基于形變分析的高速鐵路震后線路修復(fù)擬合研究

楊建勛

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

2022年1月8日,門源發(fā)生6.9級強烈地震,震源深度10 km,震中烈度為Ⅸ度[1-2],發(fā)震斷裂為青藏高原北東緣祁連—海原斷裂中西段的冷龍嶺斷裂(F5,圖1),具左旋走滑性質(zhì),震中距蘭新高鐵大梁隧道最近距離約4.5 km[2]。地震造成蘭新高鐵祁連山越嶺段的大梁隧道、硫磺溝大橋及祁連山隧道局部段落不同程度損壞,特別是大梁隧道內(nèi)K1 971+400附近形成線路平面位錯2.38 m、K1 971+680附近豎向位錯0.87 m,硫磺溝大橋橋墩向西偏移近1.0 m,梁體移位傾斜,橋上軌道扭曲變形,軌道板脫離底座,鋼軌折斷,大梁隧道出口段和硫磺溝大橋損毀極為嚴重,蘭新高鐵被迫中斷,極大制約蘭新通道的運輸,也嚴重影響了人們的正常出行,社會反響強烈,蘭新高鐵線路的修復(fù)任務(wù)十分迫切。

圖1 地震震中、F5斷層及鐵路位置關(guān)系

地震影響的蘭新高鐵門源至軍馬場段線路位于祁連山越嶺段,線路以橋隧相連工程穿越祁連山。冷龍嶺斷裂(F5)位于北祁連褶皺帶,與祁連山山脊平行,由一組近乎平行的次級斷裂組成,是祁連塊體和“北祁連—河西構(gòu)造帶”分界線的一部分。其西端與托萊山斷裂相連,東端與古浪斷裂相接,斷裂長約120 km[3],蘭新高鐵線路經(jīng)由西寧后無法繞避地震影響帶,線路恢復(fù)只能沿既有線位在線路產(chǎn)生位錯的隧道內(nèi)修復(fù),可借鑒的工程實例尚為少見,線路修復(fù)中的線形擬合重構(gòu)設(shè)計、工程處置措施面臨全新考驗。

2 地震后軌道線形形變分析

2.1 線路控制網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)

工程測量是開展土建設(shè)施建設(shè)最基礎(chǔ)的工作,也是工程搶險了解險情、制定可靠工程措施的首要先導(dǎo)性任務(wù)。強烈地震不僅造成線路橋隧等設(shè)施損毀,也造成影響區(qū)段線路控制網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。震后搶險的首要任務(wù)是通過核查框架控制網(wǎng)CP0的穩(wěn)定,之后逐級恢復(fù)CPⅠ、CPⅡ和高程控制系統(tǒng),再恢復(fù)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ坐標(biāo)和高程系統(tǒng)),以滿足利用軌檢小車進行軌道密集逐枕采點測量的需要。

2.2 軌道測量數(shù)據(jù)采集

對于地震造成的線路災(zāi)害,除主要對軌道線路進行貫通測量獲得主導(dǎo)數(shù)據(jù)外,對于軌道損毀變形無測量價值地段,需通過量測橋梁墩臺、隧道洞壁完整段結(jié)構(gòu)特征點,特別是三維激光點云可視化[4]等手段及新測CPⅢ數(shù)據(jù),通過理論推算獲得損毀地段線路移位偏離數(shù)據(jù),共同構(gòu)成分析線路形變及線路擬合的完整數(shù)據(jù),分析剔除誤點,結(jié)合橋隧等土建專業(yè)的病害篩查評估情況和工程驗收規(guī)范性指標(biāo),研究明確可利用既有橋隧和無砟軌道等工程,以最終確定拆除復(fù)建工程段落及其工程內(nèi)容。

2.3 線路形變分析

地震引起線路空間形變表現(xiàn)的立體幾何形態(tài),是平面移位與豎向高程變化共同作用的結(jié)果,其中平面移位可分解為線路橫向與縱向矢量的位移合量。因在斷裂區(qū)域線路選線基本以大角度穿越,因此縱向位移相對較小。震動拉伸或擠壓影響線路整體縱向移位,表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)物會產(chǎn)生大小不等的橫向裂紋或壓裂破壞,雖然影響線路長度的變化,但對軌道線路的實質(zhì)性影響相對較小,而線路的不利形變主要是線路平面橫向位移與豎向沉降變形共同疊加產(chǎn)生的效應(yīng),是線路在地震發(fā)生時的主要破壞形態(tài)[5]。從工程角度特別是線路平縱擬合簡化考慮,應(yīng)重點考察線路平面橫向位移與豎向沉降變形。下面以蘭新高鐵大梁隧道地震線形為例,對線路形變情況論證分析。

