某線震后軌道設計方案研究

蔡向輝，張 岷，唐文國，劉啟賓，褚衛松，張生延

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043; 3.中國鐵路蘭州局集團有限公司,蘭州 730000)

2022年1月8日門源發生6.9級地震,震源深度10 km,震中距某線垂直距離約4.5 km。該線在K1971+400附近以隧道結構穿越冷龍嶺斷裂帶,線路與斷裂帶交角約67°,地震后以斷裂帶為界,北段呈西北向位移,南段呈東南向位移,形成約2.36 m的相對錯位;同時線形總體呈北(大里程)降南升的趨勢變化,在斷層附近形成高差約40 cm錯臺,是我國高速鐵路首次遭遇的強震作用下嚴重受災事件[1]。

根據國家地震局2022年1月11日發布的《青海門源6.9級地震烈度圖》,該線K1967+418～K1973+718段為9度烈度區,也是本次震后排查受損最嚴重地段,沿線主要分布A隧道(K1965+525～K1972+093)、B隧道(K1972+365～K1981+874)和C橋(K1972+093～K1972+365)。強震造成該段A隧道內穿越斷層二襯坍塌,C橋梁體移位、接觸網脫落等基礎、設備嚴重損壞,并伴隨鋼軌折斷、扣件脫落、道床傾斜等軌道震害。

1 軌道傷損情況

強震發生并誘發活動斷裂帶發生斷層運動時,會帶動隧道仰拱和橋梁結構等線下構筑物水平和垂向錯動。隧道內無砟軌道與仰拱間通過植筋連接,上下盤錯動時,軌道結構隨基礎的錯動變形呈現局部與仰拱回填層脫空、空間扭曲、道床板破壞等災害形態[2],如圖1所示。同時,基礎縱向錯動會導致軌枕與鋼軌瞬間出現較大縱向力,兩者間未能及時滑移釋放,引起單元道床間伸縮縫拉裂、道床板出現裂紋甚至局部破損等情況[3-5]。

在橋梁段,由于地震作用下相鄰橋梁梁端變形幅度、方向未能協同一致,造成梁端相鄰兩塊道床板發生較大橫向錯位,鋼軌、軌枕承受較大橫向力,導致梁端部分軌枕擋肩破損;同時梁體移位、掉落至墩頂凹槽內加劇了相鄰梁體間道床板脫離底座板,鋼軌扭曲,并引發1處鋼軌折斷[6-9],如圖2所示。

圖2 橋上軌道破壞形態

2 震后重建方案

2.1 余滑變形預測

根據地震安評成果,本次門源地震冷龍嶺斷裂為發震斷裂,已經產生了地表破裂,對工程線路造成了嚴重破壞。由于此次地震造成相鄰未破裂段的應力加載,從而使其地震發生時間提前,因此,冷龍嶺斷裂仍存在發生地表位錯破裂的可能,對線路和附近工程建筑有影響,需要進行設防。同時,震后余滑是震后地殼形變最主要的機制,綜合分析本項目整治工程完成后剩余最大水平余滑量150～300 mm,最大垂直余滑量約100 mm,持續時間在3年左右,最終趨于穩定[10-12]。結合原勘察資料、建設期間施工揭示、震后地表裂縫、洞內破壞程度和本次復舊整治施工揭示綜合分析,判定K1971+385～K1971+680段為斷層帶,K1971+188～K1971+385、K1971+680～K1971+815段為斷層影響帶,如圖3所示,即需對K1971+188～K1971+815段(均位于A隧道內)進行余滑變形設防。

圖3 斷層分布

2.2 基礎工程重建方案

結合震后結構破壞調查資料和線路復測情況,整治工程中采取在線位破壞嚴重段落利用一組R=16 000 m反向曲線擬合的方案;并對斷裂帶破壞段襯砌進行拆除重建,增設60 mm厚減震消能層,并預留70 cm變形空間以應對后期余滑變形;同時,根據梁、墩檢測結果,對橋梁基礎及梁體拆除重建,新建橋梁設置回形鋼耗能雙曲面支座,并取消墩頂凹槽,加強防落梁設計。

