高速鐵路跨越活動(dòng)斷裂帶軌道結(jié)構(gòu)選型

高增增

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 線路站場(chǎng)樞紐設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

1 概況

活動(dòng)斷裂帶在我國(guó)分布廣泛，隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的大規(guī)模開展，已有部分線路跨越活動(dòng)斷裂帶影響范圍。我國(guó)對(duì)活動(dòng)斷裂帶區(qū)域鐵路選線主要通過對(duì)活動(dòng)斷裂帶的活動(dòng)特征、年代、走滑等進(jìn)行分析，評(píng)估對(duì)鐵路工程的影響，提出通過活動(dòng)斷裂帶的最佳方式、位置、工程設(shè)置類型及所采取的防護(hù)措施。主要設(shè)計(jì)原則為：線路應(yīng)盡量繞避活動(dòng)斷裂帶，必須跨越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，應(yīng)選擇穩(wěn)定性相對(duì)較好地段或巖質(zhì)較硬區(qū)域通過。線路不宜在活動(dòng)斷層上盤迂回展線，工程盡可能設(shè)置于下盤。

受活動(dòng)斷裂帶影響，隧道仰拱等下部結(jié)構(gòu)易隨基礎(chǔ)發(fā)生變形或錯(cuò)動(dòng)，因此要求軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的變形調(diào)整能力及快速修復(fù)能力，能夠在隧道仰拱等下部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，通過軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整，保證線路的平、縱斷面和幾何線形滿足要求［1］。

TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“對(duì)于活動(dòng)斷裂帶、地面嚴(yán)重沉降區(qū)、凍結(jié)深度較大且地下水位較高的季節(jié)凍土區(qū)以及深厚層軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質(zhì)條件，不應(yīng)采用無砟軌道”；TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“活動(dòng)斷裂帶、地面嚴(yán)重沉降區(qū)、凍結(jié)深度較大且地下水位較高的季節(jié)凍土區(qū)及深厚層軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質(zhì)條件地段，宜采用有砟軌道”；鐵路工程設(shè)計(jì)措施優(yōu)化指導(dǎo)意見（鐵總建設(shè)〔2013〕103號(hào)）規(guī)定：“活動(dòng)斷裂帶、地面嚴(yán)重沉降區(qū)、凍結(jié)深度較大且地下水位較高的季節(jié)性凍土區(qū)及深厚軟土等區(qū)域變形不易控制的特殊地質(zhì)條件地段，不應(yīng)采用無砟軌道結(jié)構(gòu)”。

2 軌道結(jié)構(gòu)選型

2.1 選型原則

活動(dòng)斷裂帶斷層發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)造成隧道仰拱等下部結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向和（或）垂向錯(cuò)動(dòng)，從而引發(fā)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、傷損和軌道平順性超限，影響行車舒適性，嚴(yán)重時(shí)影響行車安全。為盡量減小活動(dòng)斷裂帶影響，活動(dòng)斷裂帶范圍軌道結(jié)構(gòu)選型應(yīng)遵循以下原則［2-3］：

（1）結(jié)構(gòu)安全可靠：即軌道結(jié)構(gòu)選型的基本原則。

（2）較強(qiáng)的適應(yīng)性：軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量與線下基礎(chǔ)變形相協(xié)調(diào)，避免過大的變形能積聚于軌道結(jié)構(gòu)，造成軌道結(jié)構(gòu)傷損。

（3）足夠的幾何調(diào)整能力：當(dāng)斷層隨時(shí)間發(fā)生蠕變導(dǎo)致軌道變形時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)可快速調(diào)整，保證線路的平、縱斷面和軌道平順性滿足要求。

（4）施工簡(jiǎn)單方便、可修復(fù)性較好：當(dāng)線下基礎(chǔ)變形較大，無法通過扣件調(diào)整恢復(fù)軌道平順性時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備通過自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整達(dá)到快速修復(fù)的能力。

2.2 有砟軌道

有砟軌道彈性好，在一定的維修質(zhì)量條件下，具有較好的輪軌接觸效應(yīng)；軌道結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于養(yǎng)護(hù)維修，工程造價(jià)相對(duì)較低；且減振、降噪效果較好。但是，有砟軌道受其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，不利于保持軌道結(jié)構(gòu)的幾何形位，道砟易磨損，養(yǎng)護(hù)維修工作量大，特別是在工務(wù)養(yǎng)護(hù)作業(yè)難度大的長(zhǎng)大隧道內(nèi)。受活動(dòng)斷裂帶影響，下部基礎(chǔ)易發(fā)生變形或錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)變形，有砟軌道道床為碎石散粒結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整道床厚度恢復(fù)軌道平順性。有砟軌道具有變形適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)整量大、易修復(fù)性等特點(diǎn)，應(yīng)作為活動(dòng)斷裂帶范圍首選的軌道結(jié)構(gòu)形式。在設(shè)計(jì)時(shí)速250 km及以下的線路，應(yīng)優(yōu)先采用有砟軌道。

