西北地區(qū)高速鐵路路隧過渡段無(wú)砟軌道上拱原因分析

安元鋒王夢(mèng)田程建軍李中國(guó)高麗

1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

伴隨高速鐵路的普及和長(zhǎng)期投入使用，各類難以預(yù)測(cè)和避免的路基病害問題逐漸顯現(xiàn)［1］，尤其是在一些特殊路段出現(xiàn)的路基病害，不僅嚴(yán)重影響高速鐵路列車的安全運(yùn)營(yíng)，而且病害原因較為復(fù)雜，處置起來(lái)也較為困難。由于路基膨脹而引起的無(wú)砟軌道上拱病害成為高速鐵路正常運(yùn)營(yíng)造成重大安全隱患［2-3］。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到高速鐵路無(wú)砟軌道上拱病害的嚴(yán)重性，并已有少數(shù)學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［4-5］認(rèn)為紅層泥巖吸水膨脹是造成路基上拱變形的主要原因；文獻(xiàn)［6-7］研究了高速鐵路路基膨脹機(jī)理，并通過多種數(shù)值模擬方法研究了軌道上拱變化規(guī)律；文獻(xiàn)［8］通過室內(nèi)路基模型試驗(yàn)研究了膨脹巖土浸水膨脹后鐵路無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)的隆起變形特性。但現(xiàn)有研究成果主要集中在普通路基段上拱成因，部分學(xué)者僅對(duì)高速鐵路過渡段中的路涵過渡段、路橋過渡段進(jìn)行了上拱病害的研究［9-10］。而隧道過渡段由于其結(jié)構(gòu)斷面非常復(fù)雜，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置還是數(shù)值模擬建模均存在極大困難，因此有關(guān)隧道過渡段的鋼軌上拱病害研究鮮有開展。隧道過渡段由于山體開挖卸載、隧道內(nèi)排水設(shè)施等多種原因，往往也存在洞口段鋼軌應(yīng)力分布不均、豎向位移變化不連續(xù)的問題。學(xué)者針對(duì)隧道內(nèi)部的隆起病害進(jìn)行了大量研究［11-17］，但對(duì)于路隧過渡段這種特殊區(qū)段的軌道上拱病害還少有研究。

為了解路隧過渡段上拱病害成因和路基上拱病害的發(fā)展規(guī)律，本文依托西北地區(qū)一高速鐵路路隧過渡段無(wú)砟軌道上拱工點(diǎn)，開展為期三個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，獲得路隧過渡段實(shí)測(cè)上拱變化規(guī)律，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)確定上拱病害成因，通過有限元軟件進(jìn)行精細(xì)化建模得到路隧過渡段的鋼軌上拱變化規(guī)律和路基膨脹變形規(guī)律，以期為有關(guān)高速鐵路上拱病害的其他研究及實(shí)際工程中路隧過渡段上拱病害的整治提供一定的理論參考。

1 工程概況

2017年11月，高速鐵路工務(wù)段在進(jìn)行軌道精調(diào)小車靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)現(xiàn)該路隧過渡段有兩處疑似上拱，其上行線最大上拱位移分別為6.7、4.5 mm，下行線最大上拱位移分別為5.6、4.2 mm，均已超過高速鐵路鋼軌上拱可調(diào)節(jié)臨界值4 mm。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，上拱段隧道內(nèi)壁共有23處出現(xiàn)二次襯砌裂縫。

隧道區(qū)地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，隧道巖性復(fù)雜，呈多角度不整合接觸，且不整合接觸結(jié)構(gòu)面巖性較差，較破碎。隧道區(qū)地表水不發(fā)育，無(wú)常年性流水。地下水主要為基巖裂隙水，分布較廣，含于基巖風(fēng)化帶、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，水位和水量受季節(jié)降雨量影響明顯。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

自精調(diào)小車發(fā)現(xiàn)疑似上拱后在該過渡段開始埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)范圍總長(zhǎng)為100 m，其中隧道內(nèi)外各為50 m，共計(jì)布設(shè)11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，分別位于左腳墻、左道床板、路中線、右道床板、右腳墻，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置（單位：m）

