青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征與無縫線路鋪設(shè)可行性評價

趙相卿，熊治文，韓龍武，程佳，唐彩梅，楊永鵬

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000;2.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海格爾木816000)

青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征與無縫線路鋪設(shè)可行性評價

趙相卿1，2，熊治文1，2，韓龍武1，2，程佳1，2，唐彩梅1，2，楊永鵬1，2

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州730000;2.青海省凍土與環(huán)境工程重點實驗室，青海格爾木816000)

通過對青藏鐵路長期監(jiān)測系統(tǒng)及鐵路多年凍土區(qū)其他路基變形監(jiān)測資料的分析，得到了運營以來青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征。通過對路基—軌道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究，得到了路基變形條件下的路基—軌道變形相關(guān)關(guān)系，并結(jié)合路基—軌道運營養(yǎng)護維修標準，提出了以路基變形量大小為指標的青藏鐵路多年凍土區(qū)無縫線路鋪設(shè)可行性評價方法，將青藏鐵路多年凍土區(qū)路基按年沉降量大小劃分為適宜、基本適宜和不宜輔設(shè)無縫線路路段。

青藏鐵路 多年凍土 路基工程 無縫線路

青藏鐵路格拉段沿線自然條件惡劣，存在低溫寒冷、大氣含氧量低、紫外線輻射強、日溫差變化大等諸多不利因素，線路運營維修條件極差。在技術(shù)可行地段鋪設(shè)無縫線路，可以提高客運舒適度、行車速度，減少線路維修工作量，降低運營成本，提高運輸效率。目前國內(nèi)外關(guān)于無縫線路軌道變形方面的研究主要集中在軌道下沉方面，如軌道結(jié)構(gòu)和運營條件等對軌道下沉的影響，較少有文獻提到路基沉降變形對無縫線路的影響，特別是在多年凍土區(qū)路基融沉、凍脹對無縫線路軌道變形的影響方面文獻更少。

1 青藏鐵路格拉段無縫線路鋪設(shè)情況

在青藏鐵路低溫寒冷、日氣溫變化幅度大等不利環(huán)境下，提高鋼軌焊接質(zhì)量是保證無縫線路少維修和安全運營的關(guān)鍵。

青藏鐵路建設(shè)期間，中南大學等單位在青藏鐵路無縫線路試驗段開展了現(xiàn)場鋼軌閃光焊接與數(shù)控氣壓焊接工藝對比試驗研究，驗證了高原鐵路閃光焊和氣壓焊現(xiàn)場焊接工藝和配套設(shè)備，積累了高原無縫線路施工經(jīng)驗和技術(shù)資料。試驗結(jié)果表明，就鋼軌焊接技術(shù)而言，青藏鐵路格拉段鋪設(shè)無縫線路的技術(shù)條件是可以滿足的。中鐵第一勘察設(shè)計院、中國鐵道科學研究院等單位對無縫線路設(shè)計參數(shù)進行了研究，結(jié)果表明無論從年最大軌溫差還是從道床阻力、扣件縱向阻力和梁體溫差上來講，青藏鐵路格拉段無縫線路的鋪設(shè)技術(shù)都是可行的。

基于上述研究成果，建設(shè)期間在青藏鐵路格拉段季節(jié)凍土區(qū)K887+749—K897+525、K924+154—K930+515、K930+527—K938+247鋪設(shè)了3段無縫線路試驗段，全長23.857 km，無縫線路運營狀態(tài)良好。鑒于此，2010年9月—2012年10月青藏鐵路公司相繼完成格爾木—望昆(K816+200—K957+900)、當雄—拉薩(K1795+000—K1955+000)及不凍泉地區(qū)K978+000—K984+000無縫線路鋪設(shè)，累計鋪設(shè)長度達307.7 km，其中K978+000—K984+000長6 km線路地處多年凍土區(qū)。

無論是在青藏鐵路格拉段季節(jié)性凍土區(qū)還是多年凍土區(qū)，在路基變形量較小的情況下，無縫路段的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)較小，線路工作狀態(tài)較好，區(qū)間鐵路列車運營狀況良好。但在路基沉降量較大條件下無縫線路工作狀態(tài)如何有待進一步研究。

2 青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形監(jiān)測與分析

多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定是青藏鐵路的核心技術(shù)問題。為了掌握青藏鐵路建成通車后的技術(shù)狀況，指導養(yǎng)護維修和保證線路的安全運營，由青藏鐵路公司牽頭，多家單位參加，對青藏鐵路多年凍土區(qū)工程進行了多層次的觀測。

