蘭渝線木寨嶺隧道嶺脊地段軌道結構型式調整研究

陳強

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001)

0 引言

無砟軌道是鐵路建設中軌道結構型式的發展趨勢，我國正在大力興建以無砟軌道為主的各類鐵路，但由于長大隧道地質條件的復雜性，近年來部分已建隧道出現了無砟道床病害。無砟道床病害產生的根本原因是隧道基底結構出現問題，主要是隧道基底出現上鼓開裂病害。根據近年來隧道基底上鼓開裂病害產生的原因分析，主要有以下三類：承壓水的作用、圍巖的膨脹作用和高地應力作用，另外還有部分原因至今尚未查明，也說明隧道基底病害產生原因是復雜的。

新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段（簡稱“蘭渝線”），隧道工程集中，長大隧道比例較高，其中木寨嶺隧道全長19.1km，為雙洞單線隧道，地理位置特殊，地形、地質條件異常復雜，特別是隧道穿越嶺脊段圍巖擠壓破碎、高地應力條件下大變形更為嚴重。運營期間無砟軌道產生病害整治將非常困難，同時進行病害整治將嚴重影響線路運輸和運營安全。對木寨嶺嶺脊地段巖性差、地應力高、軟巖大變形地段調整為鋪設有砟軌道，確保蘭渝鐵路運營安全、暢通是非常必要和科學合理的。

1 隧道內無砟軌道結構

木寨嶺隧道設計采用CRTSⅠ型無砟軌道結構（見圖1），由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板等部分組成，軌道結構高度515mm，一次鋪設跨區間無縫線路；道床采用C40 鋼筋混凝土現場連續澆筑，扣件采用WJ-8A 型扣件，軌枕采用SK-2 型雙塊式。

圖1 隧道內CRTS I 型雙塊式無砟軌道橫斷面圖

2 軌道結構型式調整必要性分析

木寨嶺隧道嶺脊段軌道結構型式調整的必要性，主要體現在工程地質和無砟軌道特性等方面。

2.1 工程地質問題

蘭渝線木寨嶺隧道設計為極高風險隧道，地質情況極其復雜，二疊系板巖巖性軟弱、圍巖強度低而原始地應力較高，尤其是嶺脊地段極高地應力造成初期支護反復破壞、出現較長段落襯砌開裂及仰拱上鼓，實屬國內罕見，使施工安全和結構運營安全面臨極大的挑戰。

2.1.1 地應力狀況

勘察設計期間在兩個深孔鉆探中進行了地應力測量，施工期間又在洞內兩個鉆孔中進行了地應力測量，測得地應力最大水平主應力可達27.16MPa；施工單位委托中國地質科學院地質力學研究所在隧道尚未貫通里程段的北段和南段分別進行了3 組鉆孔水壓致裂地應力測量，測得北段最大水平主應力為38.38MPa，南段最大水平主應力為35.68MPa。木寨嶺隧道區域地應力場是歷次構造運動應力場的疊加，同時受地震等其他因素的影響，導致地應力場的分布復雜、多變，處于應力大小及方向變化不規律、薄層擠壓破碎狀態這一復雜的地應力環境中。

2.1.2 區域地質構造復雜

木寨嶺隧道位于秦嶺—昆侖緯向構造體系，后期被祁呂賀蘭山字型構造體系改造、復合、歸并，并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構造體系改造，形成了形態各異極其復雜褶曲與斷層束構造。

2.1.3 隧道地質巖性及結構差

木寨嶺隧道地層巖性以二疊系板巖夾炭質板巖及其壓碎巖為主，變余泥質、鈣質結構，薄層板狀構造，多屬于斷層破碎帶或影響帶，受構造影響較重—很嚴重，節理裂隙發育—很快發育，巖體破碎—極破碎，產狀變化多端，揉皺小構造及片理化現象發育，巖體呈層片狀或碎石角礫狀，夾雜較多瀝青質炭質板巖及灰白色碎粉狀石英條帶，巖石及破碎巖體強度軟弱、承載能力低。