根據(jù)原設(shè)計線路和震后軌道實測坐標(biāo)計算的局部線路平面位移如表1所示。

表1 線路(左線)震后F5斷裂局部線路平面位移統(tǒng)計

以表1數(shù)據(jù)反映的地震影響較大段總體形變趨勢及最大位錯K1 971+400附近的線路平面形變狀態(tài)如圖2如示,以地震前后軌面高差數(shù)據(jù)制作的地震影響高程總體形變趨勢及最大位錯K1 971+680前后線路沉降形變狀態(tài)如圖3如示。

圖2 大梁隧道地震影響線路平面形變

圖3 大梁隧道地震影響線路豎向形變

圖2、圖3反映的線路形變表述如下。

線路平面變化:以F5斷裂附近K1 971+400為界,以北向正西略呈北方向位移,以南向正東略呈南方向位移,在K1 971+400附近形成約2.36 m的明顯相對位錯(圖4);線路東西向最大位移量2.88 m,錯位處K1 971+638以北至祁連山隧道進口0.96 km范圍內(nèi)基本呈平移趨勢,位移量0.93～1.07 m,之后自K1 972+300位移基本呈線性緩慢收斂,在K1 975+360、K1 976+700、K1 979+400處分別有微小折點,至祁連山隧道出口K1 981+874收斂至0.19 m,至K1 984+100收斂至0.06 m;K1 971+400以南向小里程方向至K1 970+150在1.26 km范圍位移呈0.055%的較大速率快速收斂,最大位移1.81 m,在K1 970+150、K1 969+000處有較明顯折點呈現(xiàn)均勻速率緩慢收斂,至大梁隧道進口K1 965+525收斂至0.22 m,至K1 963+651收斂至0.05 m。

圖4 K1971+400位錯處隧道掃描點云模型

線路豎向變化:以F5斷裂附近K1 971+680為界,線形總體變化呈北降南升趨勢,北端在K1 971+958處最大沉降185 mm,其中K1 971+738至大梁隧道出口K1 972+090約350 m范圍較平穩(wěn)下沉,下沉量130～185 mm,K1 971+958之后線路豎向總體由急向緩逐步平復(fù),至祁連山隧道出口收斂至40 mm;南端在K1 970+377抬升至0.688 mm,之后向南(小里程方向)由急向緩逐步平復(fù),至大梁隧道進口收斂至136 mm,至K1 963+651收斂至68 mm;而中間F5斷裂所在K1 970+377～K1 971+738區(qū)段在1.58 km范圍呈以上升占主導(dǎo)、幅度從+688～-130 mm的震蕩撕裂形態(tài)。

2.4 橋隧結(jié)構(gòu)物地震損毀程度與線路軌道形變對應(yīng)分析

大梁與祁連山隧道之間硫磺溝大橋8孔32 m簡支箱梁橋移位及損壞情況見表2、圖5。地震造成大橋梁體移位或傾斜,橋上軌道扭曲變形,軌道板脫離底座,鋼軌拉斷,軌枕受損,橋面人行道板損壞,電纜拉斷,橋梁支座剪斷損壞,防震落梁鋼擋塊受損破壞,梁端梁體碰撞引起梁端局部混凝土遮板損壞,梁體錯位,橋梁支座墊石破壞,墩臺橫向移位0.919～1.062 m。因不同橋墩之間距地震地表破裂帶的距離不同,瞬間向西的振動幅度差異造成梁體錯位、軌道扭曲斷裂損毀,縱向也出現(xiàn)傾覆,造成橋上線路軌道形變無明顯規(guī)律可循,經(jīng)評估,該橋需拆除重建。

表2 硫磺溝大橋震后左線移位及相關(guān)分析

圖5 硫磺溝大橋地震后橋梁變形實景俯視平面

大梁隧道K1 971+341～K1 971+691段道床隆起,整體破壞嚴重;兩側(cè)水溝蓋板擠壓隆起,水溝側(cè)壁傾斜,局部破壞。F5斷層位置處破壞嚴重,襯砌環(huán)向擠壓破壞,隔水層外露,拱部大面積脫落,大量鋼筋變形斷裂外露,拱頂接觸網(wǎng)懸掛設(shè)備損壞(圖6)。隧道在F5斷層附近K1 971+400處環(huán)向錯斷,其損毀特征與線路軌道形變對應(yīng),明顯受斷層左旋擠壓作用影響[2],為震害極嚴重段;其他隧道災(zāi)害主要為10多處1.5～10 m不等長剝落掉塊段和邊墻環(huán)向裂縫、仰拱填充層裂縫、附屬洞室裂縫和滲漏水、中心水溝堵塞、施工縫剝落等,發(fā)生部位與線路軌道突變基本對應(yīng),且豎向形變具有波浪突變傳遞特征(圖7)。

