紅層泥質巖地區高鐵深路塹持續上拱整治技術研究

冉孟輝

（中鐵八局集團第二工程有限公司，成都 611730）

1 引言

川中紅層廣泛分布于四川盆地及周邊地區，具有一定的膨脹性。受其影響，在此地區修建高速鐵路，路基上拱病害時有發生。由于高速鐵路對線路的平順性要求極高，使得無砟軌道本身對于上拱變形的調節空間已十分有限，然而目前針對川中紅層上拱治理的研究尚不成熟，缺少相關治理措施，使得該地區路基上拱問題成為新建高速鐵路設計與施工中的又一難題。國內對于揭示高速鐵路紅層軟巖路基上拱變形病害的機理已經開展了分析，如鐘志彬等[1]研究認為深路塹開挖引起基底地應力場改變，地基一定深度范圍內水平應力集中而顯著大于豎向自重應力，為紅層軟巖地基豎向蠕變上拱變形提供應力條件。楊吉新等[2]研究認為，造成路基上拱超限變形的主要原因是特深路塹高邊坡與路基卸載引起坡體回彈變形和塑性流動變形驅動，促使路塹高邊坡及基床下巖體的蠕變變形。戴張俊等[3]研究認為由于工程再造在基巖中形成了新的滲水通道，使得原本處于封閉隔水狀態的紅層泥巖，與周圍環境建立水力聯系，紅層泥巖緩慢吸水膨脹是路基長時持續上拱變形的主要原因。

盡管目前對于上拱變形病害的機理已有部分研究，但據此針對川中紅層導致的路基上拱病害治理措施仍然缺乏成熟研究。為此，本文將在對上拱路基后期上拱量進行充分分析預測的基礎上，結合以往類似工程的整治經驗和紅層特點，以埋入式小跨度剛構懸臂板作為整治技術進行研究，以期為今后類似工程提高參考。

2 工程概況

2.1 工程特點

川中地區某高鐵站位于丘陵地貌，區域內地勢波狀起伏，丘槽相間，地面高程325～385 m，相對高差45～70 m，病害段路塹中心最大挖深40.0 m。地表上覆坡殘積膨脹土，厚0～2 m；下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）泥巖夾砂巖，屬軟巖～極軟巖，其中泥巖為紫紅色，泥質結構，泥質膠結，巖質較軟，易風化剝落，遇水易軟化崩解、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。全風化帶（W4）厚0～4m，巖體風化呈土狀及粉砂角礫狀，手捏易碎；強風化帶（W3）厚3～10 m，節理裂隙發育，質較軟，以下為弱風化帶（W2），質稍硬，如圖1所示。

圖1 K153+668 代表性地質橫斷面圖

2.2 路基病害情況

早在2015年4月，在對該車站軌道精調過程中已發現部分地段無砟軌道高程較設計高程最大上拱約20 mm。因此，自2015年6月起，開始對K153+612～K153+779 段范圍內的路基建立監測點持續監測。經監測發現，自2015年8月以來，無砟軌道高程上拱趨勢明顯。截至2019年12月，監控顯示自監測工作展開以來，累計最大上拱值達47.13 mm，上拱速率由2016年的1.18 mm/月降至2019年的0.73 mm/月，路基上拱趨勢逐步下降。

2.3 上拱整治區段工程特點

1）上拱整治區段位于車站咽喉區，常規整治方案受咽喉區特殊施工環境限制，難以適應，需因地制宜，專題研究更具針對性的方案。

2）上拱整治區段位于西南經濟區的高鐵干線，每天通勤列車多達75 對以上，上拱整治期間必須保證營業線通行安全，不得削弱鐵路運輸能力，施工期間安全卡控壓力巨大。

3）整治區段封閉施工期間，為保證線路暢通，需設置施工便線聯通車站7 道和區間正線，并將便線撥接時間壓縮至一個“天窗”點內，以減少對運輸的干擾，方案選擇和施工組織難度大。

4）整治方案采用小跨度剛構懸臂板結構，墩柱與開挖巖壁采用分離式設計，懸臂板與基底需脫空，實施存在一定難度。

5）整治施工完成后已拆除的7 組18 號無砟道岔需重新鋪設就位，如何防止道岔拆除存放過程受損變形、保證無砟道岔鋪設精度、實現達速運行是線路恢復施工的難點。

3 路基上拱機理及發展趨勢預測

3.1 上拱機理分析

通過對上拱地段路基開展沉降變形觀測、巖土工程土工試驗、地應力測試等試驗檢測手段，應用地基分層變形機理模型、數值模擬等分析方法，對路基上拱機理、影響因素及變形深度進行了分析，進而預測后期路基上拱量，為上拱整治方案的選擇提供依據。

3.1.1 紅層軟巖膨脹變形特性

根據勘察階段和補勘階段泥巖膨脹性試驗結果分析，車站兩個上拱區段基底泥巖含水率變化不明顯，其自由膨脹率和膨脹力指標較低，飽和吸水率指標相對較高，僅局部達弱膨脹巖判定標準，結合地形地貌特征，表明本段泥巖有一定膨脹性，不具典型的膨脹巖特征。根據XRD 礦物成分分析結果，泥巖中黏土礦物以伊利石為主，具有膨脹的物質基礎，存在緩慢、微弱膨脹變形的風險。

