基于行车安全的ZJY高铁隧道底隆致无碴轨道变形处置实践与探讨

周保安， 吴 剑， 王立川， 龚 伦， 马相峰， 许召强， 赵 伟， 张 鹏

(1. 中国铁路成都局集团有限公司， 四川 成都 610082； 2. 中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731； 3. 中南大学， 湖南 长沙 410075； 4. 西南交通大学， 四川 成都 610031； 5. 中铁十八局集团有限公司， 天津 300222; 6. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

0 引言

截至2020年底，中国高铁运营里程已超过3.79×104km，地质复杂多变和建设期设计施工缺陷及其演变导致无碴轨道基础变形病害时有发生，以西南山区为代表的高铁隧道，隧线比多在45%～85%，隧道内多表现出渗漏水、隧底裂损、底隆、软岩大变形等病害[1-3]。隧道内轨道基础有2种类型[4-5]： 一种是道床板布设于仰拱填充层上，另一种是道床板布设于隧道底板上。按高铁设计一般原则，在速度≥250 km/h的线路中，基本采用无碴轨道结构，其具有平顺、稳定、寿命长、避免飞碴、少维护等众多优点，但是-4～+26 mm的扣件调整能力制约了轨道高程调整幅度。在隧-轨变形关系不协调、隧道底隆缺陷尚无系统规制的建设技术条件下，鉴于轨道几何尺寸与长短波的关系处理，不可能只调整底隆的个别具体断面，而是在一定的纵向范围内系统调整，使轨道调整极易达到扣件能力极限，局部甚至长距离使用特种扣件成为必然选择。基于行车安全和旅客舒适度考量，降速运行成为不二的运营对策。

针对隧道内无碴轨道基础底隆变形的整治，已有不少专家学者进行了研究。如： 汪洋等[6]基于十漫高速公路云岭隧道，分析了隧道底隆的形式和发展过程，并推导了底隆的表达式，提出间隔置换仰拱、拱脚加固、提高仰拱拱度等措施；杜明庆等[7]从围岩膨胀机制出发，分析了膨胀性围岩遇水膨胀后引起的隧道仰拱底鼓破坏模式及过程，指出仰拱底隆的受弯破坏模式，最大弯矩出现在仰拱中心位置，拉裂缝首先在中心位置出现；王子江等[8]针对施工期的兰渝铁路玄真观隧道，指出地层特性、地质构造、施工质量等是影响隧道变形破坏的主要因素，分析建立了地应力与隧道变形破坏的关系，并提出隧底设置长锚杆、设置W钢带、网喷混凝土、采用有碴轨道等思路；王武田[9]针对某高铁隧道在运营期出现的隧底开裂上拱变形等病害，从地层岩性、地下水及施工等方面进行了成因分析，并提出了基底注浆、轨道板裂缝壁可法修复、纵向裂缝水泥浆高压灌注处理等方案。

可以发现，目前隧道内无碴轨道基础底隆变形的整治方案主要有2大类： 一类是拆除轨道和隧底结构后，重构隧底结构(仰拱参数调整)和无碴轨道(视变形稳定与否适当预留底隆量)的仰拱重构方案，一般适用于新线阶段或底隆病害已稳定的工况，是一劳永逸的根治方案；另一类是将无碴轨道改为有碴轨道方案，受线路预期运行速度标准及后期维养成本控制，并不能根治病害，只是有碴轨道便于调轨，但对行车影响较大，速度≥250 km/h的高铁线路极少采用。

可以看出，现有研究主要集中在隧道底隆变形原因分析和洞身工程整治措施上，而在变形原因的原则认识上并未获得较为一致的意见，且很少有针对隧道运营期底隆保障运营安全的工务措施的研究。本文以西南地区XC高铁ZJY隧道的工程实际为例，考虑该隧道底隆缺陷具有长段落、大尺度、边整治边发展的特点，针对由此导致的轨道基础变形和线路病害，简要介绍了运营前整治的情况后，对运营期间底隆发展趋势和工务整治过程进行梳理分析，开展运营高铁隧道“带病服役”期间短期内保障列车运营安全控制措施的研究与实践，指出锚固在高地应力型隧道底隆整治中的无效性，介绍了整治措施有效程度的排序，提出彻底整治ZJY隧道底隆致轨道病害的方向性方案，以利于高铁线路行车安全、旅客舒适度和恢复运营秩序的确保。需要说明的是，隧道底隆与轨面高程是不同但却是呈正相关的概念，基于工务专业习惯以轨面高程表达，且轨面高程抬升相对底隆更为保守和安全，为了表达便利，文中并未刻意区分轨面高程抬升与底隆的差异。

