高速铁路无砟轨道区段路基上拱整治技术

时间：2024-07-28

朱兴永，蔡德钩，戚志刚，陈峰

(1.中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃兰州 730000；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

我国地域辽阔，随着高速铁路运营线路长度的不断增加，路基上拱问题日益凸显[1]。上拱造成的无砟轨道不平顺[2-4]只能采用扣件精调整治，超出扣件调整量后只能限速，严重影响高速铁路的运营秩序。因此，本文通过一实例探索高速铁路路基上拱整治成套技术，通过运营线无砟轨道路基上拱段的整治，完善高速铁路养护维修技术体系。

1 工程概况

地质情况：表层为6.5～9.5 m厚第四系上更新统洪积粗圆砾土夹细圆砾土、砾砂，稍湿至饱和，局部夹钙质半胶结薄层，密实；圆砾土以下为粉质黏土，厚度>10 m。2009年5月勘察地下水位埋深6.8 m；2015年补充勘察地下水位埋深9.5 m。

路基填料：基床表层填筑级配碎石，底层为A，B组填料，基床以下为B组填料。路基两侧设有2.0 m宽、1.5 m高护道。涵洞与路基过渡段基床表层级配碎石掺5%的P.O 42.5水泥，基床表层以下级配碎石掺3%的P.O 42.5水泥，路基平均高度4.0 m。

地基处理：涵洞及过渡段地基处理措施均为强夯，强夯完成检测合格后进行垫层施工，垫层为0.5 m厚掺P.O 42.5水泥的卵砾石，垫层内铺设高强度土工格栅。

地势情况：上拱段位于K2456+296箱形涵(1孔3 m)两侧路涵过渡段，周围戈壁滩地势平坦，涵底低于两侧地面约1.0 m。

2 无砟轨道路基上拱监测

高速铁路开通后，设备管理单位对比分析动检车波形发现，部分桥涵过渡段线路发生变化，静态绝对测量轨面高程持续增大。因此进行监测[5]和原因分析。

2.1 水准监测

路基上拱地段间隔20 m设一观测断面，每断面在上下行道床板、路肩封闭层、路基坡脚各设1个观测点，使用电子水准仪每月观测1次。整治前水准观测88期，与第1次水准监测值比，上行K2456+292路肩封闭层累计上拱量达108 mm,上拱无收敛趋势。

2.2 绝对测量

使用绝对测量小车对K2456+240—K2456+340上拱段轨面高程进行测量，与设计高程相比，累计上拱量上行为102 mm，下行为91 mm(含上拱撤出垫板量)。上拱情况见图1。上拱速率上行为2.1 mm/月，下行为1.6 mm/月，与水准监测上拱趋势一致，未出现收敛。

图1 小车测量轨面上拱情况

2.3 分层监测

2017年3月在上拱段布设分层监测系统，沿线路纵向间距0.5 m在路肩布设0.4，1.5，3.0，7.0 m不同深度的单点位移计，对基床表层、底层、路基、地基的位移量进行分层监测，分析具体上拱部位。分层监测布设如图2所示。

图2 分层监测布设示意(单位：m)

2017年3月31日至9月10日，分层监测显示K2456+292断面上拱主要发生在基床以下4.0～7.0 m层位，上拱量6.7 mm(速率1.2 mm/月)，其余各层均未发生明显膨胀变形。上拱趋势与小车测量、水准监测一致，上拱未收敛。

2.4 动检波形对比

对比2017年动检波形，上行1月22日至9月8日高低幅值由2 mm增到18.4 mm，每次动检车检测K2456+240—K2456+340高低波形都在变化，上拱未收敛。整治后，10月28日动检车高低幅值0.44 mm。下行动检波形对比分析，与上行上拱情况相同。

3 路基上拱原因分析

在上拱段路肩、路基坡脚开挖，对基床表层、底层、基床以下、地基分别进行取样，得到路基、地基不同深度试样。依据试验规程[6-7]，过0.5 mm筛，对自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量等膨胀性指标进行化验。取样分析结果显示蒙脱石含量很低，矿物成分分析显示填料中石膏和烧石膏含量较高。基床表层含有少量水化硫铝酸钙，水泥卵砾石垫层中含有较高含量的硅灰石膏和钙矾石；地基表层和路基填料中硫酸根含量较高。路基含水率在2.5%～6.6%，路肩以下2 m含水率5.5%。

