強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶基礎(chǔ)整體道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

隨著我國鐵路線網(wǎng)的不斷加密、延伸，將面臨更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，特別是強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶將導(dǎo)致基礎(chǔ)變形，影響軌道結(jié)構(gòu)的服役性能。研究適應(yīng)線下基礎(chǔ)變形不穩(wěn)定條件下的整體道床結(jié)構(gòu)形式，為活動(dòng)斷層區(qū)域鐵路工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)方案。研究結(jié)論：（1）強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的軌道結(jié)構(gòu)宜按照“小震不動(dòng)，中震可修，大震可換”的原則設(shè)防，且具備高穩(wěn)定、可調(diào)整、少維護(hù)、易修復(fù)等功能；（2）現(xiàn)有無砟軌道結(jié)構(gòu)形式不適用強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的工程環(huán)境條件或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)開展適應(yīng)基礎(chǔ)大變形的新型軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)；（3）強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道，通過增加減震裝置實(shí)現(xiàn)垂向大位移調(diào)整，抵抗縱、橫向變形；（4）從工程化角度出發(fā)，特別是隧道地段應(yīng)充分考慮無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，研究輕型裝配式無砟軌道、可分層的自密實(shí)混凝土層等新型無砟軌道。研究結(jié)論可為強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶整體道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶； 整體道床； 設(shè)計(jì)方案； 減震裝置

U213.2+1A

［定稿日期］2024-07-18

［基金項(xiàng)目］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KSNQ213003，KSNQ213004）

［作者簡(jiǎn)介］孟振華 （1977—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事鐵路及新制式軌道設(shè)計(jì)研究工作。

0 引言

近年來，西部山區(qū)鐵路的興建進(jìn)一步加密了我國鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。由于特殊的地形地質(zhì)，西部艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路具有山高谷深、區(qū)域構(gòu)造強(qiáng)烈、超長(zhǎng)深埋隧道眾多、山地災(zāi)害頻發(fā)等特點(diǎn)，施工及維修難度大、工藝復(fù)雜，運(yùn)營維護(hù)成本高。

受此影響，相較于一般鐵路項(xiàng)目，艱險(xiǎn)山區(qū)的鐵路在建設(shè)和運(yùn)營期間，極有可能發(fā)生由不良地質(zhì)引起的隧底變形和無砟軌道上拱等問題，頻繁地震可能導(dǎo)致線路基礎(chǔ)位移變形過大等問題。因此，研究可適應(yīng)強(qiáng)震區(qū)、活動(dòng)斷裂帶大變形地段的軌道結(jié)構(gòu)型式，對(duì)于促進(jìn)我國艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)鐵路的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶軌道結(jié)構(gòu)需求分析及設(shè)計(jì)要求

1.1 需求分析

通常情況下，強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶基礎(chǔ)是穩(wěn)定的，但區(qū)域構(gòu)造和地震活動(dòng)等激勵(lì)會(huì)造成瞬時(shí)空間錯(cuò)動(dòng)，不僅會(huì)產(chǎn)生軌道板開裂、鋼軌扭曲等破壞，更直接威脅橋上列車的安全運(yùn)行。

在強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶，為便于基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后軌道幾何形位的調(diào)整，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)特殊線下基礎(chǔ)，具備高穩(wěn)定、可調(diào)整、易修復(fù)等功能［1］。

現(xiàn)行TB 10082-2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，活動(dòng)斷裂帶、地面嚴(yán)重沉降區(qū)等變形不易控制的特殊地質(zhì)條件地段，宜采用有砟軌道［2］。但從目前的運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，有砟軌道后期的維護(hù)工作量大，維護(hù)成本高，軌道的整體性較弱，在地震作用下不易保持軌道形位，容易發(fā)生各種破壞，尤其在超高海拔、超長(zhǎng)隧道及超長(zhǎng)大坡道占比極高的線路條件下，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)條件極差的情況下，軌道應(yīng)具備少維修或免維修的需求。