圖6 隧道襯砌錯斷損毀場景

圖7 豎向形變突變特征示意(縱橫比:1/100)

3 線路擬合方案研究

擬合線路目的:一是對線路的總體形變特征進行定量評估,按形變劃分為嚴重變形拆除重建段、局部損毀重修段、軌道修復(fù)調(diào)整段及可利用既有工程段,指導(dǎo)軌道等相關(guān)工程的總體修復(fù)方案,制定相應(yīng)的工程措施;二是順應(yīng)變形趨勢,真實反映線路平面和縱斷面形態(tài)變化狀況,進而確定災(zāi)后線路平面線位與曲線參數(shù)及線路縱斷面坡度,為災(zāi)后復(fù)舊工程提供最經(jīng)濟、合理的線路方案,同時重新為運營養(yǎng)護部門提供可靠的線路維護基準(zhǔn)資料,進行軌道線路長波不平順幅值的有效管理[6]。

3.1 線路平面擬合

地震等自然災(zāi)害在曲線地段產(chǎn)生的位錯通過新設(shè)單曲線即可消除,而長大直線地段產(chǎn)生線路位錯時,為減少修復(fù)段落長度,線路修復(fù)則需設(shè)置“S”形曲線將線路圓順貫通,但因位錯值相對較小,兩曲線偏角存在α1=α2+Δ(Δ為位錯兩端直線夾角,大梁隧道位錯Δ≈0°0′53″)的制約關(guān)系,所設(shè)“S”形曲線夾直線長度與圓曲線長度呈反比互相鉗制,難以協(xié)調(diào)同時滿足設(shè)計規(guī)范中0.6Vmax(Vmax為列車最大速度)的技術(shù)要求。根據(jù)車輛振動不疊加理論,即夾直線或圓曲線長度要保證旅客列車以最高速度運行的時間不小于轉(zhuǎn)向架彈簧振動消失的時間,列車在緩和曲線出入口產(chǎn)生的震動通常在半個周期(普通車輛振動周期約1.0 s)時達到最大,在1.5～2個周期內(nèi)基本衰減完成,則計算夾直線長度Lj=(0.42～0.56)Vmax;車輛進出圓曲線引起的附加振動同樣基于振動不疊加理論,但從線元銜接關(guān)系來看,緩和曲線使圓曲線過渡較直線過渡震動傳播具有相對明顯弱化的區(qū)別;國外高速鐵路采用同樣理論確定的夾直線長度為(0.4～0.6)Vmax之間[7-8]。因此,需要以充分利用既有工程與維持較高線形標(biāo)準(zhǔn)并重協(xié)調(diào)為基本原則,對于困難條件下地震修復(fù)“S”形線路,相鄰曲線間夾直線可取Lj≥0.6Vmax、圓曲線長度Ly≥0.4Vmax,即對各參數(shù)按影響行車安全、舒適性程度分主次優(yōu)先選擇,優(yōu)先滿足影響“S”形曲線段舒適性的夾直線與緩和曲線長度,再考慮滿足圓曲線長度,困難時圓曲線長度按Ly≥0.4Vmax控制,具體按“一事一例”原則,通過數(shù)據(jù)測算及組織專家論證確定。大梁隧道災(zāi)害為具有左旋走滑性質(zhì)的逆斷層位錯,引起線路直線段平縱線形發(fā)生大范圍左右偏移和上下波動,造成線路擬合順接困難,在確定位錯處“S”形曲線之前,首先需順應(yīng)形變,擬合確定位錯兩端的直線邊,即對長大夾直線的擬合方案予以明確。

3.1.1 方案Ⅰ:長大夾直線按單一線形單元擬合

線路自大梁隧道進口至破壞嚴重段、硫磺溝橋至祁連山隧道出口段落按照撥移量左右均衡為原則,在位錯兩端均以一條理論長直線邊進行線路擬合,在破壞嚴重位錯段落利用一組半徑R=16 000 m反向曲線順接。結(jié)果表明:擬合段落線路長度16.35 km,線路撥移量大于±10 mm段落累計14.56 km,占線路長度的89%,如圖8、圖9所示。僅有11%的線路段落滿足TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》和TB10754—2018《高速鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》評價要求,即測點平面偏差≯±10 mm的控制要求[9-10],可以利用。

