紅層軟巖高速鐵路路基長期上拱變形機理研究I：變形特征

鐘志彬，李安洪，吳沛沛，鄧榮貴

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；3.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

高速鐵路軟巖路基運營期出現持續、不收斂的上拱變形，是近年來高速鐵路建設和運營面臨的又一個“新問題”。2010 年開通的鄭西高鐵在運營1 a 后，多處無砟軌道即出現上拱變形，最大超出設計高程90.07 mm[1]；2014年開通運營的蘭新高速鐵路也陸續發現多處泥巖路基區段出現超限上拱變形，最大上拱量超過52 mm，且沒有收斂跡象[2-4]。近年來，西南地區穿越紅層高速鐵路深挖路塹路基的上拱病害尤其突出，最為典型的是成渝客運專線，內江北站2段無砟軌道開通前上拱變形量就已超限，為此進行了返工處理，線路開通運營后的5 a 期間，該區段路基依然持續上拱累積最大超過70 mm，導致列車不斷降速最后不得不再次返工處理[5-9]。西成客運專線江油段、成貴高速鐵路宜賓段也在施工期或者運營過程中出現多處深路塹路基超限上拱病害。紅層占我國陸地總面積的9.5%，其中60%分布于南方，尤其在四川盆地、盆地邊緣與攀西地區分布極為廣泛，是我國紅層分布最多的地區，被稱為“紅層盆地”[10]。同時，截至2021 年底，我國高速鐵路運營里程達到4 萬km，意味著將有大量的潛在紅層上拱變形病害路基工點，如此大規模的紅層軟巖深路塹工程足以讓工程建設及后期運營談“拱”色變。與普速鐵路相比，高速鐵路由于列車運行速度快，對于線路平順性要求更加嚴苛，無砟軌道對路基上拱變形調節能力卻僅有4 mm 的空間[11]，超限的上拱變形將嚴重威脅列車的安全運行。并且，運營高速鐵路路基返工整治代價非常大，在缺乏有效理論支撐的情況下，無法從根源上解決深路塹路基服役期持續上拱變形問題，存在反復整治風險，極大提高了線路運營維護成本，造成不良的社會影響和巨大的經濟損失。系統地揭示紅層軟巖區深路塹路基時效性上拱變形的內在機理，對我國特殊巖土地區高速鐵路工程防災減災及今后大規模線路運營維護意義重大。鐵路路基上拱(或者隆起)變形大多是由于地基膨脹性巖土體吸水膨脹、高寒地區凍脹作用、鹽漬土的巖脹作用引起。如早期的南昆鐵路[12-14]、云桂高速鐵路[15-16]、京沈高速鐵路[17]以及蘭新高鐵[2-4,18-21]都是由于基底膨脹性巖土吸水膨脹變形誘發工程病害，法國南部連接Saint-Marcel-lès-Valence 和Marseille 的高速鐵路也曾由于膨脹巖造成路基在運營期超限上拱變形[22]。傳統膨脹巖土以及微膨脹性巖石的脹縮性對高速鐵路路基長期穩定性的影響已受到廣泛關注，因此，成渝客運專線紅層路基出現上拱變形后，大部分學者也從基底紅層軟巖的膨脹性角度開展了研究[5-7]。然而，試驗表明紅層泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖等均不具備顯著的膨脹性，而僅表現出隨時間演化的微膨脹變形特征[7,23]。鐘志彬等[8]認為深路塹開挖引起基底巖體應力場分異，進一步造成紅層泥巖的蠕變是路基長期上拱變形的主要原因。吳沛沛等[9,24-26]通過數值模擬手段，從軟巖流變性角度分析了路基的長期上拱變形特征。無論是膨脹誘因觀點還是流變主導觀點，目前均未能給出系統的證據支撐。紅層軟巖物理力學性能復雜，已有研究表明，水力敏感性是誘發紅層工程災變的關鍵內在因素[27-30]，包括巖體的微膨脹性、流變性以及物理力學性能隨時間的演化特征，都可能是引起路基在運營期出現緩慢、持續上拱變形的原因。但是，目前尚未對這一復雜的作用過程及致災機理開展系統、深入的研究，尚無基于實測變形數據的高速鐵路路基長期上拱變形特征研究。本文以成渝客運專線典型紅層軟巖路基上拱病害工程為依托，在詳細分析病害路基工程地質及水文地質條件的基礎上，結合基底地層巖性及其結構和路基長期連續的變形監測數據，分析路基變形的時空演化特征及其影響因素，獲得路基服役期變形的特征規律，并初步定性分析引起路基持續上拱變形的原因，為后續系統揭示路基變形機理及建立理論模型奠定基礎。