1.2 設(shè)計(jì)要求

參照橋梁抗震設(shè)計(jì)，強(qiáng)震區(qū)的無砟軌道結(jié)構(gòu)宜采用“小震不動(dòng)，中震可修，大震可換”的抗震設(shè)防原則。

（1）安全可靠。軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，避免在小震作用下發(fā)生過大的變形，影響線路的平順性，更不能發(fā)生不可修復(fù)的損傷。

（2）三維調(diào)整能力。軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)與線下基礎(chǔ)相匹配，適應(yīng)地震作用下的縱、橫、垂三向可調(diào)整的能力，同時(shí)滿足正常工況下的平順性要求。

（3）施工養(yǎng)護(hù)便捷。軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，易于組織施工，滿足設(shè)計(jì)精度要求，同時(shí)關(guān)鍵部件易更換，以降低日常維護(hù)的工作量。

（4）易維修。鐵路對(duì)運(yùn)輸本身對(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)意義重大，一旦地震造成軌道關(guān)鍵部件傷損，應(yīng)能快速拆除更換完成修復(fù)，快速搶通受損地段。

（5）經(jīng)濟(jì)合理。無砟軌道結(jié)構(gòu)除了滿足上述條件，還應(yīng)盡可能降低初期投資、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，降低無砟軌道的全壽命周期成本，經(jīng)濟(jì)合理。

2 強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)方案調(diào)研分析

目前，國內(nèi)外根據(jù)不同強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的具體地質(zhì)狀況及運(yùn)營條件，針對(duì)性地開展了不同形式的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究，比如聚氨酯固化道床、單元式無砟軌道、可調(diào)式框架板道床、梁式無砟軌道等。

2.1 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是在穩(wěn)定狀態(tài)的碎石道床內(nèi)澆注聚氨酯材料，將道砟顆粒固結(jié)在一起，形成具有彈性的整體道床結(jié)構(gòu)，研究初期現(xiàn)場(chǎng)澆注，后來發(fā)展為工廠化預(yù)制，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震引發(fā)的基礎(chǔ)錯(cuò)動(dòng)后的調(diào)整、修復(fù)［3］，如圖1所示。

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道和無砟的特點(diǎn)，具有較好的彈性，在多條線路上進(jìn)行了試鋪，積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但存在造價(jià)偏高，澆筑條件及工藝要求較為嚴(yán)格等問題。

2.2 單元式無砟軌道

單元式無砟軌道在線下基礎(chǔ)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變化時(shí)，表現(xiàn)出較好的整體性，在修復(fù)時(shí)將短軌枕或軌道板抬起，局部鑿除自密實(shí)混凝土層，按線形調(diào)整固定重新澆筑混凝土即可完成基礎(chǔ)大變形的調(diào)整，因此，應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶區(qū)域。

作為地震頻發(fā)的日本，單元板式無砟軌道已經(jīng)應(yīng)用多年。我國高速鐵路大量使用的CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道均為單元板式，對(duì)于不同的地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。單元式無砟軌道的連接部件（比如凸型擋塊）在溫度荷載等作用下容易發(fā)生剪切破壞，修復(fù)較困難等問題。

2.3 可調(diào)式框架板道床

我國西安等城市分布多條地裂縫，其變形會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生垂直和水平方向的位移。地鐵穿越地裂縫區(qū)域時(shí)采用可調(diào)式框架板道床，通過框架板下放置調(diào)高墊塊實(shí)現(xiàn)線形的調(diào)整修復(fù)，可實(shí)現(xiàn)高程500 mm、水平84 mm的調(diào)整量，適應(yīng)地層緩慢錯(cuò)動(dòng)的調(diào)整［4］，如圖2所示。

可調(diào)式框架板道床能夠在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)，解決地裂縫活動(dòng)對(duì)運(yùn)營的影響，在地鐵線路中運(yùn)營狀態(tài)良好。160 km/h客貨共線及高速鐵路的線路條件及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別于地鐵項(xiàng)目，其適應(yīng)性還需進(jìn)行研究分析。

