運營鐵路路基病害暗挖維修技術研究

杜 亮

(中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

在高速鐵路修建過程中，由于路基填料或其下地層膨脹性成分，加之外部條件加速膨脹過程，經常會出現因路基上拱而導致上部軌道結構高程異常，甚至超出扣件調整范圍的問題，嚴重的會危及整個高鐵線路運營的安全性和穩定性。為了保證運營安全，確保換填路基填料不影響軌道結構，需深入研究針對性方案，對路基上拱病害進行全面整治[1]。本文以武岡城際鐵路K11＋050處上拱病害為研究對象，線路同時包含有砟段和無砟段，地質和路基填料基本相同，但病害位于無砟地段，有砟地段未出現嚴重病害。有砟地段上拱可以通過調整道砟來消除隱患，但對于舒適度、速度及安全性要求極高的無砟軌道地段而言，軌道的平順性尤為關鍵[2]。

2 研究現狀及方案

2.1 研究現狀

我國高速鐵路和城際鐵路大量采用無砟軌道結構型式，然而配套的維修方法目前研究較少。尤其是由于路基填料膨脹引起的軌道結構上拱病害，目前行業內大都采取切割減薄底座板的方法進行無砟軌道落道整治，但切割減薄底座板勢必削弱無砟軌道結構強度，還需通過理論計算驗證方案的可行性[3]。針對運營鐵路線路維修，雷大海等結合某高速鐵路的上拱病害整治案例，研究了高鐵無砟軌道結構病害與維修技術。在研究上拱病害形成機理的基礎上，提出結構注漿與砂漿層更換綜合維修技術，并通過實踐驗證了該技術的合理性與有效性[4]。上述技術因局部補強維修而不能實現徹底整修，病害易反復發生。如采用“更換上部軌道結構＋路基填料置換”的明挖維修方式，其揭板、鑿除底座板工程量巨大，工序相對繁雜，大型機械設備較多，安全風險大，且明挖法對行車影響較大，需要分次封鎖單邊運營。另外明挖法不能全封閉施工，社會影響控制難度相對較大。

2.2 研究方案

整治方案需綜合考慮施工天窗、施工準備時間、作業環境等客觀因素，保證整治方案適合該線路特定條件，確保不影響線路正常運營[5]。考慮到維修效果、輿情影響和維修成本，在不影響行車的情況下，采用“保留上部軌道結構＋路基換填”的暗挖維修理念更受推崇。然而，如何在極度狹小空間和有限時間內快速進行路基填料的暗挖置換作業[6]，最大程度降低對鐵路運營的影響，并確保路基換填施工時軌道結構的受力穩定和換填后軌道結構的精準落道，是面臨的復雜施工技術難題。為解決暗挖維修施工可能遇到的難題，本文提出針對性技術路線。

2.2.1 技術條件

(1)已運營或已鋪軌即將投入運營的無砟軌道鐵路。

(2)適用的無砟軌道結構:板式無砟軌道或雙塊式無砟軌道。

(3)適用線路條件:單、雙線鐵路均可。

2.2.2 施工總體方案

在上下行線限速(限速45 km/h)情況下，利用夜間天窗，對軌道結構下級配碎石分段進行人工挖除、架空軌道結構→分次回填混凝土→落道調整→恢復正常運營→施工結束。施工順序為先上行線、后下行線，逐行別維修。混凝土采用泵送入模，棄渣采用手推兩輪車水平運輸出網。

3 關鍵工裝研究

3.1 限位裝置

3.1.1 設計思路

采用暗挖換填方法對無砟軌道路基上拱病害進行維修時，需對軌道結構進行臨時橫向限位。研發一種頂撐裝置，可承受10 t以上重量，并需滿足頂撐長度調節達到毫米級精度要求；同時要求該裝置成本較低，安裝、拆除方便快捷，并可重復使用。

3.1.2 設計方案

該裝置由螺桿、套筒、調節螺母、鋼墊板4部分組成。螺桿采用?60精軋螺紋鋼，長度180 mm；套筒采用8 mm厚、內徑63 mm無縫鋼管，長度為150 mm；調節螺母內徑60 mm、高度50 mm；上下鋼墊板厚10 mm、長10 cm、寬10 cm，與螺桿及套筒焊接為一體。通過轉動螺母帶動螺桿調節長度，每轉一圈調節0.95 mm。

