某线震后轨道设计方案研究

蔡向辉，张 岷，唐文国，刘启宾，褚卫松，张生延

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043; 3.中国铁路兰州局集团有限公司,兰州 730000)

2022年1月8日门源发生6.9级地震,震源深度10 km,震中距某线垂直距离约4.5 km。该线在K1971+400附近以隧道结构穿越冷龙岭断裂带,线路与断裂带交角约67°,地震后以断裂带为界,北段呈西北向位移,南段呈东南向位移,形成约2.36 m的相对错位;同时线形总体呈北(大里程)降南升的趋势变化,在断层附近形成高差约40 cm错台,是我国高速铁路首次遭遇的强震作用下严重受灾事件[1]。

根据国家地震局2022年1月11日发布的《青海门源6.9级地震烈度图》,该线K1967+418～K1973+718段为9度烈度区,也是本次震后排查受损最严重地段,沿线主要分布A隧道(K1965+525～K1972+093)、B隧道(K1972+365～K1981+874)和C桥(K1972+093～K1972+365)。强震造成该段A隧道内穿越断层二衬坍塌,C桥梁体移位、接触网脱落等基础、设备严重损坏,并伴随钢轨折断、扣件脱落、道床倾斜等轨道震害。

1 轨道伤损情况

强震发生并诱发活动断裂带发生断层运动时,会带动隧道仰拱和桥梁结构等线下构筑物水平和垂向错动。隧道内无砟轨道与仰拱间通过植筋连接,上下盘错动时,轨道结构随基础的错动变形呈现局部与仰拱回填层脱空、空间扭曲、道床板破坏等灾害形态[2],如图1所示。同时,基础纵向错动会导致轨枕与钢轨瞬间出现较大纵向力,两者间未能及时滑移释放,引起单元道床间伸缩缝拉裂、道床板出现裂纹甚至局部破损等情况[3-5]。

在桥梁段,由于地震作用下相邻桥梁梁端变形幅度、方向未能协同一致,造成梁端相邻两块道床板发生较大横向错位,钢轨、轨枕承受较大横向力,导致梁端部分轨枕挡肩破损;同时梁体移位、掉落至墩顶凹槽内加剧了相邻梁体间道床板脱离底座板,钢轨扭曲,并引发1处钢轨折断[6-9],如图2所示。

图2 桥上轨道破坏形态

2 震后重建方案

2.1 余滑变形预测

根据地震安评成果,本次门源地震冷龙岭断裂为发震断裂,已经产生了地表破裂,对工程线路造成了严重破坏。由于此次地震造成相邻未破裂段的应力加载,从而使其地震发生时间提前,因此,冷龙岭断裂仍存在发生地表位错破裂的可能,对线路和附近工程建筑有影响,需要进行设防。同时,震后余滑是震后地壳形变最主要的机制,综合分析本项目整治工程完成后剩余最大水平余滑量150～300 mm,最大垂直余滑量约100 mm,持续时间在3年左右,最终趋于稳定[10-12]。结合原勘察资料、建设期间施工揭示、震后地表裂缝、洞内破坏程度和本次复旧整治施工揭示综合分析,判定K1971+385～K1971+680段为断层带,K1971+188～K1971+385、K1971+680～K1971+815段为断层影响带,如图3所示,即需对K1971+188～K1971+815段(均位于A隧道内)进行余滑变形设防。

图3 断层分布

2.2 基础工程重建方案

结合震后结构破坏调查资料和线路复测情况,整治工程中采取在线位破坏严重段落利用一组R=16 000 m反向曲线拟合的方案;并对断裂带破坏段衬砌进行拆除重建,增设60 mm厚减震消能层,并预留70 cm变形空间以应对后期余滑变形;同时,根据梁、墩检测结果,对桥梁基础及梁体拆除重建,新建桥梁设置回形钢耗能双曲面支座,并取消墩顶凹槽,加强防落梁设计。

2.3 轨道重建方案

轨道结构形式的选择需综合考虑本段工程、环境特点并满足余滑设防要求[13]。有砟轨道相比无砟轨道易于调整轨道几何形位,能适应设防段基础余滑变形的要求,但高速铁路有砟轨道存在轨道几何形位保持能力差、日常运营维护工作量大等缺点[14],特别是该段地处海拔较高区域,自然环境恶劣,基础设施薄弱,工务养护维修困难,不便于铺设有砟轨道;既有无砟轨道主要通过WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件进行几何形位调整[15],特殊调整扣件水平调整能力最大仅15 mm,当基础变形超出扣件调整能力后虽然可通过切割无砟道床/支承层、无砟道床与线下基础间注浆、横向顶推纠偏等方式进行调整[16-17],但线路需限速运营,且整治周期长、经济代价大、工程风险高。因此,需研究一种隧道内大调整量无砟轨道结构,以适应本段后期潜在余滑变形,并减少后期养护工作量,即A隧道和B隧道内除K1971+188～K1971+815设防区段研究铺设大调整量无砟轨道外,其余地段仍采用原双块式无砟轨道结构[18],对于双块式无砟轨道后期局部上拱风险较高段落,采用扣件预垫高的方式施工,以增大运营期扣件负调整量。

