蘭渝線木寨嶺隧道嶺脊地段軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整研究

陳強(qiáng)

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001)

0 引言

無(wú)砟軌道是鐵路建設(shè)中軌道結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)正在大力興建以無(wú)砟軌道為主的各類鐵路，但由于長(zhǎng)大隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，近年來(lái)部分已建隧道出現(xiàn)了無(wú)砟道床病害。無(wú)砟道床病害產(chǎn)生的根本原因是隧道基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，主要是隧道基底出現(xiàn)上鼓開裂病害。根據(jù)近年來(lái)隧道基底上鼓開裂病害產(chǎn)生的原因分析，主要有以下三類：承壓水的作用、圍巖的膨脹作用和高地應(yīng)力作用，另外還有部分原因至今尚未查明，也說明隧道基底病害產(chǎn)生原因是復(fù)雜的。

新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段（簡(jiǎn)稱“蘭渝線”），隧道工程集中，長(zhǎng)大隧道比例較高，其中木寨嶺隧道全長(zhǎng)19.1km，為雙洞單線隧道，地理位置特殊，地形、地質(zhì)條件異常復(fù)雜，特別是隧道穿越嶺脊段圍巖擠壓破碎、高地應(yīng)力條件下大變形更為嚴(yán)重。運(yùn)營(yíng)期間無(wú)砟軌道產(chǎn)生病害整治將非常困難，同時(shí)進(jìn)行病害整治將嚴(yán)重影響線路運(yùn)輸和運(yùn)營(yíng)安全。對(duì)木寨嶺嶺脊地段巖性差、地應(yīng)力高、軟巖大變形地段調(diào)整為鋪設(shè)有砟軌道，確保蘭渝鐵路運(yùn)營(yíng)安全、暢通是非常必要和科學(xué)合理的。

1 隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

木寨嶺隧道設(shè)計(jì)采用CRTSⅠ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)（見圖1），由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板等部分組成，軌道結(jié)構(gòu)高度515mm，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路；道床采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)澆筑，扣件采用WJ-8A 型扣件，軌枕采用SK-2 型雙塊式。

圖1 隧道內(nèi)CRTS I 型雙塊式無(wú)砟軌道橫斷面圖

2 軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整必要性分析

木寨嶺隧道嶺脊段軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整的必要性，主要體現(xiàn)在工程地質(zhì)和無(wú)砟軌道特性等方面。

2.1 工程地質(zhì)問題

蘭渝線木寨嶺隧道設(shè)計(jì)為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，地質(zhì)情況極其復(fù)雜，二疊系板巖巖性軟弱、圍巖強(qiáng)度低而原始地應(yīng)力較高，尤其是嶺脊地段極高地應(yīng)力造成初期支護(hù)反復(fù)破壞、出現(xiàn)較長(zhǎng)段落襯砌開裂及仰拱上鼓，實(shí)屬國(guó)內(nèi)罕見，使施工安全和結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全面臨極大的挑戰(zhàn)。

2.1.1 地應(yīng)力狀況

勘察設(shè)計(jì)期間在兩個(gè)深孔鉆探中進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，施工期間又在洞內(nèi)兩個(gè)鉆孔中進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)得地應(yīng)力最大水平主應(yīng)力可達(dá)27.16MPa；施工單位委托中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所在隧道尚未貫通里程段的北段和南段分別進(jìn)行了3 組鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)得北段最大水平主應(yīng)力為38.38MPa，南段最大水平主應(yīng)力為35.68MPa。木寨嶺隧道區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加，同時(shí)受地震等其他因素的影響，導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)的分布復(fù)雜、多變，處于應(yīng)力大小及方向變化不規(guī)律、薄層擠壓破碎狀態(tài)這一復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境中。

2.1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

木寨嶺隧道位于秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造體系，后期被祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系改造、復(fù)合、歸并，并在茶固灘一帶又被茶固灘帚狀構(gòu)造體系改造，形成了形態(tài)各異極其復(fù)雜褶曲與斷層束構(gòu)造。