2.1長期觀測系統(tǒng)測得的路基斷面變形分析

青藏鐵路多年凍土區(qū)工程穩(wěn)定性長期觀測系統(tǒng)覆蓋多年凍土區(qū)路基、橋梁和涵洞工程，包含3個氣象站和78個觀測斷面(其中路基觀測斷面66個，橋梁觀測斷面4個，涵洞觀測斷面8個)，對沿線氣候、凍土條件和水熱環(huán)境變化及其規(guī)律等進行長期、系統(tǒng)、連續(xù)監(jiān)測，以便為運營中的青藏鐵路的技術(shù)狀況評價和后期病害處理提供數(shù)據(jù)支持。

在觀測的66個路基斷面中只有1個路基斷面(K1496+750)的工后總沉降量不滿足規(guī)范要求，但2010年5月補強整治后，沉降速率明顯減緩?？傮w而言青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的穩(wěn)定性較好。截至2012年底，長期觀測系統(tǒng)測得年沉降量＞15 mm的路基斷面6個，其變形情況見表1。

表1 年沉降量＞15 mm的路基斷面沉降量統(tǒng)計mm

從表1可見，除多年凍土區(qū)K1280+150和K1496 +750兩個斷面近2年變形逐漸減小外，其余4個斷面變形并無收斂跡象。近5年來，每年前三季度累計沉降量＞15 mm的斷面里程及同期沉降量對比見表2。

表2 前三季度累計沉降量＞15 mm路基斷面同期沉降量統(tǒng)計

2.2 其他地段路基變形監(jiān)測

1)西大灘至唐古拉

青藏鐵路多年凍土區(qū)唐北段(K959+615—K1425 +000)共465.385 km，觀測長度33.056 km，觀測斷面721個。觀測區(qū)段近3年來路基年變形量的情況分別為:

①年沉降量＞15 mm的地段有:K1003+850—K1004+200，K1016+250—K1016+530，K1124+ 000—K1128+810，K1160+800—K1175+214，K1194 +950—K1195+150，K1216+750—K1218+000， K1227+387—K1227+600和K1312+300—K1336+ 000，總長15.3 km。

②年沉降量＞30 mm的區(qū)段有:K1004+000—K1004+200，K1126+300—K1126+490，K1165+ 400—K1165+600，K1168+700—K1168+800，K1217 +450—K1217+550，K1227+387—K1227+600，K1312+550—K1312+750，K1333+750—K1333+950和K1334+950—K1336+000，共9段，總長2.509 km。

③年沉降量＞50 mm的區(qū)段有:K1126+300—K1126+490，K1168+700—K1168+800，K1217+ 450—K1217+550，K1333+750—K1333+950和K1334+950—K1336+000，共5段，總長1.64 km。

唐北多年凍土區(qū)路基變形觀測段年沉降量＞15 mm的長度有15.3 km，占唐北凍土區(qū)線路總長的3.3%;＞30 mm的有2.509 km，占觀測區(qū)線路長度的7.6%;＞50 mm的有1.64 km，占觀測區(qū)長度的5%。說明多年凍土區(qū)唐北段路基工程基本是穩(wěn)定的，病害率較低。

2)唐古拉至安多

青藏鐵路多年凍土區(qū)唐南多年凍土段(K1425+ 000—K1497+000)共72 km，觀測里程長13.35 km，觀測斷面274個。

唐南段凍土路基近3年來年變形量＞15 mm的地段主要有3段:K1448+900—K1449+800，K1458+ 300—K1458+450，K1496+700—K1496+800，其中K1496+700—K1496+800年變形量＞50 mm。凍土路基觀測區(qū)段年變形量＞15 mm的有1.15 km，占唐南凍土區(qū)總長的1.6%。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

1)青藏鐵路多年凍土區(qū)工程穩(wěn)定性長期觀測的66個路基斷面中，2012年變形量＜15 mm的路基斷面有60個，占路基觀測斷面的90.9%;年變形量＞15 mm且＜30 mm的路基斷面有6個，占路基觀測斷面的9.1%。

2)根據(jù)對觀測資料的綜合分析可知，在青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程中，下沉量較大的地段主要有:①楚瑪爾高平原段(K1001—K1006);②北麓河盆地(K1123—K1128);③尺曲谷地(K1157—K1195);④沱沱河融區(qū)與多年凍土區(qū)過渡段(K1216—K1218);⑤扎加藏布河河谷段(K1421—K1465);⑥多年凍土南界附近(K1484—K1497)。

