基于形变分析的高速铁路震后线路修复拟合研究

杨建勋

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

1 概述

2022年1月8日,门源发生6.9级强烈地震,震源深度10 km,震中烈度为Ⅸ度[1-2],发震断裂为青藏高原北东缘祁连—海原断裂中西段的冷龙岭断裂(F5,图1),具左旋走滑性质,震中距兰新高铁大梁隧道最近距离约4.5 km[2]。地震造成兰新高铁祁连山越岭段的大梁隧道、硫磺沟大桥及祁连山隧道局部段落不同程度损坏,特别是大梁隧道内K1 971+400附近形成线路平面位错2.38 m、K1 971+680附近竖向位错0.87 m,硫磺沟大桥桥墩向西偏移近1.0 m,梁体移位倾斜,桥上轨道扭曲变形,轨道板脱离底座,钢轨折断,大梁隧道出口段和硫磺沟大桥损毁极为严重,兰新高铁被迫中断,极大制约兰新通道的运输,也严重影响了人们的正常出行,社会反响强烈,兰新高铁线路的修复任务十分迫切。

图1 地震震中、F5断层及铁路位置关系

地震影响的兰新高铁门源至军马场段线路位于祁连山越岭段,线路以桥隧相连工程穿越祁连山。冷龙岭断裂(F5)位于北祁连褶皱带,与祁连山山脊平行,由一组近乎平行的次级断裂组成,是祁连块体和“北祁连—河西构造带”分界线的一部分。其西端与托莱山断裂相连,东端与古浪断裂相接,断裂长约120 km[3],兰新高铁线路经由西宁后无法绕避地震影响带,线路恢复只能沿既有线位在线路产生位错的隧道内修复,可借鉴的工程实例尚为少见,线路修复中的线形拟合重构设计、工程处置措施面临全新考验。

2 地震后轨道线形形变分析

2.1 线路控制网系统恢复

工程测量是开展土建设施建设最基础的工作,也是工程抢险了解险情、制定可靠工程措施的首要先导性任务。强烈地震不仅造成线路桥隧等设施损毁,也造成影响区段线路控制网系统崩溃。震后抢险的首要任务是通过核查框架控制网CP0的稳定,之后逐级恢复CPⅠ、CPⅡ和高程控制系统,再恢复轨道控制网(CPⅢ坐标和高程系统),以满足利用轨检小车进行轨道密集逐枕采点测量的需要。

2.2 轨道测量数据采集

对于地震造成的线路灾害,除主要对轨道线路进行贯通测量获得主导数据外,对于轨道损毁变形无测量价值地段,需通过量测桥梁墩台、隧道洞壁完整段结构特征点,特别是三维激光点云可视化[4]等手段及新测CPⅢ数据,通过理论推算获得损毁地段线路移位偏离数据,共同构成分析线路形变及线路拟合的完整数据,分析剔除误点,结合桥隧等土建专业的病害筛查评估情况和工程验收规范性指标,研究明确可利用既有桥隧和无砟轨道等工程,以最终确定拆除复建工程段落及其工程内容。

2.3 线路形变分析

地震引起线路空间形变表现的立体几何形态,是平面移位与竖向高程变化共同作用的结果,其中平面移位可分解为线路横向与纵向矢量的位移合量。因在断裂区域线路选线基本以大角度穿越,因此纵向位移相对较小。震动拉伸或挤压影响线路整体纵向移位,表现为结构物会产生大小不等的横向裂纹或压裂破坏,虽然影响线路长度的变化,但对轨道线路的实质性影响相对较小,而线路的不利形变主要是线路平面横向位移与竖向沉降变形共同叠加产生的效应,是线路在地震发生时的主要破坏形态[5]。从工程角度特别是线路平纵拟合简化考虑,应重点考察线路平面横向位移与竖向沉降变形。下面以兰新高铁大梁隧道地震线形为例,对线路形变情况论证分析。

根据原设计线路和震后轨道实测坐标计算的局部线路平面位移如表1所示。

表1 线路(左线)震后F5断裂局部线路平面位移统计

以表1数据反映的地震影响较大段总体形变趋势及最大位错K1 971+400附近的线路平面形变状态如图2如示,以地震前后轨面高差数据制作的地震影响高程总体形变趋势及最大位错K1 971+680前后线路沉降形变状态如图3如示。