1 隧道底隆及其开通前整治简介

1.1 隧道概况

1.1.1 地质简述

ZJY隧道全长8 315 m，穿越构造侵蚀低中山区大巴山向盆地过渡的陡降地段，最大埋深约590 m，沿隧道洞身为Ⅲ～Ⅴ级围岩交替分布。隧址区地质构造复杂，岩体受强烈挤压，构造应力大。底隆段K367+000～K368+700段(约1 700 m)穿越虎口垭向斜(见图1)和大塘村背斜，向斜核轴部与洞身呈45°交角，岩性为灰岩、泥岩、白云岩，因背斜与洞身长距离“伴行”却不相交(近平行)，故在地质纵断面图中未标注。施工揭示该段落地下水贫瘠，且该段施工中仅有少量同级围岩支护参数变更。

补勘表明，该段水平主应力最大值和均值分别为13.405 MPa和9.25 MPa，垂直应力均值为10.475 MPa，侧压力系数均值为1.52；最大水平主应力方向为N34～55W，与路线大角度相交。

图1 隧道走向与地层交角示意图

1.1.2 设计概况

隧道内设人字坡，南向坡度为3‰，北向坡度为10.5‰，洞内设置1条R=7 000 m曲线。底隆段施工图设计为Ⅲ级复合式衬砌，拱墙部为喷锚初期支护(局部拱部设格栅刚架)，拱墙衬砌C35混凝土厚40 cm；仰拱C35混凝土厚50 cm，仰拱半径R3≈1 500 cm，曲率(矢跨比)为1∶12。全隧采用CRTS双块式无碴轨道，为双块式轨枕预制、道床整体现浇结构。

1.2 底隆(开通前)情况

2017年工务提前介入检查和铺轨精调中，于3月、5月和7月3批次发现K367+000～K368+700段内共8个子段落(K367+065～+101、K367+202～+280、K367+355～+390、K367+422～+460、K367+622～+646、K367+727～+837、K367+870～+980、K368+574～+652)底隆致使无碴轨道上拱，K367+065～+101、K367+355～+390、K367+622～+646段尤为突出，主要表现为连续或不连续贯通无碴轨道板、中心水沟、侧沟沟槽的横向裂缝和轨面与设计数值不等，最大偏差值>20 mm。初步监测表明轨道基础“尚不稳定”，即底隆处于持续发展阶段。

1.3 底隆原因初步分析及分歧

2017年5月中旬相继开展了地质补勘和检测以及多次原因分析，主要有如下观点。

1)隧址区发生多次造山运动，山体遭受强烈构造挤压，岩体中赋存较高的能量；底隆段岩性以页泥岩、泥灰岩、泥质灰岩为主，中厚层状构造，层产状变化大，小挠曲发育；以水平构造应力为主导的高地应力作用于隧底下伏的缓倾、软弱夹层、平直结构面的层状围岩体，相对薄弱的仰拱不足以抵抗基底围岩蠕变和弯曲,产生向隧底中央临空面的荷载(此底隆机制系作者最初的观点，随着研究的不断深入，逐步证明了此观点)。

2)仰拱曲率与设计标准的明显偏离是诱发底隆的因素之一，至少使底隆提前发生和量值增大，但不能将仰拱施工与设计的偏差视为底隆的根本原因。

3)围岩膨胀性、地下水等综合作用是造成底隆的主要原因。

1.4 底隆整治方案的研究与分歧

作者研究团队的初步研究成果认为抵抗隧道底隆的工程措施效能顺序为： 仰拱矢跨比(极限是圆形或仰拱半径R3=750 cm)>仰拱几何形态符合度≫仰拱厚度>仰拱材料物性值≫隧底锚固。

由于对底隆原因和整治工程措施效能认知的不同及非技术因素的冲击，在整治方案研究方面出现了仁智互见、莫衷一是的局面。隧道开通前分3期实施了底隆整治工程，主要方案分述如下。