2.1.3 隧道地質(zhì)巖性及結(jié)構(gòu)差

木寨嶺隧道地層巖性以二疊系板巖夾炭質(zhì)板巖及其壓碎巖為主，變余泥質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層板狀構(gòu)造，多屬于斷層破碎帶或影響帶，受構(gòu)造影響較重—很嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育—很快發(fā)育，巖體破碎—極破碎，產(chǎn)狀變化多端，揉皺小構(gòu)造及片理化現(xiàn)象發(fā)育，巖體呈層片狀或碎石角礫狀，夾雜較多瀝青質(zhì)炭質(zhì)板巖及灰白色碎粉狀石英條帶，巖石及破碎巖體強(qiáng)度軟弱、承載能力低[1]。

2.1.4 區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)強(qiáng)烈

木寨嶺隧道位于我國(guó)南北強(qiáng)震帶，是地震多發(fā)、頻發(fā)、活動(dòng)最強(qiáng)烈區(qū)域之一。歷史地震活動(dòng)十分頻繁，其活動(dòng)的主要特征是集中性很高。有地震記載以來(lái)，本帶共發(fā)生M≥4.7 級(jí)地震197 次，其中2011年11月2日岷縣禾馱鄉(xiāng)4.5 級(jí)和2013年7月22日岷縣6.6級(jí)震中均位于木寨嶺隧道出口梅川鎮(zhèn)，對(duì)隧道影響較大。

2.1.5 變形及基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)

通過對(duì)木寨嶺隧道嶺脊地段變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)嶺脊段變形具有“變形總量大，前期變形速率高，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)”的突出特點(diǎn)。

2.2 無(wú)砟軌道基礎(chǔ)變形的適應(yīng)性

2.2.1 有砟軌道與無(wú)砟軌道技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

（1）有砟軌道是最常使用的軌道結(jié)構(gòu)型式，技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍廣泛，具有彈性好、成本低、整治便捷、吸噪性能好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)在于：

一是有砟軌道不均勻下沉，易產(chǎn)生嚴(yán)重的軌道激振，使得軌道使用壽命明顯縮短；

二是有砟軌道穩(wěn)定性較差，軌道的平順性不易保持。對(duì)于客貨共線鐵路，在曲線地段欠超高和過超高均較大，軌道橫向穩(wěn)定性尤其不易保持[2]；

三是道床橫向阻力較小，不利于無(wú)縫線路的穩(wěn)定性；

四是道砟粉化嚴(yán)重，當(dāng)行車速度較高時(shí)，容易產(chǎn)生飛砟現(xiàn)象，使旅客乘坐舒適度也降低；

五是軌道結(jié)構(gòu)高度較高，自重較大，線下結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)；

六是運(yùn)營(yíng)過程中養(yǎng)護(hù)維修工作量較大。

（2）無(wú)砟軌道整體性強(qiáng)，軌道幾何形位能夠持久保持，縱、橫向穩(wěn)定性較好，軌道結(jié)構(gòu)高度低，自重較小，養(yǎng)護(hù)維修量較低。其缺點(diǎn)主要有：

一是初期投入大，造價(jià)較高；

二是軌道整體剛度偏高，軌道彈性差，空氣噪聲輻射較大；

三是建成后軌道幾何形位、超高等均難以調(diào)整；

四是對(duì)線下基礎(chǔ)變形適應(yīng)性差，線下基礎(chǔ)變形后整修困難，修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，代價(jià)較高，因而對(duì)線下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高[3]。

2.2.2 無(wú)砟軌道對(duì)基底變形的適應(yīng)性差

現(xiàn)場(chǎng)施工中無(wú)砟軌道采用WJ-8 型扣件，有螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預(yù)埋套管組成，此外為了鋼軌高低位置調(diào)整的需要，還包括軌下微調(diào)墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板。另外，單股鋼軌左右位置調(diào)整量為-5mm～+5mm，軌距調(diào)整量為-10mm～+10mm，鋼軌高低位置調(diào)整量為-4mm～+26mm。

因此，當(dāng)隧道基底變形引起的無(wú)砟軌道變形量不超過扣件調(diào)整量時(shí)，可通過調(diào)整扣件進(jìn)行軌距、高低的調(diào)整。但木寨嶺隧道嶺脊段基底可能出現(xiàn)的變形量大大超過扣件可調(diào)整的范圍，通過扣件調(diào)整無(wú)法適應(yīng)線下基底的變形。