目前，我國無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫未考慮抗震措施，對(duì)于強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶一般采用有砟軌道［5］。為避免局部有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量大、作業(yè)環(huán)境差、抗震能力弱的問題，應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)的需求研究線路適應(yīng)性更強(qiáng)的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

3 強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶新型無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 可調(diào)支座型板式無砟軌道

在單元板式無砟軌道的基礎(chǔ)上，軌道板兩端呈階梯狀，用以安裝抗震支座；可調(diào)支座分別通過預(yù)埋在軌道階梯底部和底座基礎(chǔ)階梯上部的預(yù)埋螺栓連接固定，調(diào)整和耗散垂向的位移變形及地震時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)；相鄰可調(diào)支座在縱向、橫向分別通過交叉剛性連接桿固定連接，抵抗縱、橫向的振動(dòng)及溫度變形，如圖3所示。

為便于施工時(shí)的安裝定位及縱橫向的限位，軌道板端階梯中間設(shè)置凸臺(tái)（或凹槽），對(duì)應(yīng)的底座基礎(chǔ)相應(yīng)位置處設(shè)置凹槽（或凸臺(tái)）。在調(diào)高過程中，軌道板與底座基礎(chǔ)之間設(shè)置自密實(shí)混凝土層。

相比于現(xiàn)有無砟軌道，該結(jié)構(gòu)通過對(duì)板端進(jìn)行調(diào)整，通過更換或調(diào)整支座即可實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的三維空間調(diào)整，適應(yīng)基礎(chǔ)的錯(cuò)動(dòng)變形，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)單便捷，調(diào)整能力大。

3.2 無砟軌道卡榫裝置

在軌道板兩側(cè)設(shè)置若干橫向限位裝置，通過底座基礎(chǔ)旁邊連接的限位卡榫抵抗來自地震作用下軌道板的橫向位移，同時(shí)實(shí)現(xiàn)豎向耗能，提高軌道板的抗地震性能，如圖4所示。

卡榫由矩形套筒和限位塊組成，限位塊為上部矩形塊、下部圓錐形結(jié)構(gòu)。限位塊上部矩形塊與套筒之間設(shè)置有彈性墊與彈簧，實(shí)現(xiàn)縱、橫向限位與減震，垂向通過彈簧實(shí)現(xiàn)大位移調(diào)整。

卡榫裝置在橋梁抗震中已有應(yīng)用，在既有無砟軌道的側(cè)面增設(shè)卡榫位置，可實(shí)現(xiàn)軌道板的縱、橫向限位及垂向保護(hù)，安裝及維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

3.3 橫向可動(dòng)板式無砟軌道

借鑒西安地鐵“防”與“放”相結(jié)合的原則，特別針對(duì)橋上無砟軌道，設(shè)置橫向可動(dòng)板式無砟軌道，如圖5所示。橋梁頂面固定設(shè)置滑移機(jī)構(gòu)，軌道板下部與滑移機(jī)構(gòu)連接，軌道板與橋梁結(jié)構(gòu)可發(fā)生相對(duì)橫向擺動(dòng)，用以耗散橫向振動(dòng)。

滑移機(jī)構(gòu)包括滑槽和滑軸，滑槽與橋梁固定連接，滑槽槽腔呈圓弧狀，槽腔內(nèi)安裝滑軸，滑軸兩側(cè)具有纜索固定。正常工況下，軌道板的橫向擺動(dòng)位移受纜索固定；地震工況下，軌道板的橫向擺動(dòng)超出纜索設(shè)計(jì)限值時(shí)，纜索繃斷，相鄰軌道板邊緣擺動(dòng)之后碰撞固定在一起，而下部橋梁仍能繼續(xù)擺動(dòng)。震后修復(fù)將橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)位之后，將纜索更換實(shí)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)的正常使用。