地基土及路基填料易溶盐分析表明，K2456+240—K2456+340上拱段蒙脱石类膨胀性物质含量不显著，但易溶盐含量偏高。对比分析其余上拱段上拱量与易溶盐含量，结果显示上拱量与含盐量高低呈现一致性趋势[8]，表明硫酸根离子遇水结晶膨胀造成路基上拱。戈壁滩表层盐离子随雨水流到桥涵处，涵底低于两侧地面，雨水汇积在桥涵处，蒸发后造成桥涵过渡段盐离子较多。在温度、含水量发生变化时，盐分吸水结晶、析出，造成土粒间孔隙增大，体积膨胀引起上拱，所以桥涵过渡段路基上拱病害多。冬季气温降低，适于硫酸根盐离子结晶，夏季高温，盐离子结晶减缓。所以冬季上拱变化较大，夏季路基相对稳定，与动静态监测上拱速率一致。

4 整治方案

4.1 防排水

路基盐渍土中硫酸根盐离子遇水结晶造成路基上拱，因此，整治路基上拱首先要做好路基防排水工作。①在上游侧(挡风墙外侧)修建5 m深截水沟、挡水墙，阻断地表水渗入路基基底；②下游侧修建渗水盲沟、蒸发池，做好路基表面封闭，降低路基内含水率；③在路基上拱层位钻孔排水、泄压，减小膨胀压力。

4.2 切割减薄支承层

为恢复上拱段无砟轨道高程，需对无砟轨道进行落道整治。与素混凝土支承层相比，掺5%水泥级配碎石的路基表层软硬不均，绳锯切割减薄时易卡锯，且切割精度不易控制，因此，采取切割减薄支承层的方案进行无砟轨道落道整治。

4.2.1 无砟轨道结构受力计算

切割减薄支承层削弱了无砟轨道结构强度，需通过理论计算验证该措施是否可行。通过建立缓和曲线段CRTSⅠ型双块式无砟轨道有限元[10]分析模型，分析支承层减薄对轨道结构(钢轨、轨道板、支承层、基床)受力情况的影响。建模时钢轨支承考虑为离散点支承[7]，仅在扣件处设置支承点，钢轨网格纵向密度取0.325 m。将扣件等效为一个线弹性体，采用弹簧-阻尼单元模拟，扣件刚度[11]50 kN/mm，扣件间距 0.65 m。轨道板、支承层和基床均采用8节点实体缩减积分实体单元(C3D8R)模拟。

支承层厚度取265，225，185 mm，计算列车荷载(15 t和25 t)作用于枕间和轨枕上方时轨道板和支承层底面的受力情况。随着支承层厚度的减薄，轨道板底面和支承层底面拉应力逐渐增加，但远小于C15混凝土材料的抗拉强度设计值。轨道板底面的横向压应力增加，其他方向压应力在减小。而支承层底面各方向的压应力均随支承层厚度减小而减小，轨道板和支承层所有受力均小于材料的抗压强度设计值，可以采用切割减薄支承层措施进行无砟轨道落道整治。

4.2.2 切割减薄支承层施工

按以下8步，组织上拱整治施工：①调整运行图，天窗内设置两线间硬隔离，做好“一线封锁、一线施工”准备；②在支承层上间隔1.5 m钻孔，定位绳锯切割位置；③安装无砟轨道限位装置，防止切割支承层、解除约束后无砟轨道发生失稳；④安装绳锯，按设计厚度切割支承层；⑤间隔抽出切割后的支承层，用钢垫板做好临时支撑，见图3；⑥撤出前期精调整治轨下调高垫板，依精测数据调整临时支撑钢垫板厚度，恢复无砟轨道高程；⑦支承层与道床板间放入钢筋网片、支模、灌入自流平砂浆，钻孔植筋，补强道床板与支承层联接及无砟轨道结构强度[12]；⑧轨道精调、检测，开通线路，逐级提速恢复高速铁路允许速度。

图3 撤出切割后的支承层

4.3 轨道动态测试

为保证整治后轨道结构状态安全、稳定、可靠，选取最大落道断面K2456+292对脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂直力、道床板加速度、钢轨横向位移量及垂向位移量进行测试。钢轨表面打磨除锈后粘贴应变片，用704硅胶进行防水处理；位移传感器和加速度传感器采用AB胶、夹具进行固定。

最高速度200 km/h时实测最大脱轨系数0.10，轮重减载率0.28，轮轴横向力9.6 kN，道床板横向位移0.04 mm，道床板垂向位移0.05 mm，道床板纵向位移0.02 mm，钢轨加速度1 873 m/s2，道床板加速度72.7 m/s2。检测结果表明，动车组作用下的轨道结构动力学指标[13]均在其相应评判标准限值内，动力性能满足动车组200 km/h运行时的安全性和平稳性要求，整治效果良好，达到动态验收各项指标要求。

整治后，动检高低偏差幅值只有0.44 mm。静态小车测量轨面恢复设计高程，见图4，整治前后轨面上拱趋势见图5，反映整治效果良好，达到了恢复线路平顺性的目的[14]。

图4 整治前后轨面高程及整治后上拱量

图5 断面K2456+292整治前后轨面上拱趋势