強震區活動斷裂帶基礎整體道床結構設計方案研究

隨著我國鐵路線網的不斷加密、延伸，將面臨更加復雜的地質條件，特別是強震區活動斷裂帶將導致基礎變形，影響軌道結構的服役性能。研究適應線下基礎變形不穩定條件下的整體道床結構形式，為活動斷層區域鐵路工程設計提供技術方案。研究結論：（1）強震區活動斷裂帶的軌道結構宜按照“小震不動，中震可修，大震可換”的原則設防，且具備高穩定、可調整、少維護、易修復等功能；（2）現有無砟軌道結構形式不適用強震區活動斷裂帶的工程環境條件或設計標準，應開展適應基礎大變形的新型軌道結構研發；（3）強震區活動斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道，通過增加減震裝置實現垂向大位移調整，抵抗縱、橫向變形；（4）從工程化角度出發，特別是隧道地段應充分考慮無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，研究輕型裝配式無砟軌道、可分層的自密實混凝土層等新型無砟軌道。研究結論可為強震區活動斷裂帶整體道床結構設計提供參考。

強震區活動斷裂帶； 整體道床； 設計方案； 減震裝置

U213.2+1A

［定稿日期］2024-07-18

［基金項目］中鐵二院工程集團有限責任公司科技發展計劃項目（項目編號：KSNQ213003，KSNQ213004）

［作者簡介］孟振華 （1977—），男，碩士，高級工程師，主要從事鐵路及新制式軌道設計研究工作。

0 引言

近年來，西部山區鐵路的興建進一步加密了我國鐵路運輸網絡。由于特殊的地形地質，西部艱險山區鐵路具有山高谷深、區域構造強烈、超長深埋隧道眾多、山地災害頻發等特點，施工及維修難度大、工藝復雜，運營維護成本高。

受此影響，相較于一般鐵路項目，艱險山區的鐵路在建設和運營期間，極有可能發生由不良地質引起的隧底變形和無砟軌道上拱等問題，頻繁地震可能導致線路基礎位移變形過大等問題。因此，研究可適應強震區、活動斷裂帶大變形地段的軌道結構型式，對于促進我國艱險復雜山區鐵路的發展具有十分重要的意義。

1 強震區活動斷裂帶軌道結構需求分析及設計要求

1.1 需求分析

通常情況下，強震區活動斷裂帶基礎是穩定的，但區域構造和地震活動等激勵會造成瞬時空間錯動，不僅會產生軌道板開裂、鋼軌扭曲等破壞，更直接威脅橋上列車的安全運行。

在強震區活動斷裂帶，為便于基礎錯動后軌道幾何形位的調整，軌道結構應適應特殊線下基礎，具備高穩定、可調整、易修復等功能［1］。

現行TB 10082-2017《鐵路軌道設計規范》中規定，活動斷裂帶、地面嚴重沉降區等變形不易控制的特殊地質條件地段，宜采用有砟軌道［2］。但從目前的運營維護經驗來看，有砟軌道后期的維護工作量大，維護成本高，軌道的整體性較弱，在地震作用下不易保持軌道形位，容易發生各種破壞，尤其在超高海拔、超長隧道及超長大坡道占比極高的線路條件下，運營養護條件極差的情況下，軌道應具備少維修或免維修的需求。

1.2 設計要求

參照橋梁抗震設計，強震區的無砟軌道結構宜采用“小震不動，中震可修，大震可換”的抗震設防原則。

（1）安全可靠。軌道結構應具有足夠的強度，避免在小震作用下發生過大的變形，影響線路的平順性，更不能發生不可修復的損傷。

（2）三維調整能力。軌道結構應與線下基礎相匹配，適應地震作用下的縱、橫、垂三向可調整的能力，同時滿足正常工況下的平順性要求。

（3）施工養護便捷。軌道結構應盡可能簡單，易于組織施工，滿足設計精度要求，同時關鍵部件易更換，以降低日常維護的工作量。

（4）易維修。鐵路對運輸本身對搶險救災意義重大，一旦地震造成軌道關鍵部件傷損，應能快速拆除更換完成修復，快速搶通受損地段。

（5）經濟合理。無砟軌道結構除了滿足上述條件，還應盡可能降低初期投資、運營養護維修費用，降低無砟軌道的全壽命周期成本，經濟合理。

2 強震區活動斷裂帶軌道結構技術方案調研分析

目前，國內外根據不同強震區活動斷裂帶的具體地質狀況及運營條件，針對性地開展了不同形式的軌道結構設計方案研究，比如聚氨酯固化道床、單元式無砟軌道、可調式框架板道床、梁式無砟軌道等。

