路基段雙塊式無砟軌道在線重構(gòu)整治研究與實踐

殷明旻 向 芬 喬建春 方 宜 蔣楚生

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

近年來，無砟軌道已成為我國高速鐵路主要的軌道結(jié)構(gòu)型式。目前，國內(nèi)一些高速鐵路運營后出現(xiàn)了一定程度的病害，某些特殊地段甚至出現(xiàn)了難以根治的病害疑難雜癥。如何在不中斷高速鐵路運營的前提下進行無砟軌道病害整治是目前亟待解決的難題之一。

國內(nèi)已有繩鋸法切割無砟軌道支承層或隧底回填層的成功案例，也有切割鉆孔路基基床表層，減薄無砟軌道支承層的實例，但以上措施工程實施時間跨度大，代價較大且可控性較差。本文針對路基段病害采用了無砟軌道拆除重構(gòu)方案，經(jīng)過深入研究，詳細周到的施工管理，安全地達到了整治目的。研究成果可為無砟軌道維修整治提供了借鑒和參考。

1 線路概況

1.1 某客運專線路基段基本情況

該異常段路基屬于低山丘陵地貌，長約395 m，主要為路塹，次為路堤，局部半挖半填。該段上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖。巖樣試驗膨脹性指標中，自由膨脹率0～22.0%，飽和吸水率0～12.8%，膨脹力0～56 kPa，多數(shù)樣品膨脹性參數(shù)極低。段內(nèi)地表水主要為季節(jié)性山間溝水，地下水為基巖裂隙水，巖性以泥巖為主，含水量微弱，無整體地下水位，僅分布局部裂隙水。

線路中心路塹最大挖方深度26 m，邊坡采用錨桿框架梁護坡，邊坡坡率1：1.5～1：1.75，路堤最大填方高度7 m，該病害段位于挖方地段，變形最大處基本位于挖方最大處。該段左側(cè)設(shè)C35 鋼筋混凝土錨固樁，樁間設(shè)C30 混凝土路塹擋土墻；樁間擋墻墻高均為7 m。錨固樁兩端采用一般重力式路塹擋土墻順接。該病害路基段基床底層厚度1.0 m，采用AB 組填料填筑?；驳酌嬖O(shè)置0.1m 厚中粗砂夾一層復(fù)合土工膜，兩側(cè)設(shè)置矩形側(cè)溝及縱向滲水盲溝。

該區(qū)間路基采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。平面位于半徑10 000 m 的圓曲線上，上、下行曲線超高均為55 mm，內(nèi)軌頂面至道床底面高度為815 mm。道床板為C40 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬2 800 mm，厚260 mm。支承層采用C25 混凝土，厚300mm，支承層連續(xù)澆筑。

1.2 運營期持續(xù)底鼓病害

該異常路基段共設(shè)置3 個觀測斷面，每個斷面在基底中心布設(shè)1 個沉降觀測板并在路基面左、中、右各布設(shè)1 個路面觀測樁。主體工程完工后，沉降觀測時間滿足評估要求，沉降觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常，單點沉降通過評估，符合規(guī)范要求。

線路開通運營后，工務(wù)段軌檢及軌面監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明，該段（上、下行共有約120 m）路塹呈現(xiàn)持續(xù)上拱變形和軌向異常，累計最大上拱量達43 mm，最大水平位移達11 mm。軌檢數(shù)據(jù)及歷次軌道精調(diào)恢復(fù)的軌面高程擬合如圖1所示。

圖1 K 482 路基病害段軌檢數(shù)據(jù)及歷次軌道精調(diào)恢復(fù)的軌面高程擬合圖

由圖1可知，工務(wù)段先后4 次對此處病害開展了專項精調(diào)整治，W300-1 型扣件平面最大調(diào)整量8 mm，高程最大調(diào)整量+26／-4 mm，整治后扣件最大調(diào)高量36 mm，最大調(diào)低量3 mm，最大平面調(diào)整量10 mm，部分區(qū)段已使用非標調(diào)整扣件。

