紅層泥質(zhì)巖地區(qū)高鐵深路塹持續(xù)上拱整治技術(shù)研究

冉孟輝

（中鐵八局集團(tuán)第二工程有限公司，成都 611730）

1 引言

川中紅層廣泛分布于四川盆地及周邊地區(qū)，具有一定的膨脹性。受其影響，在此地區(qū)修建高速鐵路，路基上拱病害時(shí)有發(fā)生。由于高速鐵路對線路的平順性要求極高，使得無砟軌道本身對于上拱變形的調(diào)節(jié)空間已十分有限，然而目前針對川中紅層上拱治理的研究尚不成熟，缺少相關(guān)治理措施，使得該地區(qū)路基上拱問題成為新建高速鐵路設(shè)計(jì)與施工中的又一難題。國內(nèi)對于揭示高速鐵路紅層軟巖路基上拱變形病害的機(jī)理已經(jīng)開展了分析，如鐘志彬等[1]研究認(rèn)為深路塹開挖引起基底地應(yīng)力場改變，地基一定深度范圍內(nèi)水平應(yīng)力集中而顯著大于豎向自重應(yīng)力，為紅層軟巖地基豎向蠕變上拱變形提供應(yīng)力條件。楊吉新等[2]研究認(rèn)為，造成路基上拱超限變形的主要原因是特深路塹高邊坡與路基卸載引起坡體回彈變形和塑性流動(dòng)變形驅(qū)動(dòng)，促使路塹高邊坡及基床下巖體的蠕變變形。戴張俊等[3]研究認(rèn)為由于工程再造在基巖中形成了新的滲水通道，使得原本處于封閉隔水狀態(tài)的紅層泥巖，與周圍環(huán)境建立水力聯(lián)系，紅層泥巖緩慢吸水膨脹是路基長時(shí)持續(xù)上拱變形的主要原因。

盡管目前對于上拱變形病害的機(jī)理已有部分研究，但據(jù)此針對川中紅層導(dǎo)致的路基上拱病害治理措施仍然缺乏成熟研究。為此，本文將在對上拱路基后期上拱量進(jìn)行充分分析預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往類似工程的整治經(jīng)驗(yàn)和紅層特點(diǎn)，以埋入式小跨度剛構(gòu)懸臂板作為整治技術(shù)進(jìn)行研究，以期為今后類似工程提高參考。

2 工程概況

2.1 工程特點(diǎn)

川中地區(qū)某高鐵站位于丘陵地貌，區(qū)域內(nèi)地勢波狀起伏，丘槽相間，地面高程325～385 m，相對高差45～70 m，病害段路塹中心最大挖深40.0 m。地表上覆坡殘積膨脹土，厚0～2 m；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）泥巖夾砂巖，屬軟巖～極軟巖，其中泥巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，遇水易軟化崩解、失水收縮開裂等特性；砂巖多為長石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚～厚層狀，質(zhì)稍硬。全風(fēng)化帶（W4）厚0～4m，巖體風(fēng)化呈土狀及粉砂角礫狀，手捏易碎；強(qiáng)風(fēng)化帶（W3）厚3～10 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，質(zhì)較軟，以下為弱風(fēng)化帶（W2），質(zhì)稍硬，如圖1所示。

圖1 K153+668 代表性地質(zhì)橫斷面圖

2.2 路基病害情況

早在2015年4月，在對該車站軌道精調(diào)過程中已發(fā)現(xiàn)部分地段無砟軌道高程較設(shè)計(jì)高程最大上拱約20 mm。因此，自2015年6月起，開始對K153+612～K153+779 段范圍內(nèi)的路基建立監(jiān)測點(diǎn)持續(xù)監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，自2015年8月以來，無砟軌道高程上拱趨勢明顯。截至2019年12月，監(jiān)控顯示自監(jiān)測工作展開以來，累計(jì)最大上拱值達(dá)47.13 mm，上拱速率由2016年的1.18 mm/月降至2019年的0.73 mm/月，路基上拱趨勢逐步下降。

2.3 上拱整治區(qū)段工程特點(diǎn)

1）上拱整治區(qū)段位于車站咽喉區(qū)，常規(guī)整治方案受咽喉區(qū)特殊施工環(huán)境限制，難以適應(yīng)，需因地制宜，專題研究更具針對性的方案。