圖8 位錯南段長直線按單一線形單元擬合撥距示意

圖9 位錯北段長直線按單一線形單元擬合撥距示意

3.1.2 方案Ⅱ:長大夾直線按形變率約束折線擬合

在對形變數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,以≮1 km長直線邊即大于正常坡段長度約束控制,于大梁隧道、祁連山隧道長大直線邊K1 968+993、K1 970+118、K1 975+363、K1 976+700、K1 979+403處分別增加6″、1′10″、10″、4″、3″五處小偏角曲線,曲線半徑按照曲線長度大于50 m(保證同一線形單元可容納2節(jié)車輛走行)進行匹配。在K1 971+271～K1 971+793破壞嚴重段落利用1組R=16 000 m反向曲線順接(夾直線Lj≥0.6Vmax、圓曲線長度Ly≥0.4Vmax)。結(jié)果表明:在線路長度16.35 km中,線路撥移量大于±10 mm段落,累計長2.36 km線路需要拆除重建,占線路長度的14.4%,可利用段落13.99 km,占線路長度的85.6%,如圖10、圖11所示。

圖10 位錯南段長直線按約束折線擬合撥距示意

圖11 位錯北段長直線按約束折線擬合撥距示意

3.1.3 擬合方案分析與選擇

鐵路線路的直線地段由于測量、施工誤差和運營維護的影響,不可能是一條理想化的標(biāo)準(zhǔn)直線。鑒于此,TB10105—2009《改建鐵路工程測量規(guī)范》5.2.5款明確:設(shè)計行車速度為200,160 km/h及以下鐵路長直線地段產(chǎn)生的小偏角分別≤6′、12′時,規(guī)定可視為直線,大于其規(guī)定值時宜按曲線進行測量[11];對于設(shè)計行車速度200 km/h以上線路,目前鐵路各類規(guī)范尚無具體規(guī)定,有關(guān)研究也比較欠缺。分析認為,此情況主要是我國高速鐵路尚處在運營初期,有關(guān)病害較不突出,但隨著線路逐步進入維修期或遭遇較大地震災(zāi)害,長大夾直線擬合面臨的小偏角問題難以回避;從本次蘭新高鐵大梁隧道、祁連山隧道震后現(xiàn)狀來看,長大直線如不引入小偏角擬合,將有89%的線路軌道達不到軌道質(zhì)量評估條件,不僅無砟軌道需要拆除重建,對結(jié)構(gòu)完好但因撥距不滿足限界的隧道也需改建,究其原因,雖因高鐵線路施工精度要求高、軌道結(jié)構(gòu)整體性好,所引起線路長大直線的小偏角較普通線路極為微小,分析認為應(yīng)是施工誤差、軌道變形、地震形變等多重因素作用的結(jié)果,但從圖8與圖10、圖9與圖11的對比看出,由于高鐵線路精度要求顯著提高,直線邊控制對線路的理論擬合影響非常突出。僅以線形符合原設(shè)計的長大直線而拆除重建大部分結(jié)構(gòu)完好地段的軌道顯然不科學(xué)、不合理,長大夾直線引入小偏角客觀開展擬合設(shè)計,通過全面系統(tǒng)評估,以最大化利用既有工程,同時確保無砟軌道精調(diào)維護的可實施性是現(xiàn)實可行的、合理的。

3.1.4 線路平面擬合方法研究

傳統(tǒng)的線路平面擬合大多采用解析法,建立模型算法,利用計算機人機互動完成,即依據(jù)實測數(shù)據(jù)對直線、圓曲線、緩和曲線線元段進行有效識別,再通過相對應(yīng)的算法進行線元擬合優(yōu)化,最終實現(xiàn)線路重構(gòu)[12-16],但線路變形與擬合線路因過于微小而難以直觀可視,只能通過計算結(jié)果數(shù)據(jù)評判擬合效果,再輸出擬合線路要素。此類方法較易滿足普速線路撥距控制在±200 mm范圍內(nèi)的擬合設(shè)計,對于高速鐵路、城際鐵路,特別是無砟軌道線路要求的高平順度、扣件最大撥量±8 mm控制精度[17-18],則可能需多次測算、試算,難以快速準(zhǔn)確完成線元擬合。

