引起高速铁路轨道非构造物原因的变形因素分析

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

以高速度、大密度为主要运输特点的高速铁路对轨道变形和平顺性要求极高，按照高速铁路有关规范的要求，对于无渣轨道其变形尺度在毫米级，对有渣轨道的变形要求也很高[4]。近年来对于由于地下水开采等因素引起的轨道变形已经逐步引起重视。但是由于线路所处的地壳及地表环境复杂、且有人工活动因素的存在，影响因素较多，有必要对此进行系统分析和梳理。本文从第地质角度对地质、气候等自然因素、人工等方面的影响进行系统分析，根据既有文献资料及经验研究其特征及影响，在系统研究高速铁路轨道变形及位移因素方面进行初步探索。

引起高速铁路轨道变形的原因可以归结为桥隧路等构筑物因素以及其他引起承载铁路主体工程的地面产生位移或变形的自然及人为的因素，非构造物因素归纳起来主要包括地质、水文地质、自然环境、人工等可以引起地表变形的各种原因。我国高速铁路运营及在建规模宏大，高速铁路可能出现的变形可能对运营及使用产生不利影响，因此，有必要对引起高速铁路轨道变形的各种影响因素进行分析和研究，以便在勘察设计施工期间采取相关措施、在运营期间进行监测、防范和维护等。

1 引起高速铁路非构造物原因变形或位移原因的类型

引起地表变形或位移的原因，可以归结为内动力地质作用、外动力地质作用、气候等自然因素、人为因素等，从对轨道变形的影响角度其基本特点如表1。

2 各种影响因素的基本特征及对轨道变形的影响

与轨道变形的地质、气候等自然因素、人为因素所涵盖范围很广，特点差异巨大，产生影响的时间长短、范围、强弱、可预防和预测性，以及可以采取的处理措施也显著不同。

2.1 内动力地质作用

构造运动：由于地球内部各种形式能量的存在、转化、以及分布的不均衡，地质历史以致现今地壳运动在持续进行，精密观测手段的进步促进了现代地质、地震等学科对此的认识。主要影响为新构造运动所产生，其特点是，表现为板块或构造单元之间的运动——主要沿分划性断裂构造发生、以及构造单元内部断裂活动和整体升降运动，对冲形式的二维运动、平移运动、以及单元内部的升降运动，构造运动多数在较长时间尺度发生，分布不均匀，通过长期的观测结合地质手段分析掌握和了解其量值和运动特点。我国各区域分布众多的活动性断裂；区域性整体运动迹象也明显，如汾渭盆地内依然多个封闭湖盆及封闭洼地等迹象[2,3]。

我国许多活动性断裂在地震地质方面有长期研究及资料积累，其对线路的影响最终表现为轨道变形及相关构筑物的损坏，这种影响是持续的，有积累效应，因此对于活动性断裂在勘察设计阶段已经最大限度进行规避及采取减少影响的工程措施。对于一定区域的升降运动，其影响取决于速率和积累的幅度、特别是不同地段的变形差异，这种差异一种正是上述断裂运动的表现，另一种为缓变的升降运动。

地震活动：以短时间地壳局部聚集的能量集中释放为特征，往往表现为发震断裂附近地层的错动或者一定范围第四系的的变形，这种影响在勘察设计阶段多已经最大限度的考虑其影响，但由于人们对地震活动规律的掌握依然有限，其较大变形出现产生的时间、地点、幅度、性质(垂直或水平)难以预料，有极大的突发性、偶然性、不确定性。对于人工因素产生的地震同样如此。

火山活动：我国火山活动主要局限于西南、东北等几个有限的范围，且强度有限。火山活动对于地面变形的影响目前相关的知识有限，一般而言，火山机构的管道的扩大、变形、坍塌对附近地面可能产生一定影响，另一方面火山活动产生的熔岩流也可能对地面产生直接或间接影响。鉴于火山活动的巨大威胁，和其它人类活动一样，一般在选线过程中已经进行了绕避。

2.2 外动力地质作用

斜坡物理地质作用：包括滑坡、崩塌、其他边坡变形等形式的斜坡物理地质作用，尽管其类型不同、发展阶段不同表现形式各种各样，但总体表现为斜坡机械性位移，进而对附近通过的线路造成危害及影响。一般在勘察设计阶段已经按照不良地质对问题进行绕避和处理，运营期间出现上述不良地质影响的可能性极小，但仍需注意其对线路的影响。

岩溶相关的塌陷变形：岩溶地区由于岩溶溶洞溶腔发育、地下水的活动剧烈，导致部分溶洞内松散物或第四系覆盖层冲蚀流失，造成铁路构筑物所处地质条件变化而产生变形和沉降，这种原因产生的变形一旦产生往往幅度较大，影响较大。通常与地表水系改变、地下水运动条件变化以及长期潜蚀积累有关，与人类活动有一定关联性。

