路基區段雙塊式無砟軌道基礎上拱整治技術對策

姜子清

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

雙塊式無砟軌道鋪設里程約占我國高速鐵路無砟軌道鋪設里程的一半左右，是我國主要無砟軌道結構形式［1-3］，路基區段軌道結構主要由鋼軌、扣件系統、雙塊式軌枕、道床板、支承層等部分組成。道床板為縱向連續的鋼筋混凝土結構，采用C40 鋼筋混凝土現場澆筑。路基區段道床板沿線路縱向連續，標準道床板寬度為2 800 mm，高度為240 mm。道床板頂面向線路外側設置2%的橫向排水坡。設計要求道床板混凝土不得出現橫向或豎向貫通裂縫。支承層是路基區段雙塊式無砟軌道的支承基礎，標準支承層設計寬度3 400 mm，厚度300 mm，其主要功能是承受豎向荷載，并將荷載傳遞、分散至路基面。為防止溫度力作用下出現過大的自由裂縫，支承層在施工階段每隔5 m左右設置深度為1/3 厚度的假縫。設計要求路基地段支承層不應有豎向貫通裂縫，支承層與道床板、路基基床表層間應密貼，不得有離縫［4-5］。

我國高速鐵路無砟軌道結構對下部基礎沉降有明確要求：TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［4］中要求無砟軌道設計應考慮下部基礎變形對軌道結構的影響，路基工后沉降不宜超過15 mm。對于無砟軌道線路基礎沉降問題，采取特殊調整扣件［6］、道床整體注漿抬升等技術，均可以實現在不影響無砟道床整體性的基礎上快速消除基礎沉降不利影響。而針對線路下部基礎上拱問題，前期研究較少，相關規范中也未有明確要求，但高速鐵路線路由于路基填料或地基中膨脹性物質、隧道內水壓、山體應力等因素影響［7］，部分區段下部基礎出現不同程度的上拱，個別上拱較為嚴重區段上拱量達到100 mm 以上，且大部分基礎上拱變形伴隨著不同程度的線路偏移，影響高速鐵路列車正常運行。

對于線路下部基礎上拱，扣件負調整能力僅為4 mm，遠無法解決上拱對行車帶來的不利影響；前期基礎上拱整治主要采取拆除重建的方案，對無砟軌道整體性和線路運營影響較大。因此，需要從無砟軌道結構和線下基礎著手，研究消除上拱影響的整治技術。

本文以路基區段雙塊式無砟軌道為對象，通過有限元分析和現場試驗驗證，提出通過切割承軌臺、切割支承層及暗挖基床技術降低軌面標高，解決路基區段雙塊式無砟軌道基礎上拱問題，也可為隧道區段、路橋過渡段等不同線下基礎上無砟軌道結構線路基礎上拱整治提供借鑒。

1 基礎上拱變形分析

1.1 基礎上拱變形監測分析

不同工況的路基區段雙塊式無砟軌道基礎上拱特征各不相同［8-10］，因此，基礎上拱整治前須掌握上拱變形發展規律，確定上拱部位，而基礎上拱變形監測技術則是上拱整治方案制定的重要依據。基礎上拱變形監測主要包括：縱向連續變形監測和分層變形監測，其中縱向連續變形監測主要確定基礎上拱沿線路縱向的影響范圍和線路不同里程位置的上拱量；而分層變形監測主要確定基礎上拱沿路基深度方向的具體上拱部位和路基不同結構層的上拱量。

1）縱向連續變形監測

縱向連續變形監測一般在基礎上拱工點的路肩側無砟軌道支承層上布設靜力水準監測系統，根據現場實際上拱情況間隔布設傳感器。選擇路肩臨近未上拱段的CPⅢ樁作為基準點，其他監測點的靜力水準儀與基準點的靜力水準儀共同構成一個密封液路系統，從而實現縱向連續變形監測。現場縱向連續變形監測傳感器如圖1所示。