2）上拱整治區(qū)段位于西南經(jīng)濟(jì)區(qū)的高鐵干線，每天通勤列車多達(dá)75 對以上，上拱整治期間必須保證營業(yè)線通行安全，不得削弱鐵路運(yùn)輸能力，施工期間安全卡控壓力巨大。

3）整治區(qū)段封閉施工期間，為保證線路暢通，需設(shè)置施工便線聯(lián)通車站7 道和區(qū)間正線，并將便線撥接時(shí)間壓縮至一個(gè)“天窗”點(diǎn)內(nèi)，以減少對運(yùn)輸?shù)母蓴_，方案選擇和施工組織難度大。

4）整治方案采用小跨度剛構(gòu)懸臂板結(jié)構(gòu)，墩柱與開挖巖壁采用分離式設(shè)計(jì)，懸臂板與基底需脫空，實(shí)施存在一定難度。

5）整治施工完成后已拆除的7 組18 號無砟道岔需重新鋪設(shè)就位，如何防止道岔拆除存放過程受損變形、保證無砟道岔鋪設(shè)精度、實(shí)現(xiàn)達(dá)速運(yùn)行是線路恢復(fù)施工的難點(diǎn)。

3 路基上拱機(jī)理及發(fā)展趨勢預(yù)測

3.1 上拱機(jī)理分析

通過對上拱地段路基開展沉降變形觀測、巖土工程土工試驗(yàn)、地應(yīng)力測試等試驗(yàn)檢測手段，應(yīng)用地基分層變形機(jī)理模型、數(shù)值模擬等分析方法，對路基上拱機(jī)理、影響因素及變形深度進(jìn)行了分析，進(jìn)而預(yù)測后期路基上拱量，為上拱整治方案的選擇提供依據(jù)。

3.1.1 紅層軟巖膨脹變形特性

根據(jù)勘察階段和補(bǔ)勘階段泥巖膨脹性試驗(yàn)結(jié)果分析，車站兩個(gè)上拱區(qū)段基底泥巖含水率變化不明顯，其自由膨脹率和膨脹力指標(biāo)較低，飽和吸水率指標(biāo)相對較高，僅局部達(dá)弱膨脹巖判定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地形地貌特征，表明本段泥巖有一定膨脹性，不具典型的膨脹巖特征。根據(jù)XRD 礦物成分分析結(jié)果，泥巖中黏土礦物以伊利石為主，具有膨脹的物質(zhì)基礎(chǔ)，存在緩慢、微弱膨脹變形的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 紅層軟巖蠕變特性

根據(jù)不同條件下測得的應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)力下泥巖即表現(xiàn)出顯著的流變性，水的作用使得泥巖蠕變變形量值增大、變形持續(xù)時(shí)間更長，泥巖在低應(yīng)力下水-力耦合時(shí)效變形現(xiàn)象明顯，變形量大、持時(shí)長，同時(shí)非飽水狀態(tài)的泥巖具有極強(qiáng)的吸收空氣中水分產(chǎn)生顯著膨脹變形的能力。

3.2 發(fā)展趨勢預(yù)測

為了揭示挖方邊坡寬度對路基上拱的影響，開展了數(shù)值模擬研究。選取車站代表性橫斷面為數(shù)值模擬原型，對原始邊坡模型進(jìn)行簡化，建立數(shù)值模型，如圖2所示。根據(jù)近兩年的實(shí)測上拱變形數(shù)據(jù)來修正反演模型，優(yōu)化后期變形預(yù)測成果。預(yù)測成果為5年上拱增量約7.34 mm，15年上拱增量約13.01 mm，25年上拱增量約18.68 mm，預(yù)測累計(jì)量為51.90 mm。另一方面，根據(jù)各區(qū)段地層結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，開展流變作用下的地基長期變形分析。預(yù)測最大上拱變形量57 mm，達(dá)到最大上拱變形時(shí)間約9年。

圖2 數(shù)值模型

因此，預(yù)計(jì)整治段累計(jì)上拱變形量為60 mm，預(yù)計(jì)2020年至2043年上拱變形量為20 mm；由于地層結(jié)構(gòu)的各向異性、復(fù)雜性，變形趨勢準(zhǔn)確預(yù)測的難度極大，整治施工應(yīng)預(yù)留足夠的變形上拱量并加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測。

4 路塹持續(xù)上拱整治技術(shù)

