青藏铁路多年冻土区路基变形特征与无缝线路铺设可行性评价

2015-01-03赵相卿熊治文韩龙武程佳唐彩梅杨永鹏

铁道建筑 2015年5期

关键词：多年冻土青藏铁路无缝

赵相卿，熊治文，韩龙武，程佳，唐彩梅，杨永鹏

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000;2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木816000)

青藏铁路多年冻土区路基变形特征与无缝线路铺设可行性评价

赵相卿1，2，熊治文1，2，韩龙武1，2，程佳1，2，唐彩梅1，2，杨永鹏1，2

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000;2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木816000)

通过对青藏铁路长期监测系统及铁路多年冻土区其他路基变形监测资料的分析，得到了运营以来青藏铁路多年冻土区路基变形特征。通过对路基—轨道结构变形的监测数据分析研究，得到了路基变形条件下的路基—轨道变形相关关系，并结合路基—轨道运营养护维修标准，提出了以路基变形量大小为指标的青藏铁路多年冻土区无缝线路铺设可行性评价方法，将青藏铁路多年冻土区路基按年沉降量大小划分为适宜、基本适宜和不宜辅设无缝线路路段。

青藏铁路多年冻土路基工程无缝线路

青藏铁路格拉段沿线自然条件恶劣，存在低温寒冷、大气含氧量低、紫外线辐射强、日温差变化大等诸多不利因素，线路运营维修条件极差。在技术可行地段铺设无缝线路，可以提高客运舒适度、行车速度，减少线路维修工作量，降低运营成本，提高运输效率。目前国内外关于无缝线路轨道变形方面的研究主要集中在轨道下沉方面，如轨道结构和运营条件等对轨道下沉的影响，较少有文献提到路基沉降变形对无缝线路的影响，特别是在多年冻土区路基融沉、冻胀对无缝线路轨道变形的影响方面文献更少。

1 青藏铁路格拉段无缝线路铺设情况

在青藏铁路低温寒冷、日气温变化幅度大等不利环境下，提高钢轨焊接质量是保证无缝线路少维修和安全运营的关键。

青藏铁路建设期间，中南大学等单位在青藏铁路无缝线路试验段开展了现场钢轨闪光焊接与数控气压焊接工艺对比试验研究，验证了高原铁路闪光焊和气压焊现场焊接工艺和配套设备，积累了高原无缝线路施工经验和技术资料。试验结果表明，就钢轨焊接技术而言，青藏铁路格拉段铺设无缝线路的技术条件是可以满足的。中铁第一勘察设计院、中国铁道科学研究院等单位对无缝线路设计参数进行了研究，结果表明无论从年最大轨温差还是从道床阻力、扣件纵向阻力和梁体温差上来讲，青藏铁路格拉段无缝线路的铺设技术都是可行的。

基于上述研究成果，建设期间在青藏铁路格拉段季节冻土区K887+749—K897+525、K924+154—K930+515、K930+527—K938+247铺设了3段无缝线路试验段，全长23.857 km，无缝线路运营状态良好。鉴于此，2010年9月—2012年10月青藏铁路公司相继完成格尔木—望昆(K816+200—K957+900)、当雄—拉萨(K1795+000—K1955+000)及不冻泉地区K978+000—K984+000无缝线路铺设，累计铺设长度达307.7 km，其中K978+000—K984+000长6 km线路地处多年冻土区。

无论是在青藏铁路格拉段季节性冻土区还是多年冻土区，在路基变形量较小的情况下，无缝路段的轨道质量指数(TQI)较小，线路工作状态较好，区间铁路列车运营状况良好。但在路基沉降量较大条件下无缝线路工作状态如何有待进一步研究。

2 青藏铁路多年冻土区路基变形监测与分析

多年冻土区路基的稳定是青藏铁路的核心技术问题。为了掌握青藏铁路建成通车后的技术状况，指导养护维修和保证线路的安全运营，由青藏铁路公司牵头，多家单位参加，对青藏铁路多年冻土区工程进行了多层次的观测。