京唐城際鐵路北京—大廠設(shè)計(jì)時(shí)速200 km，跨越夏墊斷裂帶。為減小活動(dòng)斷裂帶影響，下部基礎(chǔ)采用路基結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)形式采用有砟軌道。大張高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，天鎮(zhèn)—陽(yáng)高盆地北緣斷裂與大張鐵路相交于大梁山隧道出口段內(nèi)，為減少該活動(dòng)斷裂帶的不利影響，線路跨越活動(dòng)斷裂帶段前后200 m范圍，應(yīng)優(yōu)先采用有砟軌道。

當(dāng)列車以時(shí)速300 km及以上運(yùn)行時(shí)，有砟軌道將面臨道砟粉化和道砟飛濺兩大難題。研究表明，采取降低道床砟肩堆高、道床表面設(shè)置大顆粒道砟等技術(shù)措施，可有效防止高速列車運(yùn)行下道砟飛濺現(xiàn)象。在合福高鐵巢湖東站地基沉降嚴(yán)重地段鋪設(shè)了有砟軌道，為適應(yīng)時(shí)速300 km列車運(yùn)營(yíng)要求，在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》有砟軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，取消堆肩堆高、表面鋪設(shè)大顆粒道砟、清除散落在軌枕頂面和鋼軌軌底表面道砟顆粒等，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，列車運(yùn)行時(shí)速最高達(dá)328 km，未發(fā)生道砟飛濺。

2.3 無砟軌道

相對(duì)于有砟軌道，無砟軌道的結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，養(yǎng)護(hù)維修工作量和維修成本大幅度減少。但受扣件調(diào)高量限制，無砟軌道在線路水平、高低與方向上的調(diào)整量十分有限，下部基礎(chǔ)技術(shù)要求非常高，因此其初期建設(shè)成本高于有砟軌道。同時(shí)，無砟軌道軌道彈性較差，振動(dòng)、噪聲較大，工程造價(jià)較高。受活動(dòng)斷裂帶影響，下部基礎(chǔ)易發(fā)生變形或錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)變形，一般只能通過扣件調(diào)整。無砟軌道扣件主要有WJ-7型和WJ-8型，扣件調(diào)整能力有限。如WJ-8型扣件，標(biāo)準(zhǔn)扣件橫向調(diào)整量為±5 mm，垂向調(diào)整量為-4 mm、+26 mm。特殊調(diào)整扣件最大橫向調(diào)整量為±15 mm，垂向調(diào)整量為-10 mm、+60 mm（鋼軌垂向調(diào)整量超過40 mm時(shí)應(yīng)限速200 km/h及以下運(yùn)營(yíng)）。特殊調(diào)整扣件在運(yùn)營(yíng)線路維修時(shí)采用，鋪設(shè)后一般情況下使用時(shí)間為3年，超過3年進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估。

2.3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我國(guó)高速鐵路無砟軌道類型主要有CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式無砟軌道和CRTS雙塊式無砟軌道等（見圖1），其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各有不同［4-6］。

（1）CRTSⅠ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-7型扣件、預(yù)制Ⅰ型預(yù)應(yīng)力軌道板、水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層、鋼筋混凝土底座、凸形擋臺(tái)及其周圍填充樹脂等組成。軌道為單元結(jié)構(gòu)，軌道板采用雙向后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，避免了表面裂縫的發(fā)生，可適于東北嚴(yán)寒地區(qū)。簡(jiǎn)明層狀體系拼裝式設(shè)計(jì)，軌道系統(tǒng)力學(xué)模型清晰、傳力明確?？删S修性好，在軌道板破壞等特殊情況下，能通過采用樹脂砂漿等措施在天窗時(shí)間內(nèi)修復(fù)。

（2）CRTSⅡ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件、預(yù)制Ⅱ型單向先張法預(yù)應(yīng)力軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層及支承層（鋼筋混凝土底座）等部分組成。軌道為縱連結(jié)構(gòu)，軌道板端部變形小，結(jié)構(gòu)整體性好。無砟軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫，后期增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的適應(yīng)性較差。由于軌道板及橋上底座縱向連續(xù)貫通，底座易出現(xiàn)裂紋，軌道結(jié)構(gòu)修復(fù)復(fù)雜。