图2 大梁隧道地震影响线路平面形变

图3 大梁隧道地震影响线路竖向形变

图2、图3反映的线路形变表述如下。

线路平面变化:以F5断裂附近K1 971+400为界,以北向正西略呈北方向位移,以南向正东略呈南方向位移,在K1 971+400附近形成约2.36 m的明显相对位错(图4);线路东西向最大位移量2.88 m,错位处K1 971+638以北至祁连山隧道进口0.96 km范围内基本呈平移趋势,位移量0.93～1.07 m,之后自K1 972+300位移基本呈线性缓慢收敛,在K1 975+360、K1 976+700、K1 979+400处分别有微小折点,至祁连山隧道出口K1 981+874收敛至0.19 m,至K1 984+100收敛至0.06 m;K1 971+400以南向小里程方向至K1 970+150在1.26 km范围位移呈0.055%的较大速率快速收敛,最大位移1.81 m,在K1 970+150、K1 969+000处有较明显折点呈现均匀速率缓慢收敛,至大梁隧道进口K1 965+525收敛至0.22 m,至K1 963+651收敛至0.05 m。

图4 K1971+400位错处隧道扫描点云模型

线路竖向变化:以F5断裂附近K1 971+680为界,线形总体变化呈北降南升趋势,北端在K1 971+958处最大沉降185 mm,其中K1 971+738至大梁隧道出口K1 972+090约350 m范围较平稳下沉,下沉量130～185 mm,K1 971+958之后线路竖向总体由急向缓逐步平复,至祁连山隧道出口收敛至40 mm;南端在K1 970+377抬升至0.688 mm,之后向南(小里程方向)由急向缓逐步平复,至大梁隧道进口收敛至136 mm,至K1 963+651收敛至68 mm;而中间F5断裂所在K1 970+377～K1 971+738区段在1.58 km范围呈以上升占主导、幅度从+688～-130 mm的震荡撕裂形态。

2.4 桥隧结构物地震损毁程度与线路轨道形变对应分析

大梁与祁连山隧道之间硫磺沟大桥8孔32 m简支箱梁桥移位及损坏情况见表2、图5。地震造成大桥梁体移位或倾斜,桥上轨道扭曲变形,轨道板脱离底座,钢轨拉断,轨枕受损,桥面人行道板损坏,电缆拉断,桥梁支座剪断损坏,防震落梁钢挡块受损破坏,梁端梁体碰撞引起梁端局部混凝土遮板损坏,梁体错位,桥梁支座垫石破坏,墩台横向移位0.919～1.062 m。因不同桥墩之间距地震地表破裂带的距离不同,瞬间向西的振动幅度差异造成梁体错位、轨道扭曲断裂损毁,纵向也出现倾覆,造成桥上线路轨道形变无明显规律可循,经评估,该桥需拆除重建。

表2 硫磺沟大桥震后左线移位及相关分析

图5 硫磺沟大桥地震后桥梁变形实景俯视平面

大梁隧道K1 971+341～K1 971+691段道床隆起,整体破坏严重;两侧水沟盖板挤压隆起,水沟侧壁倾斜,局部破坏。F5断层位置处破坏严重,衬砌环向挤压破坏,隔水层外露,拱部大面积脱落,大量钢筋变形断裂外露,拱顶接触网悬挂设备损坏(图6)。隧道在F5断层附近K1 971+400处环向错断,其损毁特征与线路轨道形变对应,明显受断层左旋挤压作用影响[2],为震害极严重段;其他隧道灾害主要为10多处1.5～10 m不等长剥落掉块段和边墙环向裂缝、仰拱填充层裂缝、附属洞室裂缝和渗漏水、中心水沟堵塞、施工缝剥落等,发生部位与线路轨道突变基本对应,且竖向形变具有波浪突变传递特征(图7)。

图6 隧道衬砌错断损毁场景

图7 竖向形变突变特征示意(纵横比:1/100)

3 线路拟合方案研究

拟合线路目的:一是对线路的总体形变特征进行定量评估,按形变划分为严重变形拆除重建段、局部损毁重修段、轨道修复调整段及可利用既有工程段,指导轨道等相关工程的总体修复方案,制定相应的工程措施;二是顺应变形趋势,真实反映线路平面和纵断面形态变化状况,进而确定灾后线路平面线位与曲线参数及线路纵断面坡度,为灾后复旧工程提供最经济、合理的线路方案,同时重新为运营养护部门提供可靠的线路维护基准资料,进行轨道线路长波不平顺幅值的有效管理[6]。