1.4.1 严重段落仰拱重构和一般段落轨道板重筑

分期对K367+730～+786、K367+786～+837段实施隧底拆换重构仰拱整治，仰拱曲率由施工图设计的1∶12调整为1∶10，仰拱材料由C35混凝土调整为C40钢筋混凝土，厚度调整至60 cm，并在仰拱设置6～8 m长的系统锚杆。

1.4.2 无碴轨道改为有碴轨道

按1.7、2.1、3.7 km 3个依次包络性子方案拆除无碴轨道，改为有碴轨道，包含8个严重段落的非重构隧底加固整治。

1.4.3 K367+065～+101段仰拱拆除重构+局部轨道板拆换+长段落隧底锚固加固

K367+065～+101段仰拱拆除重构，除重构仰拱按2层设置外，其余参数与1.4.1节相同；C40高配筋率混凝土内层仰拱按厚度为60 cm、曲率为1∶10设置；初期支护(外层)仰拱为格构结构(@100 cmI20b+@100 cmφ25 mm纵向连接筋)，厚25 cm，自填充混凝土向下施作l=8 mφ32 mm预应力系统锚杆。K367+065～+101和K367+622～+653上下行 、 K367+356～+392上行和K367+912～+928下行共计6个单线段近190 m拆换重构无碴轨道板；K367+000～K370+230段内，根据工务部门提出的轨道状态异常情况，按纵横4根、@200/400 cm“井字形”布设l=8 mφ32 mm预应力系统锚杆，仰拱拆除重构地段不重复。

1.4.4 部分段落仰拱重构

拆除K367+065～+101、K367+355～+390、K367+730～+786共3段仰拱，调整基数参数后重构，且预留6～10 mm的隆起余量。

1.4.5 意见分歧

除逐步趋同的底隆原因外的主要分歧： 1)对无碴轨道改为有碴轨道方案的争议； 2)因不同的研判，如何确立具体的仰拱拆除重构段，如K367+355～+390段和K367+730～+786段仰拱是否拆除重构； 3)重构仰拱曲率采用1∶10还是1∶7～1∶8，此乃最明确和根本的分歧； 4)是否对隧底实施锚固加固措施的争议。最终采信和执行了1.4.3节的方案。正是由于隧道底隆整治，致使XC高铁延迟开通2个多月。

2 隧道底隆致无碴轨道病害对运营的影响及开通前整治效果

ZJY隧道事实上属于带缺陷开通，目前成熟的工务技术可以及时发现非突发性的隧道底隆致无碴轨道病害，保障行车安全。但底隆致轨道几何尺寸频繁失格且时有超过Ⅱ级分，轨道长波异常多发和高频的动态不良，显著增加了无碴轨道非常规维修工作量。

2.1 运营期轨道病害变化趋势

1)开通时及运营前期，截至2018年7月隧道底隆段轨面高程线形对比如图2所示。运营期隧道底隆致使轨面高程变化持续发展，且典型断面的隧道边墙下部及无碴轨道道床陆续出现了裂损且裂损持续发展，个别贯通裂缝宽度达2 mm，典型裂缝如图3所示。

图2 开通时及运营前期隧道底隆段轨面高程线形对比

(a) 上行线 (b) 下行线

2)底隆段各特征截面变形趋势如图4所示。截至2019年第3季度末，就底隆累计量值和速率而言，K367+065～+101、K367+355～+390、K367+727～+837段最严重，累计隆起量值>30 mm，变形速率多在1.0 mm/月以上；K367+202～+280、K367+422～+460、K367+622～+646、K367+870～+980段为中度，累计隆起量值在10～30 mm，变形速率多在1.0 mm/月以下；K368+574～+652段为低度，累计隆起量值<10 mm，且已基本稳定。

3)隧道底隆的8个近连续的子段落，除K368+574～+652初步判断接近稳定外，其余7个子段落的底隆持续发展而未收敛，且速率呈现显著的离散性特征，致使无碴轨道轨面高程纵向呈现多波不平顺。

2.2 运营影响

2.2.1 轨道维修工作量剧增

开通前底隆段无碴轨道精调增加2次，基于该隧道于2017年12月6日带缺陷开通，工务部门因应对底隆加大了巡检频次。因隧道底隆持续发展，即轨道基础持续上拱，不得不2次采取轨道顺坡精调。