C桥位于断裂带及影响区以外,通过震后稳定性监测,评估基础工程稳定,且该桥已根据最新确定的地震等级采用全部新建方案,并采用了抗震支座,取消了墩台顶部凹槽等加强防落梁设计。因此,桥上仍采用原“道床板+底座板”双层双块式无砟轨道设计方案。

3 大调整量无砟轨道

结合无砟轨道结构可从扣件(配套轨枕)和道床两个方面进行轨道几何形位调整的特性出发,确定大调整量无砟轨道研究原则如下。

(1)优先选用目前高铁建设和运营维护中的无砟轨道及配套扣件等成熟技术,轨道结构与下部基础接口宜保持一致。

(2)轨道几何形位主要通过扣件系统进行调整,即满足无砟轨道安全服役的前提下增大扣件调整能力。

(3)应考虑无砟轨道几何形位发生较大变化或轨道结构破坏时,在天窗时间内修复的可行性。

3.1 大调整量扣件

我国高速铁路既有成熟WJ-8型扣件单股钢轨左右位置调整量为±5 mm,钢轨高低位置调整量为-4～+26 mm。WJ-8型特殊调整扣件通过增设2号、12号轨距挡板(标准WJ-8型扣件含4号、7号、10号)和6号、12号绝缘轨距块(标准WJ-8型扣件含7号、8号、9号、10号、11号),单股钢轨左右位置调整量达到±8 mm;通过更换铁垫板和增设钢制调高垫板,钢轨高低位置调整量达到-10～+60 mm,但无法满足运营期余滑变形调整要求,且因调整量超过40 mm后,WJ-8型特殊调整扣件已超出混凝土挡肩高度,不利于扣件系统的稳定性,因此,在采用WJ-8型特殊调整扣件调高量超出40 mm时需限速200 km/h及以下运营[19-20]。

结合本次震后线下基础和道床结构伤损情况,在变形量达到一定量值后,基础结构应进行加固处理,同时扣件调整量过大,相应零部件种类繁多、加工精度要求高、组装繁琐,且不利于扣件系统的稳定。因此,推荐本次大调整量无砟轨道系统左右位置的调整能力不低于±150 mm,高低调整能力不低于-24～+100 mm;当变形超出以上调整量后,可通过既有成熟绳锯切割工艺进行道床结构几何形位大调整。基于本线既有扣件为WJ-8/Vossloh300型扣件,考虑线路的刚度匹配和后期养护维修便利,大调整量扣件上部仍沿用原WJ-8型扣件系统,并增加铁承轨台以增大钢轨高低调整量,增设调距块(级差6 mm)和三联套管(级差75 mm)用以增大钢轨左右位置调整量,即“三孔连体承轨台可调式WJ-8型扣件”,结构如图4所示。

图4 承轨台可调式WJ-8型扣件

当余滑水平形变未超出5 mm时,通过既有WJ-8型扣件调整;当余滑水平变形量超过5 mm但小于77 mm时,通过更换不同号码调距块可实现72 mm调整,配合WJ-8型扣件,实现不大于77 mm调整量;当余滑水平变形量超过77 mm但小于152 mm时,通过移动锚固螺栓孔至邻孔,可实现75 mm调整,配合调距块和WJ-8型扣件,实现不大于152 mm调整量。

当余滑高程形变未超出-4～+26 mm时,按既有WJ-8型扣件调整方式,即更换轨下垫板、增设轨下或板下调高垫板;当余滑高程形变超出-4～+26 mm时,上盘通过抽除扣件承轨台铁垫板下预设垫板(20 mm),配合WJ-8型扣件更换轨下垫板厚度,实现不大于-24 mm高程调整量;下盘通过增设承轨台铁垫板下垫板、更换承轨台铁垫板,实现不大于100 mm高程调整量,调高100 mm状态的承轨台可调式WJ-8型扣件见图5。

图5 承轨台可调式WJ-8型扣件调高100 mm状态

3.2 三孔连体套管桁架式长枕

桁架式长枕充分借鉴既有岔区埋入式长枕成熟应用经验,采用预应力螺旋肋钢丝先张于C60混凝土结构中,结构尺寸为2 900 mm(长)×260 mm(宽)×130 mm(高),见图6。采用 6 根φ14 mm 螺纹钢筋与4根φ8 mm 波纹钢筋组成钢筋桁架,露出在混凝土截面的下方,加强与无砟道床间连接。轨枕中预埋三孔连体套管,并在套管周边设置5根矩形φ5 mm低碳冷拔钢丝网以提升套管位置处轨枕的强度,加强扣件预埋套管与轨枕之间的连接。

图6 桁架式长枕(单位:mm)

3.3 道床预留调整方案

普通长枕埋入式无砟轨道在隧道地段一般为单层道床结构,桁架式长枕浇筑于道床之中,长枕上螺栓孔固定,仅能通过扣件的轨距挡板或铁垫板调整。鉴于长枕上螺栓孔约束了线位的调整空间,本方案拟通过桁架式长枕上预埋连体套管的方式实现横向大调整能力,即配套采用承轨台可调式WJ-8型扣件,并考虑预留基础变形超出扣件调整后的切割抬升、落道或纠偏的方案条件,见图7。