3.1.2 紅層軟巖蠕變特性

根據不同條件下測得的應變試驗結果發現，低應力下泥巖即表現出顯著的流變性，水的作用使得泥巖蠕變變形量值增大、變形持續時間更長，泥巖在低應力下水-力耦合時效變形現象明顯，變形量大、持時長，同時非飽水狀態的泥巖具有極強的吸收空氣中水分產生顯著膨脹變形的能力。

3.2 發展趨勢預測

為了揭示挖方邊坡寬度對路基上拱的影響，開展了數值模擬研究。選取車站代表性橫斷面為數值模擬原型，對原始邊坡模型進行簡化，建立數值模型，如圖2所示。根據近兩年的實測上拱變形數據來修正反演模型，優化后期變形預測成果。預測成果為5年上拱增量約7.34 mm，15年上拱增量約13.01 mm，25年上拱增量約18.68 mm，預測累計量為51.90 mm。另一方面，根據各區段地層結構建立數值模型，開展流變作用下的地基長期變形分析。預測最大上拱變形量57 mm，達到最大上拱變形時間約9年。

圖2 數值模型

因此，預計整治段累計上拱變形量為60 mm，預計2020年至2043年上拱變形量為20 mm；由于地層結構的各向異性、復雜性，變形趨勢準確預測的難度極大，整治施工應預留足夠的變形上拱量并加強現場監測。

4 路塹持續上拱整治技術

4.1 設計概況

小跨度懸臂剛構板結構由樁基、墩柱、懸臂板及其脫空層、墩柱及分隔層組成，小跨度剛構懸臂板設計斷面如圖3所示。該結構樁基部分為主要傳力部分，將上部荷載傳遞至巖體或持力層內，保證結構的穩定性及承載力。墩柱與樁基為整體結構，但直徑略小于樁基，為柔性結構，墩柱與樁基均埋置于孔樁內。墩柱與孔壁周圍間隙采用乳化瀝青填塞，剛構板為鋼筋混凝土板結構，與墩柱固結，懸臂板與基坑底根據上拱趨勢設置15～50 cm 脫空層，以防止巖體繼續上拱過程中擠壓懸臂板梁造成軌道結構上拱；剛構板上方可直接施作無砟軌道結構，回填級配碎石緩沖層后施作無砟軌道。

圖3 小跨度剛構懸臂板設計斷面圖

4.2 懸臂板脫空層設置

懸臂板脫空封閉層采用10 cm 厚C25 細石纖維混凝土澆筑，混凝土澆筑前需對開挖面進行壓實整平，混凝土澆筑過程中要留置1.5%的橫坡將梁板以下積水匯入中心盲溝內，剛構懸臂板脫空層如圖4所示。

圖4 剛構懸臂板脫空層設置

待封閉層混凝土強度達到15 MPa 以上即可進行板梁底模安裝施工，為保證脫空層的有效設置。由于剛構板底與封閉層之間的間距僅有15 cm，模板無法拆除，為了實現脫空，避免上拱巖體將力傳遞給懸臂板，采用砂墊層、方木和木模組合的方法，在懸臂板強度達到20 MPa 后，通過高壓水流將砂墊層沖出，實現脫空；后期由于處于極度潮濕的環境，方木和木模將在3～5年間腐爛，為進一步脫空的實現提供了保障。

4.3 整治效果評價

小跨度剛構懸臂板結構采取樁柱一體灌注工藝，保證了樁基和墩柱施工質量，施工范圍內93 根樁基經三方檢測均為A 類樁；墩柱與巖壁、板梁與基底間的分離式設計，有效保證了結構與巖體之間的應力傳遞，經過整治完成運營后近一年的沉降變形觀測，軌道結構未繼續上拱，目前整治段高鐵已實現全線350 km/h 達速運營，最小通勤時間已壓縮至62 min，與整治前相比整治效果明顯。

5 結論

本文以川中地區某高鐵站為工程背景，對路基上拱機理及發展趨勢預測，并采用小跨度剛構懸臂板結構對該案例路基上拱進行整治，主要得出以下結論：

1）根據XRD 礦物成分分析結果，泥巖中黏土礦物以伊利石為主，具有膨脹的物質基礎；根據不同條件下測得的應變試驗結果，發現低應力下泥巖即表現出顯著的流變性，同時非飽水狀態的泥巖具有極強的吸收空氣中水分產生顯著膨脹變形的能力。

2）預計整治段累計上拱變形量為60 mm，預計2020年至2043年上拱變形量為20 mm；整治施工應預留足夠的變形上拱量并加強現場監測。

3）小跨度剛構懸臂板結構采取樁柱一體灌注工藝，墩柱與巖壁、板梁與基底間的分離式設計，整治完成運營后軌道結構未繼續上拱，目前整治段高鐵已實現全線350 km/h 達速運營，最小通勤時間已壓縮至62 min，與整治前相比整治效果明顯。