1.3 病害成因分析

通過兩年多運營期的持續(xù)軌面數(shù)據(jù)監(jiān)測及軌檢數(shù)據(jù)對照，軌面上拱速率比較均勻，不存在溫度應(yīng)力導(dǎo)致的道床板上拱變形，道床板與支承層未見明顯離縫，道床板也未見均布或貫通性的橫向裂紋，基本可排除無砟軌道隨溫度上拱和施工質(zhì)量等方面原因。

路基基床填料膨脹、基底泥巖膨脹、地應(yīng)力局部異常都有可能形成底鼓病害?？辈祀A段本地層大量樣品的膨脹性試驗指標較低，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示底鼓與季節(jié)性規(guī)律性弱，由此可判定由于路基填料或基地巖體膨脹導(dǎo)致底鼓的可能性較小。參考其他底鼓病害工點，本段路基底鼓病害基本可判定為由路塹邊坡開挖卸荷與地質(zhì)環(huán)境變化使得地應(yīng)力局部異常調(diào)整所致。

2 病害整治修復(fù)研究

為取消該段因路基上拱引起的局部限速，保障鐵路運營秩序，對病害整治修復(fù)方案進行了綜合比選研究。采用路基整治方案工程量巨大，且無繞行和便線可用，考慮到本線的行車密度大，不能斷道施工，因此只能采取不中斷運營的無砟軌道拆除重構(gòu)辦法進行該段病害的階段性整治。經(jīng)過研究，嚴密的施工組織和管控，病害整治工程取得了良好效果。整治施工結(jié)束后，參照軌道幾何形位檢測數(shù)據(jù)，高速列車逐步恢復(fù)至設(shè)計速度。

2.1 無砟軌道受力分析

該段路基雙塊式無砟軌道為連續(xù)式，該病害段內(nèi)無端梁，距離端梁最小距離大于30 m。由于施工條件、天窗期等限制，拆除現(xiàn)有的連續(xù)式無砟軌道，重構(gòu)后采用單元式無砟軌道，并對重構(gòu)段兩端無砟軌道道床板進行植筋錨固，如圖2所示。

圖2 錨固筋布置圖

為了預(yù)留軌道上拱量，災(zāi)害整治中擬采用減薄了支撐層的方案，由此削弱無砟軌道結(jié)構(gòu)強度。

建立曲線段雙塊式無砟軌道有限元分析模型，分析支承層減薄對軌道結(jié)構(gòu)（鋼軌、軌道板、支承層、路基基床）受力的影響，如圖3所示。將鋼軌支承考慮為離散點支承，僅在扣件處設(shè)置支承點，鋼軌網(wǎng)格縱向密度取0.325 m，扣件等效為線彈性體，采用彈簧-阻尼單元進行模擬，剛度取50 kN／mm。軌道板、支承層和基床均采用8 節(jié)點六面體實體縮減積分實體單元進行模擬。

圖3 有限元計算模型圖

本文計算了列車荷載作用于枕間和軌枕上方時軌道板和不同厚度支承層底面的受力情況，支承層厚度取270 mm、230 mm、185 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著支承層厚度減小，道床板底面和支承層底面拉應(yīng)力逐漸增加；支承層185 mm 厚時，道床板底最大拉應(yīng)力0.52 MPa，小于C15 混凝土材料的抗拉強度設(shè)計值；支承層頂、底面各方向的壓應(yīng)力均隨支承層厚度減小而減小，軌道板和支承層所有受力均小于材料的抗壓強度設(shè)計值。綜上，經(jīng)過數(shù)值模擬和理論分析，可采用切割減薄支承層措施進行無砟軌道軌道病害整治。

2.2 核心裝備及關(guān)鍵材料

為實現(xiàn)天窗時間內(nèi)拆除重構(gòu)無砟軌道，天窗時間外維持限速運營，并確保行車安全，需要有快速拆裝可調(diào)性好的的軌道施工裝備以及快干速凝早強的特種膠凝材料等。