1 工程概況

1.1 路基上拱病害概況

新建成渝客運專線(以下簡稱“成渝客?！?是滬蓉快速客運通道及沿江高鐵的重要組成部分，線路由成都東站到重慶北站，全程設12 個車站。采用雙線無砟軌道，設計時速350 km，全長308.2 km，其中四川境內185.5 km，重慶境內122.7 km。2010 年3 月開工建設，2015 年12 月26日開通運營。

2處上拱路基均為深挖方路段(圖1)，其中A段232 m，路塹開挖深度14～47 m，B 段175 m，開挖深度15～39 m，從2012 年11 月開始開挖，2013年4 月開挖完成，2014 年7 月完成無砟軌道鋪設。2015年5月在軌道精調過程中發現無砟軌道超限上拱，隨即對A 段上拱最嚴重區段進行破除軌道板重新澆筑返工(未進行路基處理)，并開展路基變形自動監測及部分地質補勘工作(圖2)。

圖2 路基長期變形監測及鉆孔布置示意圖Fig.2 Arrangement diagram of long-term deformation monitoring and boreholes

如圖2 所示為A 和B 段路基變形監測及鉆孔剖面布置，其中I線和II線為主線，3線和4線為到發線，結合圖1可以看到，3線臨近北側深路塹邊坡，4線臨近站房側。A 段沿線路方向間隔20 m 布置自動監測點，并在沿路基橫向布置AZ1和AZ2這2個地質鉆孔剖面，每個剖面包含4 個鉆孔；B 段變形監測和鉆孔剖面布置方式類似，BZ1和BZ2地質鉆孔剖面分別包含3個鉆孔。

1.2 工程地質及水文地質環境

地形地貌及大地構造方面，內江市處于四川盆地腹心地帶、川中地區，地貌以淺丘和緩丘為主，工程區內地面高程320～395 m，相對高差約75 m，自然橫坡一般16°～40°，局部可達70°。川中剛性基底受新構造運動影響較小，區內地質構造較簡單，地殼相對穩定，盆地上侏羅統巖層屬于水平構造，受地殼運動影響較輕微，這種條件下外動力作用占優勢。內江北站所在的內江市東興區位于四川沉降帶中部、威遠背斜北翼，屬川中低緩褶皺區，無大的斷層發育[31-32]。從地質構造上，內江北站所在區域無顯著的構造作用影響，巖體以豎向自重應力為最大主應力，水平應力為在豎向自重應力作用下的被動壓力。

地層巖性方面，路基下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)泥巖、砂質泥巖和砂巖，為典型的“川中紅層”軟巖，泥巖厚度大(約1.0～3.0 m)，砂巖較薄(約0.5～1.0 m)。泥巖為紫紅色，泥質結構，泥質膠結，巖質較軟，易風化剝落，具遇水軟化崩解、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～細粒結構，泥質膠結，中厚～厚層狀，質稍硬[8]；局部夾紫紅色砂質泥巖，為粉砂泥質結果、泥質膠結。巖層產總體狀平緩，呈近水平層狀，傾角4°～8°。深路塹開挖后，泥巖裸露后迅速風化崩解，砂巖風化速度緩慢，泥巖風化剝落后在坡腳堆積，砂巖層形成懸臂板，卸荷風化裂隙發育[33]，砂泥巖差異風化現象明顯，局部形成凹腔，但邊坡總體穩定性較好(圖3)。

