运营铁路路基病害暗挖维修技术研究

杜 亮

(中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

在高速铁路修建过程中，由于路基填料或其下地层膨胀性成分，加之外部条件加速膨胀过程，经常会出现因路基上拱而导致上部轨道结构高程异常，甚至超出扣件调整范围的问题，严重的会危及整个高铁线路运营的安全性和稳定性。为了保证运营安全，确保换填路基填料不影响轨道结构，需深入研究针对性方案，对路基上拱病害进行全面整治[1]。本文以武冈城际铁路K11＋050处上拱病害为研究对象，线路同时包含有砟段和无砟段，地质和路基填料基本相同，但病害位于无砟地段，有砟地段未出现严重病害。有砟地段上拱可以通过调整道砟来消除隐患，但对于舒适度、速度及安全性要求极高的无砟轨道地段而言，轨道的平顺性尤为关键[2]。

2 研究现状及方案

2.1 研究现状

我国高速铁路和城际铁路大量采用无砟轨道结构型式，然而配套的维修方法目前研究较少。尤其是由于路基填料膨胀引起的轨道结构上拱病害，目前行业内大都采取切割减薄底座板的方法进行无砟轨道落道整治，但切割减薄底座板势必削弱无砟轨道结构强度，还需通过理论计算验证方案的可行性[3]。针对运营铁路线路维修，雷大海等结合某高速铁路的上拱病害整治案例，研究了高铁无砟轨道结构病害与维修技术。在研究上拱病害形成机理的基础上，提出结构注浆与砂浆层更换综合维修技术，并通过实践验证了该技术的合理性与有效性[4]。上述技术因局部补强维修而不能实现彻底整修，病害易反复发生。如采用“更换上部轨道结构＋路基填料置换”的明挖维修方式，其揭板、凿除底座板工程量巨大，工序相对繁杂，大型机械设备较多，安全风险大，且明挖法对行车影响较大，需要分次封锁单边运营。另外明挖法不能全封闭施工，社会影响控制难度相对较大。

2.2 研究方案

整治方案需综合考虑施工天窗、施工准备时间、作业环境等客观因素，保证整治方案适合该线路特定条件，确保不影响线路正常运营[5]。考虑到维修效果、舆情影响和维修成本，在不影响行车的情况下，采用“保留上部轨道结构＋路基换填”的暗挖维修理念更受推崇。然而，如何在极度狭小空间和有限时间内快速进行路基填料的暗挖置换作业[6]，最大程度降低对铁路运营的影响，并确保路基换填施工时轨道结构的受力稳定和换填后轨道结构的精准落道，是面临的复杂施工技术难题。为解决暗挖维修施工可能遇到的难题，本文提出针对性技术路线。

2.2.1 技术条件

(1)已运营或已铺轨即将投入运营的无砟轨道铁路。

(2)适用的无砟轨道结构:板式无砟轨道或双块式无砟轨道。

(3)适用线路条件:单、双线铁路均可。

2.2.2 施工总体方案

在上下行线限速(限速45 km/h)情况下，利用夜间天窗，对轨道结构下级配碎石分段进行人工挖除、架空轨道结构→分次回填混凝土→落道调整→恢复正常运营→施工结束。施工顺序为先上行线、后下行线，逐行别维修。混凝土采用泵送入模，弃渣采用手推两轮车水平运输出网。

3 关键工装研究

3.1 限位装置

3.1.1 设计思路

采用暗挖换填方法对无砟轨道路基上拱病害进行维修时，需对轨道结构进行临时横向限位。研发一种顶撑装置，可承受10 t以上重量，并需满足顶撑长度调节达到毫米级精度要求；同时要求该装置成本较低，安装、拆除方便快捷，并可重复使用。

3.1.2 设计方案

该装置由螺杆、套筒、调节螺母、钢垫板4部分组成。螺杆采用ϕ60精轧螺纹钢，长度180 mm；套筒采用8 mm厚、内径63 mm无缝钢管，长度为150 mm；调节螺母内径60 mm、高度50 mm；上下钢垫板厚10 mm、长10 cm、宽10 cm，与螺杆及套筒焊接为一体。通过转动螺母带动螺杆调节长度，每转一圈调节0.95 mm。

