红层泥质岩地区高铁深路堑持续上拱整治技术研究

2022-05-20冉孟辉

工程建设与设计 2022年7期

冉孟辉

（中铁八局集团第二工程有限公司，成都 611730）

1 引言

川中红层广泛分布于四川盆地及周边地区，具有一定的膨胀性。受其影响，在此地区修建高速铁路，路基上拱病害时有发生。由于高速铁路对线路的平顺性要求极高，使得无砟轨道本身对于上拱变形的调节空间已十分有限，然而目前针对川中红层上拱治理的研究尚不成熟，缺少相关治理措施，使得该地区路基上拱问题成为新建高速铁路设计与施工中的又一难题。国内对于揭示高速铁路红层软岩路基上拱变形病害的机理已经开展了分析，如钟志彬等[1]研究认为深路堑开挖引起基底地应力场改变，地基一定深度范围内水平应力集中而显著大于竖向自重应力，为红层软岩地基竖向蠕变上拱变形提供应力条件。杨吉新等[2]研究认为，造成路基上拱超限变形的主要原因是特深路堑高边坡与路基卸载引起坡体回弹变形和塑性流动变形驱动，促使路堑高边坡及基床下岩体的蠕变变形。戴张俊等[3]研究认为由于工程再造在基岩中形成了新的渗水通道，使得原本处于封闭隔水状态的红层泥岩，与周围环境建立水力联系，红层泥岩缓慢吸水膨胀是路基长时持续上拱变形的主要原因。

尽管目前对于上拱变形病害的机理已有部分研究，但据此针对川中红层导致的路基上拱病害治理措施仍然缺乏成熟研究。为此，本文将在对上拱路基后期上拱量进行充分分析预测的基础上，结合以往类似工程的整治经验和红层特点，以埋入式小跨度刚构悬臂板作为整治技术进行研究，以期为今后类似工程提高参考。

2 工程概况

2.1 工程特点

川中地区某高铁站位于丘陵地貌，区域内地势波状起伏，丘槽相间，地面高程325～385 m，相对高差45～70 m，病害段路堑中心最大挖深40.0 m。地表上覆坡残积膨胀土，厚0～2 m；下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）泥岩夹砂岩，属软岩～极软岩，其中泥岩为紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，遇水易软化崩解、失水收缩开裂等特性；砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红色，中～细粒结构，泥质胶结，中厚～厚层状，质稍硬。全风化带（W4）厚0～4m，岩体风化呈土状及粉砂角砾状，手捏易碎；强风化带（W3）厚3～10 m，节理裂隙发育，质较软，以下为弱风化带（W2），质稍硬，如图1所示。

图1 K153+668 代表性地质横断面图

2.2 路基病害情况

早在2015年4月，在对该车站轨道精调过程中已发现部分地段无砟轨道高程较设计高程最大上拱约20 mm。因此，自2015年6月起，开始对K153+612～K153+779 段范围内的路基建立监测点持续监测。经监测发现，自2015年8月以来，无砟轨道高程上拱趋势明显。截至2019年12月，监控显示自监测工作展开以来，累计最大上拱值达47.13 mm，上拱速率由2016年的1.18 mm/月降至2019年的0.73 mm/月，路基上拱趋势逐步下降。

2.3 上拱整治区段工程特点

1）上拱整治区段位于车站咽喉区，常规整治方案受咽喉区特殊施工环境限制，难以适应，需因地制宜，专题研究更具针对性的方案。

2）上拱整治区段位于西南经济区的高铁干线，每天通勤列车多达75 对以上，上拱整治期间必须保证营业线通行安全，不得削弱铁路运输能力，施工期间安全卡控压力巨大。

3）整治区段封闭施工期间，为保证线路畅通，需设置施工便线联通车站7 道和区间正线，并将便线拨接时间压缩至一个“天窗”点内，以减少对运输的干扰，方案选择和施工组织难度大。

4）整治方案采用小跨度刚构悬臂板结构，墩柱与开挖岩壁采用分离式设计，悬臂板与基底需脱空，实施存在一定难度。

5）整治施工完成后已拆除的7 组18 号无砟道岔需重新铺设就位，如何防止道岔拆除存放过程受损变形、保证无砟道岔铺设精度、实现达速运行是线路恢复施工的难点。

3 路基上拱机理及发展趋势预测

3.1 上拱机理分析

通过对上拱地段路基开展沉降变形观测、岩土工程土工试验、地应力测试等试验检测手段，应用地基分层变形机理模型、数值模拟等分析方法，对路基上拱机理、影响因素及变形深度进行了分析，进而预测后期路基上拱量，为上拱整治方案的选择提供依据。