圖3 內江北站紅層泥巖夾砂巖邊坡差異風化Fig.3 Differential weathering slopes of red-bed mudstone with sandstone at Neijiang North Station

圖4 為A 和B 段上拱路基鉆孔揭示的地質剖面示意圖，A 段AZ1 和AZ2 剖面各布置4 個鉆孔，B段BZ1和BZ2剖面各布置3個鉆孔，鉆孔深度自路基頂面以下均超過10 m，其中1.9 m 范圍內為路基本體回填層，以下為基巖?？梢钥闯?，A段基底以泥巖為主，10 m 深度范圍內泥巖層占比超過80%，部分鉆孔甚至全部為泥巖(如AZ1-1，AZ1-2，AZ2-3 和AZ2-4)，局部夾砂巖層(如AZ1-3 和AZ1-4)，砂巖層厚大多小于1.0 m；B 段基底砂巖層普遍較厚，10 m 深度范圍內砂巖層占比大多超過50%(BZ1-1 和BZ2-1 淺層砂巖厚度達到2.8 m)，局部有泥巖夾層(BZ1-3)。并且，2段線路橫剖面上基底巖層連續性較差，A 段基底砂巖呈透鏡狀，B段基底砂巖和泥巖層厚度均有較大變化。

圖4 上拱路基鉆孔地質剖面示意圖Fig.4 Geological profile of the heave subgrade

水文地質方面，內江屬于亞熱帶濕潤季風氣候，地表水主要為坡面暫時性流水，流量受季節影響明顯，內江市歷年平均降雨量為949.1 mm，多分布在夏季，約占全年雨量60%，年平均相對濕度82%。地下水為第四系土層孔隙潛水及基巖裂隙水，基巖中泥巖裂隙水含量甚微，砂巖中相對較大，降雨后即可在砂巖層面觀測到明顯的滲水(圖5)。據線路設計階段實測鉆孔靜止水位，測區內地下水穩定水位深0～12.5 m，深路塹開挖后地下水位迅速降低，地下水位大多穩定在路基面以下4.3～5.1 m 左右，并且靠北側邊坡地下水位較高，南側較低。

圖5 工程區路塹邊坡滲水Fig.5 Water seepage in the slope of engineering area

2 路基上拱變形時空演化特征

2.1 變形監測方案

如圖2 所示，A 路基沿4 條線路分別在軌道底座板邊緣連續布置4條測線，各測點間隔20 m，共計50 個測點，測段長度240 m，其中A-5 和A-6 剖面8個測點所在區域基底為開挖后澆筑的框架涵洞(圖6(a))；B段II線和4線并線道岔段減少測點，共計30個測點，測段長度160 m。各測點數據自動采集并無線傳輸，采樣頻率為2 h/次，設備采用太陽能電池板供電(圖 6(b))，采集兩段路基各測點變形隨時間和空間變化的連續數據。

圖6 路基變形自動監測系統Fig.6 Automatic deformation monitoring system

2.2 路基上拱變形的時間演化特征

2015 年—2019 年期間，A 段和B 段路基由于測點被人為損壞、設備檢修和傳感器更換等原因造成部分數據缺失。為分析路基變形隨時間的變化特征，選取A 和B 這2 段路基I 線測點變形監測數據，并結合監測期內內江市逐月平均降雨量數據繪制圖7，可以看出：1) 總體上，2 段路基在運營期均產生隨時間緩慢增長的上拱變形，持續5 a未見收斂。2) A 段路基各測點變形隨時間波動增長，其中2016 年5—7 月和2017 年5—8 月出現顯著的加速上拱現象，此期間對應于內江地區雨季，降雨量逐月增加，旱季路基變形速率則明顯減緩，AI-7，AI-8 和AI-9 測點變形量最大，變形隨大氣降雨相關性最強。對比圖4(a)和4(b)所示的I 線臨近的AZ1-2 和AZ2-2 鉆孔柱狀圖，AI-7 測點基底10 m 內全部為泥巖，AI-9 基底以泥巖為主，僅夾有一層薄層砂巖(0.7 m)，即泥巖層厚的區域路基上拱變形量較大，且變形速率受大氣降雨量影響。3) B段路基各測點變形隨時間近似呈線性增長，變形速率大多與大氣降雨量不相關，僅部分測點(BI-7，BI-8 和BI-9)變形速率隨降雨量表現出輕微的變化趨勢。對比圖4(d)所示臨近的BZ2-2 鉆孔柱狀圖，基底10 m 范圍內同樣以泥巖為主，夾有一層較厚的砂巖(1.9 m)。