2.1长期观测系统测得的路基断面变形分析

青藏铁路多年冻土区工程稳定性长期观测系统覆盖多年冻土区路基、桥梁和涵洞工程，包含3个气象站和78个观测断面(其中路基观测断面66个，桥梁观测断面4个，涵洞观测断面8个)，对沿线气候、冻土条件和水热环境变化及其规律等进行长期、系统、连续监测，以便为运营中的青藏铁路的技术状况评价和后期病害处理提供数据支持。

在观测的66个路基断面中只有1个路基断面(K1496+750)的工后总沉降量不满足规范要求，但2010年5月补强整治后，沉降速率明显减缓。总体而言青藏铁路多年冻土区路基工程的稳定性较好。截至2012年底，长期观测系统测得年沉降量＞15 mm的路基断面6个，其变形情况见表1。

表1 年沉降量＞15 mm的路基断面沉降量统计mm

从表1可见，除多年冻土区K1280+150和K1496 +750两个断面近2年变形逐渐减小外，其余4个断面变形并无收敛迹象。近5年来，每年前三季度累计沉降量＞15 mm的断面里程及同期沉降量对比见表2。

表2 前三季度累计沉降量＞15 mm路基断面同期沉降量统计

2.2 其他地段路基变形监测

1)西大滩至唐古拉

青藏铁路多年冻土区唐北段(K959+615—K1425 +000)共465.385 km，观测长度33.056 km，观测断面721个。观测区段近3年来路基年变形量的情况分别为:

①年沉降量＞15 mm的地段有:K1003+850—K1004+200，K1016+250—K1016+530，K1124+ 000—K1128+810，K1160+800—K1175+214，K1194 +950—K1195+150，K1216+750—K1218+000， K1227+387—K1227+600和K1312+300—K1336+ 000，总长15.3 km。

②年沉降量＞30 mm的区段有:K1004+000—K1004+200，K1126+300—K1126+490，K1165+ 400—K1165+600，K1168+700—K1168+800，K1217 +450—K1217+550，K1227+387—K1227+600，K1312+550—K1312+750，K1333+750—K1333+950和K1334+950—K1336+000，共9段，总长2.509 km。

③年沉降量＞50 mm的区段有:K1126+300—K1126+490，K1168+700—K1168+800，K1217+ 450—K1217+550，K1333+750—K1333+950和K1334+950—K1336+000，共5段，总长1.64 km。

唐北多年冻土区路基变形观测段年沉降量＞15 mm的长度有15.3 km，占唐北冻土区线路总长的3.3%;＞30 mm的有2.509 km，占观测区线路长度的7.6%;＞50 mm的有1.64 km，占观测区长度的5%。说明多年冻土区唐北段路基工程基本是稳定的，病害率较低。

2)唐古拉至安多

青藏铁路多年冻土区唐南多年冻土段(K1425+ 000—K1497+000)共72 km，观测里程长13.35 km，观测断面274个。

唐南段冻土路基近3年来年变形量＞15 mm的地段主要有3段:K1448+900—K1449+800，K1458+ 300—K1458+450，K1496+700—K1496+800，其中K1496+700—K1496+800年变形量＞50 mm。冻土路基观测区段年变形量＞15 mm的有1.15 km，占唐南冻土区总长的1.6%。

2.3 监测结果分析

1)青藏铁路多年冻土区工程稳定性长期观测的66个路基断面中，2012年变形量＜15 mm的路基断面有60个，占路基观测断面的90.9%;年变形量＞15 mm且＜30 mm的路基断面有6个，占路基观测断面的9.1%。

2)根据对观测资料的综合分析可知，在青藏铁路多年冻土区路基工程中，下沉量较大的地段主要有:①楚玛尔高平原段(K1001—K1006);②北麓河盆地(K1123—K1128);③尺曲谷地(K1157—K1195);④沱沱河融区与多年冻土区过渡段(K1216—K1218);⑤扎加藏布河河谷段(K1421—K1465);⑥多年冻土南界附近(K1484—K1497)。

3)青藏铁路多年冻土区路基变形以融沉为主，其寒季冻胀量较小，一般≤5 mm，多年冻土区路基的融化下沉在路基变形中占主导作用，因此在路基—轨道变形分析中主要考虑了融沉变形的影响。