圖1 現場縱向連續變形監測傳感器

2）分層變形監測

分層變形監測一般沿路基深度方向對基床表層、基床底層、基床以下路基、地基進行變形監測，同時每個工點布設一個溫度和水分傳感器，對監測位置的溫度和水分情況進行監測，從而獲取基礎上拱變化趨勢和不同部位不同時間上拱量。現場分層變形監測傳感器如圖2 所示。典型基礎上拱變形監測曲線見圖3。

圖2 現場分層變形監測傳感器

圖3 典型基礎上拱變形監測曲線

1.2 膨脹性物質檢測分析

為進一步分析路基區段無砟軌道基礎上拱具體原因，須要對上拱位置的基床表層、基床底層、基床以下路基及地基等不同深度分別取樣，并依據相關規范［11-2］要求進行膨脹性物質檢測分析，主要包括：

1）膨脹性指標

對自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等膨脹性指標進行檢測分析。

2）易溶鹽

對易溶鹽總量與易溶鹽離子含量進行檢測，并分析各類易溶鹽離子所占比例。

3）礦物成分

使用X 衍射分析（XRD）法確定取樣中的礦物成分及其含量。

通過對路基區段無砟軌道線路基礎上拱區段的上拱變形監測分析和膨脹性物質檢測分析，基本可明確基礎上拱部位，掌握上拱變化規律，分析上拱主要原因，確定整治時機，從而為上拱整治方案的制定提供支撐。

2 基礎上拱整治技術

2.1 切割承軌臺降低軌面標高

切割更換承軌臺方案是通過切除上拱區間承軌臺，在原承軌臺間道床板上鉆孔預埋套管，安裝WJ-7型扣件，以降低軌面標高。采用該方案，并考慮WJ-7型扣件標準高度為37 mm、道床板排水坡及扣件既有負調整等情況，對于通用參考圖設計參數的線路可降低軌面標高35～40 mm。此項技術的關鍵為天窗時間內快速實現承軌臺切割及新植入套管，滿足抗拔力試驗要求。

通過雙塊式無砟軌道承軌臺切割試驗，結果發現：

1）采用繩鋸法可實現天窗時間內切割雙塊式無砟軌道承軌臺，切割后經打磨外觀平整，單塊承軌臺切割時間約30 min，準備時間20 min，拆除時間10 min。

2）承軌臺切割過程可能會對道床板表面造成磨損，切割前應采取措施保護承軌槽及預埋套管。承軌臺切割現場見圖4。

圖4 承軌臺切割現場

通過對原承軌臺間植入WJ-7 型扣件套管并開展抗拔力試驗，研究結果發現：

1）在原承軌臺間可鉆入孔徑50 mm 或60 mm 的孔，孔徑60 mm比孔徑50 mm更容易定位和鉆孔。

2）植筋錨固膠可實現扣件套管的錨固，3 h以上錨固力均在100 kN以上，滿足套管抗拔力試驗要求。

3）由于方案中天窗時間內新植入套管不必當天承受列車荷載影響，因此，有足夠的時間保證套管錨固膠的可靠黏結。

2.2 切割支承層降低軌面標高

切割支承層法是通過切除一定厚度的支承層來降低軌道高度，并結合順坡措施調整線路線形，以滿足正常行車要求。如何確定最大切割厚度是此項技術的關鍵。根據雙塊式無砟軌道設計情況，采用有限元軟件建立雙塊式無砟軌道數值分析模型。考慮高速列車和貨物列車荷載作用，重點分析減薄后對支承層受力的影響。切割支承層法如圖5所示。

圖5 切割支承層法示意

無砟軌道-路基有限元模型如圖6 所示。模型縱向長度取3 塊大單元板的長度，共58.5 m。鋼軌采用60 軌型面。扣件剛度50 kN/mm，扣件間距為0.65 m。道床板寬度2.8 m，厚度0.26 m；支承層寬度3.4 m，厚度0.265 m；基床采用實體單元模擬，基床表層厚0.4 m，底層厚2.3 m。列車荷載考慮客車軸重15 t，動荷載系數3.0。支承層厚度分別按減薄0，40，80，100，120，150 mm考慮。