2.1 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是在穩定狀態的碎石道床內澆注聚氨酯材料，將道砟顆粒固結在一起，形成具有彈性的整體道床結構，研究初期現場澆注，后來發展為工廠化預制，可實現強震引發的基礎錯動后的調整、修復［3］，如圖1所示。

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道和無砟的特點，具有較好的彈性，在多條線路上進行了試鋪，積累了一定經驗，但存在造價偏高，澆筑條件及工藝要求較為嚴格等問題。

2.2 單元式無砟軌道

單元式無砟軌道在線下基礎發生錯動變化時，表現出較好的整體性，在修復時將短軌枕或軌道板抬起，局部鑿除自密實混凝土層，按線形調整固定重新澆筑混凝土即可完成基礎大變形的調整，因此，應用于強震區活動斷裂帶區域。

作為地震頻發的日本，單元板式無砟軌道已經應用多年。我國高速鐵路大量使用的CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道均為單元板式，對于不同的地質條件具有較強的適應性。單元式無砟軌道的連接部件（比如凸型擋塊）在溫度荷載等作用下容易發生剪切破壞，修復較困難等問題。

2.3 可調式框架板道床

我國西安等城市分布多條地裂縫，其變形會引起隧道結構發生垂直和水平方向的位移。地鐵穿越地裂縫區域時采用可調式框架板道床，通過框架板下放置調高墊塊實現線形的調整修復，可實現高程500 mm、水平84 mm的調整量，適應地層緩慢錯動的調整［4］，如圖2所示。

可調式框架板道床能夠在短時間內調整軌道結構，解決地裂縫活動對運營的影響，在地鐵線路中運營狀態良好。160 km/h客貨共線及高速鐵路的線路條件及設計標準區別于地鐵項目，其適應性還需進行研究分析。

目前，我國無砟軌道結構設計暫未考慮抗震措施，對于強震區活動斷裂帶一般采用有砟軌道［5］。為避免局部有砟軌道養護維修工作量大、作業環境差、抗震能力弱的問題，應結合具體地質條件及運營養護的需求研究線路適應性更強的無砟軌道結構形式。

3 強震區活動斷裂帶新型無砟軌道結構設計方案

3.1 可調支座型板式無砟軌道

在單元板式無砟軌道的基礎上，軌道板兩端呈階梯狀，用以安裝抗震支座；可調支座分別通過預埋在軌道階梯底部和底座基礎階梯上部的預埋螺栓連接固定，調整和耗散垂向的位移變形及地震時產生的振動；相鄰可調支座在縱向、橫向分別通過交叉剛性連接桿固定連接，抵抗縱、橫向的振動及溫度變形，如圖3所示。

為便于施工時的安裝定位及縱橫向的限位，軌道板端階梯中間設置凸臺（或凹槽），對應的底座基礎相應位置處設置凹槽（或凸臺）。在調高過程中，軌道板與底座基礎之間設置自密實混凝土層。

相比于現有無砟軌道，該結構通過對板端進行調整，通過更換或調整支座即可實現軌道結構的三維空間調整，適應基礎的錯動變形，養護維修簡單便捷，調整能力大。

3.2 無砟軌道卡榫裝置

在軌道板兩側設置若干橫向限位裝置，通過底座基礎旁邊連接的限位卡榫抵抗來自地震作用下軌道板的橫向位移，同時實現豎向耗能，提高軌道板的抗地震性能，如圖4所示。

卡榫由矩形套筒和限位塊組成，限位塊為上部矩形塊、下部圓錐形結構。限位塊上部矩形塊與套筒之間設置有彈性墊與彈簧，實現縱、橫向限位與減震，垂向通過彈簧實現大位移調整。

卡榫裝置在橋梁抗震中已有應用，在既有無砟軌道的側面增設卡榫位置，可實現軌道板的縱、橫向限位及垂向保護，安裝及維護簡單方便。

3.3 橫向可動板式無砟軌道

借鑒西安地鐵“防”與“放”相結合的原則，特別針對橋上無砟軌道，設置橫向可動板式無砟軌道，如圖5所示。橋梁頂面固定設置滑移機構，軌道板下部與滑移機構連接，軌道板與橋梁結構可發生相對橫向擺動，用以耗散橫向振動。

滑移機構包括滑槽和滑軸，滑槽與橋梁固定連接，滑槽槽腔呈圓弧狀，槽腔內安裝滑軸，滑軸兩側具有纜索固定。正常工況下，軌道板的橫向擺動位移受纜索固定；地震工況下，軌道板的橫向擺動超出纜索設計限值時，纜索繃斷，相鄰軌道板邊緣擺動之后碰撞固定在一起，而下部橋梁仍能繼續擺動。震后修復將橋梁結構復位之后，將纜索更換實現原有結構的正常使用。

