(K1972+365～K1981+874)和C橋(K1972+093～K1972+365)。強(qiáng)震造成該段A隧道內(nèi)穿越斷層二襯坍塌,C橋梁體移位、接觸網(wǎng)脫落等基礎(chǔ)、設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞,并伴隨鋼軌折斷、扣件脫落、道床傾斜等軌道震害。

1 軌道傷損情況

強(qiáng)震發(fā)生并誘發(fā)活動斷裂帶發(fā)生斷層運(yùn)動時,會帶動隧道仰拱和橋梁結(jié)構(gòu)等線下構(gòu)筑物水平和垂向錯動。隧道內(nèi)無砟軌道與仰拱間通過植筋連接,上下盤錯動時,軌道結(jié)構(gòu)隨基礎(chǔ)的錯動變形呈現(xiàn)局部與仰拱回填層脫空、空間扭曲、道床板破壞等災(zāi)害形態(tài)[2],如圖1所示。同時,基礎(chǔ)縱向錯動會導(dǎo)致軌枕與鋼軌瞬間出現(xiàn)較大縱向力,兩者間未能及時滑移釋放,引起單元道床間伸縮縫拉裂、道床板出現(xiàn)裂紋甚至局部破損等情況[3-5]。

在橋梁段,由于地震作用下相鄰橋梁梁端變形幅度、方向未能協(xié)同一致,造成梁端相鄰兩塊道床板發(fā)生較大橫向錯位,鋼軌、軌枕承受較大橫向力,導(dǎo)致梁端部分軌枕擋肩破損;同時梁體移位、掉落至墩頂凹槽內(nèi)加劇了相鄰梁體間道床板脫離底座板,鋼軌扭曲,并引發(fā)1處鋼軌折斷[6-9],如圖2所示。

圖2 橋上軌道破壞形態(tài)

2 震后重建方案

2.1 余滑變形預(yù)測

根據(jù)地震安評成果,本次門源地震冷龍嶺斷裂為發(fā)震斷裂,已經(jīng)產(chǎn)生了地表破裂,對工程線路造成了嚴(yán)重破壞。由于此次地震造成相鄰未破裂段的應(yīng)力加載,從而使其地震發(fā)生時間提前,因此,冷龍嶺斷裂仍存在發(fā)生地表位錯破裂的可能,對線路和附近工程建筑有影響,需要進(jìn)行設(shè)防。同時,震后余滑是震后地殼形變最主要的機(jī)制,綜合分析本項(xiàng)目整治工程完成后剩余最大水平余滑量150～300 mm,最大垂直余滑量約100 mm,持續(xù)時間在3年左右,最終趨于穩(wěn)定[10-12]。結(jié)合原勘察資料、建設(shè)期間施工揭示、震后地表裂縫、洞內(nèi)破壞程度和本次復(fù)舊整治施工揭示綜合分析,判定K1971+385～K1971+680段為斷層帶,K1971+188～K1971+385、K1971+680～K1971+815段為斷層影響帶,如圖3所示,即需對K1971+188～K1971+815段(均位于A隧道內(nèi))進(jìn)行余滑變形設(shè)防。

圖3 斷層分布

2.2 基礎(chǔ)工程重建方案

結(jié)合震后結(jié)構(gòu)破壞調(diào)查資料和線路復(fù)測情況,整治工程中采取在線位破壞嚴(yán)重段落利用一組R=16 000 m反向曲線擬合的方案;并對斷裂帶破壞段襯砌進(jìn)行拆除重建,增設(shè)60 mm厚減震消能層,并預(yù)留70 cm變形空間以應(yīng)對后期余滑變形;同時,根據(jù)梁、墩檢測結(jié)果,對橋梁基礎(chǔ)及梁體拆除重建,新建橋梁設(shè)置回形鋼耗能雙曲面支座,并取消墩頂凹槽,加強(qiáng)防落梁設(shè)計(jì)。

