红层软岩高速铁路路基长期上拱变形机理研究I：变形特征

钟志彬，李安洪，吴沛沛，邓荣贵

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

高速铁路软岩路基运营期出现持续、不收敛的上拱变形，是近年来高速铁路建设和运营面临的又一个“新问题”。2010 年开通的郑西高铁在运营1 a 后，多处无砟轨道即出现上拱变形，最大超出设计高程90.07 mm[1]；2014年开通运营的兰新高速铁路也陆续发现多处泥岩路基区段出现超限上拱变形，最大上拱量超过52 mm，且没有收敛迹象[2-4]。近年来，西南地区穿越红层高速铁路深挖路堑路基的上拱病害尤其突出，最为典型的是成渝客运专线，内江北站2段无砟轨道开通前上拱变形量就已超限，为此进行了返工处理，线路开通运营后的5 a 期间，该区段路基依然持续上拱累积最大超过70 mm，导致列车不断降速最后不得不再次返工处理[5-9]。西成客运专线江油段、成贵高速铁路宜宾段也在施工期或者运营过程中出现多处深路堑路基超限上拱病害。红层占我国陆地总面积的9.5%，其中60%分布于南方，尤其在四川盆地、盆地边缘与攀西地区分布极为广泛，是我国红层分布最多的地区，被称为“红层盆地”[10]。同时，截至2021 年底，我国高速铁路运营里程达到4 万km，意味着将有大量的潜在红层上拱变形病害路基工点，如此大规模的红层软岩深路堑工程足以让工程建设及后期运营谈“拱”色变。与普速铁路相比，高速铁路由于列车运行速度快，对于线路平顺性要求更加严苛，无砟轨道对路基上拱变形调节能力却仅有4 mm 的空间[11]，超限的上拱变形将严重威胁列车的安全运行。并且，运营高速铁路路基返工整治代价非常大，在缺乏有效理论支撑的情况下，无法从根源上解决深路堑路基服役期持续上拱变形问题，存在反复整治风险，极大提高了线路运营维护成本，造成不良的社会影响和巨大的经济损失。系统地揭示红层软岩区深路堑路基时效性上拱变形的内在机理，对我国特殊岩土地区高速铁路工程防灾减灾及今后大规模线路运营维护意义重大。铁路路基上拱(或者隆起)变形大多是由于地基膨胀性岩土体吸水膨胀、高寒地区冻胀作用、盐渍土的岩胀作用引起。如早期的南昆铁路[12-14]、云桂高速铁路[15-16]、京沈高速铁路[17]以及兰新高铁[2-4,18-21]都是由于基底膨胀性岩土吸水膨胀变形诱发工程病害，法国南部连接Saint-Marcel-lès-Valence 和Marseille 的高速铁路也曾由于膨胀岩造成路基在运营期超限上拱变形[22]。传统膨胀岩土以及微膨胀性岩石的胀缩性对高速铁路路基长期稳定性的影响已受到广泛关注，因此，成渝客运专线红层路基出现上拱变形后，大部分学者也从基底红层软岩的膨胀性角度开展了研究[5-7]。然而，试验表明红层泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等均不具备显著的膨胀性，而仅表现出随时间演化的微膨胀变形特征[7,23]。钟志彬等[8]认为深路堑开挖引起基底岩体应力场分异，进一步造成红层泥岩的蠕变是路基长期上拱变形的主要原因。吴沛沛等[9,24-26]通过数值模拟手段，从软岩流变性角度分析了路基的长期上拱变形特征。无论是膨胀诱因观点还是流变主导观点，目前均未能给出系统的证据支撑。红层软岩物理力学性能复杂，已有研究表明，水力敏感性是诱发红层工程灾变的关键内在因素[27-30]，包括岩体的微膨胀性、流变性以及物理力学性能随时间的演化特征，都可能是引起路基在运营期出现缓慢、持续上拱变形的原因。但是，目前尚未对这一复杂的作用过程及致灾机理开展系统、深入的研究，尚无基于实测变形数据的高速铁路路基长期上拱变形特征研究。本文以成渝客运专线典型红层软岩路基上拱病害工程为依托，在详细分析病害路基工程地质及水文地质条件的基础上，结合基底地层岩性及其结构和路基长期连续的变形监测数据，分析路基变形的时空演化特征及其影响因素，获得路基服役期变形的特征规律，并初步定性分析引起路基持续上拱变形的原因，为后续系统揭示路基变形机理及建立理论模型奠定基础。