時間尺度上，線路服役期的5 a 內，A 和B 2段路基各測點均隨時間出現持續、緩慢的上拱變形，以I線為例，A段路基5 a累積最大上拱量達到38.3 mm，B 段總體小于A 段，累積最大上拱量達到26.4 mm，均顯著超過無砟軌道路基變形控制限值，且無法通過軌道扣件進行調節。其次，基底以紫紅色泥巖為主的測點上拱變形量隨降雨量變化，雨季變形速率明顯增大、旱季變形顯著減緩。最后，結合基底鉆孔揭露地層結構發現，A段路基基底泥巖明顯較B段厚，A 段路基各測點變形總體也大于B段，并且基底泥巖層越厚，路基變形速率受降雨影響越顯著，砂巖較厚的B段路基大部分測點則產生近似線性上拱變形現象。

2.3 路基上拱變形的空間演化特征

為分析路基變形在空間上的特征，沿線路縱向、橫向及其與路基面以上豎向開挖高度和路基面以下鉆孔揭露巖性的關系特征，進行空間三維分析，獲得路基變形的空間特征。

線路縱向方面，以I 線為例，選取同一時刻沿線路縱向各測點上拱變形量，圖8 為A 和B 2 段路基沿線路里程方向上拱變形量與路塹挖方高度對比曲線?？梢钥闯觯?) 從2015 年—2019 年，2 段路基所有測點均產生顯著的上拱變形，A段最大上拱變形位于里程K152+810 處，B 段最大上拱變形位于里程K153+690 處，A 段路基上拱變形量總體大于B段。2) A段路基上拱變形量在縱向上與路塹挖方高度一致，即挖方越深上拱變形量越大；與此不同的是，B段路基上拱變形量與路塹挖方高度錯開，K153+690～K153+770 區間開挖深度增大，但是路基上拱變形量反而顯著減小。3) A段路基里程K152+750和K152+770這2處由于位于框架涵上(圖8(a))，上拱變形量減小，框架涵高度約8.3 m，即基底8.3 m 范圍內，巖體挖除后反壓鋼筋混凝土結構框架涵基底巖體依然產生上拱變形，但上拱變形量值減少超過50%，表明基底產生上拱變形的巖體下限深度已超過10.0 m。

圖8 路基縱向上拱變形特征Fig.8 Longitudinal heave characteristics of subgrade

結合圖4 所示A 段和B 段路基鉆孔地質情況，A 段基底泥巖層厚度顯著大于B 段，對應于A 段路基上拱變形量較B段大，表明基底泥巖厚度是影響路基長期上拱變形量的因素之一。另一方面，B段路基臨近I 線的鉆孔BZ1-2 和BZ2-2 揭露10 m 范圍內泥巖分別約占47%和76.3%(圖8(b))，然而鉆孔位置對應的K153+675 上拱變形量卻比K153+735大47.6%，即泥巖層越厚上拱變形量反而更小。因此，泥巖層厚度也并非是決定路基上拱變形量的唯一因素。

