某城際鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道上拱整治方案

陸中玏

（中國鐵路武漢局集團有限公司工務(wù)部，湖北武漢 430071）

0 引言

某城際鐵路軌道結(jié)構(gòu)有無砟軌道和有砟軌道2 種。其中，無砟軌道地段采用CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，延展長度共計24.331 km。2014年3月，部分路基段首次發(fā)生上拱變形，聯(lián)調(diào)聯(lián)試前已對8 處過渡段進行整治。開通運營后不久，又發(fā)現(xiàn)3處新的上拱位置，初始最大上拱量為12 mm。根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，上拱情況不穩(wěn)定且雨天過后上拱加速明顯。其中，某路基上拱量達56 mm，軌道變形突破扣件調(diào)整極限，影響運輸秩序，亟待整治。

1 設(shè)備情況

1.1 軌道結(jié)構(gòu)

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土層、混凝土底座等部分組成［1］，高度為772 mm。焊接采用60 kg/m 定長100 m 無螺栓熱軋U71MnG 鋼軌，扣件為WJ-8B 彈性分開式常阻力扣件（高低調(diào)整量為+26/-4 mm），扣件節(jié)點間距687 mm，無縫線路設(shè)計鎖定軌溫25±5 ℃。軌道板尺寸為5350 mm×2500 mm×1900 mm，混凝土等級C60。自密實混凝土高度94 mm，尺寸與軌道板對齊，單層鋼筋焊網(wǎng)通過U 形筋和內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)片與軌道板實現(xiàn)一體連接。采用C30 混凝土，雙層鋼筋焊網(wǎng)，底座寬度3100 mm、厚度240 mm。每3 塊軌道板對應(yīng)長度設(shè)置寬度為20 mm 伸縮縫，底座間設(shè)置有傳力桿，為8 根Φ30 mm光面鋼筋，長度為700 mm。自密實混凝土層與底座間有4 mm厚土工布隔離層。

1.2 線路設(shè)備

上拱處原設(shè)計為挖方路塹，開挖深度4.02 m，且位于上跨橋下。曲線半徑3500 m，縱向坡度為0，超高110mm。

1.3 地質(zhì)情況

該地段為壟崗坳溝地貌，地形舒緩起伏，周邊為旱地農(nóng)田。地層為Q2+3沖洪積層，局部表層為種植土、人工填土，下伏基巖為K泥質(zhì)粉砂巖。地下水不發(fā)育，主要為基巖孔隙水。距病害地點20 m 處，有一條長33 m的倒虹吸，與線路斜交。整治點典型地質(zhì)斷面見圖1。

圖1 整治點典型地質(zhì)斷面

1.4 路基填料

自底座以下設(shè)計為0.4 m級配碎石、3.01 m厚AB組填料。病害發(fā)生后，對該地點填料進行取樣。原狀料為灰黑色雜填土，松散、可塑～硬塑，稍有濕潤，較大孔隙，交雜有少量有機質(zhì)。經(jīng)室內(nèi)測試分析，巖土膨脹特性指標(biāo)檢測結(jié)果見表1，試樣礦物成分及含量成果見表2。

2 病害情況

2.1 上拱監(jiān)測概況

病害段頻繁發(fā)生晃車，采用人工添乘、動檢車、車載式添乘儀、便攜式添乘儀等方式進行檢測，超限數(shù)值較大且不斷發(fā)展，線路設(shè)備質(zhì)量逐漸下降。2個高點位于無砟軌道地段，維修難度較大，因此先進行軌道精調(diào)，軌下墊片采用55 mm 鋼制特殊調(diào)整件，但精調(diào)效果保持時間較短，且調(diào)整量已達到極限。2018年10月12日病害處上行短波高低2.14 mm、長波高低5.45 mm，下行短波高低1.77 mm、長波高低4.65 mm，且有持續(xù)惡化趨勢。病害處上拱監(jiān)測情況見圖2。

經(jīng)統(tǒng)計，該地段平均上拱速率1.66 mm/月，最大上拱月份集中在每年10—12月，最大上拱速率為5.00 mm/月。

2.2 病害原因

表1 巖土膨脹特性指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 試樣礦物成分及含量成果 %

通過表1、表2 可知，第2 層（底座以下0.5～0.8 m）級配碎石含燒石膏、蒙脫石等有膨脹性礦物質(zhì)。該物質(zhì)受雨水及毛細(xì)水影響，發(fā)生膨脹導(dǎo)致上拱［2］。膨脹性指標(biāo)檢測結(jié)果表明，上拱區(qū)段填料膨脹性特征與礦物膨脹趨勢特性相吻合。兩側(cè)的混凝土封閉層因膨脹造成上拱開裂，雨水順裂縫進入級配碎石層。并且該地段位于上跨橋處，上跨橋基礎(chǔ)剛度較大，上拱量積累在線路中心位置。