（3）CRTSⅢ型板式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件、預(yù)制Ⅲ型先張法預(yù)應(yīng)力軌道板、配筋的自密實(shí)混凝土層、限位凸形擋臺(tái)、土工布隔離層和鋼筋混凝土底座等部分組成。軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力明確，便于施工，避免由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成工程質(zhì)量不易控制。軌道結(jié)構(gòu)各層匹配，無明顯薄弱環(huán)節(jié)，保證軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。軌道為單元結(jié)構(gòu)，軌道板采用雙向先張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，避免表面裂縫的發(fā)生，可適于東北嚴(yán)寒地區(qū)。采用單元結(jié)構(gòu)，可維修性好。

（4）CRTS雙塊式無砟軌道。由60 kg/m鋼軌、WJ-8型扣件（WJ-7型扣件）、SK-2型雙塊式軌枕（SK-1型雙塊式軌枕）、現(xiàn)澆道床板、鋼筋混凝土底座（支承層）等組成。軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力明確，便于施工，避免由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成工程質(zhì)量不易控制。無砟軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫，后期增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的適應(yīng)性較差。一般情況路、隧地段軌道結(jié)構(gòu)縱連，可修復(fù)性差，橋梁地段采用單元式結(jié)構(gòu)。路、隧地段軌道結(jié)構(gòu)也可采用單元式結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑量大，施工質(zhì)量不易控制，施工工效低。

不同類型無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 不同類型無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比

對(duì)于CRTSⅡ型板式無砟軌道與路隧地段CRTS雙塊式無砟軌道為連續(xù)結(jié)構(gòu)，下部基礎(chǔ)發(fā)生變形會(huì)造成軌道結(jié)構(gòu)開裂或拱起，軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修工作量較大，適應(yīng)性相對(duì)較差。CRTS雙塊式無砟軌道現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑量大，施工質(zhì)量不易控制。CRTSⅠ、Ⅲ型板式無砟軌道在路橋隧地段均采用單元結(jié)構(gòu)，具有較好的修復(fù)性；CRTS雙塊式無砟軌道在跨越活動(dòng)斷裂帶范圍優(yōu)先采用單元式結(jié)構(gòu)［7-10］。

津秦高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，跨越盧龍斷裂范圍灤河特大橋采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)?？紤]斷裂帶影響，無砟軌道在斷裂帶處40#墩上方梁面與底座間不設(shè)剪力齒槽，取消CRTSⅡ型板式無砟軌道與橋梁固定支座的固結(jié)，軌道結(jié)構(gòu)配筋適度加強(qiáng)。

2.3.2 下部基礎(chǔ)變形整治

下部基礎(chǔ)水平變形超過特殊扣件調(diào)整能力時(shí)，結(jié)合線路、路基、隧道和橋梁等專業(yè)制定綜合調(diào)整措施：

（1）調(diào)線調(diào)坡。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)高速鐵路線路水平、高低與方向的調(diào)整量限值要求，進(jìn)行縱斷面調(diào)整。根據(jù)既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路縱斷面調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，最小坡長(zhǎng)不低于200 m，困難條件下可以降低標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)保證前1個(gè)豎曲線與后1個(gè)豎曲線不重疊。最小豎曲線半徑Rsh≥0.4v2，豎曲線不受圓曲線及緩和曲線的限制，原變坡點(diǎn)豎曲線半徑采用原設(shè)計(jì)值。

（2）橋梁支座調(diào)整。橋梁優(yōu)先采用簡(jiǎn)支梁跨越活動(dòng)斷裂帶，豎向變形主要通過軌道扣件和橋梁調(diào)高支座調(diào)整，采用在梁底增設(shè)鋼墊板的形式調(diào)高，調(diào)高量為0~60 mm。

（3）路基注漿抬升。采用高壓注漿設(shè)備將具有良好充盈性、快速凝結(jié)性及膨脹性等特點(diǎn)的高聚物注膠材料注入無砟軌道底座板下的級(jí)配碎石中，利用注漿壓力及漿體的膨脹力，對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、可控地抬升，無砟軌道抬升至設(shè)計(jì)高程處采用早強(qiáng)、高強(qiáng)度的聚合物填充砂漿對(duì)抬升后產(chǎn)生的空隙進(jìn)行完全填充，以保證軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定，有足夠的承載力，確保行車安全。無砟軌道注漿抬升是一種較成熟的路基沉降整治方案。

（4）無砟軌道繩鋸糾偏。無砟軌道繩鋸糾偏主要用于既有線無砟軌道病害整治，該方案主要通過繩鋸切割無砟軌道，抬升或側(cè)推恢復(fù)軌道線路平順性，再恢復(fù)無砟軌道結(jié)構(gòu)。該方案操作簡(jiǎn)單、施工速度快、對(duì)線路行車干擾小、但投資較高。