2.1.4 區域內地震活動強烈

木寨嶺隧道位于我國南北強震帶，是地震多發、頻發、活動最強烈區域之一。歷史地震活動十分頻繁，其活動的主要特征是集中性很高。有地震記載以來，本帶共發生M≥4.7 級地震197 次，其中2011年11月2日岷縣禾馱鄉4.5 級和2013年7月22日岷縣6.6級震中均位于木寨嶺隧道出口梅川鎮，對隧道影響較大。

2.1.5 變形及基礎沉降監測

通過對木寨嶺隧道嶺脊地段變形監測數據統計分析，發現嶺脊段變形具有“變形總量大，前期變形速率高，變形持續時間長”的突出特點。

2.2 無砟軌道基礎變形的適應性

2.2.1 有砟軌道與無砟軌道技術特點對比

（1）有砟軌道是最常使用的軌道結構型式，技術成熟，應用范圍廣泛，具有彈性好、成本低、整治便捷、吸噪性能好等優點。其缺點在于：

一是有砟軌道不均勻下沉，易產生嚴重的軌道激振，使得軌道使用壽命明顯縮短；

二是有砟軌道穩定性較差，軌道的平順性不易保持。對于客貨共線鐵路，在曲線地段欠超高和過超高均較大，軌道橫向穩定性尤其不易保持；

三是道床橫向阻力較小，不利于無縫線路的穩定性；

四是道砟粉化嚴重，當行車速度較高時，容易產生飛砟現象，使旅客乘坐舒適度也降低；

五是軌道結構高度較高，自重較大，線下結構需要加強；

六是運營過程中養護維修工作量較大。

（2）無砟軌道整體性強，軌道幾何形位能夠持久保持，縱、橫向穩定性較好，軌道結構高度低，自重較小，養護維修量較低。其缺點主要有：

一是初期投入大，造價較高；

二是軌道整體剛度偏高，軌道彈性差，空氣噪聲輻射較大；

三是建成后軌道幾何形位、超高等均難以調整；

四是對線下基礎變形適應性差，線下基礎變形后整修困難，修復時間較長，代價較高，因而對線下基礎的穩定性要求較高。

2.2.2 無砟軌道對基底變形的適應性差

現場施工中無砟軌道采用WJ-8 型扣件，有螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預埋套管組成，此外為了鋼軌高低位置調整的需要，還包括軌下微調墊板和鐵墊板下調高墊板。另外，單股鋼軌左右位置調整量為-5mm～+5mm，軌距調整量為-10mm～+10mm，鋼軌高低位置調整量為-4mm～+26mm。

因此，當隧道基底變形引起的無砟軌道變形量不超過扣件調整量時，可通過調整扣件進行軌距、高低的調整。但木寨嶺隧道嶺脊段基底可能出現的變形量大大超過扣件可調整的范圍，通過扣件調整無法適應線下基底的變形。

2.2.3 無砟軌道可維修性差

無砟軌道幾何形位要求較高，根據《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》的規定，無砟軌道鋪設精度如表1 所示。

表1 線路無砟軌道平順度鋪設精度

木寨嶺隧道采用的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為連續澆筑的鋼筋混凝土整體式道床板，如果運營過程中基底發生較大的變形，就會導致道床板與墊層發生離縫、道床板開裂甚至斷裂、雙塊式軌枕與道床板脫離松動等病害。道床板一旦發生病害，位于其上的軌道必將受其牽連，幾何形位將不同程度的受到影響，危及日常鐵路行車安全。

木寨嶺隧道嶺脊段基底情況復雜，鐵路運營期間如發生較大變形，勢必將導致無砟軌道產生各種病害。

2.3 綜合分析

綜上所述，木寨嶺隧道地質條件特殊，圍巖巖性及結構差，地應力極高且復雜，越嶺大埋深段出現了長段落的二襯開裂、仰拱上鼓等病害。無砟軌道建成后，一旦出現較大的線下基礎變形，無法通過扣件調整，只能進行拆除重建，維修周期長，代價巨大。結合變形和病害分布情況以及軌道結構型式的優缺點，將嶺脊地段軌道結構型式進行調整，由原設計的無砟軌道改為傳統的有砟軌道，以確保運營安全和暢通，是非常有必要的。

3 軌道結構型式調整的可行性方案

隧道地段無砟軌道軌頂至回填層表面高度為515mm，有砟軌道軌頂至回填層表面高度為766mm，若調整軌道結構型式，必須滿足空間需求，一種方案是抬高軌頂標高即調整設計坡度，另一種方案是軌頂標高不變即設計坡度不調整而對軌下結構調整。