3.2 落道装置

3.2.1 设计思路

采用暗挖换填方法对无砟轨道路基上拱病害进行维修时，需对上方轨道结构进行临时支撑，开挖完成后进行落道和线形调整。研发一种落道装置，要求该装置可承受10 t以上重量，满足顶升毫米级精度要求；同时要求该装置成本低廉，可永久埋入地下。

3.2.2 设计方案

研发一种楔式千斤顶落道装置，该装置由螺杆、底座、中块、顶板4部分组成。螺杆采用M16高强螺栓，端部设有两个固定螺帽。底座长25 cm、宽18 cm，中间设横隔板，高10 cm。中块为端部开槽的梯形楔体。顶板与4个支腿焊接为一体。组装时螺栓穿入底座中间横隔板，中块斜面与底座楔体斜面紧贴，开槽孔正对螺杆两个螺帽之间的部位，顶板的四个支腿插入底座横隔板。逆时针转动螺杆降低标高，每转一圈降低0.71 mm，累计可降4 cm，如图1所示。

图1 落道装置(单位:mm)

4 作业流程及验收

4.1 准备工作

(1)既有铁路设施防护。包括路基栅栏、水沟、电缆槽、轨道结构的防护。为防止在开挖过程中无砟轨道结构发生横向和竖向位移，在底座板两侧对称设置用于临时限位的钢筋混凝土L型墩，并用自行研制的可调螺栓对底座板进行支撑。L型限位墩如图2所示。

图2 限位墩横断面(单位:cm)

(2)拆除封闭层。为了加快封闭层拆除速度，减少拆除作业对线路的影响，先分块切割后再运出网外。切割采用汽油切割机进行，分块尺寸不大于(50×50)cm，切缝深度尽量大于5 cm，然后用风镐进行裂开拆除，以便搬运。

4.2 开挖作业坑

为了给暗挖提供必要的作业空间，需在底座板两侧设置作业坑。作业坑采用人工风镐开挖[7]，开挖后及时施作防水层。作业坑宽度对应暗探槽宽度，分别为1.5 m和1.1 m。作业坑布置如图3所示，其尺寸大小、位置及形状可根据现场条件而改变，应满足出土要求。

图3 作业坑布置(单位:cm)

4.3 节段掏挖

采用人工分节段暗挖，从底座板两侧作业坑向板中间对向开挖，开挖节段长度分为1.5 m和1.1 m两种。开挖顺序严格按设计方案进行，如图4所示(带圈编号为顺序)。开挖时，先用电镐松动级配碎石，再用小铲将松散后的级配碎石从底座板下掏出，人工运至弃渣点。若1个天窗点不能全部完成本槽掏挖和钢支撑安装，则将板底中间部分(约1/2)施工作业留给下1个天窗点，并在已开挖位置用25 t千斤顶进行临时支撑。

图4 开挖顺序(单位:cm)

4.4 支撑安装及调整

为防止掏挖时轨道结构受力不均造成底座板开裂，每掏挖1个节段，立即使用25 t机械千斤顶在底座板下方对轨道结构进行临时支撑[8]。每个节段横向使用2个千斤顶进行临时支撑，支撑位置位于钢轨正下方。千斤顶上方设顶托钢板，下部设混凝土预制块底座，底座下方采用细石混凝土进行硬化处理。每对工作坑横向通道挖通后，在临时千斤顶的两侧分别设置H型钢支撑，替换千斤顶受力。H型钢支撑顶部设自行研发的落道装置，落道装置与底座板之间设多层复合钢垫板，如图5所示。