2.2.3 無(wú)砟軌道可維修性差

無(wú)砟軌道幾何形位要求較高，根據(jù)《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的規(guī)定，無(wú)砟軌道鋪設(shè)精度如表1 所示。

表1 線路無(wú)砟軌道平順度鋪設(shè)精度

木寨嶺隧道采用的CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道為連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土整體式道床板，如果運(yùn)營(yíng)過程中基底發(fā)生較大的變形，就會(huì)導(dǎo)致道床板與墊層發(fā)生離縫、道床板開裂甚至斷裂、雙塊式軌枕與道床板脫離松動(dòng)等病害。道床板一旦發(fā)生病害，位于其上的軌道必將受其牽連，幾何形位將不同程度的受到影響，危及日常鐵路行車安全[4]。

木寨嶺隧道嶺脊段基底情況復(fù)雜，鐵路運(yùn)營(yíng)期間如發(fā)生較大變形，勢(shì)必將導(dǎo)致無(wú)砟軌道產(chǎn)生各種病害。

2.3 綜合分析

綜上所述，木寨嶺隧道地質(zhì)條件特殊，圍巖巖性及結(jié)構(gòu)差，地應(yīng)力極高且復(fù)雜，越嶺大埋深段出現(xiàn)了長(zhǎng)段落的二襯開裂、仰拱上鼓等病害。無(wú)砟軌道建成后，一旦出現(xiàn)較大的線下基礎(chǔ)變形，無(wú)法通過扣件調(diào)整，只能進(jìn)行拆除重建，維修周期長(zhǎng)，代價(jià)巨大。結(jié)合變形和病害分布情況以及軌道結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)，將嶺脊地段軌道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行調(diào)整，由原設(shè)計(jì)的無(wú)砟軌道改為傳統(tǒng)的有砟軌道，以確保運(yùn)營(yíng)安全和暢通，是非常有必要的。

3 軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整的可行性方案

隧道地段無(wú)砟軌道軌頂至回填層表面高度為515mm，有砟軌道軌頂至回填層表面高度為766mm，若調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)型式，必須滿足空間需求，一種方案是抬高軌頂標(biāo)高即調(diào)整設(shè)計(jì)坡度，另一種方案是軌頂標(biāo)高不變即設(shè)計(jì)坡度不調(diào)整而對(duì)軌下結(jié)構(gòu)調(diào)整。

3.1 抬高軌頂標(biāo)高

對(duì)原設(shè)計(jì)坡度進(jìn)行調(diào)整，將原設(shè)計(jì)軌面標(biāo)高調(diào)高251mm，即可滿足鋪設(shè)有砟軌道條件。線路標(biāo)高抬高后，可避免已施做墊層廢棄，鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸隧道建筑限界（SJX-SD）仍在隧道建筑限界范圍內(nèi)，但軌上有效面積僅為52.1m2，不滿足初步設(shè)計(jì)批復(fù)意見單線隧道有效凈空面積按53m2設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)存在軌面標(biāo)高超出兩側(cè)水溝蓋板頂面，道砟可能侵占救援通道問題，接觸網(wǎng)需進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)等。

3.2 軌下結(jié)構(gòu)調(diào)整

設(shè)計(jì)坡度不變而通過調(diào)整軌下結(jié)構(gòu)也可滿足鋪設(shè)有砟軌道條件。鋪設(shè)有砟和無(wú)砟兩種軌道結(jié)構(gòu)型式的隧道，在軌上隧道結(jié)構(gòu)限界完全相同，但軌下結(jié)構(gòu)相差較大，無(wú)砟軌道仰拱矢跨比較有砟軌道小，造成水溝、仰拱回填等均與有砟軌道差異性較大。

通過對(duì)比上述兩種方案（見表2），取消無(wú)砟軌道基礎(chǔ)墊層，利用原設(shè)計(jì)的30cm 無(wú)砟軌道基礎(chǔ)墊層空間，即可滿足有砟軌道高度要求。不改變?cè)O(shè)計(jì)坡度，線路標(biāo)高不變，充分利用無(wú)砟軌道基礎(chǔ)墊層空間，對(duì)嶺脊段的軌道結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行調(diào)整是可行的。