3.1 线路平面拟合

地震等自然灾害在曲线地段产生的位错通过新设单曲线即可消除,而长大直线地段产生线路位错时,为减少修复段落长度,线路修复则需设置“S”形曲线将线路圆顺贯通,但因位错值相对较小,两曲线偏角存在α1=α2+Δ(Δ为位错两端直线夹角,大梁隧道位错Δ≈0°0′53″)的制约关系,所设“S”形曲线夹直线长度与圆曲线长度呈反比互相钳制,难以协调同时满足设计规范中0.6Vmax(Vmax为列车最大速度)的技术要求。根据车辆振动不叠加理论,即夹直线或圆曲线长度要保证旅客列车以最高速度运行的时间不小于转向架弹簧振动消失的时间,列车在缓和曲线出入口产生的震动通常在半个周期(普通车辆振动周期约1.0 s)时达到最大,在1.5～2个周期内基本衰减完成,则计算夹直线长度Lj=(0.42～0.56)Vmax;车辆进出圆曲线引起的附加振动同样基于振动不叠加理论,但从线元衔接关系来看,缓和曲线使圆曲线过渡较直线过渡震动传播具有相对明显弱化的区别;国外高速铁路采用同样理论确定的夹直线长度为(0.4～0.6)Vmax之间[7-8]。因此,需要以充分利用既有工程与维持较高线形标准并重协调为基本原则,对于困难条件下地震修复“S”形线路,相邻曲线间夹直线可取Lj≥0.6Vmax、圆曲线长度Ly≥0.4Vmax,即对各参数按影响行车安全、舒适性程度分主次优先选择,优先满足影响“S”形曲线段舒适性的夹直线与缓和曲线长度,再考虑满足圆曲线长度,困难时圆曲线长度按Ly≥0.4Vmax控制,具体按“一事一例”原则,通过数据测算及组织专家论证确定。大梁隧道灾害为具有左旋走滑性质的逆断层位错,引起线路直线段平纵线形发生大范围左右偏移和上下波动,造成线路拟合顺接困难,在确定位错处“S”形曲线之前,首先需顺应形变,拟合确定位错两端的直线边,即对长大夹直线的拟合方案予以明确。

3.1.1 方案Ⅰ:长大夹直线按单一线形单元拟合

线路自大梁隧道进口至破坏严重段、硫磺沟桥至祁连山隧道出口段落按照拨移量左右均衡为原则,在位错两端均以一条理论长直线边进行线路拟合,在破坏严重位错段落利用一组半径R=16 000 m反向曲线顺接。结果表明:拟合段落线路长度16.35 km,线路拨移量大于±10 mm段落累计14.56 km,占线路长度的89%,如图8、图9所示。仅有11%的线路段落满足TB10621—2014《高速铁路设计规范》和TB10754—2018《高速铁路轨道工程施工质量验收标准》评价要求,即测点平面偏差≯±10 mm的控制要求[9-10],可以利用。

图8 位错南段长直线按单一线形单元拟合拨距示意

图9 位错北段长直线按单一线形单元拟合拨距示意

3.1.2 方案Ⅱ:长大夹直线按形变率约束折线拟合

在对形变数据分析的基础上,以≮1 km长直线边即大于正常坡段长度约束控制,于大梁隧道、祁连山隧道长大直线边K1 968+993、K1 970+118、K1 975+363、K1 976+700、K1 979+403处分别增加6″、1′10″、10″、4″、3″五处小偏角曲线,曲线半径按照曲线长度大于50 m(保证同一线形单元可容纳2节车辆走行)进行匹配。在K1 971+271～K1 971+793破坏严重段落利用1组R=16 000 m反向曲线顺接(夹直线Lj≥0.6Vmax、圆曲线长度Ly≥0.4Vmax)。结果表明:在线路长度16.35 km中,线路拨移量大于±10 mm段落,累计长2.36 km线路需要拆除重建,占线路长度的14.4%,可利用段落13.99 km,占线路长度的85.6%,如图10、图11所示。

图10 位错南段长直线按约束折线拟合拨距示意

图11 位错北段长直线按约束折线拟合拨距示意

3.1.3 拟合方案分析与选择

铁路线路的直线地段由于测量、施工误差和运营维护的影响,不可能是一条理想化的标准直线。鉴于此,TB10105—2009《改建铁路工程测量规范》5.2.5款明确:设计行车速度为200,160 km/h及以下铁路长直线地段产生的小偏角分别≤6′、12′时,规定可视为直线,大于其规定值时宜按曲线进行测量[11];对于设计行车速度200 km/h以上线路,目前铁路各类规范尚无具体规定,有关研究也比较欠缺。分析认为,此情况主要是我国高速铁路尚处在运营初期,有关病害较不突出,但随着线路逐步进入维修期或遭遇较大地震灾害,长大夹直线拟合面临的小偏角问题难以回避;从本次兰新高铁大梁隧道、祁连山隧道震后现状来看,长大直线如不引入小偏角拟合,将有89%的线路轨道达不到轨道质量评估条件,不仅无砟轨道需要拆除重建,对结构完好但因拨距不满足限界的隧道也需改建,究其原因,虽因高铁线路施工精度要求高、轨道结构整体性好,所引起线路长大直线的小偏角较普通线路极为微小,分析认为应是施工误差、轨道变形、地震形变等多重因素作用的结果,但从图8与图10、图9与图11的对比看出,由于高铁线路精度要求显著提高,直线边控制对线路的理论拟合影响非常突出。仅以线形符合原设计的长大直线而拆除重建大部分结构完好地段的轨道显然不科学、不合理,长大夹直线引入小偏角客观开展拟合设计,通过全面系统评估,以最大化利用既有工程,同时确保无砟轨道精调维护的可实施性是现实可行的、合理的。