3)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形以融沉為主，其寒季凍脹量較小，一般≤5 mm，多年凍土區(qū)路基的融化下沉在路基變形中占主導作用，因此在路基—軌道變形分析中主要考慮了融沉變形的影響。

表3 長期觀測斷面道床厚度統(tǒng)計mm

3 青藏鐵路多年凍土區(qū)路基與軌道變形規(guī)律研究

普速鐵路曲線段外軌超高不應超過12.5 cm。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—1999)，按照滲水土路基設(shè)計道床厚度為30 cm，非滲水土路基設(shè)計道床厚度45 cm。根據(jù)長期觀測斷面統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的道床厚度統(tǒng)計見表3，可見，大部分道床厚度＞45 cm，多年凍土區(qū)線路部分段落道床厚度遠大于設(shè)計值，長期觀測斷面中有16個斷面現(xiàn)有道床左右側(cè)厚度差超標，如K1005+750斷面道床左側(cè)厚度高出右側(cè)217 mm，應是路基不均勻沉降所致。

路基變形必然引起道床變形，以青藏鐵路Ⅰ級次重型鐵路直線段路基設(shè)計標準為例(因青藏鐵路格拉段始建于2001年，因此設(shè)計采用1999年規(guī)范《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10001—1999)，如圖1所示，路肩寬度7.1 m，道砟頂寬3.1 m，道床厚度(鋼軌中心軌枕底面至路肩頂部距離)30 cm，由于Ⅰ型枕軌下厚度約20 cm，因此道砟層厚度為50 cm。

假設(shè)路基單側(cè)沉降ΔH，引起道砟坡腳豎向變形量為Δh，引起道砟頂部沉降量為Δh1(在線路不維護條件下)，由三角相似原理可得

則

根據(jù)道床變形前后體積相等原理可得

則

由上述計算可知，單側(cè)路肩變形在道床肩部有放大效應，約放大1.6倍。由于軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌枕等部件組成，因此軌道豎向變形會受到軌枕的制約，其變形量小于道床變形量。如果線路維護不及時，路基不均勻變形將會引起道砟高度不足和密實度不夠，使得道床縱橫向阻力減小，列車動荷載引起的軌道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不佳，從而影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 路基與道床變形示意(單位:cm)

青藏鐵路長期監(jiān)測系統(tǒng)中斷面路基變形量與相應軌道變形量相比，沉降變形量較大的路基斷面鋼軌豎向位移較為明顯。K1161+625斷面路基變形與鋼軌位移曲線如圖2所示，可見，扣除抬道影響鋼軌豎向位移總量和路基變形基本相同。

圖2 K1161+625斷面路基變形與鋼軌位移曲線

從青藏鐵路長期監(jiān)測系統(tǒng)路基、軌道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知:

1)青藏鐵路格拉段多年凍土區(qū)大部分路基變形符合普速鐵路規(guī)范使用要求，即工后沉降＜20 cm，年沉降量＜5 cm，但仍有一些段落年沉降量稍大，并且沉降仍在持續(xù)，收斂趨勢不明顯，這會給無縫線路鋪設(shè)后運營維護帶來一定困難。

2)路基變形和軌道豎向位移有很好的一致性，但路基左右兩側(cè)差異沉降變形在理論上反映到道床上有一定的放大效應。如果線路維護不及時，路基不均勻變形將會引起道砟高度和密實度不夠，使得道床縱橫向阻力減小，從而影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)軌道由于受到軌枕、扣件等影響，其變形量略小于路基變形引起的道床變形量，但軌道豎向位移總量和路基變形基本相同。受到線路抬道維護的影響，抬道后短期內(nèi)軌道豎向位移速率明顯高于路基沉降速率。

4 無縫線路鋪設(shè)可行性研究

4.1 無縫線路的容許變形與線路養(yǎng)護影響

多年凍土區(qū)路段鋪設(shè)無縫線路可行性不僅與前述技術(shù)參數(shù)有關(guān)，還與路基穩(wěn)定性相關(guān)，且與無縫線路維修方法、標準密不可分。多年凍土區(qū)路基變形主要反映為融沉變形，路基沉降變形將引起軌道變形。