3.2 落道裝置

3.2.1 設計思路

采用暗挖換填方法對無砟軌道路基上拱病害進行維修時，需對上方軌道結構進行臨時支撐，開挖完成后進行落道和線形調整。研發一種落道裝置，要求該裝置可承受10 t以上重量，滿足頂升毫米級精度要求；同時要求該裝置成本低廉，可永久埋入地下。

3.2.2 設計方案

研發一種楔式千斤頂落道裝置，該裝置由螺桿、底座、中塊、頂板4部分組成。螺桿采用M16高強螺栓，端部設有兩個固定螺帽。底座長25 cm、寬18 cm，中間設橫隔板，高10 cm。中塊為端部開槽的梯形楔體。頂板與4個支腿焊接為一體。組裝時螺栓穿入底座中間橫隔板，中塊斜面與底座楔體斜面緊貼，開槽孔正對螺桿兩個螺帽之間的部位，頂板的四個支腿插入底座橫隔板。逆時針轉動螺桿降低標高，每轉一圈降低0.71 mm，累計可降4 cm，如圖1所示。

圖1 落道裝置(單位:mm)

4 作業流程及驗收

4.1 準備工作

(1)既有鐵路設施防護。包括路基柵欄、水溝、電纜槽、軌道結構的防護。為防止在開挖過程中無砟軌道結構發生橫向和豎向位移，在底座板兩側對稱設置用于臨時限位的鋼筋混凝土L型墩，并用自行研制的可調螺栓對底座板進行支撐。L型限位墩如圖2所示。

圖2 限位墩橫斷面(單位:cm)

(2)拆除封閉層。為了加快封閉層拆除速度，減少拆除作業對線路的影響，先分塊切割后再運出網外。切割采用汽油切割機進行，分塊尺寸不大于(50×50)cm，切縫深度盡量大于5 cm，然后用風鎬進行裂開拆除，以便搬運。

4.2 開挖作業坑

為了給暗挖提供必要的作業空間，需在底座板兩側設置作業坑。作業坑采用人工風鎬開挖[7]，開挖后及時施作防水層。作業坑寬度對應暗探槽寬度，分別為1.5 m和1.1 m。作業坑布置如圖3所示，其尺寸大小、位置及形狀可根據現場條件而改變，應滿足出土要求。

圖3 作業坑布置(單位:cm)

4.3 節段掏挖

采用人工分節段暗挖，從底座板兩側作業坑向板中間對向開挖，開挖節段長度分為1.5 m和1.1 m兩種。開挖順序嚴格按設計方案進行，如圖4所示(帶圈編號為順序)。開挖時，先用電鎬松動級配碎石，再用小鏟將松散后的級配碎石從底座板下掏出，人工運至棄渣點。若1個天窗點不能全部完成本槽掏挖和鋼支撐安裝，則將板底中間部分(約1/2)施工作業留給下1個天窗點，并在已開挖位置用25 t千斤頂進行臨時支撐。

圖4 開挖順序(單位:cm)

4.4 支撐安裝及調整

為防止掏挖時軌道結構受力不均造成底座板開裂，每掏挖1個節段，立即使用25 t機械千斤頂在底座板下方對軌道結構進行臨時支撐[8]。每個節段橫向使用2個千斤頂進行臨時支撐，支撐位置位于鋼軌正下方。千斤頂上方設頂托鋼板，下部設混凝土預制塊底座，底座下方采用細石混凝土進行硬化處理。每對工作坑橫向通道挖通后，在臨時千斤頂的兩側分別設置H型鋼支撐，替換千斤頂受力。H型鋼支撐頂部設自行研發的落道裝置，落道裝置與底座板之間設多層復合鋼墊板，如圖5所示。