綜合上述分析可以看出，強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道［6］，借鑒橋梁減隔震思想，通過增加減震裝置實(shí)現(xiàn)垂向大位移調(diào)整，抵抗縱、橫向變形；橫向可動(dòng)板式無砟軌道采用“防”與“放”的思路，小震通過纜索固定抵抗變形，大震剪斷纜索之后將軌道板固定，與橋梁之間活動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)軌道固定，橋梁活動(dòng)，保護(hù)軌道結(jié)構(gòu)。

4 需進(jìn)一步研究的問題

近年來，隨著我國鐵路向西部艱險(xiǎn)山區(qū)延伸發(fā)展，涉及多處強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境大變形地段，對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)的要求也越來越高。目前不良地質(zhì)區(qū)域暫按有砟軌道設(shè)計(jì)，但基于運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)維修等多方因素考慮，研究提出了多種適應(yīng)線下基礎(chǔ)變形的無砟軌道結(jié)構(gòu)，仍存在多個(gè)問題需進(jìn)一步研究。

（1）我國強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的無砟軌道大多仍處于試驗(yàn)研究階段，遇到不特殊巖土及不良地質(zhì)條件，目前仍采用有砟軌道的形式。特別是針對(duì)隧道地段，受制于凈空及限界的影響，需研究無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，以適應(yīng)運(yùn)營過程中有砟改鋪無砟或無砟改鋪有砟的需求。

（2）針對(duì)無砟軌道發(fā)生病害之后難以修復(fù)治理的問題［7］，研究采用裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)，目前在城市軌道交通項(xiàng)目開展了相關(guān)研究，對(duì)于強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶采用裝配式軌道結(jié)構(gòu)需結(jié)合具體的線下基礎(chǔ)條件開展研究；同時(shí)為減少橋梁工程投資及運(yùn)營后的養(yǎng)護(hù)維修工作量，應(yīng)考慮降低軌道結(jié)構(gòu)的二期恒載。

（3）無砟軌道結(jié)構(gòu)在運(yùn)營中出現(xiàn)的上拱病害，一般采取挖除與上拱量厚度的路基或地基的方法下調(diào)軌道結(jié)構(gòu)高程，工程量大、成本高，且對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性造成影響。研究采用新型自密實(shí)混凝土形成多層調(diào)整層，特別在實(shí)現(xiàn)軌道板下調(diào)時(shí)能夠輕松拆除部分調(diào)整層；或者采用軌道板下調(diào)高墊板，既能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又能實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)。

（4）參照彈性支承式無砟軌道結(jié)構(gòu)，采用不用高度規(guī)格尺寸的混凝土支承塊實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)，優(yōu)化支承塊與混凝土軌道板之間的連接，優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)的排水，實(shí)現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用。

5 結(jié)論

強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶受復(fù)雜地質(zhì)條件、超長(zhǎng)隧道、超大跨度橋梁的影響，運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修極不方便，研究適應(yīng)線下基礎(chǔ)變形的無砟軌道，分析提出多種不同設(shè)計(jì)方案，為活動(dòng)斷層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)深化研究提供了技術(shù)方案，得出的主要結(jié)論如下：

（1）強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的軌道結(jié)構(gòu)宜按照“小震不動(dòng)，中震可修，大震可換”的原則設(shè)防，且具備高穩(wěn)定、可調(diào)整、少維護(hù)、易修復(fù)等功能。

（2）現(xiàn)有無砟軌道結(jié)構(gòu)形式不適用強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的工程環(huán)境條件或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)開展適應(yīng)基礎(chǔ)大變形的新型軌道結(jié)構(gòu)研發(fā)。

（3）強(qiáng)震區(qū)活動(dòng)斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道，通過增加減震裝置實(shí)現(xiàn)垂向大位移調(diào)整，抵抗縱、橫向變形。

（4）從工程化應(yīng)用的角度出發(fā)，特別是隧道地段應(yīng)充分考慮無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，研究輕型裝配式無砟軌道、可分層的自密實(shí)混凝土層等新型無砟軌道。

參考文獻(xiàn)

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