表3 长期观测断面道床厚度统计mm

3 青藏铁路多年冻土区路基与轨道变形规律研究

普速铁路曲线段外轨超高不应超过12.5 cm。根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—1999)，按照渗水土路基设计道床厚度为30 cm，非渗水土路基设计道床厚度45 cm。根据长期观测断面统计数据得出的道床厚度统计见表3，可见，大部分道床厚度＞45 cm，多年冻土区线路部分段落道床厚度远大于设计值，长期观测断面中有16个断面现有道床左右侧厚度差超标，如K1005+750断面道床左侧厚度高出右侧217 mm，应是路基不均匀沉降所致。

路基变形必然引起道床变形，以青藏铁路Ⅰ级次重型铁路直线段路基设计标准为例(因青藏铁路格拉段始建于2001年，因此设计采用1999年规范《铁路路基设计规范》(TB 10001—1999)，如图1所示，路肩宽度7.1 m，道砟顶宽3.1 m，道床厚度(钢轨中心轨枕底面至路肩顶部距离)30 cm，由于Ⅰ型枕轨下厚度约20 cm，因此道砟层厚度为50 cm。

假设路基单侧沉降ΔH，引起道砟坡脚竖向变形量为Δh，引起道砟顶部沉降量为Δh1(在线路不维护条件下)，由三角相似原理可得

则

根据道床变形前后体积相等原理可得

则

由上述计算可知，单侧路肩变形在道床肩部有放大效应，约放大1.6倍。由于轨道结构由钢轨、扣件、轨枕等部件组成，因此轨道竖向变形会受到轨枕的制约，其变形量小于道床变形量。如果线路维护不及时，路基不均匀变形将会引起道砟高度不足和密实度不够，使得道床纵横向阻力减小，列车动荷载引起的轨道结构受力状态不佳，从而影响轨道结构的稳定性。

图1 路基与道床变形示意(单位:cm)

青藏铁路长期监测系统中断面路基变形量与相应轨道变形量相比，沉降变形量较大的路基断面钢轨竖向位移较为明显。K1161+625断面路基变形与钢轨位移曲线如图2所示，可见，扣除抬道影响钢轨竖向位移总量和路基变形基本相同。

图2 K1161+625断面路基变形与钢轨位移曲线

从青藏铁路长期监测系统路基、轨道变形监测数据分析可知:

1)青藏铁路格拉段多年冻土区大部分路基变形符合普速铁路规范使用要求，即工后沉降＜20 cm，年沉降量＜5 cm，但仍有一些段落年沉降量稍大，并且沉降仍在持续，收敛趋势不明显，这会给无缝线路铺设后运营维护带来一定困难。

2)路基变形和轨道竖向位移有很好的一致性，但路基左右两侧差异沉降变形在理论上反映到道床上有一定的放大效应。如果线路维护不及时，路基不均匀变形将会引起道砟高度和密实度不够，使得道床纵横向阻力减小，从而影响轨道结构的稳定性。

3)轨道由于受到轨枕、扣件等影响，其变形量略小于路基变形引起的道床变形量，但轨道竖向位移总量和路基变形基本相同。受到线路抬道维护的影响，抬道后短期内轨道竖向位移速率明显高于路基沉降速率。

4 无缝线路铺设可行性研究

4.1 无缝线路的容许变形与线路养护影响

多年冻土区路段铺设无缝线路可行性不仅与前述技术参数有关，还与路基稳定性相关，且与无缝线路维修方法、标准密不可分。多年冻土区路基变形主要反映为融沉变形，路基沉降变形将引起轨道变形。

目前对青藏铁路无缝线路试验段根据铁路线路修理规则，采用轨检车检查区段整体不平顺(均值管理)的动态变化，采用轨道质量指数(TQI)来加以评定，其指标包括高低、轨向、轨距、水平及三角坑共计5项。轨道质量指数管理值见表4。