圖5 支撐結構

4.5 澆筑底部混凝土

開挖完成且支撐檢查無誤后，澆筑底部C25混凝土前，在底座板下方打孔植筋。底部混凝土澆筑在一個天窗點內完成，澆筑前應仔細檢查鋼支撐的可靠性與穩定性。為保證下行線開挖時留足工作坑位置，線間應支立模，同時作為下道工序立模支撐面，模板距離底座板40 cm。澆筑混凝土時，用篷布對軌道板進行保護，以免污染軌道板[9]，如圖6所示。

圖6 底部混凝土澆筑

4.6 軌道結構復位

所有1.1 m段開挖完成且臨時支撐安裝到位后，進行軌道結構復位。

4.6.1 復位準備

(1)解除約束

拆除限位墩上的豎向和橫向限位螺栓，解除軌道結構兩側的限位約束。

(2)軌面高程復測

用電子水準儀或安博格小車對鋼軌線路進行準確測量，掌握鋼軌下方調節墊板數據，精確計算軌道板各位置調整量，并與工務部門復核，確定每次落道順坡長度范圍。

4.6.2 落道測量調整

(1)軌道調整前，技術人員測量后在支撐位置標出每一個軌枕落道量。

(2)在落道調整時，每個支撐設1個操作人員負責調換鋼墊板、調整楔式千斤頂，其調整順序如圖7所示。先將軌道板用機械千斤頂適量頂起，然后按Ⅰ～Ⅸ千斤頂編號依次撤換鋼支撐墊板，逐步降低楔式千斤頂行程高度。調節楔式千斤頂時按編號順序依次進行，調節過程中使用水準儀及全站儀監測軌道變形，出現異常應立即停止，查明原因再行落道。

圖7 落道順序(單位:cm)

(3)落道調整時要求落道裝置由1個專人操作，對應的每個鋼支撐由1個專人負責調換鋼墊板，由專業人員統一指揮調整時間和調整量。調整軌道頂升設備要緩慢、平穩進行，切忌突上突下。在落道調整過程中用電子水準儀同步復核以確保落道量準確。

4.7 板底灌注自密實混凝土

軌道板、底座板及鋼軌調整至設計位置后，采用C40自密實混凝土對板底挖除部分進行澆筑。為了提高自密實混凝土的早期強度，混凝土按配比加入早強劑。自密實混凝土正式生產前，應對自密實混凝土的拌合物性能進行開盤鑒定，滿足要求后方可進行灌注施工[10]。

采取立模澆筑法進行澆筑，模板固定在底座板兩側，將入模口設于超高內側，內側模板要高于底座板頂部；出模口設于超高外側，兼用作觀察孔，確保混凝土流動到位，并防止多余混凝土外溢。為避免混凝土澆筑不密實，出現空洞，澆筑前在底板安裝PVC排氣管，排氣管長1.8 m，間距0.5 m，如圖8所示。

圖8 板底自密實混凝土灌注(單位:cm)

4.8 關鍵技術

(1)通過臨時支墩配合防橫移和防側移裝置解決了軌道結構限位問題，并滿足受力要求和精度要求。

(2)通過研發一種楔式落道裝置解決了軌道結構落道難題。

(3)采用分段開挖、分段支撐的施工方法解決了上部軌道結構臨時支撐問題。

4.9 軌道精調及驗收

底座板下砼強度達設計值75%以上后，進行軌道精調，使道床進入穩定狀態，線路逐步達到驗交標準。無砟軌道精調遵循“先高低、后水平；先軌向、后軌距”的原則[11]。無砟軌道精調數據由高鐵工務段等相關單位進行復核、驗收，作為恢復通車的依據之一。

5 結束語

高速鐵路路基病害整治一般屬于隱蔽工程，所以進行運營高速鐵路路基變形病害整治，既要做到運營安全，又要對病害進行徹底整治，不留隱患[12]。本文方法利用天窗點施工，無需封鎖線路，不影響高鐵的正常運行；采用人工配合小型機具進行施工，投入少，進度相對較慢，但無揭板、鑿除底座板的工程量，工序也相對較少；采用暗挖形式，不用大型機械設備，對行車安全影響因素較少。該方法填補了國內無砟軌道路基暗挖維修技術方面的空白，對高鐵無砟軌道路基類似維修工程具有借鑒意義。