2.2.1 可調(diào)式單枕支撐臨時軌道結(jié)構(gòu)

目前對無砟軌道不中斷行車的情況下進行病害整治存在諸多技術(shù)難題，而對運營情況下無砟軌道支撐層及下部結(jié)構(gòu)進行拆換更是困難重重，研發(fā)一種不中斷行車、安全可靠、經(jīng)濟合理、施工方便、適應(yīng)能力強的臨時過渡軌道結(jié)構(gòu)勢在必行。

因此，在本次維修整治中，提出了一種單枕可調(diào)式臨時軌道裝置，如圖4所示。軌道結(jié)構(gòu)高度可低至470 mm 左右，該軌道裝置裝拆便捷，可方便地調(diào)節(jié)軌道高度、超高、軌距、軌枕間距，且不影響軌道電路和既有軌旁設(shè)備的安裝，極大地方便了無砟軌道維修病害整治。

圖4 單枕可調(diào)式臨時軌道支撐結(jié)構(gòu)示意圖

可調(diào)式單枕支撐臨時軌道作為承擔開通限速運營的臨時軌道結(jié)構(gòu)，需對其進行結(jié)構(gòu)檢算。計算模型為連續(xù)彈性點支撐梁模型，彈性點按照軌枕間距選取0.65 m。設(shè)計考慮在限速條件下ZK 標準活載通行，并進行ZK 特種活載驗證計算。按80 km／h 速度取動載系數(shù)，進行木枕的彎矩、強度，錨固螺栓的抗拔及剪切，無縫線路的強度和穩(wěn)定性檢算。結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果表明，安全余量合理，該結(jié)構(gòu)能滿足臨時過渡限速行車需求。由于夜間天窗時間施工，實際軌溫基本可恒定在鎖定軌溫±15 ℃范圍內(nèi)，滿足TB／T 2098-2007《無縫線路鋪設(shè)與養(yǎng)護維修方法》的無縫線路養(yǎng)護維修作業(yè)要求。

2.2.2 快干早強型高性能混凝土

由于高速鐵路天窗時間較短，而普通的硅酸鹽混凝土養(yǎng)護時間長，因此本工程中對混凝土的早期強度提出了更高的要求。經(jīng)綜合比選，本工程中選取快干早強型高性能混凝土，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 高性能混凝土基本參數(shù)表

該高性能混凝土的技術(shù)特性包括：①采用優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)、配合高性能無機快硬熟料技術(shù)及精選細骨料；②具有理想早期強度，2 h 抗壓強度≥35 MPa 和長期強度穩(wěn)定性；③特有的和易性保持緩釋技術(shù)、早期裂紋控制技術(shù)；④經(jīng)工廠專業(yè)設(shè)備配料、混合、包裝，現(xiàn)場加入粗骨料及水攪拌均勻即可使用；⑤粗骨料粒徑為5～25 mm，且小于30 mm。

快干早強型混凝土的使用時間短，現(xiàn)場應(yīng)考慮拌和場地、運輸、施工的快捷便利。在天窗結(jié)束前2 h 以上，若不能綁扎好道床鋼筋，精調(diào)軌道，準備好澆筑混凝土，則應(yīng)順延到下一個天窗時間內(nèi)進行澆筑，由此確?？旄稍鐝娦突炷劣? h 以上的養(yǎng)生及形成強度時間。