2.2.2 降速运行及对运输秩序的影响

该高铁(含ZJY隧道)的运行速度为250 km/h，因无碴轨道检测几何尺寸超限，首次实行160 km/h限速运行，导致对应区间运行时长增加约2 min；第2次实行60 km/h限速运行，导致对应区间运行时长增加5～6 min，与设计速度相比，对应区间运行时长增加7～8 min。

2.2.3 运营安全风险

鉴于2019年4月9日发现的预应力锚杆混凝土锚墩弹出(脱落、碎裂)在时间和形态上的双重不确定性，对高速运行列车的安全构成极大威胁，决定再度降速至60 km/h，即便如此也只能降低风险的程度和后果，仍不能消除隐患。

2.3 开通前整治效果初步评价

1)开通前的工程整治措施仅有限约束了底隆，即在初期较短时段内使底隆量值减小和速率变缓。除K368+574～+652段基本稳定外，运营一定的时段后，这种变形缓解便进入不明显状态。K367+355～+390、K367+727～+837段的轨道板累计隆起量值分别达到34.5 mm和52.6 mm，且无趋稳迹象。K367+065～+101段在仰拱拆除重构后，轨道板累计隆起量值仍达29.1 mm，且无趋稳迹象。

2)隧道底隆致轨道变形造成的轨面高低不平顺、动态不良反应明显。动态不良频次随时间的变化如图5所示。

图4 底隆段各特征截面变形趋势

图5 动态不良频次随时间的变化

结合上文可知，开通前的整治措施未达到彻底整治底隆的目的，仅暂缓了底隆引起轨道变形的程度，未达到国铁集团“开通后不限速”的要求。

3 底隆致轨道变形的运营期处置

隧道开通运营伊始，按高于常规频次即2次/月对病害地段实施精测监控，基于底隆致轨道变形病害的持续、非协调性发展，及其对旅客舒适度和运营安全风险的递增，当动静态监测数据表明线路已达Ⅱ级分时，为保障高铁运营安全，工务部门根据病害的变化时程和劣化程度不得不临时采取轨道顺坡精调、限速运行等临时措施以缓解动态不良。

轨道顺坡精调整治的实质是在既有高程纵断面设计的基础上，通过合理设置竖曲线来满足高铁行车条件的高平顺要求，调整后的竖曲线半径须满足下式的要求[10]。

式中：Rsh为竖曲线半径,m;vmax为列车最高运行速度,km/h。

制定精调方案时，需考虑扣件的调整余量、病害继续发展预测、精调时间成本等因素。在较大变形区段采取超前多调高，以便在底隆病害持续变化中对较大高点采取临时调低，以免发生局部峰值，既能保证安全,又能节约长范围精调的天窗时间和成本。

精调方案实施中，除严格遵守轨道静态作业验收标准外，还要考虑精调后形成的轨道高低长波不平顺满足高速行车平顺性要求，严格按3 mm/100 m的要求顺坡。

3.1 第1次顺坡精调

2018年4—6月动态不良进入高频状态，TQI(轨道质量指数)全段落超过甚至远超2.5的管理限制，最高达4.7；70 m弦高低≥6 mm的值达50%，最大值达11.1 mm；工务段疲于频繁的维修和临时补修。经研究和精心准备，于2018年7月实施全面的轨道顺坡精调整治，调整范围为上下行线K367+354～K368+840。本次精调使用的特种扣件较少，但多地段大量标准扣件已达到或接近扣件调程极限。

按250 km/h速度计算,竖曲线半径须≥25 000 m，实际顺坡精调后的竖曲线半径为25 000 m，曲线长度为2.3 km。图6为第1次顺坡精调前后轨面测量高程线形对比。顺坡精调前后TQI及70 m弦高低对比见表1，TQI由最大的4.7降至2.3及以下，70 m弦高低最大值由11.1 mm降至4.1 mm及以下。动态不良由约110次/月下降到约50次/月(见图5)。本次顺坡精调后线路平顺性大幅提高，轨面高程整体轮廓线由精调前的“心电图”状变为精调后平滑的“抛物线”状，基本满足250 km/h的速度要求。