1 工程概况

1.1 路基上拱病害概况

新建成渝客运专线(以下简称“成渝客专”)是沪蓉快速客运通道及沿江高铁的重要组成部分，线路由成都东站到重庆北站，全程设12 个车站。采用双线无砟轨道，设计时速350 km，全长308.2 km，其中四川境内185.5 km，重庆境内122.7 km。2010 年3 月开工建设，2015 年12 月26日开通运营。

2处上拱路基均为深挖方路段(图1)，其中A段232 m，路堑开挖深度14～47 m，B 段175 m，开挖深度15～39 m，从2012 年11 月开始开挖，2013年4 月开挖完成，2014 年7 月完成无砟轨道铺设。2015年5月在轨道精调过程中发现无砟轨道超限上拱，随即对A 段上拱最严重区段进行破除轨道板重新浇筑返工(未进行路基处理)，并开展路基变形自动监测及部分地质补勘工作(图2)。

图2 路基长期变形监测及钻孔布置示意图Fig.2 Arrangement diagram of long-term deformation monitoring and boreholes

如图2 所示为A 和B 段路基变形监测及钻孔剖面布置，其中I线和II线为主线，3线和4线为到发线，结合图1可以看到，3线临近北侧深路堑边坡，4线临近站房侧。A 段沿线路方向间隔20 m 布置自动监测点，并在沿路基横向布置AZ1和AZ2这2个地质钻孔剖面，每个剖面包含4 个钻孔；B 段变形监测和钻孔剖面布置方式类似，BZ1和BZ2地质钻孔剖面分别包含3个钻孔。

1.2 工程地质及水文地质环境

地形地貌及大地构造方面，内江市处于四川盆地腹心地带、川中地区，地貌以浅丘和缓丘为主，工程区内地面高程320～395 m，相对高差约75 m，自然横坡一般16°～40°，局部可达70°。川中刚性基底受新构造运动影响较小，区内地质构造较简单，地壳相对稳定，盆地上侏罗统岩层属于水平构造，受地壳运动影响较轻微，这种条件下外动力作用占优势。内江北站所在的内江市东兴区位于四川沉降带中部、威远背斜北翼，属川中低缓褶皱区，无大的断层发育[31-32]。从地质构造上，内江北站所在区域无显著的构造作用影响，岩体以竖向自重应力为最大主应力，水平应力为在竖向自重应力作用下的被动压力。

地层岩性方面，路基下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)泥岩、砂质泥岩和砂岩，为典型的“川中红层”软岩，泥岩厚度大(约1.0～3.0 m)，砂岩较薄(约0.5～1.0 m)。泥岩为紫红色，泥质结构，泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，具遇水软化崩解、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[8]；局部夹紫红色砂质泥岩，为粉砂泥质结果、泥质胶结。岩层产总体状平缓，呈近水平层状，倾角4°～8°。深路堑开挖后，泥岩裸露后迅速风化崩解，砂岩风化速度缓慢，泥岩风化剥落后在坡脚堆积，砂岩层形成悬臂板，卸荷风化裂隙发育[33]，砂泥岩差异风化现象明显，局部形成凹腔，但边坡总体稳定性较好(图3)。

图3 内江北站红层泥岩夹砂岩边坡差异风化Fig.3 Differential weathering slopes of red-bed mudstone with sandstone at Neijiang North Station

图4 为A 和B 段上拱路基钻孔揭示的地质剖面示意图，A 段AZ1 和AZ2 剖面各布置4 个钻孔，B段BZ1和BZ2剖面各布置3个钻孔，钻孔深度自路基顶面以下均超过10 m，其中1.9 m 范围内为路基本体回填层，以下为基岩。可以看出，A段基底以泥岩为主，10 m 深度范围内泥岩层占比超过80%，部分钻孔甚至全部为泥岩(如AZ1-1，AZ1-2，AZ2-3 和AZ2-4)，局部夹砂岩层(如AZ1-3 和AZ1-4)，砂岩层厚大多小于1.0 m；B 段基底砂岩层普遍较厚，10 m 深度范围内砂岩层占比大多超过50%(BZ1-1 和BZ2-1 浅层砂岩厚度达到2.8 m)，局部有泥岩夹层(BZ1-3)。并且，2段线路横剖面上基底岩层连续性较差，A 段基底砂岩呈透镜状，B段基底砂岩和泥岩层厚度均有较大变化。