2.3 軌道重建方案

軌道結構形式的選擇需綜合考慮本段工程、環境特點并滿足余滑設防要求[13]。有砟軌道相比無砟軌道易于調整軌道幾何形位,能適應設防段基礎余滑變形的要求,但高速鐵路有砟軌道存在軌道幾何形位保持能力差、日常運營維護工作量大等缺點[14],特別是該段地處海拔較高區域,自然環境惡劣,基礎設施薄弱,工務養護維修困難,不便于鋪設有砟軌道;既有無砟軌道主要通過WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件進行幾何形位調整[15],特殊調整扣件水平調整能力最大僅15 mm,當基礎變形超出扣件調整能力后雖然可通過切割無砟道床/支承層、無砟道床與線下基礎間注漿、橫向頂推糾偏等方式進行調整[16-17],但線路需限速運營,且整治周期長、經濟代價大、工程風險高。因此,需研究一種隧道內大調整量無砟軌道結構,以適應本段后期潛在余滑變形,并減少后期養護工作量,即A隧道和B隧道內除K1971+188～K1971+815設防區段研究鋪設大調整量無砟軌道外,其余地段仍采用原雙塊式無砟軌道結構[18],對于雙塊式無砟軌道后期局部上拱風險較高段落,采用扣件預墊高的方式施工,以增大運營期扣件負調整量。

C橋位于斷裂帶及影響區以外,通過震后穩定性監測,評估基礎工程穩定,且該橋已根據最新確定的地震等級采用全部新建方案,并采用了抗震支座,取消了墩臺頂部凹槽等加強防落梁設計。因此,橋上仍采用原“道床板+底座板”雙層雙塊式無砟軌道設計方案。

3 大調整量無砟軌道

結合無砟軌道結構可從扣件(配套軌枕)和道床兩個方面進行軌道幾何形位調整的特性出發,確定大調整量無砟軌道研究原則如下。

(1)優先選用目前高鐵建設和運營維護中的無砟軌道及配套扣件等成熟技術,軌道結構與下部基礎接口宜保持一致。

(2)軌道幾何形位主要通過扣件系統進行調整,即滿足無砟軌道安全服役的前提下增大扣件調整能力。

(3)應考慮無砟軌道幾何形位發生較大變化或軌道結構破壞時,在天窗時間內修復的可行性。

3.1 大調整量扣件

我國高速鐵路既有成熟WJ-8型扣件單股鋼軌左右位置調整量為±5 mm,鋼軌高低位置調整量為-4～+26 mm。WJ-8型特殊調整扣件通過增設2號、12號軌距擋板(標準WJ-8型扣件含4號、7號、10號)和6號、12號絕緣軌距塊(標準WJ-8型扣件含7號、8號、9號、10號、11號),單股鋼軌左右位置調整量達到±8 mm;通過更換鐵墊板和增設鋼制調高墊板,鋼軌高低位置調整量達到-10～+60 mm,但無法滿足運營期余滑變形調整要求,且因調整量超過40 mm后,WJ-8型特殊調整扣件已超出混凝土擋肩高度,不利于扣件系統的穩定性,因此,在采用WJ-8型特殊調整扣件調高量超出40 mm時需限速200 km/h及以下運營[19-20]。

結合本次震后線下基礎和道床結構傷損情況,在變形量達到一定量值后,基礎結構應進行加固處理,同時扣件調整量過大,相應零部件種類繁多、加工精度要求高、組裝繁瑣,且不利于扣件系統的穩定。因此,推薦本次大調整量無砟軌道系統左右位置的調整能力不低于±150 mm,高低調整能力不低于-24～+100 mm;當變形超出以上調整量后,可通過既有成熟繩鋸切割工藝進行道床結構幾何形位大調整?；诒揪€既有扣件為WJ-8/Vossloh300型扣件,考慮線路的剛度匹配和后期養護維修便利,大調整量扣件上部仍沿用原WJ-8型扣件系統,并增加鐵承軌臺以增大鋼軌高低調整量,增設調距塊(級差6 mm)和三聯套管(級差75 mm)用以增大鋼軌左右位置調整量,即“三孔連體承軌臺可調式WJ-8型扣件”,結構如圖4所示。