2.3 軌道重建方案

軌道結(jié)構(gòu)形式的選擇需綜合考慮本段工程、環(huán)境特點(diǎn)并滿足余滑設(shè)防要求[13]。有砟軌道相比無砟軌道易于調(diào)整軌道幾何形位,能適應(yīng)設(shè)防段基礎(chǔ)余滑變形的要求,但高速鐵路有砟軌道存在軌道幾何形位保持能力差、日常運(yùn)營維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)[14],特別是該段地處海拔較高區(qū)域,自然環(huán)境惡劣,基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修困難,不便于鋪設(shè)有砟軌道;既有無砟軌道主要通過WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件進(jìn)行幾何形位調(diào)整[15],特殊調(diào)整扣件水平調(diào)整能力最大僅15 mm,當(dāng)基礎(chǔ)變形超出扣件調(diào)整能力后雖然可通過切割無砟道床/支承層、無砟道床與線下基礎(chǔ)間注漿、橫向頂推糾偏等方式進(jìn)行調(diào)整[16-17],但線路需限速運(yùn)營,且整治周期長、經(jīng)濟(jì)代價大、工程風(fēng)險高。因此,需研究一種隧道內(nèi)大調(diào)整量無砟軌道結(jié)構(gòu),以適應(yīng)本段后期潛在余滑變形,并減少后期養(yǎng)護(hù)工作量,即A隧道和B隧道內(nèi)除K1971+188～K1971+815設(shè)防區(qū)段研究鋪設(shè)大調(diào)整量無砟軌道外,其余地段仍采用原雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)[18],對于雙塊式無砟軌道后期局部上拱風(fēng)險較高段落,采用扣件預(yù)墊高的方式施工,以增大運(yùn)營期扣件負(fù)調(diào)整量。

C橋位于斷裂帶及影響區(qū)以外,通過震后穩(wěn)定性監(jiān)測,評估基礎(chǔ)工程穩(wěn)定,且該橋已根據(jù)最新確定的地震等級采用全部新建方案,并采用了抗震支座,取消了墩臺頂部凹槽等加強(qiáng)防落梁設(shè)計(jì)。因此,橋上仍采用原“道床板+底座板”雙層雙塊式無砟軌道設(shè)計(jì)方案。

3 大調(diào)整量無砟軌道

結(jié)合無砟軌道結(jié)構(gòu)可從扣件(配套軌枕)和道床兩個方面進(jìn)行軌道幾何形位調(diào)整的特性出發(fā),確定大調(diào)整量無砟軌道研究原則如下。

(1)優(yōu)先選用目前高鐵建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)中的無砟軌道及配套扣件等成熟技術(shù),軌道結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)接口宜保持一致。

(2)軌道幾何形位主要通過扣件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,即滿足無砟軌道安全服役的前提下增大扣件調(diào)整能力。

(3)應(yīng)考慮無砟軌道幾何形位發(fā)生較大變化或軌道結(jié)構(gòu)破壞時,在天窗時間內(nèi)修復(fù)的可行性。

3.1 大調(diào)整量扣件

我國高速鐵路既有成熟WJ-8型扣件單股鋼軌左右位置調(diào)整量為±5 mm,鋼軌高低位置調(diào)整量為-4～+26 mm。WJ-8型特殊調(diào)整扣件通過增設(shè)2號、12號軌距擋板(標(biāo)準(zhǔn)WJ-8型扣件含4號、7號、10號)和6號、12號絕緣軌距塊(標(biāo)準(zhǔn)WJ-8型扣件含7號、8號、9號、10號、11號),單股鋼軌左右位置調(diào)整量達(dá)到±8 mm;通過更換鐵墊板和增設(shè)鋼制調(diào)高墊板,鋼軌高低位置調(diào)整量達(dá)到-10～+60 mm,但無法滿足運(yùn)營期余滑變形調(diào)整要求,且因調(diào)整量超過40 mm后,WJ-8型特殊調(diào)整扣件已超出混凝土擋肩高度,不利于扣件系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此,在采用WJ-8型特殊調(diào)整扣件調(diào)高量超出40 mm時需限速200 km/h及以下運(yùn)營[19-20]。

結(jié)合本次震后線下基礎(chǔ)和道床結(jié)構(gòu)傷損情況,在變形量達(dá)到一定量值后,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行加固處理,同時扣件調(diào)整量過大,相應(yīng)零部件種類繁多、加工精度要求高、組裝繁瑣,且不利于扣件系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此,推薦本次大調(diào)整量無砟軌道系統(tǒng)左右位置的調(diào)整能力不低于±150 mm,高低調(diào)整能力不低于-24～+100 mm;當(dāng)變形超出以上調(diào)整量后,可通過既有成熟繩鋸切割工藝進(jìn)行道床結(jié)構(gòu)幾何形位大調(diào)整?；诒揪€既有扣件為WJ-8/Vossloh300型扣件,考慮線路的剛度匹配和后期養(yǎng)護(hù)維修便利,大調(diào)整量扣件上部仍沿用原WJ-8型扣件系統(tǒng),并增加鐵承軌臺以增大鋼軌高低調(diào)整量,增設(shè)調(diào)距塊(級差6 mm)和三聯(lián)套管(級差75 mm)用以增大鋼軌左右位置調(diào)整量,即“三孔連體承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件”,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件