图5 支撑结构

4.5 浇筑底部混凝土

开挖完成且支撑检查无误后，浇筑底部C25混凝土前，在底座板下方打孔植筋。底部混凝土浇筑在一个天窗点内完成，浇筑前应仔细检查钢支撑的可靠性与稳定性。为保证下行线开挖时留足工作坑位置，线间应支立模，同时作为下道工序立模支撑面，模板距离底座板40 cm。浇筑混凝土时，用篷布对轨道板进行保护，以免污染轨道板[9]，如图6所示。

图6 底部混凝土浇筑

4.6 轨道结构复位

所有1.1 m段开挖完成且临时支撑安装到位后，进行轨道结构复位。

4.6.1 复位准备

(1)解除约束

拆除限位墩上的竖向和横向限位螺栓，解除轨道结构两侧的限位约束。

(2)轨面高程复测

用电子水准仪或安博格小车对钢轨线路进行准确测量，掌握钢轨下方调节垫板数据，精确计算轨道板各位置调整量，并与工务部门复核，确定每次落道顺坡长度范围。

4.6.2 落道测量调整

(1)轨道调整前，技术人员测量后在支撑位置标出每一个轨枕落道量。

(2)在落道调整时，每个支撑设1个操作人员负责调换钢垫板、调整楔式千斤顶，其调整顺序如图7所示。先将轨道板用机械千斤顶适量顶起，然后按Ⅰ～Ⅸ千斤顶编号依次撤换钢支撑垫板，逐步降低楔式千斤顶行程高度。调节楔式千斤顶时按编号顺序依次进行，调节过程中使用水准仪及全站仪监测轨道变形，出现异常应立即停止，查明原因再行落道。

图7 落道顺序(单位:cm)

(3)落道调整时要求落道装置由1个专人操作，对应的每个钢支撑由1个专人负责调换钢垫板，由专业人员统一指挥调整时间和调整量。调整轨道顶升设备要缓慢、平稳进行，切忌突上突下。在落道调整过程中用电子水准仪同步复核以确保落道量准确。

4.7 板底灌注自密实混凝土

轨道板、底座板及钢轨调整至设计位置后，采用C40自密实混凝土对板底挖除部分进行浇筑。为了提高自密实混凝土的早期强度，混凝土按配比加入早强剂。自密实混凝土正式生产前，应对自密实混凝土的拌合物性能进行开盘鉴定，满足要求后方可进行灌注施工[10]。

采取立模浇筑法进行浇筑，模板固定在底座板两侧，将入模口设于超高内侧，内侧模板要高于底座板顶部；出模口设于超高外侧，兼用作观察孔，确保混凝土流动到位，并防止多余混凝土外溢。为避免混凝土浇筑不密实，出现空洞，浇筑前在底板安装PVC排气管，排气管长1.8 m，间距0.5 m，如图8所示。

图8 板底自密实混凝土灌注(单位:cm)

4.8 关键技术

(1)通过临时支墩配合防横移和防侧移装置解决了轨道结构限位问题，并满足受力要求和精度要求。

(2)通过研发一种楔式落道装置解决了轨道结构落道难题。

(3)采用分段开挖、分段支撑的施工方法解决了上部轨道结构临时支撑问题。

4.9 轨道精调及验收

底座板下砼强度达设计值75%以上后，进行轨道精调，使道床进入稳定状态，线路逐步达到验交标准。无砟轨道精调遵循“先高低、后水平；先轨向、后轨距”的原则[11]。无砟轨道精调数据由高铁工务段等相关单位进行复核、验收，作为恢复通车的依据之一。

5 结束语

高速铁路路基病害整治一般属于隐蔽工程，所以进行运营高速铁路路基变形病害整治，既要做到运营安全，又要对病害进行彻底整治，不留隐患[12]。本文方法利用天窗点施工，无需封锁线路，不影响高铁的正常运行；采用人工配合小型机具进行施工，投入少，进度相对较慢，但无揭板、凿除底座板的工程量，工序也相对较少；采用暗挖形式，不用大型机械设备，对行车安全影响因素较少。该方法填补了国内无砟轨道路基暗挖维修技术方面的空白，对高铁无砟轨道路基类似维修工程具有借鉴意义。