图4 上拱路基钻孔地质剖面示意图Fig.4 Geological profile of the heave subgrade

水文地质方面，内江属于亚热带湿润季风气候，地表水主要为坡面暂时性流水，流量受季节影响明显，内江市历年平均降雨量为949.1 mm，多分布在夏季，约占全年雨量60%，年平均相对湿度82%。地下水为第四系土层孔隙潜水及基岩裂隙水，基岩中泥岩裂隙水含量甚微，砂岩中相对较大，降雨后即可在砂岩层面观测到明显的渗水(图5)。据线路设计阶段实测钻孔静止水位，测区内地下水稳定水位深0～12.5 m，深路堑开挖后地下水位迅速降低，地下水位大多稳定在路基面以下4.3～5.1 m 左右，并且靠北侧边坡地下水位较高，南侧较低。

图5 工程区路堑边坡渗水Fig.5 Water seepage in the slope of engineering area

2 路基上拱变形时空演化特征

2.1 变形监测方案

如图2 所示，A 路基沿4 条线路分别在轨道底座板边缘连续布置4条测线，各测点间隔20 m，共计50 个测点，测段长度240 m，其中A-5 和A-6 剖面8个测点所在区域基底为开挖后浇筑的框架涵洞(图6(a))；B段II线和4线并线道岔段减少测点，共计30个测点，测段长度160 m。各测点数据自动采集并无线传输，采样频率为2 h/次，设备采用太阳能电池板供电(图 6(b))，采集两段路基各测点变形随时间和空间变化的连续数据。

图6 路基变形自动监测系统Fig.6 Automatic deformation monitoring system

2.2 路基上拱变形的时间演化特征

2015 年—2019 年期间，A 段和B 段路基由于测点被人为损坏、设备检修和传感器更换等原因造成部分数据缺失。为分析路基变形随时间的变化特征，选取A 和B 这2 段路基I 线测点变形监测数据，并结合监测期内内江市逐月平均降雨量数据绘制图7，可以看出：1) 总体上，2 段路基在运营期均产生随时间缓慢增长的上拱变形，持续5 a未见收敛。2) A 段路基各测点变形随时间波动增长，其中2016 年5—7 月和2017 年5—8 月出现显著的加速上拱现象，此期间对应于内江地区雨季，降雨量逐月增加，旱季路基变形速率则明显减缓，AI-7，AI-8 和AI-9 测点变形量最大，变形随大气降雨相关性最强。对比图4(a)和4(b)所示的I 线临近的AZ1-2 和AZ2-2 钻孔柱状图，AI-7 测点基底10 m 内全部为泥岩，AI-9 基底以泥岩为主，仅夹有一层薄层砂岩(0.7 m)，即泥岩层厚的区域路基上拱变形量较大，且变形速率受大气降雨量影响。3) B段路基各测点变形随时间近似呈线性增长，变形速率大多与大气降雨量不相关，仅部分测点(BI-7，BI-8 和BI-9)变形速率随降雨量表现出轻微的变化趋势。对比图4(d)所示临近的BZ2-2 钻孔柱状图，基底10 m 范围内同样以泥岩为主，夹有一层较厚的砂岩(1.9 m)。

时间尺度上，线路服役期的5 a 内，A 和B 2段路基各测点均随时间出现持续、缓慢的上拱变形，以I线为例，A段路基5 a累积最大上拱量达到38.3 mm，B 段总体小于A 段，累积最大上拱量达到26.4 mm，均显著超过无砟轨道路基变形控制限值，且无法通过轨道扣件进行调节。其次，基底以紫红色泥岩为主的测点上拱变形量随降雨量变化，雨季变形速率明显增大、旱季变形显著减缓。最后，结合基底钻孔揭露地层结构发现，A段路基基底泥岩明显较B段厚，A 段路基各测点变形总体也大于B段，并且基底泥岩层越厚，路基变形速率受降雨影响越显著，砂岩较厚的B段路基大部分测点则产生近似线性上拱变形现象。

2.3 路基上拱变形的空间演化特征

为分析路基变形在空间上的特征，沿线路纵向、横向及其与路基面以上竖向开挖高度和路基面以下钻孔揭露岩性的关系特征，进行空间三维分析，获得路基变形的空间特征。

线路纵向方面，以I 线为例，选取同一时刻沿线路纵向各测点上拱变形量，图8 为A 和B 2 段路基沿线路里程方向上拱变形量与路堑挖方高度对比曲线。可以看出：1) 从2015 年—2019 年，2 段路基所有测点均产生显著的上拱变形，A段最大上拱变形位于里程K152+810 处，B 段最大上拱变形位于里程K153+690 处，A 段路基上拱变形量总体大于B段。2) A段路基上拱变形量在纵向上与路堑挖方高度一致，即挖方越深上拱变形量越大；与此不同的是，B段路基上拱变形量与路堑挖方高度错开，K153+690～K153+770 区间开挖深度增大，但是路基上拱变形量反而显著减小。3) A段路基里程K152+750和K152+770这2处由于位于框架涵上(图8(a))，上拱变形量减小，框架涵高度约8.3 m，即基底8.3 m 范围内，岩体挖除后反压钢筋混凝土结构框架涵基底岩体依然产生上拱变形，但上拱变形量值减少超过50%，表明基底产生上拱变形的岩体下限深度已超过10.0 m。