當(dāng)余滑水平形變未超出5 mm時,通過既有WJ-8型扣件調(diào)整;當(dāng)余滑水平變形量超過5 mm但小于77 mm時,通過更換不同號碼調(diào)距塊可實(shí)現(xiàn)72 mm調(diào)整,配合WJ-8型扣件,實(shí)現(xiàn)不大于77 mm調(diào)整量;當(dāng)余滑水平變形量超過77 mm但小于152 mm時,通過移動錨固螺栓孔至鄰孔,可實(shí)現(xiàn)75 mm調(diào)整,配合調(diào)距塊和WJ-8型扣件,實(shí)現(xiàn)不大于152 mm調(diào)整量。

當(dāng)余滑高程形變未超出-4～+26 mm時,按既有WJ-8型扣件調(diào)整方式,即更換軌下墊板、增設(shè)軌下或板下調(diào)高墊板;當(dāng)余滑高程形變超出-4～+26 mm時,上盤通過抽除扣件承軌臺鐵墊板下預(yù)設(shè)墊板(20 mm),配合WJ-8型扣件更換軌下墊板厚度,實(shí)現(xiàn)不大于-24 mm高程調(diào)整量;下盤通過增設(shè)承軌臺鐵墊板下墊板、更換承軌臺鐵墊板,實(shí)現(xiàn)不大于100 mm高程調(diào)整量,調(diào)高100 mm狀態(tài)的承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件見圖5。

圖5 承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件調(diào)高100 mm狀態(tài)

3.2 三孔連體套管桁架式長枕

桁架式長枕充分借鑒既有岔區(qū)埋入式長枕成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),采用預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲先張于C60混凝土結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)尺寸為2 900 mm(長)×260 mm(寬)×130 mm(高),見圖6。采用 6 根φ14 mm 螺紋鋼筋與4根φ8 mm 波紋鋼筋組成鋼筋桁架,露出在混凝土截面的下方,加強(qiáng)與無砟道床間連接。軌枕中預(yù)埋三孔連體套管,并在套管周邊設(shè)置5根矩形φ5 mm低碳冷拔鋼絲網(wǎng)以提升套管位置處軌枕的強(qiáng)度,加強(qiáng)扣件預(yù)埋套管與軌枕之間的連接。

圖6 桁架式長枕(單位:mm)

3.3 道床預(yù)留調(diào)整方案

普通長枕埋入式無砟軌道在隧道地段一般為單層道床結(jié)構(gòu),桁架式長枕澆筑于道床之中,長枕上螺栓孔固定,僅能通過扣件的軌距擋板或鐵墊板調(diào)整。鑒于長枕上螺栓孔約束了線位的調(diào)整空間,本方案擬通過桁架式長枕上預(yù)埋連體套管的方式實(shí)現(xiàn)橫向大調(diào)整能力,即配套采用承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件,并考慮預(yù)留基礎(chǔ)變形超出扣件調(diào)整后的切割抬升、落道或糾偏的方案條件,見圖7。

圖7 桁架式長枕單層道床效果

大調(diào)整量無砟軌道采用單元式結(jié)構(gòu),采用C40鋼筋混凝土直接澆筑于隧道仰拱回填層上,道床板長5 900 mm(隧道設(shè)防段為6m節(jié)段)、寬3 300 mm、厚475 mm,板間設(shè)100 mm伸縮縫。道床板上部雙層配筋,下部預(yù)留φ30 mm切割孔道。該結(jié)構(gòu)方案力學(xué)體系、施工工法等均與既有岔區(qū)無砟軌道相同,基礎(chǔ)變形后可通過扣件系統(tǒng)和預(yù)留孔切割兩種方式進(jìn)行調(diào)整,滿足后期余滑變形調(diào)整需求。

4 大調(diào)整量無砟軌道鋪設(shè)范圍分析

為滿足線路運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)基礎(chǔ)變形情況,在K1971+271～K1971+793段增設(shè)了一對反向曲線順接擬合。當(dāng)基礎(chǔ)錯動變形較小時,首先根據(jù)線路平順度標(biāo)準(zhǔn)通過扣件系統(tǒng)進(jìn)行順接調(diào)整;當(dāng)基礎(chǔ)錯動變形較大時,整治工作應(yīng)首先重新擬合線路中線,再對軌道進(jìn)行撥移順接[21]。

根據(jù)地質(zhì)預(yù)測,未來發(fā)生的變形主要為斷裂帶水平錯動余滑。由于未來錯動位置及上下盤分別錯動幅值不可預(yù)估,根據(jù)上文,K1971+385～K1971+680段為斷層帶,分別按上下盤出現(xiàn)單邊平行錯位300 mm及兩側(cè)平均錯動150 mm三種工況進(jìn)行線路平面擬合分析。