目前對青藏鐵路無縫線路試驗段根據(jù)鐵路線路修理規(guī)則，采用軌檢車檢查區(qū)段整體不平順(均值管理)的動態(tài)變化，采用軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)來加以評定，其指標包括高低、軌向、軌距、水平及三角坑共計5項。軌道質(zhì)量指數(shù)管理值見表4。

多年凍土區(qū)路基變形主要集中在暖季的5—10月份，以8，9和10月份最大。如路基沉降過大，則會引起軌道位移量跟著增大，當檢測指標超限時需要對線路進行維護。

當無縫線路軌道變形超限時，可采用人工養(yǎng)護和大型機械養(yǎng)護兩種方法整治病害路段。人工養(yǎng)護采用加減墊片的方法保證軌道線形可控。為了保證軌道結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性，根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運［2006］146號)規(guī)定，墊片調(diào)整軌道線形不平順最多可增設(shè)15 mm墊片，即軌道變形15 mm以下可采用此方法。若軌道變形超過15 mm，則應采用大型機械養(yǎng)護抬道。大型機械養(yǎng)護可一次抬道3 cm，若超過3 cm需要二次抬道。大型機械養(yǎng)護時受鎖定軌溫限制，還要考慮季節(jié)要求。

目前青藏鐵路機械養(yǎng)護每年進行一次，考慮到青藏高原環(huán)境惡劣和現(xiàn)有技術(shù)條件限制，無縫線路鋪設(shè)后按每年機械抬道養(yǎng)護一次計算，即路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm地段可以采用一次機械養(yǎng)護+人工養(yǎng)護的方法保證無縫線路的線形特征。

表4 軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)管理值mm

4.2 多年凍土區(qū)無縫線路鋪設(shè)條件分析與評價

青藏鐵路鋪設(shè)無縫線路的目的是保障線路質(zhì)量并提高運營速度，同時減少線路運營維護工作量。如在路基不穩(wěn)定地區(qū)鋪設(shè)無縫線路，雖然通過加大人工或機械養(yǎng)護頻率，可以保證線路線形，滿足運營要求，但是經(jīng)常養(yǎng)護不僅會增加高原作業(yè)工作量，養(yǎng)護不當也會導致道床縱橫向阻力減小而產(chǎn)生意外，反而很難達到鋪設(shè)無縫線路的目的。鑒于此，結(jié)合路基沉降量指標，對無縫線路在多年凍土區(qū)的鋪設(shè)提出以下三項標準:

1)適宜鋪設(shè)段落。運營以來路基年沉降量均在15 mm以下路段。這些路段路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過人工養(yǎng)護就可滿足無縫線路線形要求。

2)基本適宜鋪設(shè)段落。這些路段路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm，需要通過人工養(yǎng)護加一次機械養(yǎng)護才能滿足無縫線路運營所需的軌道線形。這些路段路基大多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但通過補強路基熱防護和防排水措施來提高路基穩(wěn)定性，減緩沉降速率，并適當提高線路養(yǎng)護頻率可保證軌道線形。

3)不宜鋪設(shè)段落。這些路段路基年沉降量在30 mm以上，通過人工養(yǎng)護加一次機械養(yǎng)護無法滿足無縫線路運營所需的軌道線形。這些路段路基大多處于水熱環(huán)境復雜的高溫多年凍土區(qū)、多年凍土區(qū)凍融過渡段及南北界凍土退化地段。此種地段路基下地基土中多年凍土含冰量較高(在人為上限附近)且地層變化較為復雜，地表水和地下水均較發(fā)育，路基工程在微地貌單元中極易受到外來熱源干擾。通過補強路基熱防護和防排水措施，一定程度上可減緩路基沉降速率，但完全控制較為困難，不能保證路基變形量一定在30 mm以內(nèi)。此種路段不適宜鋪設(shè)無縫線路。

5 結(jié)論

1)從青藏鐵路多年凍土區(qū)軌道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，軌道由于受到軌枕、扣件等影響，其變形量略小于路基變形引起的道床變形量，但軌道豎向位移總量和路基變形基本相同。受到線路抬道維護的影響，抬道后短期內(nèi)軌道豎向位移速率明顯高于路基沉降速率。在分析與路基穩(wěn)定性相關(guān)的無縫線路鋪設(shè)可行性條件時，通過長期觀測資料統(tǒng)計分析得出路基變形和軌道變形可簡化為線性相關(guān)且在總量上基本相同的規(guī)律。