图8 路基纵向上拱变形特征Fig.8 Longitudinal heave characteristics of subgrade

结合图4 所示A 段和B 段路基钻孔地质情况，A 段基底泥岩层厚度显著大于B 段，对应于A 段路基上拱变形量较B段大，表明基底泥岩厚度是影响路基长期上拱变形量的因素之一。另一方面，B段路基临近I 线的钻孔BZ1-2 和BZ2-2 揭露10 m 范围内泥岩分别约占47%和76.3%(图8(b))，然而钻孔位置对应的K153+675 上拱变形量却比K153+735大47.6%，即泥岩层越厚上拱变形量反而更小。因此，泥岩层厚度也并非是决定路基上拱变形量的唯一因素。

线路横向方面，图9 为A 段和B 段路基上拱变形在线路横向的特征，A 段取里程为K152+810～883共5个横剖面(图9(a))，路基北侧的3线(靠近路堑边坡坡脚一侧)上拱变形量最小，中间位置的I线上拱变形量最大，与对应钻孔揭露岩性对比发现，3 线和I 线基底10 m 范围内均为泥岩层(泥岩占比100%)，然而2 个测点上拱变形量值分别对应于横剖面上的最小值和最大值。相反，AZ1-3钻孔揭露基底10 m 范围内存在砂岩夹层(泥岩占84.7%)，该测点上拱变形量依然大于基底全部为泥岩的AZ1-1对应的3 线上拱变形量。B 段取里程为K153+610～650 共3 个横剖面(图9(b))，与A 段相反，B段上拱变形量最大位于路基北侧的3 线，I 线、II线和4 线上拱变形量差异较小。对比BZ1 钻孔剖面，3线临近的BZ1-1钻孔揭露基底10 m 范围内泥岩在3 个钻孔中占比最小(44%)，对应的上拱变形量反而最大。因此，路基上拱变形在线路横向上未显示出与基底泥岩层厚度的相关性。

图9 路基横向上拱变形特征Fig.9 Transverse heave characteristics of subgrade

3 讨论

引起路基上拱变形的因素主要有3个：临近边坡滑动、膨胀岩土地基吸水膨胀和基底岩体蠕变变形。法国LGV Méditerranée 高铁主要由前2 个原因造成路基运营期持续上拱变形[22]，郑西客运专线、兰新高铁、京沈高铁等则是由基底膨胀性泥岩吸水膨胀造成超限上拱变形[4,17,19-21,34]。成渝客专开通前，出现上拱的内江北站由于新增川南城际铁路引入施工，在线路北侧进行二次扩挖，扩挖路基宽度超过50 m。并且，开挖揭露边坡为近水平厚层泥岩夹薄层砂岩，边坡稳定性较好，不存在失稳滑动风险(图3)。因此，由于临近路堑边坡滑动变形引起路基上拱变形的因素可以排除，基底岩体的膨胀变形和长期蠕变变形成为关注的重点。

路基工程中，由地基膨胀岩或者膨胀土引起的路面变形，其最显著的特征是变形与大气降雨量和基底膨胀岩土层厚度显著相关。陈伟志[15]在云桂高铁弥勒段开展的典型膨胀土地基现场浸水试验发现，地基表面胀缩变形速率随时间的变化规律与外界气候环境变化密切相关，旱季地基土失水收缩表现出沉降变形，雨季则产生显著的膨胀变形，降雨量越大，地基膨胀变形越大。膨胀岩地基同样具有类似的变形特征，TANG 等[22]分析了法国Saint-Marcel-lès-Valence 到Marseille 高速铁路位于Chabrillan 的Km529+200～Km530+510 区间路基自2001年—2007年持续6 a的上拱变形发现，时间尺度上，基底膨胀性泥灰岩在每年雨季吸水膨胀、旱季失水收缩变形引起路基竖向波动上拱变形；空间上，沿线路纵向钻孔揭露基底泥灰岩越厚，路基上拱变形量越大。马丽娜等[18,34]在兰新高铁低黏土矿物泥岩开展路基现场浸水试验，发现路基竖向变形同样与注水量相关。因此，由基底膨胀性岩土体吸水引起路基上拱的变形机制中，路基竖向上拱变形速率将表现出与大气降雨量显著的相关性，同时基底膨胀性岩土层厚度越大，上拱变形量也相对越大。