圖4 承軌臺可調式WJ-8型扣件

當余滑水平形變未超出5 mm時,通過既有WJ-8型扣件調整;當余滑水平變形量超過5 mm但小于77 mm時,通過更換不同號碼調距塊可實現72 mm調整,配合WJ-8型扣件,實現不大于77 mm調整量;當余滑水平變形量超過77 mm但小于152 mm時,通過移動錨固螺栓孔至鄰孔,可實現75 mm調整,配合調距塊和WJ-8型扣件,實現不大于152 mm調整量。

當余滑高程形變未超出-4～+26 mm時,按既有WJ-8型扣件調整方式,即更換軌下墊板、增設軌下或板下調高墊板;當余滑高程形變超出-4～+26 mm時,上盤通過抽除扣件承軌臺鐵墊板下預設墊板(20 mm),配合WJ-8型扣件更換軌下墊板厚度,實現不大于-24 mm高程調整量;下盤通過增設承軌臺鐵墊板下墊板、更換承軌臺鐵墊板,實現不大于100 mm高程調整量,調高100 mm狀態的承軌臺可調式WJ-8型扣件見圖5。

圖5 承軌臺可調式WJ-8型扣件調高100 mm狀態

3.2 三孔連體套管桁架式長枕

桁架式長枕充分借鑒既有岔區埋入式長枕成熟應用經驗,采用預應力螺旋肋鋼絲先張于C60混凝土結構中,結構尺寸為2 900 mm(長)×260 mm(寬)×130 mm(高),見圖6。采用 6 根φ14 mm 螺紋鋼筋與4根φ8 mm 波紋鋼筋組成鋼筋桁架,露出在混凝土截面的下方,加強與無砟道床間連接。軌枕中預埋三孔連體套管,并在套管周邊設置5根矩形φ5 mm低碳冷拔鋼絲網以提升套管位置處軌枕的強度,加強扣件預埋套管與軌枕之間的連接。

圖6 桁架式長枕(單位:mm)

3.3 道床預留調整方案

普通長枕埋入式無砟軌道在隧道地段一般為單層道床結構,桁架式長枕澆筑于道床之中,長枕上螺栓孔固定,僅能通過扣件的軌距擋板或鐵墊板調整。鑒于長枕上螺栓孔約束了線位的調整空間,本方案擬通過桁架式長枕上預埋連體套管的方式實現橫向大調整能力,即配套采用承軌臺可調式WJ-8型扣件,并考慮預留基礎變形超出扣件調整后的切割抬升、落道或糾偏的方案條件,見圖7。

圖7 桁架式長枕單層道床效果

大調整量無砟軌道采用單元式結構,采用C40鋼筋混凝土直接澆筑于隧道仰拱回填層上,道床板長5 900 mm(隧道設防段為6m節段)、寬3 300 mm、厚475 mm,板間設100 mm伸縮縫。道床板上部雙層配筋,下部預留φ30 mm切割孔道。該結構方案力學體系、施工工法等均與既有岔區無砟軌道相同,基礎變形后可通過扣件系統和預留孔切割兩種方式進行調整,滿足后期余滑變形調整需求。

4 大調整量無砟軌道鋪設范圍分析

為滿足線路運營標準,根據基礎變形情況,在K1971+271～K1971+793段增設了一對反向曲線順接擬合。當基礎錯動變形較小時,首先根據線路平順度標準通過扣件系統進行順接調整;當基礎錯動變形較大時,整治工作應首先重新擬合線路中線,再對軌道進行撥移順接[21]。