圖2 病害處上拱監(jiān)測情況

3 整治方案比選

綜合分析后，確定對上行線1（16.35 m/3 塊板）、下行線2（27.25 m/5塊板）進行整治。需對該范圍基床表層填料（級配碎石）進行挖除換填，開挖深度為0.5～0.8 m 并挖至見AB 組填料。經(jīng)查閱列車運行圖，確定日常維修天窗23：30—3：30，計240 min。

3.1 方案1

封鎖單一行別施工，采用揭開軌道結(jié)構(gòu)進行路基換填。封鎖上行線1，上行列車?yán)孟滦芯€反方向運行，下行施工地段限速45 km/h，慢距100 m。但因站場條件限制，該方案對運輸影響較大，影響列車對數(shù)72 對，其中跨局動車組39 對、管內(nèi)跨線動車組10.5對。

3.2 方案2

利用夜間天窗施工，采用暗挖法換填，該工法行車安全風(fēng)險增大，且施工技術(shù)要求高。白天線路采取限速45 km/h，慢距100 m，編制施工分號圖，適當(dāng)減少列車對數(shù)，降低對旅客出行影響，以滿足線路整治需求。每趟列車經(jīng)過慢行地段時，晚點2 min 48 s。經(jīng)工務(wù)與運輸、車務(wù)單位協(xié)商，夜間天窗可延長至370min。

整治方案技術(shù)比選見表3。方案1 對運輸影響較大，運行圖鋪畫及實際執(zhí)行均有較大難度，最終決定按照方案2開展施工整治。

表3 整治方案技術(shù)比選

4 整治技術(shù)方案

上拱整治順序為先整治上行線路，后整治下行線路。施工前核對CP Ⅲ數(shù)據(jù)，建立精測網(wǎng)，采用電子水準(zhǔn)儀對線路高程及平面數(shù)據(jù)進行采集，確定糾偏量。開挖前，對限位螺桿、支撐結(jié)構(gòu)進行力學(xué)驗算。整治過程中對軌道結(jié)構(gòu)進行觀察，若出現(xiàn)裂紋立即停止作業(yè)。系統(tǒng)整治方案流程見圖3。

4.1 限位墩施作

因施工地段位于線路曲線位置，為防止軌道結(jié)構(gòu)橫向位移，對底座兩側(cè)對稱設(shè)置臨時限位墩［3］，使用可調(diào)螺桿對軌道結(jié)構(gòu)底座施加橫向支撐，限制軌道結(jié)構(gòu)橫向位移。限位墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂面與底座平齊，埋深不小于1 m，縱向長度0.6 m，防護體系經(jīng)檢算滿足要求（見圖4）?？v向單側(cè)3600～4200 mm設(shè)置1 個限位墩，因此上行線1 設(shè)置8 個限位墩，下行線2 設(shè)置16 個限位墩。經(jīng)驗算，在保留一定安全余量增大螺栓荷載后，Φ60 mm 螺桿的最大Mises 應(yīng)力為114.6 MPa，小于Q235螺栓的屈服強度，可滿足條件。

4.2 節(jié)段掏挖

節(jié)段暗挖采用人工分節(jié)段暗挖［4］，從底座兩側(cè)向板中間開挖，開挖節(jié)段長度分為1.5 m 和1.1 m 兩種。開挖順序嚴(yán)格按圖5進行（①～?為第n次開挖節(jié)段）。開挖時，先用手持電鎬將級配碎石鑿松動，再用小鏟將松散后的級配碎石從底座下掏出，人工運至棄渣點。若一個天窗點不能全部完成本槽的掏挖和鋼支撐的安裝，則將板底中間部分（約1/2）留作下一個天窗點掏挖，并在已開挖位置用25 t千斤頂臨時支撐。

圖3 系統(tǒng)整治方案流程

圖4 限位墩橫斷面

圖5 開挖先后順序

4.3 支撐安裝及調(diào)整

為防止掏挖時荷載分布不均造成底座開裂，每開挖1 個1.1 m 節(jié)段，須在橫向設(shè)置2 個千斤頂進行臨時支撐，每開挖1 個1.5 m 節(jié)段設(shè)置4 個鋼支撐，并將千斤頂置于扣件正下方。千斤頂上部設(shè)頂托鋼板（長20 cm、寬30 cm、厚2 cm），底部設(shè)底座（底座為C40混凝土預(yù)制塊，預(yù)制塊直徑45 cm×厚20 cm）增加承載面積。千斤頂?shù)鬃惭b前，清理安裝位置松散料，平整拍實；千斤頂加載的托舉力度以鋼板牢固不移位為準(zhǔn)。橫向挖通后在臨時千斤頂?shù)膬蓚?cè)分別設(shè)置可調(diào)高鋼支撐，替換千斤頂受力。預(yù)制底座頂部設(shè)可調(diào)楔式千斤頂及多層鋼板復(fù)合墊板，總厚度不超過30 cm。臨時支撐體系示意見圖6。橫向全部挖通后，在千斤頂兩側(cè)用鋼支撐更換千斤頂（見圖7）。

