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

劉啟賓

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

川藏鐵路昌都至林芝段為設(shè)計速度目標(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，且局部穿越了無人區(qū)，養(yǎng)護維修條件極為惡劣[1-3]。為減少線路的養(yǎng)護維修工作量，正線以采用少維護的無砟軌道為主。本項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)造運動活躍、地震頻繁且強烈，存在3個一級構(gòu)造、7個二級構(gòu)造單元，線路穿越了4條具有活動性的活動斷裂帶，其預(yù)估最大錯位量均大于1 m，其中嘉黎活動斷裂最大水平錯位量為5～6 m，最大垂直錯位量為2～3 m。現(xiàn)有無砟軌道一旦成型，則軌道線形僅能通過扣件調(diào)整，一旦基礎(chǔ)錯動量超過扣件調(diào)整能力，則需要拆除重建或采用基礎(chǔ)糾偏措施，工程實施難度大且代價高，不適用活動斷層等基礎(chǔ)穩(wěn)定性差的區(qū)域[4-5]。有砟軌道線形調(diào)整簡單、便捷，但本項目養(yǎng)護維修條件極為惡劣，在正線以鋪設(shè)無砟軌道為主的情況下局部采用有砟軌道，存在日常維護工作量大、作業(yè)環(huán)境差等缺點，不適用本項目特殊的工程與環(huán)境條件[6-8]。

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

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

活動斷裂帶區(qū)域鐵路選線以應(yīng)盡量繞避活動斷裂為主，必須穿越時，應(yīng)選擇穩(wěn)定性相對較好地段或者巖質(zhì)較硬區(qū)域通過。目前活動斷層區(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)—陽高盆地北緣斷裂、成蘭鐵路穿越活動斷層區(qū)域等。個別正線以鋪設(shè)無砟軌道為主的項目，在活動斷裂帶等不良地質(zhì)區(qū)域采用了特殊設(shè)計方案，以降低運營期養(yǎng)護維修工作量。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，各方案的特點及其對本項目工程環(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)錯動量超過扣件調(diào)整能力時，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)性緩慢錯動的調(diào)整，且運營期養(yǎng)護維修工作量少。但該結(jié)構(gòu)僅地鐵中應(yīng)用，對本項目為200 km/h客貨共線鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性需要進行研究分析。

1.2 寬枕板式固化道床

烏魯木齊地鐵1號線穿越了具有瞬時空間大變形活動特征的斷裂帶，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)錯動后的調(diào)整，基礎(chǔ)錯動后可根據(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，降低運營期的養(yǎng)護維修工作量。該結(jié)構(gòu)與可調(diào)式框架板類似，也僅在地鐵中進行了應(yīng)用，對本項目設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及工程環(huán)境的適應(yīng)性需要進一步研究分析。

1.3 聚氨酯固化道床

濟青高鐵正線采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，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，降低運營期養(yǎng)護維修工作量。但濟青高鐵采用的是現(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，在川藏鐵路活動斷層區(qū)域直接采用現(xiàn)有特殊設(shè)計方案均存在一定的問題，為避免局部采用有砟軌道養(yǎng)護維修工作量大、作業(yè)環(huán)境差的問題，應(yīng)進行能夠滿足川藏鐵路活動斷層區(qū)域設(shè)計需求的軌道結(jié)構(gòu)形式研究。

2 活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究

2.1 活動斷裂帶區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計需求分析

據(jù)評估，本項目穿越的活動斷裂帶以地震誘發(fā)基礎(chǔ)突發(fā)性錯動變形為主，暫未發(fā)現(xiàn)具有蠕動變形特征，即活動斷層區(qū)域通常情況下基礎(chǔ)是穩(wěn)定的，在地震時可能出現(xiàn)瞬時空間錯動。

在活動斷層區(qū)域，為便于基礎(chǔ)錯動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]到本項目沿線構(gòu)造運動活躍，活動斷層在生命周期內(nèi)發(fā)生錯動的概率高，但發(fā)生錯動的周期相對較長，如在活動斷層區(qū)域局部采用可靈活調(diào)整的有砟軌道，則存在日常養(yǎng)護維修量大、作業(yè)環(huán)境差等突出問題。因此，本項目活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)還應(yīng)具備少維護的需求。

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

2.2 活動斷裂帶區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究

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

(1)裝配式聚氨酯固化道床

針對既有現(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、對本項目工程與環(huán)境條件的適應(yīng)性差的問題，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，并運抵現(xiàn)場鋪設(shè)，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的工廠化預(yù)制、裝配式施工以及單元化維修。