截至2018年2月，共累計(jì)監(jiān)測(cè)10期。各縱斷面上拱監(jiān)測(cè)曲線見圖2。可知，路隧過渡段隧道內(nèi)外均出現(xiàn)上拱位移峰值，其中直接接觸并影響鋼軌發(fā)生變形的左右道床板最大上拱位移為3.60、4.00 mm；而路中線路基護(hù)面結(jié)構(gòu)上部不受鋼軌、道床板、支撐層和列車荷載的壓制作用因此其上拱位移最大，隧道外、隧道內(nèi)最大上拱位移分別為6.20、6.89 mm，左右腳墻的上拱位移則較小，均在2.00 mm以內(nèi)。

圖2 各縱斷面上拱監(jiān)測(cè)曲線

監(jiān)測(cè)期間，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上拱位移均隨時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且截至監(jiān)測(cè)結(jié)束，仍未收斂穩(wěn)定。

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)

為確定該路隧過渡段的路基上拱病害成因，考慮到隧道內(nèi)外無(wú)砟軌道均出現(xiàn)了上拱病害，因此在隧道外和隧道內(nèi)上拱段分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣。隧道外選a、b兩個(gè)點(diǎn)位，取樣位置為路肩處，分別對(duì)基床表層、基床底層和地基進(jìn)行了取樣，取樣完畢后隨即進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)含水率的測(cè)試。隧道內(nèi)選c、d、e三個(gè)點(diǎn)位，對(duì)仰拱下部不同深度處基巖進(jìn)行取樣。所有試樣按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》［18］進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得有荷載膨脹率為0.057%～0.115%，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 路隧過渡段取樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)TB 10077—2019《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》［19］的膨脹巖土評(píng)判指標(biāo)和膨脹潛勢(shì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，隧道外路基土為非膨脹土，但a、b兩點(diǎn)基床底層的蒙脫石含量偏高，分別達(dá)到7.8%和10.7%，具有微弱的膨脹性。

現(xiàn)場(chǎng)含水率測(cè)試結(jié)果表明基床底層的現(xiàn)場(chǎng)含水率明顯高于其他層位，a、b點(diǎn)分別達(dá)到15.94%和24.01%。隧道內(nèi)仰拱下部基巖均為膨脹性巖土，且c、d、e點(diǎn)的蒙脫石含量和陽(yáng)離子交換量均較高，按照TB 10077—2019判定為中強(qiáng)膨脹性。

1.3 上拱成因分析

隧道外發(fā)生上拱病害的原因?yàn)榛驳讓勇坊盍虾瘦^高，其中膨脹性礦物蒙脫石遇水后產(chǎn)生膨脹對(duì)隧道外部無(wú)砟軌道產(chǎn)生一定的上拱位移。隧道內(nèi)仰拱下部基巖為中強(qiáng)膨脹性巖土，由于隧道內(nèi)巖體巖性較差，節(jié)理裂隙較多，加之隧道施工過程中破壞了地下水原有平衡，在雨季地下基巖裂隙水較為充足時(shí)，造成具有較強(qiáng)膨脹性的隧道基底地層在遇水后產(chǎn)生不均勻變形，從而在部分地段引起仰拱及其上部無(wú)砟軌道變形。基巖膨脹造成隧道上部圍巖應(yīng)力增大是導(dǎo)致隧道內(nèi)二次襯砌產(chǎn)生裂縫的主要原因。此外，隧道內(nèi)仰拱下部巖體雖然膨脹性較強(qiáng)，但該部分巖體遇水膨脹產(chǎn)生的膨脹力受到仰拱底部填充的混凝土、仰拱襯砌以及上部圍巖的抑制作用，并未使上部無(wú)砟軌道造成較大的上拱位移。仰拱下部具有較強(qiáng)膨脹性的基巖在較為充分的基巖裂隙水環(huán)境中發(fā)生膨脹后，在受到上部圍巖和隧道仰拱多重抑制作用下對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道產(chǎn)生一定的上拱位移。

2 數(shù)值模擬

參照TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［20］、TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［21］并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立路隧過渡段三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行路基膨脹分析。模型幾何尺寸均參照設(shè)計(jì)資料，隧道部分模型建立采用雙洞單線形式，如圖3（a）所示。模型總長(zhǎng)為106 m，其中外部純路基段長(zhǎng)度為56 m，隧道長(zhǎng)度為50 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況設(shè)置膨脹區(qū)域總長(zhǎng)為50 m，其中隧道外32 m，隧道內(nèi)18 m，如圖3（b）所示。隧道洞門采用斜切式。

