川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計方案研究

劉啟賓

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

川藏鐵路昌都至林芝段為設計速度目標值200 km/h的客貨共線鐵路，沿線高原寒冷、線外交通設施薄弱，且局部穿越了無人區，養護維修條件極為惡劣[1-3]。為減少線路的養護維修工作量，正線以采用少維護的無砟軌道為主。本項目沿線位于青藏高原東南隅，是印度板塊與歐亞板塊碰撞核心帶，新構造運動活躍、地震頻繁且強烈，存在3個一級構造、7個二級構造單元，線路穿越了4條具有活動性的活動斷裂帶，其預估最大錯位量均大于1 m，其中嘉黎活動斷裂最大水平錯位量為5～6 m，最大垂直錯位量為2～3 m。現有無砟軌道一旦成型，則軌道線形僅能通過扣件調整，一旦基礎錯動量超過扣件調整能力，則需要拆除重建或采用基礎糾偏措施，工程實施難度大且代價高，不適用活動斷層等基礎穩定性差的區域[4-5]。有砟軌道線形調整簡單、便捷，但本項目養護維修條件極為惡劣，在正線以鋪設無砟軌道為主的情況下局部采用有砟軌道，存在日常維護工作量大、作業環境差等缺點，不適用本項目特殊的工程與環境條件[6-8]。

針對上述問題，結合本項目沿線工程與環境特征，提出了川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計需求，并基于對既有不良地質區域軌道結構應用的調研分析，提出川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計方案，為活動斷層區域軌道結構設計提供指導。

1 現有應用技術及對本項目適應性分析

活動斷裂帶區域鐵路選線以應盡量繞避活動斷裂為主，必須穿越時，應選擇穩定性相對較好地段或者巖質較硬區域通過。目前活動斷層區域軌道結構以采用有砟軌道為主[9-11]，如京唐客專穿越夏墊斷裂、大張高鐵穿越天鎮—陽高盆地北緣斷裂、成蘭鐵路穿越活動斷層區域等。個別正線以鋪設無砟軌道為主的項目，在活動斷裂帶等不良地質區域采用了特殊設計方案，以降低運營期養護維修工作量。典型的有可調式框架板、寬枕板式固化道床、聚氨酯固化道床等，各方案的特點及其對本項目工程環境的適應性分析如下。

1.1 可調式框架板

西安分布多條地裂縫，具有緩慢的持續變形特征，在地裂縫區域采用了可調式框架板[12-13]。該結構道床板采用預制預應力框架結構，當基礎錯動量超過扣件調整能力時，可將框架板抬升，并在板下放置調高墊塊即可完成軌道線形的調整修復。該結構理論上高程調整量不小于500 mm，水平調整量不小于84 mm，能夠適應地裂縫區域地層持續性緩慢錯動的調整，且運營期養護維修工作量少。但該結構僅地鐵中應用，對本項目為200 km/h客貨共線鐵路設計標準的適應性需要進行研究分析。

1.2 寬枕板式固化道床

烏魯木齊地鐵1號線穿越了具有瞬時空間大變形活動特征的斷裂帶，采用了寬枕板式固化道床軌道結構[14-16]。該結構采用單向預應力的小板結構，便于基礎錯動后的調整，基礎錯動后可根據調線調坡結果在板與固化道床之間填充快速修復材料，達到快速修復、恢復行車的目的；道床采用聚氨酯材料固化，可避免道砟粉化，降低運營期的養護維修工作量。該結構與可調式框架板類似，也僅在地鐵中進行了應用，對本項目設計標準及工程環境的適應性需要進一步研究分析。

1.3 聚氨酯固化道床

濟青高鐵正線采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，在濰坊北站與高密北站之間的局部路基地段穿越活動斷裂帶區域采用了聚氨酯固化道床結構[17]。該結構在已穩定的道床內灌注聚氨酯固化材料，使道床固結成整體，且具有一定的彈性，可避免道砟顆粒粉化，降低運營期養護維修工作量。但濟青高鐵采用的是現澆聚氨酯固化道床，聚氨酯材料發泡效果受溫度、濕度影響較大，在溫度較低的情況下其發泡效果較差。本項目沿線處于寒冷地區，如采用此種現澆結構存在施工質量控制難度大、道床固化效果差的情況。

綜合分析，在川藏鐵路活動斷層區域直接采用現有特殊設計方案均存在一定的問題，為避免局部采用有砟軌道養護維修工作量大、作業環境差的問題，應進行能夠滿足川藏鐵路活動斷層區域設計需求的軌道結構形式研究。

2 活動斷層區域軌道結構設計方案研究

2.1 活動斷裂帶區域軌道結構設計需求分析

據評估，本項目穿越的活動斷裂帶以地震誘發基礎突發性錯動變形為主，暫未發現具有蠕動變形特征，即活動斷層區域通常情況下基礎是穩定的，在地震時可能出現瞬時空間錯動。

在活動斷層區域，為便于基礎錯動后軌道幾何形位的調整，軌道結構應具備易調整、可修復的基本功能。考慮到本項目沿線構造運動活躍，活動斷層在生命周期內發生錯動的概率高，但發生錯動的周期相對較長，如在活動斷層區域局部采用可靈活調整的有砟軌道，則存在日常養護維修量大、作業環境差等突出問題。因此，本項目活動斷層區域軌道結構還應具備少維護的需求。

綜合分析，本項目活動斷層區域軌道結構應具備易調整、可維修、少維護的基本功能需求。

2.2 活動斷裂帶區域軌道結構設計方案研究

結合川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計需求，目前已開始針對活動斷層區域進行軌道結構設計方案的研究，典型的方案有裝配式聚氨酯固化道床、短板式無砟軌道、高低可調式無砟軌道、梁式無砟軌道等4種。