支撐最大反力為106.52 kN，軸力設(shè)計值為149.13 kN。經(jīng)驗算，支撐的長細(xì)比、截面面積均能滿足要求，整體穩(wěn)定性和強度滿足條件，可用于施工。

圖6 臨時支撐體系示意圖

4.4 監(jiān)測與上線檢查

安排人員24 h 對監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，按周期及時發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)［5-6］，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預(yù)警值后及時通知設(shè)備管理單位。變形監(jiān)測預(yù)警值與報警值見表4。每天申請2個臨時垂直天窗點上線檢查基坑是否積水、監(jiān)測棱鏡牢固情況等12 個項目。一旦出現(xiàn)超限或重大異常，則按照封鎖進行處置。

圖7 更換成鋼支撐斷面

表4 變形監(jiān)測預(yù)警值與報警值 mm

4.5 軌道結(jié)構(gòu)復(fù)位

將底座下土體清除，解除軌道板兩側(cè)限位支撐后，用軌檢小車對軌道狀態(tài)精準(zhǔn)測量，調(diào)查軌道下墊板數(shù)據(jù)，計算軌道板各個位置的落道量、上拱量。落道順序為先對曲線內(nèi)側(cè)股進行落道，再落曲線外股。軌道板調(diào)整至預(yù)定標(biāo)高后，檢查各墊板的受力狀態(tài)，確保每個鋼支撐形成對底座均勻且有效的支撐。在落道過程中，墊板的抽換可使用臨時千斤頂將軌道少量抬升，抽換墊板后將臨時千斤頂撤除，并確認(rèn)軌道的落道量。若落道時因傳力桿原因無法到位，則將傳力桿割斷，落道完成后焊接恢復(fù)［7-8］。

4.6 底板灌注自密實混凝土

軌道結(jié)構(gòu)復(fù)位達到要求后，進行板底自密實混凝土灌注［9-10］?；炷翝仓捎媚Ｖ诘鬃鶅蓚?cè)安裝模板，線路外側(cè)設(shè)高模板，模板頂高于混凝土面不小于40 cm，距離底座50 cm，作為混凝土的入?？?。另一側(cè)設(shè)底模，模板頂高于混凝土面20 cm，距離底座30 cm，便于觀察混凝土流動情況和多余混凝土溢出。

4.7 其他注意事項

（1）入網(wǎng)處需跨越路基水溝，跨越前用沙袋填滿溝，略高水溝頂面10 cm（預(yù)留往下壓10 cm），上鋪一層鋼板（厚度5 mm），保護水溝及水溝壁。電纜槽在跨越前揭開蓋板，在槽內(nèi)填滿細(xì)沙（略高于電纜槽5 cm），其上鋪厚度大于5 mm的鋼板。并沿電纜槽拉繩設(shè)軟防護，非通道處禁止作業(yè)人員踩踏電纜槽或在電纜槽上放置物品和工具。

（2）每個維修天窗結(jié)束前對所有作業(yè)面進行防護，防護措施為用3 mm 厚鋼板（下墊木板）對暗挖作業(yè)坑進行覆蓋，防止雨水進入作業(yè)坑；并用螺栓將鋼板固定于未破除封閉層上，保證鋼板牢固不移位。由于該地段為路塹地段，排水要充分考慮橫坡、縱坡，備用1臺潛水泵以備雨量過大。

（3）對所有工具、材料實行定人、定機管理，加強小型機具的用、管、修，日常保養(yǎng)到位。確保設(shè)備正常使用，嚴(yán)格執(zhí)行“六清點”制度，所有工具必須按規(guī)定粘貼反光標(biāo)識。汽油發(fā)電機等較重設(shè)備在天窗作業(yè)前由軌道平板小車運送至作業(yè)地點，作業(yè)后清理出網(wǎng)。下行線需要進行跨線作業(yè)時，需設(shè)置平過道。

5 結(jié)論與建議

無砟軌道具有高穩(wěn)定性、維修量小等顯著特點，但其整體性也給維修工作帶來了復(fù)雜性。通過本次病害整治有以下幾點建議：

（1）為實現(xiàn)無砟軌道的高平順性，應(yīng)強化無砟軌道、路基設(shè)備質(zhì)量源頭控制，提前介入，關(guān)口前移，確保路基填料質(zhì)量。

（2）為平衡軌道維修整治與運輸影響，應(yīng)充分發(fā)揮工法優(yōu)勢，取長補短，多種整治措施綜合施策，與運輸部門加強溝通協(xié)調(diào)、爭取支持。

（3）計劃采用暗挖換填法時，須在方案編制中對支撐方案進行力學(xué)驗算，并編制監(jiān)測方案動態(tài)監(jiān)測過車前后位移變化，充分考慮整治過程中因天氣、氣候影響等不利因素，確保行車安全。