3 重構(gòu)施工及安全保障

3.1 無砟軌道重構(gòu)施工

重構(gòu)整治無砟軌道病害施工主要分為準備工作、拆除重構(gòu)無砟軌道和線路恢復(fù)、逐步提速3 個階段，具體施工步驟如圖5所示。

圖5 天窗期無砟軌道重構(gòu)施工工序流程圖

施工中如果段落上拱量值較大，且能申請到大天窗的情況，則可以段落整體精調(diào)，確保整治后軌面達到設(shè)計值后再分塊澆筑道床。

為驗證主要機具和材料的工作性能和施工功效，強化管理施工人員之間的協(xié)調(diào)能力，加強主要工序之間銜接配合能力，正式施工前需在場外進行工藝性實驗。

3.2 施工及運營安全保障

為盡快整治完成恢復(fù)正常運營，本次無砟軌道拆除重構(gòu)采用了不鋸斷無縫線路、不換軌的施工方案。鋼軌和扣件全部利用且不增加數(shù)量；雙塊式軌枕全部換新。施工中加強了對既有鋼軌和扣件的保護，拆除無砟軌道，重新澆筑混凝土道床使得無縫線路的縱橫向阻力發(fā)生了改變。然而，由于不鋸斷鋼軌，根據(jù)《無縫線路鋪設(shè)與養(yǎng)護維修方法》，宜在實際鎖定軌溫±15 ℃的溫度范圍內(nèi)施工和運營，若軌溫超出此范圍，則需要進行軌道強度和穩(wěn)定性檢算。根據(jù)前述檢算和現(xiàn)場測試情況，采用可調(diào)式單枕支撐臨時軌道結(jié)構(gòu)及木枕扣件可以安全確保實際鎖定軌溫在+15～-25 ℃時的安全施工和限速運營。

軌道精調(diào)時應(yīng)當對接觸網(wǎng)電務(wù)部分同步調(diào)整，軌旁信號設(shè)備直接遷移至臨時軌道，施工中應(yīng)注意鋼軌的絕緣，天窗結(jié)束前應(yīng)檢測軌道電路，從而確保非天窗時間的限速運營。

安裝軌道自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，測點縱向間距5 m，上、下行線枕木兩側(cè)各布設(shè)1 組測點。線路軌道極限容許變形值采用標準按照TG／GW 102-2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》中表6.2.1-2《線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值》及表6.3.3《軌道動態(tài)幾何不平順容許偏差管理值》中的 80 km／h標準控制，超限報警并申請進網(wǎng)檢查。同時，在關(guān)鍵位置點的車輛限界外安裝24 h 實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

4 整治后的觀測及效果

開通運營以來，該病害段最大年上拱速率約為10.75 mm／年。在無砟軌道重構(gòu)整治時，無砟軌道橫向位置糾偏和高程上扣件都進行了相應(yīng)量的預(yù)留。

由于沒有針對路基進行徹底的整治，整治后9 個月的觀測數(shù)據(jù)表明，上拱速率與重構(gòu)無砟軌道整治前基本保持一致，換算最大年上拱速率為10.68 mm／年，但最大上拱發(fā)生位置相對整治前有一定的移位。重構(gòu)前上拱量最大處為：上行線K 482+149 和K 482+155，下行線K 482+144 和K 482+149；重構(gòu)整治后上拱量最大處：上行線K 482+157，下行線K 482+155。重構(gòu)無砟軌道后最大變形斷面處軌面上拱值如圖6所示。

圖6 重構(gòu)無砟軌道后最大變形斷面處軌面上拱值對比圖

由圖6可知，無砟軌道拆除重構(gòu)導(dǎo)致基礎(chǔ)地應(yīng)力局部釋放和重新分布，但造成上拱的地應(yīng)力異常調(diào)整情況未得到改善，需進一步加強觀測和量化地應(yīng)力異常的詳細分布及數(shù)據(jù)，以便進一步研究路基的徹底整治措施。

5 結(jié)語

通過對既有營業(yè)線的無砟軌道重構(gòu)設(shè)計和施工實踐，本文對既有線無砟軌道地段病害不斷道整治做出了有益的嘗試。在不中斷運營的前提下進行了無砟軌道重構(gòu)整治，取得了一定的效果，路基上拱可以靠特殊扣件的預(yù)留調(diào)低量進行適應(yīng)，階段性克服了基礎(chǔ)上拱引起扣件無法適應(yīng)調(diào)整而限速的問題，保障了運營秩序。本次工程實踐可為類似災(zāi)害整治施工提供借鑒和參考。