綜合上述分析可以看出，強震區活動斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道［6］，借鑒橋梁減隔震思想，通過增加減震裝置實現垂向大位移調整，抵抗縱、橫向變形；橫向可動板式無砟軌道采用“防”與“放”的思路，小震通過纜索固定抵抗變形，大震剪斷纜索之后將軌道板固定，與橋梁之間活動連接，實現軌道固定，橋梁活動，保護軌道結構。

4 需進一步研究的問題

近年來，隨著我國鐵路向西部艱險山區延伸發展，涉及多處強震區活動斷裂帶及復雜地質環境大變形地段，對于軌道結構的要求也越來越高。目前不良地質區域暫按有砟軌道設計，但基于運營期的養護維修等多方因素考慮，研究提出了多種適應線下基礎變形的無砟軌道結構，仍存在多個問題需進一步研究。

（1）我國強震區活動斷裂帶的無砟軌道大多仍處于試驗研究階段，遇到不特殊巖土及不良地質條件，目前仍采用有砟軌道的形式。特別是針對隧道地段，受制于凈空及限界的影響，需研究無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，以適應運營過程中有砟改鋪無砟或無砟改鋪有砟的需求。

（2）針對無砟軌道發生病害之后難以修復治理的問題［7］，研究采用裝配式無砟軌道結構，目前在城市軌道交通項目開展了相關研究，對于強震區活動斷裂帶采用裝配式軌道結構需結合具體的線下基礎條件開展研究；同時為減少橋梁工程投資及運營后的養護維修工作量，應考慮降低軌道結構的二期恒載。

（3）無砟軌道結構在運營中出現的上拱病害，一般采取挖除與上拱量厚度的路基或地基的方法下調軌道結構高程，工程量大、成本高，且對結構的穩定性、安全性造成影響。研究采用新型自密實混凝土形成多層調整層，特別在實現軌道板下調時能夠輕松拆除部分調整層；或者采用軌道板下調高墊板，既能保證結構穩定性，又能實現高度可調。

（4）參照彈性支承式無砟軌道結構，采用不用高度規格尺寸的混凝土支承塊實現高度可調，優化支承塊與混凝土軌道板之間的連接，優化軌道結構的排水，實現更大范圍的應用。

5 結論

強震區活動斷裂帶受復雜地質條件、超長隧道、超大跨度橋梁的影響，運營養護維修極不方便，研究適應線下基礎變形的無砟軌道，分析提出多種不同設計方案，為活動斷層區域軌道結構深化研究提供了技術方案，得出的主要結論如下：

（1）強震區活動斷裂帶的軌道結構宜按照“小震不動，中震可修，大震可換”的原則設防，且具備高穩定、可調整、少維護、易修復等功能。

（2）現有無砟軌道結構形式不適用強震區活動斷裂帶的工程環境條件或設計標準，應開展適應基礎大變形的新型軌道結構研發。

（3）強震區活動斷裂帶的無砟軌道宜采用單元板式無砟軌道，通過增加減震裝置實現垂向大位移調整，抵抗縱、橫向變形。

（4）從工程化應用的角度出發，特別是隧道地段應充分考慮無砟軌道與有砟軌道兼容性問題，研究輕型裝配式無砟軌道、可分層的自密實混凝土層等新型無砟軌道。

參考文獻

［1］ 劉啟賓. 川藏鐵路活動斷層區域軌道結構設計方案研究［J］. 鐵道標準設計， 2021， 65（8）： 33-36.

［2］ 國家鐵路局. 鐵路軌道設計規范： TB 10082-2017 ［S］. 北京： 中國鐵道出版社， 2017.

［3］ 徐旸， 楊國濤， 王紅， 等. 預制裝配式聚氨酯道床結構研究［J］. 中國鐵道科學， 2020， 41（1）： 18-24.

［4］ 苗永杰. 可調式框架板道床在西安地鐵施工中的應用［J］. 城市軌道交通研究， 2016， 19（11）： 107-110， 120.

［5］ 劉杰. 川藏鐵路昌都至林芝段軌道選型與設計需求分析［J］. 鐵道標準設計， 2020， 64（7）： 28-32.

［6］ 陳應東. 高速鐵路新型大調整量單元板式無砟軌道結構分析研究［D］. 成都： 西南交通大學， 2021.

［7］ 方宜， 卓建成， 殷明旻， 等. 隧道內無砟軌道常見病害分析與整治措施研究［J］. 高速鐵路技術， 2019， 10（6）： 26-29.