線路橫向方面，圖9 為A 段和B 段路基上拱變形在線路橫向的特征，A 段取里程為K152+810～883共5個橫剖面(圖9(a))，路基北側的3線(靠近路塹邊坡坡腳一側)上拱變形量最小，中間位置的I線上拱變形量最大，與對應鉆孔揭露巖性對比發現，3 線和I 線基底10 m 范圍內均為泥巖層(泥巖占比100%)，然而2 個測點上拱變形量值分別對應于橫剖面上的最小值和最大值。相反，AZ1-3鉆孔揭露基底10 m 范圍內存在砂巖夾層(泥巖占84.7%)，該測點上拱變形量依然大于基底全部為泥巖的AZ1-1對應的3 線上拱變形量。B 段取里程為K153+610～650 共3 個橫剖面(圖9(b))，與A 段相反，B段上拱變形量最大位于路基北側的3 線，I 線、II線和4 線上拱變形量差異較小。對比BZ1 鉆孔剖面，3線臨近的BZ1-1鉆孔揭露基底10 m 范圍內泥巖在3 個鉆孔中占比最小(44%)，對應的上拱變形量反而最大。因此，路基上拱變形在線路橫向上未顯示出與基底泥巖層厚度的相關性。

圖9 路基橫向上拱變形特征Fig.9 Transverse heave characteristics of subgrade

3 討論

引起路基上拱變形的因素主要有3個：臨近邊坡滑動、膨脹巖土地基吸水膨脹和基底巖體蠕變變形。法國LGV Méditerranée 高鐵主要由前2 個原因造成路基運營期持續上拱變形[22]，鄭西客運專線、蘭新高鐵、京沈高鐵等則是由基底膨脹性泥巖吸水膨脹造成超限上拱變形[4,17,19-21,34]。成渝客專開通前，出現上拱的內江北站由于新增川南城際鐵路引入施工，在線路北側進行二次擴挖，擴挖路基寬度超過50 m。并且，開挖揭露邊坡為近水平厚層泥巖夾薄層砂巖，邊坡穩定性較好，不存在失穩滑動風險(圖3)。因此，由于臨近路塹邊坡滑動變形引起路基上拱變形的因素可以排除，基底巖體的膨脹變形和長期蠕變變形成為關注的重點。

路基工程中，由地基膨脹巖或者膨脹土引起的路面變形，其最顯著的特征是變形與大氣降雨量和基底膨脹巖土層厚度顯著相關。陳偉志[15]在云桂高鐵彌勒段開展的典型膨脹土地基現場浸水試驗發現，地基表面脹縮變形速率隨時間的變化規律與外界氣候環境變化密切相關，旱季地基土失水收縮表現出沉降變形，雨季則產生顯著的膨脹變形，降雨量越大，地基膨脹變形越大。膨脹巖地基同樣具有類似的變形特征，TANG 等[22]分析了法國Saint-Marcel-lès-Valence 到Marseille 高速鐵路位于Chabrillan 的Km529+200～Km530+510 區間路基自2001年—2007年持續6 a的上拱變形發現，時間尺度上，基底膨脹性泥灰巖在每年雨季吸水膨脹、旱季失水收縮變形引起路基豎向波動上拱變形；空間上，沿線路縱向鉆孔揭露基底泥灰巖越厚，路基上拱變形量越大。馬麗娜等[18,34]在蘭新高鐵低黏土礦物泥巖開展路基現場浸水試驗，發現路基豎向變形同樣與注水量相關。因此，由基底膨脹性巖土體吸水引起路基上拱的變形機制中，路基豎向上拱變形速率將表現出與大氣降雨量顯著的相關性，同時基底膨脹性巖土層厚度越大，上拱變形量也相對越大。

成渝客專內江北站A 和B 2 段路基開通后5 a的上拱變形顯示，部分點位上拱變形的時間和空間特征符合膨脹性巖體吸水膨脹引發路基上拱的變形機制，尤其是A 段路基，基底主要為紅層泥巖，該紅層泥巖含有膨脹性黏土礦物伊利石成分，吸水后本身具有時效性膨脹變形特征[23]。并且，實測I 線大部分測點上拱變形速率與內江市降雨量趨勢一致(圖7(a))，與基底以砂巖為主的B 段路基相比，總體上拱變形量也更大(圖8)。DAI 等[5-7]基于紅層泥巖緩慢吸水膨脹解釋了路基產生長期上拱變形的過程機制。