图6 第1次顺坡精调前后轨面测量高程线形对比

表1 顺坡精调前后TQI及70 m弦高低对比

3.2 2次降速

第1次轨道顺坡精调后仅约1个月，动态不良随即飙升至120～140次/月，且春运将至，为确保春运秩序和安全，经研究于2019年1月17日实行160 km/h限速运行，限速区段为K367+000～K368+700，共计1.7 km；动态不良略降约2个月后再度攀升，正在商议再次降速时，于2019年4月9日发现预应力锚杆混凝土锚墩弹出(脱落、碎裂)，紧急排查发现共5处锚墩弹出，遂申请自2019年4月12日起对K366+530～K370+230区段共计3.7 km进一步限速至60 km/h至今，动态不良也随之骤降至约40次/月。

3.3 第2次顺坡精调

在降速运行的情况下，线路动态不良和轨道几何尺寸持续恶化，全段落TQI超过和远超2.5的管理限制，最高达6.4；70 m弦高低超过6 mm的值达62.5%以上，最大值达13.8 mm。经研究和全面准备，于2019年10月10日—11月3日再次实施了更长段落的顺坡精调，调整范围为上行线K366+354～K368+588、下行线K366+726～K368+607，本次精调多处大量使用了W300-1型特殊扣件，部分调整量值超26 mm，最大达40 mm。

按250 km/h速度计算，竖曲线半径应≥25 000 m，实际顺坡精调后的竖曲线半径为25 600 m, 曲线长度为3.7 km。图7为第2次顺坡精调前后轨面测量高程线形对比。顺坡精调前后TQI的对比见表1，TQI由最大的6.4降至2.5及以下，70 m弦高低最大值由13.8 mm降至2.8 mm及以下。低速运行状态下动态不良由约40次/月下降到5次/月以下(见图5)，且趋于平稳。本次顺坡精调后线路平顺性大幅提高，完全满足60 km/h的速度要求。因大量使用大调程W300-1特种扣件，为确保运营安全，即使轨道TQI良好、动态不良不高，也不能按照原设计速度运行。

图7 第2次顺坡精调前后轨面测量高程线形对比

由上述分析可以看出，隧道底隆致无碴轨道变形病害不仅引起工务维修工作量的大幅攀升，且对运营秩序和安全造成较大的冲击，不得不实施的轨道顺坡精调、限速运行，也只能暂时缓解TQI和动态不良。

4 隧道底隆的预防与整治建议

4.1 勘察设计须预防

隧道建设者对新事物的认识是呈螺旋式上升的，隧道建设技术的发展同样具有历史阶段局限性，但在2012年前后诸如DC铁路运营的YD隧道、LY铁路在建的XZG隧道、拟开通中南部通道WYH隧道等相继发生底隆之后[11-15]，仍频繁发生在建隧道底隆就不易理解了。

按“图之于未萌，虑之于未有”的原则，勘察研判不遗漏和设计具有普适针对性，是防止隧道底隆的第1道防线；以“亡羊补牢”为原则，一旦线路开通前发生底隆，补勘和变更设计具备具体针对性是第2道防线。鉴于隧道工程极强的实践性特征和问题导向推动技术进步的规律，在特殊问题方面规范(程)总是落后于工程实践，解决隧道工程的特殊问题须突破现行规范(程)，处处发掘和遵循规范(程)依据不可能完美地解决这些特殊问题。因此，应加强对类似地质和工程条件下的前期勘察、测试、试验和计算分析等工作的深度，评估围岩加固和结构设计优化的合理性、可靠性，预测并防控可能发生的病害，避免或减轻开通运营后的次生病害。

4.2 开通前整治须彻底

不留缺陷于运营阶段应作为一条不能逾越的职业底线，更是隧道建设者和建设管理机构不容推卸的历史责任。开通前整治，应当以科学和实际为基础进行原因分析，提出富有针对性的整治方案和优化设计参数，施工过程中要深刻领会设计(变更设计)意图，严格执行有效的设计，力求从根本上解决问题，按照“科学认识—正确方法—严格执行”的逻辑应对和处置隧道病害。