3.1.4 线路平面拟合方法研究

传统的线路平面拟合大多采用解析法,建立模型算法,利用计算机人机互动完成,即依据实测数据对直线、圆曲线、缓和曲线线元段进行有效识别,再通过相对应的算法进行线元拟合优化,最终实现线路重构[12-16],但线路变形与拟合线路因过于微小而难以直观可视,只能通过计算结果数据评判拟合效果,再输出拟合线路要素。此类方法较易满足普速线路拨距控制在±200 mm范围内的拟合设计,对于高速铁路、城际铁路,特别是无砟轨道线路要求的高平顺度、扣件最大拨量±8 mm控制精度[17-18],则可能需多次测算、试算,难以快速准确完成线元拟合。

本研究基于线路形变特征,引入基准线路概念,采用均衡化原则,将实测线路投影至基准线路获得支距数据量差对比,在AutoCAD中将平面问题转化为虚拟可视化的类似纵断面拉坡界面(图12)研究。“拉坡”时将250 km/h线路长大直线约束为最大控制折角1′10″、控制边长≥1 km的折线,即以限值控制的偏角和边长所确定的折线定义长大直线,使各测点最大化向拟合线路汇集靠拢,力图确定的直线边对曲线段的拟合取得较好拟合效果,进而使线路全段线形拟合接近现状实际,且能够以轨道平顺性评判标准;将线路按严重变形拆除重建段、局部损毁重修段、轨道修复调整段、既有工程利用段四类划分,制定相应的工程处理措施;之后将纵断面“设计线”成果借助基准线路对点转换为线段真实平面关系完成拟合线路,提取拨距资料。

图12 平面可视化拟合界面(位错段)示意

获取测点拨距后,重点考察曲线地段拨移量是否满足允许值及确定是否需要调整,追求在前后曲线均达到最优条件下确定公共约束夹直线边[19],依据评估结果,调整确认最终拟合线路。

采取虚拟化转换的平面线形可视化拟合重构技术路线,将通常难以直视的微观变形可视化,可借助观察了解线路形变细节,通过人工精准判断及主动干预,提高平面线形拟合重构的效率和质量。

3.2 线路纵断面拟合

线路纵断面的拟合相对单一,建议按照无砟轨道相关验收标准,规定高程偏差不突破±10 mm(最大抬落道量容许值)的要求,结合平面拟合线形与轨向的契合利用程度,以“点线一致”纵断面线形重构思想[20],分段控制拟合。对于平面拟合需拆除、纵向波浪突变段等重建地段,纵断面拟合以满足桥隧和轨道结构物修复工艺、技术要求为原则,应尽量采用较长的坡段长度,合理控制抬降值(突变处局部凿除),保证上部隧道及接触网结构限界要求。对于轨道修复调整段与利用段,结合轨道状态评估严格控制抬降值,参照“线规”中对最小坡长的规定和考虑坡差微小的情况,确定最小坡段长度满足一般条件下≮600 m、困难条件下≮400 m原则要求。研究表明:轨道工程利用段原同坡因微调新增变坡点处坡差在0.015‰～0.17‰之间,均小于1‰,竖曲线设置困难,高程调整值难以量测,故不考虑设置竖曲线。

4 结语

以兰新高铁大梁隧道震后线路修复为契机,基于线路轨道形变分析,提出将长大直线约束为折角≤1′10″、控制边长≥1 km的折线,对线路拟合方案、方法等问题进行了较为全面的分析研究,其拟合成果已顺利应用于线路修复设计,可为类似项目提供借鉴。研究认为对于无砟轨道线路的拟合整正、特别是作为灾害多发地区线路修复的基础工作,需从以下两个角度继续深入研究。

(1)随着高速铁路、城际铁路在交通运输体系中的地位日益重要,维持铁路线路稳定运营事关民生大事,应急抢险、灾后修复、病害整治等修复工程时效性紧迫,并且随着我国早期建成高速铁路逐步进入线路维修阶段,线路几何状态适应性评估标准的制定问题已日显突出,亟需根据大量实践,定义各等级线路对长大夹直线的维护标准,即控制最大偏角与边长的双重约束条件。

(2)研究既有无砟轨道线路复测与重构对应的技术评判指标,对损毁线路按严重变形拆除重建段、局部损毁重修段、轨道修复调整段、既有工程利用段四类分级划分,规范、系统性指导线路灾后修复或病害整治中线路拟合重构的基础性工作,快速获得轨道修复数据,构建数字线路,为推动无砟轨道既有线路测量、维修技术体系化进步积累经验、贮备技术。