岩性的特殊性质引起的变形：岩土的膨胀性、湿陷性、等在特定条件下有可能造成轨道变形，对于膨胀性、湿陷性、溶解性、沉淀结晶性，必须是岩土由于降水、地表水渗入、蒸发、地下水变化等引起含水情况发生改变而产生，这些问题通常在勘察阶段已经查明并采取措施，对欠固结土也充分考虑了其强度及变形的影响。但由于高铁对变形敏感，运营期间新的条件变化可能产生不利影响。

其他外营力所致的地面变形：诸如风化剥蚀产生的地面变形，极其缓慢，在工程年限一般不会产生有影响的变形。

表1 影响因素分类

2.3 自然因素

气候变化：在高纬度地区、高海拔地区气温变化对地层冻融影响显著，进而对轨道产生影响，目前这方面的影响尚未显现，也许表明其影响尚属有限。

降水变化引起的含水状况变化的影响往往通过上述岩性的特殊性质引起的变形而产生影响。

降水是地下水位变化的主要原因之一，地下水位变化在大厚度第四系地层平原或盆地区对地面沉降的影响极为显著，我国许多地区有丰富的资料积累，有很多经验教训。其对轨道变形的影响与沉降量及差异有关。

灾害天气：超出正常气候的暴雨、台风等极端天气可能对线路存在潜在的影响。

其他因素：

2.4 人为因素

地下水开采及回灌：地下水开采的影响在我国许多平原区存在，其特点是经历长期的大规模开采，地下水位下降幅度巨大，第四系粘性土砂类土厚度巨大[1]。以西安为例，地面沉降累计幅度最大时到达2 m以上，在众多基底构造所控制的台塬和洼地之间等地段，形成了一系列的地裂缝，在地下水开采量巨大的年份，这些地裂缝经常错断路面、管道、损坏建筑物，道路所形成的明显错台常影响车辆通行。地下水开采形成的沉降幅度较大，持续时间长，基本不可能恢复，但通过停止开采、回灌可以逐步让沉降发展趋势停止，沉降往往在很大范围发生，而基底构造控制的边界地段、断裂地段、地层差异地段明显的沉降差，二者对轨道变形影响均较大，尤以后者明显。

地表开挖堆填，地下采掘：线路附近较大幅度的开挖堆填可以产生侧向位移，但一般这种行为受到检控和预防。地下矿藏一般设置限采范围，侵入开采属于违法行为。

特殊人为活动：某些突发事件可能对线路造成影响，但是多限于短暂的局部的。

对各类因素的影响特点归纳于表2。

3 轨道变形非构造物因素的研究的主要问题

影响轨道变形的因素很多，涉及广泛、领域较多，部分需要进行专门的工作，是保持高铁安全正常运行需要进行的长期工作。在项目建设的不同阶段已经开展有关工作。从全面掌握轨道变形影响因素，查明其成因、为预防和处理提供依据的角度，需要关注以下问题：

(1)在监测掌握轨道变形的同时，收集沿线既有地质、地震、工程地质及水文地质、矿产矿山、工程建设及有关设施、气象气候等资料和成果，是系统分析研究轨道变形必不可少的基础。

(2)全面系统分析研究影响轨道变形的各种影响因素和领域，理出不同地区、地段影响变形的主导因素，作为工作的重点。

(3)对于一条高铁而言，往往需要工程地质水文地质、地震、气象等部门的多领域合作，并根据主要影响因素开展专门工作。

(4)不同地区、地段主导因素不同，同时又存在多因素叠加、共同影响的问题，是工作的重点。诸如地下水开采引起的地面沉降、活动性断裂变形和位移、岩溶塌陷或沉降已经有一定程度的研究；我国地域辽阔，气候差异巨大，对于因各种岩性的膨胀性、湿陷性、溶解性、沉淀结晶性等性质在一定气候等外部条件下的变化及可能产生的地面变形尚需要进行深入研究。固体潮是近地天体月球、太阳产生的周期性地壳变形，直接影响地表变形、但其在地表的影响尺度巨大，与地壳构造运动有某种联系，对于轨道变形的可能存在间接或直接的影响，需要进行探索。

(5)我国地域辽阔、地质、气候等自然环境差异显著，经济活动强烈，因此，对于不可避免的变形，需要研究采取合理方法和技术，针对性适应和解决问题。

表2 各类因素影响方式及特点

4 结语

影响高速铁楼轨道变形及平顺性的因素很多，为了线路的长期安全运行，有必要对各种影响因素进行系统研究。我国地域辽阔，不同地区影响轨道变形的非构造物因素差异显著，涉及范围较广，通过分析将影响轨道非构造物变形的因素归纳为内动力地质作用、外动力地质作用、气候等自然因素、人为因素四个方面13种类型，各种类型在时间、位置、变形或位移方向、变形量及速率等各有特点。对于影响因素的研究有必要开展系统性工作并进行相关主要因素进行专门工作。