圖3 路隧過渡段計(jì)算模型（單位：m）

模型除頂面外均設(shè)置法向位移邊界約束。模型各結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置法向和切向接觸屬性，法向設(shè)置摩擦因數(shù)為0.16，切向設(shè)置硬接觸。模型均采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)無(wú)砟軌道鋼軌進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。

模型各結(jié)構(gòu)參數(shù)取用經(jīng)驗(yàn)值，鋼軌采用60 kg/m，100 m定尺長(zhǎng)無(wú)螺栓孔新鋼材，模型主要結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)層參數(shù)

隧道外膨脹層位設(shè)置在基床底層，隧道內(nèi)膨脹層位設(shè)置在仰拱下部2 m深度范圍內(nèi)的巖層。結(jié)合線路實(shí)際情況及試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置膨脹率為0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%的5個(gè)膨脹工況進(jìn)行對(duì)比分析。

當(dāng)膨脹率為0.06%時(shí)，模型鋼軌上拱值及分布情況基本與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致（圖4），此時(shí)的膨脹率也基本與現(xiàn)場(chǎng)獲取的試樣載荷膨脹率0.057%一致。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬上拱位移分布

2.1 鋼軌響應(yīng)分析

2.1.1 鋼軌上拱位移

路基膨脹層位發(fā)生膨脹后對(duì)上部無(wú)砟軌道支撐層和道床板產(chǎn)生一定的膨脹擠壓作用，最終致使道床板上部鋼軌產(chǎn)生一定的上拱位移。不同膨脹工況下鋼軌頂部上拱位移沿路線走向的分布曲線見圖5?？芍号蛎泤^(qū)域內(nèi)的鋼軌上拱位移最大，隧道內(nèi)部的上拱位移整體大于隧道外部，且最大上拱位移出現(xiàn)在隧道內(nèi)部，其值為4.56 mm。不同膨脹率時(shí)鋼軌上拱位移分布曲線相似，且在路堤側(cè)和隧道側(cè)無(wú)較大差異。當(dāng)膨脹率為0.09%時(shí)，鋼軌上拱位移最接近高速鐵路鋼軌上拱可調(diào)節(jié)臨界值4 mm。由于鋼軌下部直接接觸的路基結(jié)構(gòu)層為道床板，道床板的上拱位移直接影響鋼軌的變形，膨脹率為0.06%時(shí)鋼軌最大上拱位移為2.7 mm，這與圖2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的左右道床板最大上拱位移3.6、3.2 mm較接近。

圖5 不同膨脹率時(shí)鋼軌上拱位移分布曲線

膨脹率為0.10%的鋼軌上拱位移云圖見圖6?？芍?，膨脹中心區(qū)域鋼軌上拱位移最大，鋼軌整體呈抬升趨勢(shì)上拱變形較為明顯，膨脹區(qū)域兩側(cè)鋼軌上拱位移逐漸減小，上拱變形也逐漸消失。

圖6 膨脹率為0.10%時(shí)鋼軌豎向位移云圖（單位：m）

2.1.2 鋼軌應(yīng)力

路基膨脹層位產(chǎn)生膨脹后引起的膨脹力會(huì)逐級(jí)向上傳遞，致使鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生不均勻變化的內(nèi)部應(yīng)力。不同膨脹工況下鋼軌軸向應(yīng)力沿路線走向的分布曲線見圖7。

圖7 不同膨脹率時(shí)鋼軌軸向應(yīng)力分布曲線

由圖7可知：

1）膨脹區(qū)域內(nèi)鋼軌呈受拉狀態(tài)，非膨脹區(qū)域呈受壓狀態(tài)，表明膨脹區(qū)域的鋼軌發(fā)生上拱后，鋼軌單元應(yīng)力狀態(tài)逐漸由弱壓應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，同時(shí)由于上拱鋼軌拱腳處的擠壓作用，導(dǎo)致拱腳處鋼軌單元壓應(yīng)力產(chǎn)生一定程度的增大效應(yīng)。