成渝客专内江北站A 和B 2 段路基开通后5 a的上拱变形显示，部分点位上拱变形的时间和空间特征符合膨胀性岩体吸水膨胀引发路基上拱的变形机制，尤其是A 段路基，基底主要为红层泥岩，该红层泥岩含有膨胀性黏土矿物伊利石成分，吸水后本身具有时效性膨胀变形特征[23]。并且，实测I 线大部分测点上拱变形速率与内江市降雨量趋势一致(图7(a))，与基底以砂岩为主的B 段路基相比，总体上拱变形量也更大(图8)。DAI 等[5-7]基于红层泥岩缓慢吸水膨胀解释了路基产生长期上拱变形的过程机制。

另一方面，B段路基变形的时空特征则与岩体膨胀性诱发特征不符，该段基底砂岩本身不具有膨胀性[8]，实测I 线大部分测点时效性上拱变形与降雨量并无关系，而是随时间呈近似等速线性上拱变形(图7(b))。并且，基底泥岩层相对较厚测点对应的上拱变形量反而更小(图8(b))，同一横剖面同样在泥岩较薄的位置产生更大的上拱变形(图9(b))。然而，红层泥岩和砂岩均具有显著的流变性[8,27-28]，通过红层砂泥岩室内蠕变试验[8]和考虑基底岩体流变性的数值模拟研究[9,24-26]也可以解释路基长期上拱变形过程机制，尤其是以砂岩为主地基的长期变形现象。

综上可以发现，对于特定路段的变形现象，基于岩体膨胀性或者流变性机理都可以解释路基产生长期持续上拱变形的过程机制。然而，这样的分析思路具有结果导向特征，对于特定病害路基的灾变机理事后分析是可行的，却很难在工程建设前期对即将开挖的路基开展服役期上拱灾变风险预测。因为，路基的长期持续上拱变形并不是由基底岩体单一的膨胀或者流变作用引起的，而是两者耦合作用的结果，内江北站2段上拱路基虽仅相距700 m，却表现出完全不同的变形特征。基底岩体不同岩性岩层厚度及组合结构特征、岩体受工程扰动的损伤特征、岩体的膨胀和流变性能、基底岩体赋存水力环境演化特征等众多因素决定了路基变形具体是由膨胀主导，还是由流变主导。因此，需要在充分厘清基底岩体膨胀性和流变性的基础上，结合岩体赋存水力环境特征，建立综合考虑膨胀-流变耦合效应的地基变形演化模型及其理论计算方法，再针对具体工点开展计算及预测分析，最终确定引起特定路基长期持续上拱变形的主导因素及影响规律，并针对性地为工程防灾减灾设计提供理论支撑。

4 结论

1) 成渝客专内江北站位于典型川中红层软岩区，基底为侏罗系中统上沙溪庙组泥岩、砂质泥岩和砂岩，岩层近水平。钻孔揭露A 段病害路基基底以泥岩为主，夹薄层砂岩，B段病害路基基底为砂泥岩互层，砂岩层相对更厚。

2) 时间尺度上，线路开通后5 a 内路基上拱变形随时间缓慢增长，未见收敛。其中，A段路基大部分测点上拱变形速率与大气降雨量相关，雨季变形速率大、旱季变形速率显著减小；相反，B段路基上拱变形速率与大气降雨量无显著相关性，呈近似线性上拱变形趋势。

3) 空间维度上，沿线路纵向，A段路基上拱变形量与路堑挖方深度一致，即开挖深度越大，路基上拱变形量也越大，基底岩体变形影响层下限深度超过10 m；相反，B段路基上拱变形量与路堑挖方深度无关，且基底泥岩层较厚位置上拱量反而更小。沿线路横向，A段基底以泥岩层为主，路基中心位置附近上拱变形量更大；B段基底以砂岩为主，最大变形出现在临近路堑边坡坡脚一侧。

4) 综合路基上拱变形的时空分布特征及基底地层岩性特征，路基长期变形是基底红层软岩缓慢吸水膨胀和蠕变的综合效应，应考虑基底岩体不同岩性岩层厚度及组合、受工程扰动的损伤、膨胀和流变性能、赋存水力环境演化等因素，建立地基长期时效性变形模型及计算方法，据此揭示路基长期上拱变形机理。

作为红层软岩高速铁路路基长期上拱变形灾变机理的系列研究，后续将在此基础上系统分析基底岩体的膨胀性、流变性及其理论模型，为建立路基长期变形理论模型、开展灾变风险预测奠定基础。