本研究基于線路形變特征,引入基準(zhǔn)線路概念,采用均衡化原則,將實測線路投影至基準(zhǔn)線路獲得支距數(shù)據(jù)量差對比,在AutoCAD中將平面問題轉(zhuǎn)化為虛擬可視化的類似縱斷面拉坡界面(圖12)研究?！袄隆睍r將250 km/h線路長大直線約束為最大控制折角1′10″、控制邊長≥1 km的折線,即以限值控制的偏角和邊長所確定的折線定義長大直線,使各測點最大化向擬合線路匯集靠攏,力圖確定的直線邊對曲線段的擬合取得較好擬合效果,進而使線路全段線形擬合接近現(xiàn)狀實際,且能夠以軌道平順性評判標(biāo)準(zhǔn);將線路按嚴重變形拆除重建段、局部損毀重修段、軌道修復(fù)調(diào)整段、既有工程利用段四類劃分,制定相應(yīng)的工程處理措施;之后將縱斷面“設(shè)計線”成果借助基準(zhǔn)線路對點轉(zhuǎn)換為線段真實平面關(guān)系完成擬合線路,提取撥距資料。

圖12 平面可視化擬合界面(位錯段)示意

獲取測點撥距后,重點考察曲線地段撥移量是否滿足允許值及確定是否需要調(diào)整,追求在前后曲線均達到最優(yōu)條件下確定公共約束夾直線邊[19],依據(jù)評估結(jié)果,調(diào)整確認最終擬合線路。

采取虛擬化轉(zhuǎn)換的平面線形可視化擬合重構(gòu)技術(shù)路線,將通常難以直視的微觀變形可視化,可借助觀察了解線路形變細節(jié),通過人工精準(zhǔn)判斷及主動干預(yù),提高平面線形擬合重構(gòu)的效率和質(zhì)量。

3.2 線路縱斷面擬合

線路縱斷面的擬合相對單一,建議按照無砟軌道相關(guān)驗收標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定高程偏差不突破±10 mm(最大抬落道量容許值)的要求,結(jié)合平面擬合線形與軌向的契合利用程度,以“點線一致”縱斷面線形重構(gòu)思想[20],分段控制擬合。對于平面擬合需拆除、縱向波浪突變段等重建地段,縱斷面擬合以滿足橋隧和軌道結(jié)構(gòu)物修復(fù)工藝、技術(shù)要求為原則,應(yīng)盡量采用較長的坡段長度,合理控制抬降值(突變處局部鑿除),保證上部隧道及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)限界要求。對于軌道修復(fù)調(diào)整段與利用段,結(jié)合軌道狀態(tài)評估嚴格控制抬降值,參照“線規(guī)”中對最小坡長的規(guī)定和考慮坡差微小的情況,確定最小坡段長度滿足一般條件下≮600 m、困難條件下≮400 m原則要求。研究表明:軌道工程利用段原同坡因微調(diào)新增變坡點處坡差在0.015‰～0.17‰之間,均小于1‰,豎曲線設(shè)置困難,高程調(diào)整值難以量測,故不考慮設(shè)置豎曲線。

4 結(jié)語

以蘭新高鐵大梁隧道震后線路修復(fù)為契機,基于線路軌道形變分析,提出將長大直線約束為折角≤1′10″、控制邊長≥1 km的折線,對線路擬合方案、方法等問題進行了較為全面的分析研究,其擬合成果已順利應(yīng)用于線路修復(fù)設(shè)計,可為類似項目提供借鑒。研究認為對于無砟軌道線路的擬合整正、特別是作為災(zāi)害多發(fā)地區(qū)線路修復(fù)的基礎(chǔ)工作,需從以下兩個角度繼續(xù)深入研究。

(1)隨著高速鐵路、城際鐵路在交通運輸體系中的地位日益重要,維持鐵路線路穩(wěn)定運營事關(guān)民生大事,應(yīng)急搶險、災(zāi)后修復(fù)、病害整治等修復(fù)工程時效性緊迫,并且隨著我國早期建成高速鐵路逐步進入線路維修階段,線路幾何狀態(tài)適應(yīng)性評估標(biāo)準(zhǔn)的制定問題已日顯突出,亟需根據(jù)大量實踐,定義各等級線路對長大夾直線的維護標(biāo)準(zhǔn),即控制最大偏角與邊長的雙重約束條件。

(2)研究既有無砟軌道線路復(fù)測與重構(gòu)對應(yīng)的技術(shù)評判指標(biāo),對損毀線路按嚴重變形拆除重建段、局部損毀重修段、軌道修復(fù)調(diào)整段、既有工程利用段四類分級劃分,規(guī)范、系統(tǒng)性指導(dǎo)線路災(zāi)后修復(fù)或病害整治中線路擬合重構(gòu)的基礎(chǔ)性工作,快速獲得軌道修復(fù)數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)字線路,為推動無砟軌道既有線路測量、維修技術(shù)體系化進步積累經(jīng)驗、貯備技術(shù)。