4.3 运营期整治须监控得当保安全

4.3.1 构建隧道底隆病害全方位检控体系

除严格按照《高速铁路基础设施运用状态检测管理办法》(交通运输部令2018年第19号)精神要求建立相关监控措施外，还应根据具体工点的病害情况，开展全方位检测与监控。第1类为诸如高程的静态检测数据、自动变形观测数据、综合检测列车的动态指标、动态添乘不良反应记录、轨道结构及隧道裂缝(纹)的观测数据等与行车安全紧密相关的检控指标。第2类为诸如地应力检测数据、隧道衬砌及围岩变形和应力指标、隧道周围环境等病害致因的持续系统监测。第3类为行车实时安全防护和底隆病害区段影像实时监控数据等安全状态监控。

4.3.2 运营期整治方案须奏效

依据已获得的底隆变形形态、动因、阶段、趋势、规律，遵循鲁棒性、定量与定性相结合的原则，编制有针对性、适宜的整治方案、工法、工艺，以达到彻底整治底隆病害的目的。YD隧道首轮整治失败和ZJY隧道开通前整治无效的教训须深刻汲取。

5 讨论

本节非本文的重点，在此仅做方向性建议，较深入的原因探讨、整治及预防研究将另文陈述。

鉴于运营条件下施工空间和天窗时间的双重掣肘，整治技术路径和施工机具选型必将受到严重制约。此前YD隧道和ZJY隧道以隧底锚固为主要工程措施的整治均无效，其根本原因在于，锚固工程所能支撑(提供)的kPa级承载(抗)力相对于MPa级的高地应力而言可谓杯水车薪(两者虽非完全的对应关系，却系强正相关关系)。

初步研判ZJY隧道底隆量值尚未达到峰值，而特种扣件的调程已高比例使用，为避免XC高铁长期限速运行甚至被迫停运，尽快研究整治方案刻不容缓。2013年，在争议中实施的YD隧道第1轮整治方案耗资近2 000万元，工程整治实践证明对MPa级的高地应力型底隆而言，以隧底锚固为主要技术手段的整治方案是无效的；YD隧道第2轮整治方案具备绕行条件且恰逢疫情时期，因此采取了停运整治，仅“拆除重构仰拱90 m+现浇钢筋混凝土套衬12 m+拆除重建无碴轨道板796 m/单线”，整治成本已达5 000余万元。主观上，XC高铁不具备停运整治条件，其底隆纵长、量值及整治施工条件与YD隧道相比不可同日而语，不可类比照搬。

若采取“不抽线+天窗”条件下拆除重构仰拱方案，预计需耗时1.5年，总体整治成本或近2亿元，相关人员长期处于安全高压工作状态，不仅会对其精神健康产生严重影响，且麻痹和长期高压疲劳工作可能诱发严重的安全事故。因此，是可行但不宜草率采取的方案。

作者结合研究团队的初步研究成果，建议研究“以辅助导坑进入正洞下方，在正洞正下方构架柔性支护的中小断面导洞，以阻断高地应力传递路径”的方向性方案。

6 结论与建议

6.1 结论

1)轨道顺坡精调只能在短时段内缓解隧道底隆致轨道变形病害引起的轨道质量不良，而不能根除病害。隧道运营期整治不仅成本高昂，且天窗资源和整治窗口期有限，且须构建监控得当的安保体系。

2)隧道底隆未根治而带病害开通运营，不仅会造成工务维修工作量大幅攀升，而且长期限速运行对运营秩序的冲击也不可小虞，把底隆病害消除在开通前是隧道建设者和建设管理机构义不容辞的职业责任。

3)正确勘察研判、针对性设计、严格科学施工是预防隧道底隆的前瞻性和根本性路径。

6.2 建议

1)局部实践证明，以隧底锚固为主要技术手段的整治方案对MPa级的高地应力型底隆是无效的，同时会产生不确定的行车安全风险，在高地应力型底隆整治方案决策中应慎重使用锚固，特别是预应力锚固技术措施。

2)无碴轨道改为有碴轨道，未从根源上对隧道底隆实施约束和限制，仅可为轨道调整的灵活性提供条件，当不能研判底隆的终值处于中度以下时，不宜采用。

3)以辅助导坑进入正洞下方，在正洞正下方构建柔性支护的中小断面导洞，以阻断高地应力传递路径，是值得深入研究的整治ZJY隧道底隆病害的方向性方案。

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