相比于既有無砟軌道，裝配式聚氨酯固化道床可實現(xiàn)基礎(chǔ)錯動后軌道結(jié)構(gòu)的便捷調(diào)整、修復(fù)，且運營期養(yǎng)護維修工作量與無砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)正在進行線上試驗段的測試與研究工作，后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機選用。

(2)短板式無砟軌道

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

圖2 短板式無砟軌道橫斷面

圖3 短板式無砟軌道平面布置

該結(jié)構(gòu)軌道板采用單元小板結(jié)構(gòu)，板底通過限位凹槽/凸臺限位，在基礎(chǔ)錯動量超過扣件調(diào)整能力時可將預(yù)制小板抬起，局部鑿除自密實混凝土層，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)有無砟軌道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)調(diào)整簡單、便捷，且運營期養(yǎng)護維修工作量與現(xiàn)有無砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計與結(jié)構(gòu)檢算階段，后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機選用。

(3)高低可調(diào)式無砟軌道

針對既有無砟軌道一旦成型調(diào)整困難的問題，提出一種高低可調(diào)式無砟軌道，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、高低可調(diào)彈性支座及細石混凝土底座等組成，如圖4、圖5所示。

圖4 高低可調(diào)式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型

圖5 高低可調(diào)式無砟軌道結(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)制板與限位凸臺之間采用樹脂材料填充，在基礎(chǔ)錯位量超過扣件調(diào)整能力時，可采用支座對高程進行調(diào)整、采用樹脂材料對平面位置進行微調(diào)。

相比于現(xiàn)有無砟軌道，該結(jié)構(gòu)具備易調(diào)整、可維修的能力，且運營期養(yǎng)護維修工作量與現(xiàn)有無砟軌道相當(dāng)。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計與結(jié)構(gòu)檢算階段，后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機選用。

(4)梁式無砟軌道

針對川藏鐵路實際工程環(huán)境條件，結(jié)合活動斷層的活動特征，提出了一種梁式無砟軌道結(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 梁式無砟軌道平面

圖7 梁式無砟軌道縱斷面

該結(jié)構(gòu)采用梁式點支承軌道板結(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，一方面可以通過扣件和支座系統(tǒng)實現(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，可以通過對可調(diào)式支座支撐墊石的快速鑿除、恢復(fù)，實現(xiàn)對軌道結(jié)構(gòu)的快速、便捷、低成本修復(fù)。

該結(jié)構(gòu)運營期養(yǎng)護維修量小，且可根據(jù)基礎(chǔ)錯動量分別通過扣件、支座和支撐墊石實現(xiàn)三級空間調(diào)整，調(diào)整修復(fù)簡單便捷，調(diào)整能力大。目前該結(jié)構(gòu)僅處于方案設(shè)計與結(jié)構(gòu)檢算階段，后續(xù)可根據(jù)研究結(jié)果擇機選用。

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砟軌道設(shè)計理念均是將道床設(shè)計為小單元預(yù)制結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)出現(xiàn)較大錯動后采用道床進行調(diào)整，相比于普通無砟軌道采用道床或線下基礎(chǔ)調(diào)整的方式較為簡單；高低可調(diào)式無砟軌道及梁式無砟軌道設(shè)計理念均為采用點支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面支撐，基礎(chǔ)出現(xiàn)較大錯動后通過點支撐快速調(diào)整。下一步將對上述方案進行深化研究，并根據(jù)相關(guān)試驗測試情況最終選擇適用于本項目工程環(huán)境條件及活動斷層區(qū)域的新型軌道結(jié)構(gòu)形式。

3 結(jié)語

川藏鐵路昌都至林芝段沿線構(gòu)造運動活躍，活動斷層分布段落多，局部采用有砟軌道存在養(yǎng)護維修難度大的問題。針對此問題，結(jié)合本項目沿線工程與環(huán)境特征，探明了川藏鐵路活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計需求?；趯扔胁涣嫉刭|(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種川藏鐵路活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析了不同設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)特點并明確了其調(diào)整修復(fù)方式，凝練出活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，為活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)深化研究指明了方向，也為川藏鐵路活動斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了指導(dǎo)。得出的主要結(jié)論如下。

(1)川藏鐵路活動斷層區(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)形式均不適用本項目工程環(huán)境條件或設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進行適用于本項目活動斷層區(qū)域的新型軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)。

(3)川藏鐵路活動斷層區(qū)域可采用基于道床結(jié)構(gòu)小單元化或基于點支撐設(shè)計理念的軌道設(shè)計方案，后續(xù)可根據(jù)試驗結(jié)果對各方案調(diào)整、維修的便捷性進行綜合評估并擇優(yōu)選用。