(1)小里程端K1971+385處偏移300 mm:曲線最外側(cè)直緩點(diǎn)需分別外移9.6,9.8 m;

(2)大里程端K1971+680處偏移300 mm:曲線最外側(cè)直緩點(diǎn)需分別外移9.6,9.7 m;

(3)中點(diǎn)處兩側(cè)分別偏移150 mm:曲線最外側(cè)直緩點(diǎn)需分別外移9.5,9.8 m。

可見,當(dāng)活動斷裂帶上下盤總錯動量最大值300 mm時,擬合后曲線調(diào)整范圍及幅值基本一致,均為最外側(cè)直緩點(diǎn)外移約10 m。余滑雙邊各錯動150 mm擬合示意如圖8所示。

圖8 預(yù)測變形后擬合示意

當(dāng)錯動面位于斷裂帶兩端K1971+385和K1971+680時所對應(yīng)的大調(diào)整量無砟軌道設(shè)置范圍最大,此時,不同段落對應(yīng)軌道應(yīng)具備的最小調(diào)整能力如圖9所示。

圖9 不同錯動面變形后撥距示意

將不同錯動面變形后線路擬合撥距包絡(luò)統(tǒng)計(jì),如表1所示。可知,理論上僅需在K1971+333～K1971+731段范圍采用“三孔連體套管承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案;在K1971+278～K1971+333和K1971+731～K1971+786范圍采用“單孔套管承軌臺可調(diào)式WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案即可。但考慮該范圍僅為線路擬合調(diào)整范圍,鑒于本次地震強(qiáng)度大,破壞范圍廣,震后余滑持續(xù)時間長,變形量大,且余滑變形錯動位置、上下盤變形幅值及變形形態(tài)均具有不確定性,為避免大調(diào)整量無砟軌道與兩側(cè)普通無砟軌道調(diào)整能力差距較大,造成無法順接調(diào)整的情況,大調(diào)整量無砟軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)范圍應(yīng)在包含活動斷裂帶破壞區(qū)K1971+385～K1971+680及擬合后反向曲線K1971+261～K1971+803基礎(chǔ)上,結(jié)合斷裂帶影響區(qū)K1971+188～K1971+385和K1971+680～K1971+815綜合確定,即K1971+188～K1971+815段采用“改進(jìn)型WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案。

表1 不同錯動面變形后撥距包絡(luò)統(tǒng)計(jì)

5 運(yùn)營期調(diào)整順接方式

本次設(shè)計(jì)的“改進(jìn)型WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”的大調(diào)整量無砟軌道結(jié)構(gòu)方案在活動斷裂帶余滑變形過程中分級調(diào)整的主要方式如下。

(1)當(dāng)線下基礎(chǔ)工程橫向錯動變形小于152 mm時,采用扣件精調(diào)并配合線路平面擬合的方式進(jìn)行調(diào)整。

(2)當(dāng)線下基礎(chǔ)工程橫向錯動變形大于152 mm時,采用局部道床板切割糾偏并配合扣件精調(diào)及線路擬合的方式進(jìn)行調(diào)整,切割糾偏前將扣件恢復(fù)至初始狀態(tài),為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后續(xù)可能出現(xiàn)的持續(xù)錯動預(yù)留調(diào)整空間。

(3)線下基礎(chǔ)工程垂向錯動可采用扣件精調(diào)并配合線路縱斷面擬合的方式進(jìn)行調(diào)整。

6 結(jié)語

高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)對線下基礎(chǔ)變形的適應(yīng)性好,但軌道幾何形位保持能力差、日常運(yùn)營維護(hù)工作量大,不適合鋪設(shè)于高海拔、自然環(huán)境惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修困難地段;既有成熟無砟軌道主要通過WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件進(jìn)行幾何形位調(diào)整,調(diào)整能力無法滿足本線震后余滑變形的要求。在既有成熟的WJ-8型扣件和桁架式長枕基礎(chǔ)上,通過增設(shè)鐵承軌臺、調(diào)距塊和三聯(lián)套管等部件可提升扣件單股鋼軌左右位置調(diào)整量達(dá)152 mm,同時通過在長枕埋入式單層道床中預(yù)留切割孔,便于在運(yùn)營期基礎(chǔ)變形超出扣件能力后通過切割糾偏措施以恢復(fù)線路平順性。在對余滑變形進(jìn)行線路擬合后獲得撥距包絡(luò)表,獲得了大調(diào)整量無砟軌道鋪設(shè)范圍。該研究方法和設(shè)計(jì)方案可為活動斷裂帶或基礎(chǔ)不良地區(qū)軌道結(jié)構(gòu)選型、設(shè)防范圍研究提供參考。