3.1.1 红层软岩膨胀变形特性

根据勘察阶段和补勘阶段泥岩膨胀性试验结果分析，车站两个上拱区段基底泥岩含水率变化不明显，其自由膨胀率和膨胀力指标较低，饱和吸水率指标相对较高，仅局部达弱膨胀岩判定标准，结合地形地貌特征，表明本段泥岩有一定膨胀性，不具典型的膨胀岩特征。根据XRD 矿物成分分析结果，泥岩中黏土矿物以伊利石为主，具有膨胀的物质基础，存在缓慢、微弱膨胀变形的风险。

3.1.2 红层软岩蠕变特性

根据不同条件下测得的应变试验结果发现，低应力下泥岩即表现出显著的流变性，水的作用使得泥岩蠕变变形量值增大、变形持续时间更长，泥岩在低应力下水-力耦合时效变形现象明显，变形量大、持时长，同时非饱水状态的泥岩具有极强的吸收空气中水分产生显著膨胀变形的能力。

3.2 发展趋势预测

为了揭示挖方边坡宽度对路基上拱的影响，开展了数值模拟研究。选取车站代表性横断面为数值模拟原型，对原始边坡模型进行简化，建立数值模型，如图2所示。根据近两年的实测上拱变形数据来修正反演模型，优化后期变形预测成果。预测成果为5年上拱增量约7.34 mm，15年上拱增量约13.01 mm，25年上拱增量约18.68 mm，预测累计量为51.90 mm。另一方面，根据各区段地层结构建立数值模型，开展流变作用下的地基长期变形分析。预测最大上拱变形量57 mm，达到最大上拱变形时间约9年。

图2 数值模型

因此，预计整治段累计上拱变形量为60 mm，预计2020年至2043年上拱变形量为20 mm；由于地层结构的各向异性、复杂性，变形趋势准确预测的难度极大，整治施工应预留足够的变形上拱量并加强现场监测。

4 路堑持续上拱整治技术

4.1 设计概况

小跨度悬臂刚构板结构由桩基、墩柱、悬臂板及其脱空层、墩柱及分隔层组成，小跨度刚构悬臂板设计断面如图3所示。该结构桩基部分为主要传力部分，将上部荷载传递至岩体或持力层内，保证结构的稳定性及承载力。墩柱与桩基为整体结构，但直径略小于桩基，为柔性结构，墩柱与桩基均埋置于孔桩内。墩柱与孔壁周围间隙采用乳化沥青填塞，刚构板为钢筋混凝土板结构，与墩柱固结，悬臂板与基坑底根据上拱趋势设置15～50 cm 脱空层，以防止岩体继续上拱过程中挤压悬臂板梁造成轨道结构上拱；刚构板上方可直接施作无砟轨道结构，回填级配碎石缓冲层后施作无砟轨道。

图3 小跨度刚构悬臂板设计断面图

4.2 悬臂板脱空层设置

悬臂板脱空封闭层采用10 cm 厚C25 细石纤维混凝土浇筑，混凝土浇筑前需对开挖面进行压实整平，混凝土浇筑过程中要留置1.5%的横坡将梁板以下积水汇入中心盲沟内，刚构悬臂板脱空层如图4所示。

图4 刚构悬臂板脱空层设置

待封闭层混凝土强度达到15 MPa 以上即可进行板梁底模安装施工，为保证脱空层的有效设置。由于刚构板底与封闭层之间的间距仅有15 cm，模板无法拆除，为了实现脱空，避免上拱岩体将力传递给悬臂板，采用砂垫层、方木和木模组合的方法，在悬臂板强度达到20 MPa 后，通过高压水流将砂垫层冲出，实现脱空；后期由于处于极度潮湿的环境，方木和木模将在3～5年间腐烂，为进一步脱空的实现提供了保障。

4.3 整治效果评价

小跨度刚构悬臂板结构采取桩柱一体灌注工艺，保证了桩基和墩柱施工质量，施工范围内93 根桩基经三方检测均为A 类桩；墩柱与岩壁、板梁与基底间的分离式设计，有效保证了结构与岩体之间的应力传递，经过整治完成运营后近一年的沉降变形观测，轨道结构未继续上拱，目前整治段高铁已实现全线350 km/h 达速运营，最小通勤时间已压缩至62 min，与整治前相比整治效果明显。