2)提出了以軌道監(jiān)測指標和線路養(yǎng)護維修方法為參考，以路基沉降量大小為標準的無縫線路鋪設(shè)可行性劃分方法，并將多年凍土區(qū)路基劃分為適宜鋪設(shè)路段(路基年沉降量≤15 mm)、基本適宜鋪設(shè)路段(路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm)和不宜鋪設(shè)路段(路基年沉降量＞30 mm)。

文中無縫線路鋪設(shè)可行性評價標準是本著用少量的人工和機械養(yǎng)護工作量來保證線路設(shè)備質(zhì)量的目的而確定的。若不穩(wěn)定路段經(jīng)過整治，線路沉降量持續(xù)減小，則不宜鋪設(shè)段落可以變化為基本適宜鋪設(shè)路段;反之，當外部環(huán)境變化導致一些路段變形量持續(xù)增大時，應加強養(yǎng)護和觀測，必要時通過調(diào)查研究并輔以補充勘察等方式，提出合理整治措施并實施，減緩沉降速率使其滿足無縫線路運營條件。

［1］佐藤裕.軌道力學［M］.盧肇英，譯.北京:中國鐵道出版社，1981:45-52.

［2］HiranoMasayuki.TrialCalculationofTrackSettlement Applying the New Track Destruction Theory(1)［J］.Railway Engineering，1981(6):31-35.

［3］HiranoMasayuki.TrialCalculationofTrackSettlement Applying the New Track Destruction Theory(2)［J］.Railway Engineering，1981(7):35-36.

［4］鐵道部第四勘測設(shè)計院.高速鐵路［M］.北京:中國鐵道出版社，1984:172-176.

［5］佐藤吉彥.新軌道力學［M］.徐涌，等，譯.北京:中國鐵道出版社，2001:120-151.

［6］盧祖文.鐵路軌道結(jié)構(gòu)及修理［M］.北京:中國鐵道出版社，2002:181-227.

［7］高建敏，翟婉明，徐涌.有砟軌道下沉變形參數(shù)影響分析［J］.交通運輸工程學報，2007，7(4):15-20.

［8］曾樹谷.鐵路散粒體道床［M］.北京:中國鐵道出版社，1997:245-288.

［9］FREDERICK C O，曾樹谷.軌道幾何形態(tài)的惡化［J］.中國鐵道科學，1982，4(1):113-124.

［10］曾樹谷，蘇小樓，欒承高.道床物理、力學性能的試驗研究［J］.中國鐵道科學，1983，5(1):60-71.

［11］SHENTON M J.Ballast Deformation and Track Deterioration［C］//Proceeding of Conference Organized by the Institution of Civil Engineering，University of Nottingham，Britain，1984: 11-13.

［12］LUNDQVIST A，DAHLBERGT.DynamicTrain/Track Interaction Including Model for Track Settlement Evolvement［J］.Vehicle System Dynamics，2004，41(S):667-676.

［13］FRHLING R D.LowFrequencyDynamicVehicle/Track Interaction:Modeling and Simulation［J］.Vehicle System Dynamics，1998(S1):30-46.

［14］石田誠，名村明，瀧川光伸，等.軌道沈下の実験とシミュレーシヨンによる予測［J］.鉄道総研報告，2002，16(4): 41-47.

［15］許玉德，李海鋒，周宇.鐵路軌道高低不平順的預測方法［J］.同濟大學學報，2003，31(3):291-295.

［16］周宇，許玉德，李浩然.軌道不平順非線性預測模型［J］.交通運輸工程學報，2004，4(4):21-24.

［17］陳憲麥，王瀾，楊鳳春，等.用于鐵路軌道不平順預測的綜合因子法［J］.中國鐵道科學，2006，27(6):27-31.

［18］高建敏，翟婉明，徐涌，等.基于概率分布的軌道不平順發(fā)展統(tǒng)計預測［J］.鐵道科學與工程學報，2006，3(6):55-60.

［19］李勇，韓龍武，許國琪，等.青藏鐵路多年凍土路基穩(wěn)定性及防治措施研究［J］.冰川凍土，2011(4):880-883.

［20］孫志忠，馬巍，黨海明，等.青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征及其來源［J］.巖土力學，2013(9):2667-2671.

(責任審編李付軍)

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.26

1003-1995(2015)05-0103-05

2014-11-24;

2015-01-20

中國中鐵股份有限公司科技開發(fā)計劃項目(2013-重慶-20-2);科技部科研院所科技開發(fā)專項資金項目(2011EG123262);鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2010G015-B)

趙相卿(1982—)，男，河北南和人，工程師，碩士。