根據地質預測,未來發生的變形主要為斷裂帶水平錯動余滑。由于未來錯動位置及上下盤分別錯動幅值不可預估,根據上文,K1971+385～K1971+680段為斷層帶,分別按上下盤出現單邊平行錯位300 mm及兩側平均錯動150 mm三種工況進行線路平面擬合分析。

(1)小里程端K1971+385處偏移300 mm:曲線最外側直緩點需分別外移9.6,9.8 m;

(2)大里程端K1971+680處偏移300 mm:曲線最外側直緩點需分別外移9.6,9.7 m;

(3)中點處兩側分別偏移150 mm:曲線最外側直緩點需分別外移9.5,9.8 m。

可見,當活動斷裂帶上下盤總錯動量最大值300 mm時,擬合后曲線調整范圍及幅值基本一致,均為最外側直緩點外移約10 m。余滑雙邊各錯動150 mm擬合示意如圖8所示。

圖8 預測變形后擬合示意

當錯動面位于斷裂帶兩端K1971+385和K1971+680時所對應的大調整量無砟軌道設置范圍最大,此時,不同段落對應軌道應具備的最小調整能力如圖9所示。

圖9 不同錯動面變形后撥距示意

將不同錯動面變形后線路擬合撥距包絡統計,如表1所示?？芍?理論上僅需在K1971+333～K1971+731段范圍采用“三孔連體套管承軌臺可調式WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案;在K1971+278～K1971+333和K1971+731～K1971+786范圍采用“單孔套管承軌臺可調式WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案即可。但考慮該范圍僅為線路擬合調整范圍,鑒于本次地震強度大,破壞范圍廣,震后余滑持續時間長,變形量大,且余滑變形錯動位置、上下盤變形幅值及變形形態均具有不確定性,為避免大調整量無砟軌道與兩側普通無砟軌道調整能力差距較大,造成無法順接調整的情況,大調整量無砟軌道結構鋪設范圍應在包含活動斷裂帶破壞區K1971+385～K1971+680及擬合后反向曲線K1971+261～K1971+803基礎上,結合斷裂帶影響區K1971+188～K1971+385和K1971+680～K1971+815綜合確定,即K1971+188～K1971+815段采用“改進型WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”方案。

表1 不同錯動面變形后撥距包絡統計

5 運營期調整順接方式

本次設計的“改進型WJ-8型扣件+長枕埋入式單層道床”的大調整量無砟軌道結構方案在活動斷裂帶余滑變形過程中分級調整的主要方式如下。

(1)當線下基礎工程橫向錯動變形小于152 mm時,采用扣件精調并配合線路平面擬合的方式進行調整。

(2)當線下基礎工程橫向錯動變形大于152 mm時,采用局部道床板切割糾偏并配合扣件精調及線路擬合的方式進行調整,切割糾偏前將扣件恢復至初始狀態,為基礎結構后續可能出現的持續錯動預留調整空間。

(3)線下基礎工程垂向錯動可采用扣件精調并配合線路縱斷面擬合的方式進行調整。

6 結語

高速鐵路有砟軌道結構對線下基礎變形的適應性好,但軌道幾何形位保持能力差、日常運營維護工作量大,不適合鋪設于高海拔、自然環境惡劣、基礎設施薄弱、工務養護維修困難地段;既有成熟無砟軌道主要通過WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件進行幾何形位調整,調整能力無法滿足本線震后余滑變形的要求。在既有成熟的WJ-8型扣件和桁架式長枕基礎上,通過增設鐵承軌臺、調距塊和三聯套管等部件可提升扣件單股鋼軌左右位置調整量達152 mm,同時通過在長枕埋入式單層道床中預留切割孔,便于在運營期基礎變形超出扣件能力后通過切割糾偏措施以恢復線路平順性。在對余滑變形進行線路擬合后獲得撥距包絡表,獲得了大調整量無砟軌道鋪設范圍。該研究方法和設計方案可為活動斷裂帶或基礎不良地區軌道結構選型、設防范圍研究提供參考。