(1)裝配式聚氨酯固化道床

針對既有現澆聚氨酯固化道床施工工序復雜且受外界環境因素干擾大、對本項目工程與環境條件的適應性差的問題，研發了預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結構。該結構由鋼軌、扣件、預制裝配式聚氨酯固化軌枕及細石混凝土調整層[18-20]等組成，如圖1所示。

該結構將軌枕與枕底道砟在工廠內采用聚氨酯材料固化成一體，并運抵現場鋪設，可實現結構的工廠化預制、裝配式施工以及單元化維修。

相比于既有無砟軌道，裝配式聚氨酯固化道床可實現基礎錯動后軌道結構的便捷調整、修復，且運營期養護維修工作量與無砟軌道相當。目前該結構正在進行線上試驗段的測試與研究工作，后續可根據研究結果擇機選用。

(2)短板式無砟軌道

既有無砟軌道道床板多采用連續結構、分段結構(分段長度50 m以上)和單元結構(板長6.5～19.5 m)，由于道床板較長，在基礎變形時軌道線形調整難度大。因此，提出了短板式無砟軌道設計方案，該結構由鋼軌、扣件、短板及板下自密實混凝土等組成，如圖2、圖3所示。

圖2 短板式無砟軌道橫斷面

圖3 短板式無砟軌道平面布置

該結構軌道板采用單元小板結構，板底通過限位凹槽/凸臺限位，在基礎錯動量超過扣件調整能力時可將預制小板抬起，局部鑿除自密實混凝土層，并按照調線調坡結果固定單元板，重新澆筑細石混凝土即可完成基礎大變形的調整。

相比于現有無砟軌道結構，該結構調整簡單、便捷，且運營期養護維修工作量與現有無砟軌道相當。目前該結構僅處于方案設計與結構檢算階段，后續可根據研究結果擇機選用。

(3)高低可調式無砟軌道

針對既有無砟軌道一旦成型調整困難的問題，提出一種高低可調式無砟軌道，該結構主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、預制底座及限位凸臺、高低可調彈性支座及細石混凝土底座等組成，如圖4、圖5所示。

圖4 高低可調式無砟軌道結構模型

圖5 高低可調式無砟軌道結構示意

該結構在底座板與道床板之間設置可調支座，預制板與限位凸臺之間采用樹脂材料填充，在基礎錯位量超過扣件調整能力時，可采用支座對高程進行調整、采用樹脂材料對平面位置進行微調。

相比于現有無砟軌道，該結構具備易調整、可維修的能力，且運營期養護維修工作量與現有無砟軌道相當。目前該結構僅處于方案設計與結構檢算階段，后續可根據研究結果擇機選用。

(4)梁式無砟軌道

針對川藏鐵路實際工程環境條件，結合活動斷層的活動特征，提出了一種梁式無砟軌道結構，該結構由鋼軌、扣件、梁式軌道板、支座系統、支撐墊石等部分組成，如圖6、圖7所示。

圖6 梁式無砟軌道平面

圖7 梁式無砟軌道縱斷面

該結構采用梁式點支承軌道板結構代替既有的連續面支承軌道結構體系，在基礎工程變形后，一方面可以通過扣件和支座系統實現空間變形的快速便捷調整，增加基礎變形后軌道的調整方式和調整量，另一方面，在基礎出現大變形時，可以通過對可調式支座支撐墊石的快速鑿除、恢復，實現對軌道結構的快速、便捷、低成本修復。

該結構運營期養護維修量小，且可根據基礎錯動量分別通過扣件、支座和支撐墊石實現三級空間調整，調整修復簡單便捷，調整能力大。目前該結構僅處于方案設計與結構檢算階段，后續可根據研究結果擇機選用。

綜合以上分析可以看出，上述方案中裝配式聚氨酯固化道床和短板式無砟軌道設計理念均是將道床設計為小單元預制結構，基礎出現較大錯動后采用道床進行調整，相比于普通無砟軌道采用道床或線下基礎調整的方式較為簡單；高低可調式無砟軌道及梁式無砟軌道設計理念均為采用點支撐代替傳統的面支撐，基礎出現較大錯動后通過點支撐快速調整。下一步將對上述方案進行深化研究，并根據相關試驗測試情況最終選擇適用于本項目工程環境條件及活動斷層區域的新型軌道結構形式。

3 結語

川藏鐵路昌都至林芝段沿線構造運動活躍，活動斷層分布段落多，局部采用有砟軌道存在養護維修難度大的問題。針對此問題，結合本項目沿線工程與環境特征，探明了川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計需求。基于對既有不良地質區域軌道結構應用情況的調研、分析與總結，提出4種川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計方案，分析了不同設計方案的結構特點并明確了其調整修復方式，凝練出活動斷層區域軌道結構設計理念，為活動斷層區域軌道結構深化研究指明了方向，也為川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計提供了指導。得出的主要結論如下。

(1)川藏鐵路活動斷層區域軌道結構應具備易調整、可維修、少維護的基本功能需求。

(2)現有不良地質區域軌道結構形式均不適用本項目工程環境條件或設計標準，應進行適用于本項目活動斷層區域的新型軌道結構研發。

(3)川藏鐵路活動斷層區域可采用基于道床結構小單元化或基于點支撐設計理念的軌道設計方案，后續可根據試驗結果對各方案調整、維修的便捷性進行綜合評估并擇優選用。