3.1 抬高軌頂標高

對原設計坡度進行調整，將原設計軌面標高調高251mm，即可滿足鋪設有砟軌道條件。線路標高抬高后，可避免已施做墊層廢棄，鐵路雙層集裝箱運輸隧道建筑限界（SJX-SD）仍在隧道建筑限界范圍內，但軌上有效面積僅為52.1m，不滿足初步設計批復意見單線隧道有效凈空面積按53m設計的要求，同時存在軌面標高超出兩側水溝蓋板頂面，道砟可能侵占救援通道問題，接觸網需進行專項設計等。

3.2 軌下結構調整

設計坡度不變而通過調整軌下結構也可滿足鋪設有砟軌道條件。鋪設有砟和無砟兩種軌道結構型式的隧道，在軌上隧道結構限界完全相同，但軌下結構相差較大，無砟軌道仰拱矢跨比較有砟軌道小，造成水溝、仰拱回填等均與有砟軌道差異性較大。

通過對比上述兩種方案（見表2），取消無砟軌道基礎墊層，利用原設計的30cm 無砟軌道基礎墊層空間，即可滿足有砟軌道高度要求。不改變設計坡度，線路標高不變，充分利用無砟軌道基礎墊層空間，對嶺脊段的軌道結構型式進行調整是可行的。

表2 無砟軌道隧道與有砟軌道隧道軌下結構對比表

4 嶺脊段軌道結構型式調整方案

根據木寨嶺隧道地應力和構造分布情況、巖性差別、基礎沉降監測情況，結合變形特點及病害分布情況，將木寨嶺隧道地應力高、巖性差、構造復雜的DK177+200～DK182+580 調整為有砟軌道，其余段落仍按無砟軌道施做。具體方案為：

一是線路不抬坡，直接將DK177+200～DK182+580 段仰拱填充頂混凝土鑿除25cm。

二是正線有砟軌道與區間隧道內有砟軌道結構基本一致。為減少運營過程中工務部門在長大隧道內對有砟道床進行維修養護的工作量，延緩道砟粉化，線路采用一級道砟，并進行水洗。軌枕采用2.6m長Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，每公里鋪設1667 根。

三是有砟軌道與無砟軌道過渡段均在隧道混凝土回填層上過渡。過渡段線路基本軌之間設置兩根60kg/m、25m 長輔助軌，其中無砟軌道區段5m，有砟軌道區段20m。過渡段基本軌采用WJ-7A 型扣件，輔助軌采用扣板式扣件。在隧道進出口無砟軌道一側設置φ25 錨固鋼筋，共設置10 排，每排4 根。

5 軌道型式變化存在的問題

無砟軌道按設計使用壽命期內一般僅需進行日常的維修，而有砟軌道在運營過程中需要周期性進行道砟搗固、清篩、起撥道、補砟、動力穩定等線路整修、維修作業。有砟軌道大修周期一般為通過總重7 億噸，中修周期以累計通過總重3～4 億噸。蘭渝線預測 運 量2020年 貨 運5400 萬 噸，客 車34 對，2030年 貨 運7000 萬噸，客車47 對，總列車對數分別達到94 對、122對，行車密度較大。按通過總重計算，約每5～10年要進行一次有砟道床清篩，作業量較大，作業時間長。木寨嶺隧道內有砟軌道采用人工養護作業無法滿足要求，采用機械作業內燃機排放的煙塵和作業產生的粉塵對工作人員健康影響較大，作業條件惡劣。

6 結語

蘭渝線木寨嶺隧道嶺脊地段工程地質條件極為復雜，施工過程中高地應力軟巖大變形現象極為突出，同時考慮到隧道變形持續時間長，流變變形可持續至運營后，并易導致運營期產生隧道隧底病害問題，因此隧道嶺脊段無砟軌道改有砟軌道是必要的。軌道型式調整采用不調整設計坡度，對隧道基礎墊層進行調整以滿足有砟軌道鋪設條件的方案。調整段落確定時主要以地質條件為主，結合初支變形情況和二襯仰拱開裂上鼓等病害情況及方便養護維修、減少軌道型式頻繁變化等為綜合考慮。