2.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是利用聚氨酯材料將散體道砟粘結(jié)起來，以增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)的彈性、整體性和穩(wěn)定性，減少道砟粉化，尤其針對(duì)隧道、橋梁下部基礎(chǔ)剛度較大的地段（見圖2）。與有砟軌道散粒體結(jié)構(gòu)不同，聚氨酯固化道床是固結(jié)的整體結(jié)構(gòu)，在列車沖擊、振動(dòng)荷載作用下，道砟顆粒之間沒有相對(duì)擠壓、錯(cuò)動(dòng)和殘余變形，碎石顆粒之間的空隙被處于壓縮狀態(tài)的膨化氨酯所包裹和填充，起到緩沖作用，減小了碎石顆粒接觸點(diǎn)（面）的接觸應(yīng)力，延緩了高速行車條件下道砟顆粒的破碎和粉化，延長(zhǎng)了有砟道床使用壽命，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量。

圖2 聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)模型

聚氨酯固化道床采用的彈條Ⅴ型扣件，進(jìn)行調(diào)高作業(yè)時(shí)，在軌下墊板與混凝土軌枕承軌面間墊入調(diào)高墊板實(shí)現(xiàn)鋼軌高低調(diào)整。其中，普通型最大調(diào)高量為10 mm，橫向調(diào)整量為4 mm；彈條V型大調(diào)整量扣件的調(diào)整量為+11~+50 mm，橫向調(diào)整量為4 mm。當(dāng)調(diào)高量大于上述扣件調(diào)高量時(shí)，需采用抬高軌枕的方法加以維修。將軌枕起至所需軌面標(biāo)高后，枕底和聚氨酯泡沫固化道床頂面之間出現(xiàn)間隙，間隙內(nèi)填入道砟，在補(bǔ)充道砟內(nèi)灌注維修材料，使固化道床新舊結(jié)合面及軌枕粘結(jié)一體。抬高軌枕維修是一種非常規(guī)維修措施，在工程中的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。聚氨酯固化道床施工和養(yǎng)護(hù)比較復(fù)雜，需要專用設(shè)備。

聚氨酯固化道床是一種新型的軌道結(jié)構(gòu)形式，已在相關(guān)工程中得到應(yīng)用，如設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的滬昆高鐵，在北盤江特大橋采用聚氨酯固化道床，其聯(lián)調(diào)聯(lián)試時(shí)速330 km、運(yùn)營(yíng)時(shí)速300 km；設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的濟(jì)青高鐵，在DK209+120—DK212+650里程段穿越沂沭斷裂帶安丘—莒縣斷裂，該斷裂范圍采用聚氨酯固化道床，為防止道砟飛濺，道床表面噴涂道砟膠；設(shè)計(jì)時(shí)速300 km的連徐鐵路，采用聚氨酯固化道床，表面設(shè)置大顆粒道砟等技術(shù)措施，防止了道砟飛濺現(xiàn)象。

3 結(jié)論與建議

（1）針對(duì)高速鐵路跨越活動(dòng)斷裂帶特點(diǎn)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行研究，有砟軌道具有變形適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)整量大、易修復(fù)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km及以下線路，優(yōu)先采用有砟軌道。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)速300 km及以上線路，為保證全線無砟軌道結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，在活動(dòng)斷裂帶范圍可采用單元式的無砟軌道結(jié)構(gòu)；為避免下部變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，軌道結(jié)構(gòu)配筋適度加強(qiáng)。運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)下部基礎(chǔ)變形超過扣件調(diào)整能力時(shí)，可采取調(diào)線調(diào)坡、橋梁支座調(diào)整、路基注漿抬升等技術(shù)措施進(jìn)行整治。聚氨酯固化道床是一種新型軌道結(jié)構(gòu)形式，工程實(shí)踐中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。

（3）目前，常用的無砟軌道結(jié)構(gòu)扣件最大調(diào)高量一般不超過70 mm，最大橫向調(diào)整量在15 mm以內(nèi)，有必要研究一種新型大調(diào)整量無砟軌道扣件系統(tǒng)。

（4）結(jié)合活動(dòng)斷裂帶活動(dòng)強(qiáng)度和特點(diǎn)，開展線路、橋梁、路基、地質(zhì)和軌道多專業(yè)專項(xiàng)研究，并采取相應(yīng)措施，對(duì)無砟軌道和下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。對(duì)于下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，應(yīng)采取預(yù)留調(diào)整措施。