2）鋼軌上拱段拉應(yīng)力峰值也出現(xiàn)在拱腳處，隨著鋼軌由非上拱段向上拱段的發(fā)展，拱腳處出現(xiàn)拉壓應(yīng)力突變，路堤側(cè)最大拉壓應(yīng)力差為19.61 MPa，隧道側(cè)最大拉壓應(yīng)力差為17.91 MPa。膨脹區(qū)域內(nèi)隧道內(nèi)部的鋼軌拉應(yīng)力略高于隧道外部，這與鋼軌上拱位移的變化規(guī)律類似，表明從純路堤段過渡到隧道段后，由于受到隧道圍巖較大的上覆荷載抑制作用，路基膨脹層位的膨脹擴(kuò)散范圍較為有限，而在開挖部分的隧道仰拱范圍內(nèi)膨脹上拱阻礙作用較小，使得膨脹上拱集中于隧道范圍內(nèi)發(fā)生，因此隧道內(nèi)部膨脹區(qū)域的鋼軌上拱位移較大，鋼軌內(nèi)部軸向拉應(yīng)力也較隧道外大。

膨脹率0.10%的鋼軌軸向應(yīng)力分布云圖見圖8?？芍芈肪€走向鋼軌的軸向應(yīng)力變化較大，在膨脹區(qū)域邊界鋼軌拉壓應(yīng)力突變明顯，隧道側(cè)鋼軌拉應(yīng)力與路堤側(cè)基本相同，而壓應(yīng)力明顯小于路堤側(cè)。

圖8 膨脹率為0.10%時(shí)鋼軌軸向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

2.2 路基響應(yīng)分析

基床底層發(fā)生膨脹變形后，造成無(wú)砟軌道路基各結(jié)構(gòu)層均產(chǎn)生相應(yīng)的豎向位移。路基豎向位移不僅在豎向和水平向呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，在路堤側(cè)和隧道側(cè)也存在較大分布差異。

不同膨脹率時(shí)路基豎向位移沿路基中心的豎向切片云圖見圖9。

圖9 不同膨脹率時(shí)路基豎向位移豎向切片云圖（單位：m）

由圖9可知：膨脹區(qū)域的上部路基結(jié)構(gòu)層豎向位移較大，且在隧道洞口區(qū)域豎向位移最大，這與鋼軌的上拱位移變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，也表明隧道洞口附近是過渡段路基上拱病害發(fā)展最嚴(yán)重的區(qū)域?？紤]到隧道洞口是路隧過渡段從普通路基過渡到隧道內(nèi)仰拱整體式混凝土路基的關(guān)鍵部位，也是列車高速進(jìn)出隧道的危險(xiǎn)部位，因此施工過程中需要對(duì)洞口處的路基填料選用和地基處理進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，以防止后期出現(xiàn)較為嚴(yán)重的路基上拱病害。

膨脹率為0.10%的路基豎向位移沿軌頂高度的水平向切片云圖見圖10。可知：膨脹區(qū)域內(nèi)自進(jìn)入隧道洞口后從拱腳位置開始，無(wú)砟軌道寬度范圍內(nèi)的上拱位移受到明顯的抑制作用。在膨脹區(qū)域邊緣，路堤側(cè)路基膨脹范圍向外擴(kuò)散較大，而隧道側(cè)膨脹范圍在無(wú)砟軌道區(qū)域內(nèi)受到較大抑制作用，而在隧道圍巖區(qū)域內(nèi)受到的抑制作用較小。

圖10 膨脹率0.1%時(shí)路基豎向位移水平向切片云圖（單位：m）

3 結(jié)論

1）隧道外基床底層路基填料內(nèi)部膨脹礦物蒙脫石含量較高，同時(shí)該層含水率較高，兩者相互作用后產(chǎn)生膨脹；隧道內(nèi)仰拱下部基巖膨脹性較強(qiáng)，在遇到較為豐富的基巖裂隙水后產(chǎn)生膨脹。

2）隧道內(nèi)部的鋼軌上拱位移和軸向拉應(yīng)力均高于隧道外部，且在隧道洞口位置出現(xiàn)較短范圍的漸變。同時(shí)為使鋼軌上拱不超過規(guī)范限值4 mm，路基膨脹率不得超過0.09%。

3）路基豎向位移在隧道洞口區(qū)域上拱位移最大。隧道內(nèi)無(wú)砟軌道寬度范圍內(nèi)自兩側(cè)拱腳位置上拱位移受到較大抑制作用，且隧道側(cè)無(wú)砟軌道的膨脹范圍擴(kuò)散也受到較強(qiáng)抑制作用。

4）隧道洞口是路隧過渡段的關(guān)鍵區(qū)域，無(wú)砟軌道的上拱位移和應(yīng)力都會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，施工過程中洞口區(qū)域的路基填料選用和地基處理需嚴(yán)格管控。