表2 無(wú)砟軌道隧道與有砟軌道隧道軌下結(jié)構(gòu)對(duì)比表

4 嶺脊段軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整方案

根據(jù)木寨嶺隧道地應(yīng)力和構(gòu)造分布情況、巖性差別、基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)情況，結(jié)合變形特點(diǎn)及病害分布情況，將木寨嶺隧道地應(yīng)力高、巖性差、構(gòu)造復(fù)雜的DK177+200～DK182+580 調(diào)整為有砟軌道，其余段落仍按無(wú)砟軌道施做。具體方案為：

一是線路不抬坡，直接將DK177+200～DK182+580 段仰拱填充頂混凝土鑿除25cm。

二是正線有砟軌道與區(qū)間隧道內(nèi)有砟軌道結(jié)構(gòu)基本一致。為減少運(yùn)營(yíng)過程中工務(wù)部門在長(zhǎng)大隧道內(nèi)對(duì)有砟道床進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)的工作量，延緩道砟粉化，線路采用一級(jí)道砟，并進(jìn)行水洗。軌枕采用2.6m長(zhǎng)Ⅲ型有擋肩混凝土軌枕，每公里鋪設(shè)1667 根。

三是有砟軌道與無(wú)砟軌道過渡段均在隧道混凝土回填層上過渡。過渡段線路基本軌之間設(shè)置兩根60kg/m、25m 長(zhǎng)輔助軌，其中無(wú)砟軌道區(qū)段5m，有砟軌道區(qū)段20m。過渡段基本軌采用WJ-7A 型扣件，輔助軌采用扣板式扣件。在隧道進(jìn)出口無(wú)砟軌道一側(cè)設(shè)置φ25 錨固鋼筋，共設(shè)置10 排，每排4 根。

5 軌道型式變化存在的問題

無(wú)砟軌道按設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)一般僅需進(jìn)行日常的維修，而有砟軌道在運(yùn)營(yíng)過程中需要周期性進(jìn)行道砟搗固、清篩、起撥道、補(bǔ)砟、動(dòng)力穩(wěn)定等線路整修、維修作業(yè)。有砟軌道大修周期一般為通過總重7 億噸，中修周期以累計(jì)通過總重3～4 億噸。蘭渝線預(yù)測(cè) 運(yùn) 量2020年 貨 運(yùn)5400 萬(wàn) 噸，客 車34 對(duì)，2030年 貨 運(yùn)7000 萬(wàn)噸，客車47 對(duì)，總列車對(duì)數(shù)分別達(dá)到94 對(duì)、122對(duì)，行車密度較大。按通過總重計(jì)算，約每5～10年要進(jìn)行一次有砟道床清篩，作業(yè)量較大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。木寨嶺隧道內(nèi)有砟軌道采用人工養(yǎng)護(hù)作業(yè)無(wú)法滿足要求，采用機(jī)械作業(yè)內(nèi)燃機(jī)排放的煙塵和作業(yè)產(chǎn)生的粉塵對(duì)工作人員健康影響較大，作業(yè)條件惡劣。

6 結(jié)語(yǔ)

蘭渝線木寨嶺隧道嶺脊地段工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，施工過程中高地應(yīng)力軟巖大變形現(xiàn)象極為突出，同時(shí)考慮到隧道變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，流變變形可持續(xù)至運(yùn)營(yíng)后，并易導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生隧道隧底病害問題，因此隧道嶺脊段無(wú)砟軌道改有砟軌道是必要的。軌道型式調(diào)整采用不調(diào)整設(shè)計(jì)坡度，對(duì)隧道基礎(chǔ)墊層進(jìn)行調(diào)整以滿足有砟軌道鋪設(shè)條件的方案。調(diào)整段落確定時(shí)主要以地質(zhì)條件為主，結(jié)合初支變形情況和二襯仰拱開裂上鼓等病害情況及方便養(yǎng)護(hù)維修、減少軌道型式頻繁變化等為綜合考慮。