4.1 設(shè)計(jì)概況

小跨度懸臂剛構(gòu)板結(jié)構(gòu)由樁基、墩柱、懸臂板及其脫空層、墩柱及分隔層組成，小跨度剛構(gòu)懸臂板設(shè)計(jì)斷面如圖3所示。該結(jié)構(gòu)樁基部分為主要傳力部分，將上部荷載傳遞至巖體或持力層內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及承載力。墩柱與樁基為整體結(jié)構(gòu)，但直徑略小于樁基，為柔性結(jié)構(gòu)，墩柱與樁基均埋置于孔樁內(nèi)。墩柱與孔壁周圍間隙采用乳化瀝青填塞，剛構(gòu)板為鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)，與墩柱固結(jié)，懸臂板與基坑底根據(jù)上拱趨勢設(shè)置15～50 cm 脫空層，以防止巖體繼續(xù)上拱過程中擠壓懸臂板梁造成軌道結(jié)構(gòu)上拱；剛構(gòu)板上方可直接施作無砟軌道結(jié)構(gòu)，回填級配碎石緩沖層后施作無砟軌道。

圖3 小跨度剛構(gòu)懸臂板設(shè)計(jì)斷面圖

4.2 懸臂板脫空層設(shè)置

懸臂板脫空封閉層采用10 cm 厚C25 細(xì)石纖維混凝土澆筑，混凝土澆筑前需對開挖面進(jìn)行壓實(shí)整平，混凝土澆筑過程中要留置1.5%的橫坡將梁板以下積水匯入中心盲溝內(nèi)，剛構(gòu)懸臂板脫空層如圖4所示。

圖4 剛構(gòu)懸臂板脫空層設(shè)置

待封閉層混凝土強(qiáng)度達(dá)到15 MPa 以上即可進(jìn)行板梁底模安裝施工，為保證脫空層的有效設(shè)置。由于剛構(gòu)板底與封閉層之間的間距僅有15 cm，模板無法拆除，為了實(shí)現(xiàn)脫空，避免上拱巖體將力傳遞給懸臂板，采用砂墊層、方木和木模組合的方法，在懸臂板強(qiáng)度達(dá)到20 MPa 后，通過高壓水流將砂墊層沖出，實(shí)現(xiàn)脫空；后期由于處于極度潮濕的環(huán)境，方木和木模將在3～5年間腐爛，為進(jìn)一步脫空的實(shí)現(xiàn)提供了保障。

4.3 整治效果評價(jià)

小跨度剛構(gòu)懸臂板結(jié)構(gòu)采取樁柱一體灌注工藝，保證了樁基和墩柱施工質(zhì)量，施工范圍內(nèi)93 根樁基經(jīng)三方檢測均為A 類樁；墩柱與巖壁、板梁與基底間的分離式設(shè)計(jì)，有效保證了結(jié)構(gòu)與巖體之間的應(yīng)力傳遞，經(jīng)過整治完成運(yùn)營后近一年的沉降變形觀測，軌道結(jié)構(gòu)未繼續(xù)上拱，目前整治段高鐵已實(shí)現(xiàn)全線350 km/h 達(dá)速運(yùn)營，最小通勤時(shí)間已壓縮至62 min，與整治前相比整治效果明顯。

5 結(jié)論

本文以川中地區(qū)某高鐵站為工程背景，對路基上拱機(jī)理及發(fā)展趨勢預(yù)測，并采用小跨度剛構(gòu)懸臂板結(jié)構(gòu)對該案例路基上拱進(jìn)行整治，主要得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)XRD 礦物成分分析結(jié)果，泥巖中黏土礦物以伊利石為主，具有膨脹的物質(zhì)基礎(chǔ)；根據(jù)不同條件下測得的應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)低應(yīng)力下泥巖即表現(xiàn)出顯著的流變性，同時(shí)非飽水狀態(tài)的泥巖具有極強(qiáng)的吸收空氣中水分產(chǎn)生顯著膨脹變形的能力。

2）預(yù)計(jì)整治段累計(jì)上拱變形量為60 mm，預(yù)計(jì)2020年至2043年上拱變形量為20 mm；整治施工應(yīng)預(yù)留足夠的變形上拱量并加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測。

3）小跨度剛構(gòu)懸臂板結(jié)構(gòu)采取樁柱一體灌注工藝，墩柱與巖壁、板梁與基底間的分離式設(shè)計(jì)，整治完成運(yùn)營后軌道結(jié)構(gòu)未繼續(xù)上拱，目前整治段高鐵已實(shí)現(xiàn)全線350 km/h 達(dá)速運(yùn)營，最小通勤時(shí)間已壓縮至62 min，與整治前相比整治效果明顯。