图7 桁架式长枕单层道床效果

大调整量无砟轨道采用单元式结构,采用C40钢筋混凝土直接浇筑于隧道仰拱回填层上,道床板长5 900 mm(隧道设防段为6m节段)、宽3 300 mm、厚475 mm,板间设100 mm伸缩缝。道床板上部双层配筋,下部预留φ30 mm切割孔道。该结构方案力学体系、施工工法等均与既有岔区无砟轨道相同,基础变形后可通过扣件系统和预留孔切割两种方式进行调整,满足后期余滑变形调整需求。

4 大调整量无砟轨道铺设范围分析

为满足线路运营标准,根据基础变形情况,在K1971+271～K1971+793段增设了一对反向曲线顺接拟合。当基础错动变形较小时,首先根据线路平顺度标准通过扣件系统进行顺接调整;当基础错动变形较大时,整治工作应首先重新拟合线路中线,再对轨道进行拨移顺接[21]。

根据地质预测,未来发生的变形主要为断裂带水平错动余滑。由于未来错动位置及上下盘分别错动幅值不可预估,根据上文,K1971+385～K1971+680段为断层带,分别按上下盘出现单边平行错位300 mm及两侧平均错动150 mm三种工况进行线路平面拟合分析。

(1)小里程端K1971+385处偏移300 mm:曲线最外侧直缓点需分别外移9.6,9.8 m;

(2)大里程端K1971+680处偏移300 mm:曲线最外侧直缓点需分别外移9.6,9.7 m;

(3)中点处两侧分别偏移150 mm:曲线最外侧直缓点需分别外移9.5,9.8 m。

可见,当活动断裂带上下盘总错动量最大值300 mm时,拟合后曲线调整范围及幅值基本一致,均为最外侧直缓点外移约10 m。余滑双边各错动150 mm拟合示意如图8所示。

图8 预测变形后拟合示意

当错动面位于断裂带两端K1971+385和K1971+680时所对应的大调整量无砟轨道设置范围最大,此时,不同段落对应轨道应具备的最小调整能力如图9所示。

图9 不同错动面变形后拨距示意

将不同错动面变形后线路拟合拨距包络统计,如表1所示。可知,理论上仅需在K1971+333～K1971+731段范围采用“三孔连体套管承轨台可调式WJ-8型扣件+长枕埋入式单层道床”方案;在K1971+278～K1971+333和K1971+731～K1971+786范围采用“单孔套管承轨台可调式WJ-8型扣件+长枕埋入式单层道床”方案即可。但考虑该范围仅为线路拟合调整范围,鉴于本次地震强度大,破坏范围广,震后余滑持续时间长,变形量大,且余滑变形错动位置、上下盘变形幅值及变形形态均具有不确定性,为避免大调整量无砟轨道与两侧普通无砟轨道调整能力差距较大,造成无法顺接调整的情况,大调整量无砟轨道结构铺设范围应在包含活动断裂带破坏区K1971+385～K1971+680及拟合后反向曲线K1971+261～K1971+803基础上,结合断裂带影响区K1971+188～K1971+385和K1971+680～K1971+815综合确定,即K1971+188～K1971+815段采用“改进型WJ-8型扣件+长枕埋入式单层道床”方案。

表1 不同错动面变形后拨距包络统计

5 运营期调整顺接方式

本次设计的“改进型WJ-8型扣件+长枕埋入式单层道床”的大调整量无砟轨道结构方案在活动断裂带余滑变形过程中分级调整的主要方式如下。

(1)当线下基础工程横向错动变形小于152 mm时,采用扣件精调并配合线路平面拟合的方式进行调整。

(2)当线下基础工程横向错动变形大于152 mm时,采用局部道床板切割纠偏并配合扣件精调及线路拟合的方式进行调整,切割纠偏前将扣件恢复至初始状态,为基础结构后续可能出现的持续错动预留调整空间。

(3)线下基础工程垂向错动可采用扣件精调并配合线路纵断面拟合的方式进行调整。

6 结语

高速铁路有砟轨道结构对线下基础变形的适应性好,但轨道几何形位保持能力差、日常运营维护工作量大,不适合铺设于高海拔、自然环境恶劣、基础设施薄弱、工务养护维修困难地段;既有成熟无砟轨道主要通过WJ-7型/WJ-8型/Vossloh300型扣件进行几何形位调整,调整能力无法满足本线震后余滑变形的要求。在既有成熟的WJ-8型扣件和桁架式长枕基础上,通过增设铁承轨台、调距块和三联套管等部件可提升扣件单股钢轨左右位置调整量达152 mm,同时通过在长枕埋入式单层道床中预留切割孔,便于在运营期基础变形超出扣件能力后通过切割纠偏措施以恢复线路平顺性。在对余滑变形进行线路拟合后获得拨距包络表,获得了大调整量无砟轨道铺设范围。该研究方法和设计方案可为活动断裂带或基础不良地区轨道结构选型、设防范围研究提供参考。