高速铁路路基沉降病害整治技术研究

2020-05-06范会新

辽宁省交通高等专科学校学报 2020年1期

关键词：基床表层高速铁路

范会新

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116000）

1 引言

为满足高速铁路安全舒适的基本要求，必须保证高速铁路路基具备一定的稳定性。但由于长期遭受高速荷载以及环境作用，难以避免路基产生沉降变形，对于高速列车的安全性而言是较大的威胁。本文结合我国高速铁路特点，研究高速铁路路基沉降的整治方法。

2 有限元模型

轨道板基床表层和支撑层相互接触面的脱空是本文重点研究的病害内容。本文通过有限元软件进行了建模处理，建立的结构模型包括四层，既无砟轨道板，砂浆，支撑以及基床表层，以分析在静力荷载的作用下，模型的内力还有位移的变化。

对于无砟轨道板而言，鉴于其特殊的柔性基层表面以及刚性支撑层结构，若有不均匀沉降发生在路基，将会导致基层表面和支撑层发生脱空，致使支撑作用散失，而因为无砟轨道板和支撑层在其结构中担任承力对象，其几何尺寸在动荷载的高速作用下将会发生变形，若变形较为严重，将会导致断裂等病害发生在轨道板。

根据调查表明，在基床表层处产生较多病害的区域为支撑层的伸缩缝处，因此本文在建模时对脱空病害的位置进行了两方面的考虑：支撑层中间位置底部以及支撑层伸缩缝位置底部。结合我国规范里所限制的路基不均匀沉降量在15mm以内，本文通过仿真分析发现当沉降范围较小时的应力及位移最大值变化较小。因此本文在建模时设定15mm为基床表层的不均匀沉降值，重点分析上部结构内力以及位移和脱空长度之间的关系，轨道和路基结构有限元模型如图1所示。

图1 轨道和路基结构有限元模型

3 静力影响分析

3.1 支撑层中间部位脱空对各层结构的静力影响分析

本文模拟支撑层中间部位脱空病害采取的是结构缺陷的方式，共分为六种工况，加载荷载为300kn的单轴双轮列车，分析高速铁路路基各层结构与基床表层和支撑层局部脱空之间的关系。

（1）轨道板在荷载作用下的应力及位移变化规律

表1 轨道板应力及位移数据表

从表1中可知，轨道板在不同脱空长度下的横向拉应力以及位移的变化均较小，但具有较大的纵向拉应力变化。应力的增幅在1m的脱空长度下较大，为1.5倍的轨道板正常状态纵向应力，纵向应力的最大值在2m的脱空长度下为正常状态的两倍，当轨道板承受较为高速的动荷载时将会使其产生一定的破坏，因此可得出结论在支撑层的脱空长度达到1m以上时，需及时对其进行整修，避免在高速荷载的作用下基床表层处的脱空不断增大，最后导致安全事故的发生。

（2）支撑层最大应力与位移变化

表2 支撑层应力及位移数值表

从表2可知，轨道板支撑层位移仅有较小的变化幅度，但当其脱空长度达到1m时的纵向最大拉应力数值为1.27倍的支撑层在正常状态下的纵向应力，纵向最大拉应力数值在1.5m脱空状态下为1.45倍的支撑层正常状态纵向应力，纵向最大拉应力数值在2m脱空状态下为1.56倍的支撑层正常状态纵向应力。在上部结构的作用下支撑层下部受拉而上部受压，在支撑层下部有最大应力值，因此若其应力产生较大的变化，将会导致轨道板的下部产生开裂，影响轨道整体受力。

对砂浆层在荷载作用下的应力及位移变化分析结果显示：砂浆层的应力以及位移变化均较小，主要是由于砂浆层结构具有较好的弹性，缓冲作用较好，因此可推论荷载作用下砂浆层若处于较完好状态时能较好的保持其性能。

通过对上述对模型的试验分析可知，当有脱空病害发生在基床表层和支撑层时，主要受较大影响的是轨道板以及支撑层，对砂浆层的影响不大；定量分析可知，若其脱空长度为1m时，轨道板以及支撑层具有较大的拉应力变化，因此可知当脱空长度为1m时需采取措施进行整修，不然将会使结构随着脱空长度的增加在高速的动荷载作用下发生断裂，影响运营安全。

3.2 支撑层伸缩缝位置脱空对各层结构的静力影响分析

若有不均匀沉降发生，基床表层容易在水和列车的作用下产生翻浆冒泥，导致结构脱空。因此需考虑轨道板结构在支撑层伸缩缝位置出现脱空病害时的内力以及位移影响。

同上述实验，在支撑层伸缩缝处若有脱空病害出现时对各层结构进行静力分析，所得结果表明其程度将远大于脱空病害出现在基层表层中间区域时的情况，该种脱空病害对结构的内力以及位移均有较大的影响。定量分析可知：若有0.8m的脱空长度产生时，轨道板及支撑层具有较为强烈的拉应力变化，并且伴随着不断增加的脱空长度，结构的应力也在加倍的变化，其值数倍于正常状态，位移也如此，该种状态下的轨道板在高速动荷载的作用下将会有较大的变形，严重可导致轨道板断裂，影响行车安全性。因此可知，当伸缩缝处有0.8m的脱空长度产生时，应及时进行整治，否则随着脱空长度的增加，将会导致轨道板处应力及位移的变化不断增大。

4 病害整治技术

基于上述分析可知，路基上部轨道的内力以及位移会随着路基的不均匀沉降发生变化，为满足轨道的平顺性要求，对于某些仅具有较小沉降的轨道结构，通常采取将扣件松开之后重新增加垫板的措施进行弥补。但对于某些具有沉降较为严重的路段，即使将扣件进行了极限调整，仍无法满足轨道平顺性的要求。因此，为使安全性得到保障，不得不采取限速措施，然而该种措施与高速铁路高速度的标准有所背离。在该种条件下，如何确保轨道在路基沉降影响下的平顺性成为急需解决的问题，研究表明确保轨道的平顺性需从根本出发解决沉降病因，并使轨道平顺性有所恢复，才能使高速铁路符合更快以及更安全的要求。

高速铁路路基沉降病害的整治主要有两方面的内容：（1）加固沉降病害部位，本项目采取钻孔注浆加固技术；（2）修复轨道板由于路基沉降所导致的标高变化。在本项目中，针对轨道板较大高程变形的病害，主要采取机械抬升结合注浆填充的方法进行病害整治。

4.1 加固方案

为使基床的不均匀沉降以及翻浆冒泥现象有所减少，以使整治和强化效果更加显著，必须在本质上使路基沉降的因素得到消除，可从加固软弱土层的方面进行，使得地基强度有所提高。在本项目中，主要采取在沉降病害部位进行设置高压旋喷桩以及花管注浆的方案进行注浆加固，具体如图2所示。

图2 路基注浆加固施工流程示意图

4.2 机械抬升结合注浆填充方案

对于无法通过调整扣件以恢复轨道结构的沉降变形，本项目主要采取机械抬升结合注浆填充的整治方案。该技术方案主要是在支撑层两侧下部安放顶升设备，将支撑侧、CA砂浆层以及轨道板以计算所得的抬升量进行整体抬升，再在支撑层底部的空隙中注入注浆材料，从而使得轨道标高得以修复，路基基床表层的高程得以保持。在采用顶升设备进行抬升时，轨道结构的高程采用液力压差传感器进行测量，以使得上部轨道结构的抬升得到精确的控制，保障轨道高程符合规定要求。同时在被抬升的支撑层底部的空隙中注入速凝材料，以较短的时间恢复通车。机械抬升结合注浆填充施工如图3、图4所示。