多年冻土区路基变形主要集中在暖季的5—10月份，以8，9和10月份最大。如路基沉降过大，则会引起轨道位移量跟着增大，当检测指标超限时需要对线路进行维护。

当无缝线路轨道变形超限时，可采用人工养护和大型机械养护两种方法整治病害路段。人工养护采用加减垫片的方法保证轨道线形可控。为了保证轨道结构自身稳定性，根据《铁路线路修理规则》(铁运［2006］146号)规定，垫片调整轨道线形不平顺最多可增设15 mm垫片，即轨道变形15 mm以下可采用此方法。若轨道变形超过15 mm，则应采用大型机械养护抬道。大型机械养护可一次抬道3 cm，若超过3 cm需要二次抬道。大型机械养护时受锁定轨温限制，还要考虑季节要求。

目前青藏铁路机械养护每年进行一次，考虑到青藏高原环境恶劣和现有技术条件限制，无缝线路铺设后按每年机械抬道养护一次计算，即路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm地段可以采用一次机械养护+人工养护的方法保证无缝线路的线形特征。

表4 轨道质量指数(TQI)管理值mm

4.2 多年冻土区无缝线路铺设条件分析与评价

青藏铁路铺设无缝线路的目的是保障线路质量并提高运营速度，同时减少线路运营维护工作量。如在路基不稳定地区铺设无缝线路，虽然通过加大人工或机械养护频率，可以保证线路线形，满足运营要求，但是经常养护不仅会增加高原作业工作量，养护不当也会导致道床纵横向阻力减小而产生意外，反而很难达到铺设无缝线路的目的。鉴于此，结合路基沉降量指标，对无缝线路在多年冻土区的铺设提出以下三项标准:

1)适宜铺设段落。运营以来路基年沉降量均在15 mm以下路段。这些路段路基处于稳定状态，通过人工养护就可满足无缝线路线形要求。

2)基本适宜铺设段落。这些路段路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm，需要通过人工养护加一次机械养护才能满足无缝线路运营所需的轨道线形。这些路段路基大多处于不稳定状态，但通过补强路基热防护和防排水措施来提高路基稳定性，减缓沉降速率，并适当提高线路养护频率可保证轨道线形。

3)不宜铺设段落。这些路段路基年沉降量在30 mm以上，通过人工养护加一次机械养护无法满足无缝线路运营所需的轨道线形。这些路段路基大多处于水热环境复杂的高温多年冻土区、多年冻土区冻融过渡段及南北界冻土退化地段。此种地段路基下地基土中多年冻土含冰量较高(在人为上限附近)且地层变化较为复杂，地表水和地下水均较发育，路基工程在微地貌单元中极易受到外来热源干扰。通过补强路基热防护和防排水措施，一定程度上可减缓路基沉降速率，但完全控制较为困难，不能保证路基变形量一定在30 mm以内。此种路段不适宜铺设无缝线路。

5 结论

1)从青藏铁路多年冻土区轨道变形监测数据来看，轨道由于受到轨枕、扣件等影响，其变形量略小于路基变形引起的道床变形量，但轨道竖向位移总量和路基变形基本相同。受到线路抬道维护的影响，抬道后短期内轨道竖向位移速率明显高于路基沉降速率。在分析与路基稳定性相关的无缝线路铺设可行性条件时，通过长期观测资料统计分析得出路基变形和轨道变形可简化为线性相关且在总量上基本相同的规律。

2)提出了以轨道监测指标和线路养护维修方法为参考，以路基沉降量大小为标准的无缝线路铺设可行性划分方法，并将多年冻土区路基划分为适宜铺设路段(路基年沉降量≤15 mm)、基本适宜铺设路段(路基年沉降量＞15 mm且≤30 mm)和不宜铺设路段(路基年沉降量＞30 mm)。

文中无缝线路铺设可行性评价标准是本着用少量的人工和机械养护工作量来保证线路设备质量的目的而确定的。若不稳定路段经过整治，线路沉降量持续减小，则不宜铺设段落可以变化为基本适宜铺设路段;反之，当外部环境变化导致一些路段变形量持续增大时，应加强养护和观测，必要时通过调查研究并辅以补充勘察等方式，提出合理整治措施并实施，减缓沉降速率使其满足无缝线路运营条件。

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(责任审编李付军)

U213.1+4

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.26

1003-1995(2015)05-0103-05