圖6 無砟軌道-路基有限元模型

計算結果表明：

1）隨著支承層厚度的減小，支承層底面的拉應力逐漸增加，但遠小于混凝土材料的抗拉強度設計值。

2）隨著支承層厚度的減小，支承層底面各方向的壓應力均隨支承層厚度減小而減小，但是當厚度減薄150 mm 時，支承層變薄，列車荷載下的結構應力集中明顯，垂向壓應力會迅速增加，但仍小于結構材料的抗壓強度設計值。支承層底最大拉壓應力見圖7。

圖7 支承層底最大拉壓應力

2.3 暗挖基床降低軌面標高

暗挖基床法是沿線路縱向分單元挖除一定厚度基床，挖除期間采用臨時鋼支撐，挖除后重新填筑混凝土材料，實現降低軌道標高的方法。暗挖基床法如圖8 所示。挖除基床后軌道結構受力，尤其是支承層結構受力是此項技術的關鍵。

通過建立有限元模型，分析縱向開挖后軌道結構受力。建立長度為13 m 路基區段軌道模型，結構尺寸按實際結構選取，列車荷載與2.2 節相同。計算結果表明：基床挖除后，支承層最大壓應力為0.882 MPa，最大拉應力為0.652 MPa，小于支承層混凝土材料的抗壓和抗拉強度設計值。

圖8 暗挖基床法示意（單位：mm）

3 不同整治技術適用性分析

對于路基區段雙塊式無砟軌道基礎上拱問題，可以通過切割承軌臺、切割支承層和暗挖基床的方式降低軌面標高，但3 種不同整治方法的最大調整量及適用條件各有不同。

1）最大調整量

切割承軌臺方案最大可降低軌面標高40 mm；切割支承層方案最大可降低軌面標高150 mm；暗挖基床方案根據實際情況，可消除實際上拱量并預留一定的后期變形余量，最大調整量幾乎不受限。

2）適用條件

①切割承軌臺方案調整量有限，作業效率高，單節點承軌臺整治時間約為2 h，經濟性較好，但不具有二次調整能力，適用于基礎上拱已收斂、局部小范圍上拱的臨時處理。

②切割支承層方案調整量受支承層厚度限制，作業效率較高，在4 h 天窗時間內可切割沿線路縱向長度2 m 左右，可二次切割調整，但總調整量受限，適用于路基、隧道區段基礎上拱已收斂、上拱量不太大的上拱整治。

③暗挖基床方案調整量幾乎不受限，作業效率較高，在3個天窗時間（4 h）內，可沿線路縱向鉆取2 m 左右，且對軌道結構影響小，不受基礎上拱收斂與否影響，從根本上消除填料膨脹上拱問題，適用于路基區段（含路橋過渡段）基礎上拱整治。

4 結論

通過對路基區段雙塊式無砟軌道線路基礎上拱變形分析以及切割承軌臺、切割支承層和暗挖基床3種整治方法的對比，得到主要結論如下：

1）基礎上拱監測和膨脹性物質檢測是掌握上拱變化規律、分析上拱原因、明確上拱部位、確定整治時機、研究整治方案的關鍵技術。

2）切割承軌臺落道整治措施工程量小、作業效率高，適用于局部上拱且需應急整治的工點，但是落道幅度有限。

3）支承層切割落道整治技術措施，整治工藝較為成熟，對軌道結構的受力改變較小，能保證整治期間限速行車及整治結束后正常行車的要求。整治工程量較小，線路調整快捷，適用于大部分變形已經穩定的上拱區段。

4）暗挖基床落道整治措施工藝較為成熟，可多次作業，適用于絕大部分路基段，整治過程無需大型機械設備，方便狹小空間作業，同時對軌道結構與線路幾何形位影響較小，特別適用于基床及路基填土部分膨脹引起上拱的工點，可通過換填方法從根本上進行整治。

無砟軌道基礎上拱病害整治主要采取一處一方案、一處一審查的方式開展，建議將上拱整治的主要技術指標要求逐步納入相關技術條件，進行規范化管理。