另一方面，B段路基變形的時空特征則與巖體膨脹性誘發特征不符，該段基底砂巖本身不具有膨脹性[8]，實測I 線大部分測點時效性上拱變形與降雨量并無關系，而是隨時間呈近似等速線性上拱變形(圖7(b))。并且，基底泥巖層相對較厚測點對應的上拱變形量反而更小(圖8(b))，同一橫剖面同樣在泥巖較薄的位置產生更大的上拱變形(圖9(b))。然而，紅層泥巖和砂巖均具有顯著的流變性[8,27-28]，通過紅層砂泥巖室內蠕變試驗[8]和考慮基底巖體流變性的數值模擬研究[9,24-26]也可以解釋路基長期上拱變形過程機制，尤其是以砂巖為主地基的長期變形現象。

綜上可以發現，對于特定路段的變形現象，基于巖體膨脹性或者流變性機理都可以解釋路基產生長期持續上拱變形的過程機制。然而，這樣的分析思路具有結果導向特征，對于特定病害路基的災變機理事后分析是可行的，卻很難在工程建設前期對即將開挖的路基開展服役期上拱災變風險預測。因為，路基的長期持續上拱變形并不是由基底巖體單一的膨脹或者流變作用引起的，而是兩者耦合作用的結果，內江北站2段上拱路基雖僅相距700 m，卻表現出完全不同的變形特征?；讕r體不同巖性巖層厚度及組合結構特征、巖體受工程擾動的損傷特征、巖體的膨脹和流變性能、基底巖體賦存水力環境演化特征等眾多因素決定了路基變形具體是由膨脹主導，還是由流變主導。因此，需要在充分厘清基底巖體膨脹性和流變性的基礎上，結合巖體賦存水力環境特征，建立綜合考慮膨脹-流變耦合效應的地基變形演化模型及其理論計算方法，再針對具體工點開展計算及預測分析，最終確定引起特定路基長期持續上拱變形的主導因素及影響規律，并針對性地為工程防災減災設計提供理論支撐。

4 結論

1) 成渝客專內江北站位于典型川中紅層軟巖區，基底為侏羅系中統上沙溪廟組泥巖、砂質泥巖和砂巖，巖層近水平。鉆孔揭露A 段病害路基基底以泥巖為主，夾薄層砂巖，B段病害路基基底為砂泥巖互層，砂巖層相對更厚。

2) 時間尺度上，線路開通后5 a 內路基上拱變形隨時間緩慢增長，未見收斂。其中，A段路基大部分測點上拱變形速率與大氣降雨量相關，雨季變形速率大、旱季變形速率顯著減??；相反，B段路基上拱變形速率與大氣降雨量無顯著相關性，呈近似線性上拱變形趨勢。

3) 空間維度上，沿線路縱向，A段路基上拱變形量與路塹挖方深度一致，即開挖深度越大，路基上拱變形量也越大，基底巖體變形影響層下限深度超過10 m；相反，B段路基上拱變形量與路塹挖方深度無關，且基底泥巖層較厚位置上拱量反而更小。沿線路橫向，A段基底以泥巖層為主，路基中心位置附近上拱變形量更大；B段基底以砂巖為主，最大變形出現在臨近路塹邊坡坡腳一側。

4) 綜合路基上拱變形的時空分布特征及基底地層巖性特征，路基長期變形是基底紅層軟巖緩慢吸水膨脹和蠕變的綜合效應，應考慮基底巖體不同巖性巖層厚度及組合、受工程擾動的損傷、膨脹和流變性能、賦存水力環境演化等因素，建立地基長期時效性變形模型及計算方法，據此揭示路基長期上拱變形機理。

作為紅層軟巖高速鐵路路基長期上拱變形災變機理的系列研究，后續將在此基礎上系統分析基底巖體的膨脹性、流變性及其理論模型，為建立路基長期變形理論模型、開展災變風險預測奠定基礎。