西北地區高速鐵路路隧過渡段無砟軌道上拱原因分析

安元鋒王夢田程建軍李中國高麗

1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

伴隨高速鐵路的普及和長期投入使用，各類難以預測和避免的路基病害問題逐漸顯現［1］，尤其是在一些特殊路段出現的路基病害，不僅嚴重影響高速鐵路列車的安全運營，而且病害原因較為復雜，處置起來也較為困難。由于路基膨脹而引起的無砟軌道上拱病害成為高速鐵路正常運營造成重大安全隱患［2-3］。國內外部分學者已經關注到高速鐵路無砟軌道上拱病害的嚴重性，并已有少數學者開展了相關研究。文獻［4-5］認為紅層泥巖吸水膨脹是造成路基上拱變形的主要原因；文獻［6-7］研究了高速鐵路路基膨脹機理，并通過多種數值模擬方法研究了軌道上拱變化規律；文獻［8］通過室內路基模型試驗研究了膨脹巖土浸水膨脹后鐵路無砟軌道路基結構的隆起變形特性。但現有研究成果主要集中在普通路基段上拱成因，部分學者僅對高速鐵路過渡段中的路涵過渡段、路橋過渡段進行了上拱病害的研究［9-10］。而隧道過渡段由于其結構斷面非常復雜，無論是現場監測布置還是數值模擬建模均存在極大困難，因此有關隧道過渡段的鋼軌上拱病害研究鮮有開展。隧道過渡段由于山體開挖卸載、隧道內排水設施等多種原因，往往也存在洞口段鋼軌應力分布不均、豎向位移變化不連續的問題。學者針對隧道內部的隆起病害進行了大量研究［11-17］，但對于路隧過渡段這種特殊區段的軌道上拱病害還少有研究。

為了解路隧過渡段上拱病害成因和路基上拱病害的發展規律，本文依托西北地區一高速鐵路路隧過渡段無砟軌道上拱工點，開展為期三個月的現場監測工作，獲得路隧過渡段實測上拱變化規律，同時現場取樣進行室內試驗確定上拱病害成因，通過有限元軟件進行精細化建模得到路隧過渡段的鋼軌上拱變化規律和路基膨脹變形規律，以期為有關高速鐵路上拱病害的其他研究及實際工程中路隧過渡段上拱病害的整治提供一定的理論參考。

1 工程概況

2017年11月，高速鐵路工務段在進行軌道精調小車靜態數據采集時發現該路隧過渡段有兩處疑似上拱，其上行線最大上拱位移分別為6.7、4.5 mm，下行線最大上拱位移分別為5.6、4.2 mm，均已超過高速鐵路鋼軌上拱可調節臨界值4 mm。在對現場進行排查時發現，上拱段隧道內壁共有23處出現二次襯砌裂縫。

隧道區地質勘察結果顯示，隧道巖性復雜，呈多角度不整合接觸，且不整合接觸結構面巖性較差，較破碎。隧道區地表水不發育，無常年性流水。地下水主要為基巖裂隙水，分布較廣，含于基巖風化帶、風化裂隙及構造節理裂隙中，水位和水量受季節降雨量影響明顯。

1.1 現場監測

自精調小車發現疑似上拱后在該過渡段開始埋設監測點位并進行監測。監測范圍總長為100 m，其中隧道內外各為50 m，共計布設11個監測斷面，每個斷面布設5個監測點位，分別位于左腳墻、左道床板、路中線、右道床板、右腳墻，現場監測點位布置如圖1所示。

圖1 監測點平面布置（單位：m）

截至2018年2月，共累計監測10期。各縱斷面上拱監測曲線見圖2。可知，路隧過渡段隧道內外均出現上拱位移峰值，其中直接接觸并影響鋼軌發生變形的左右道床板最大上拱位移為3.60、4.00 mm；而路中線路基護面結構上部不受鋼軌、道床板、支撐層和列車荷載的壓制作用因此其上拱位移最大，隧道外、隧道內最大上拱位移分別為6.20、6.89 mm，左右腳墻的上拱位移則較小，均在2.00 mm以內。

圖2 各縱斷面上拱監測曲線

監測期間，所有監測點的上拱位移均隨時間呈現增長趨勢，且截至監測結束，仍未收斂穩定。

1.2 室內試驗

為確定該路隧過渡段的路基上拱病害成因，考慮到隧道內外無砟軌道均出現了上拱病害，因此在隧道外和隧道內上拱段分別進行了現場取樣。隧道外選a、b兩個點位，取樣位置為路肩處，分別對基床表層、基床底層和地基進行了取樣，取樣完畢后隨即進行了現場含水率的測試。隧道內選c、d、e三個點位，對仰拱下部不同深度處基巖進行取樣。所有試樣按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》［18］進行室內試驗，測得有荷載膨脹率為0.057%～0.115%，其試驗結果見表1。

表1 路隧過渡段取樣室內試驗結果

根據TB 10077—2019《鐵路工程巖土分類標準》［19］的膨脹巖土評判指標和膨脹潛勢分級標準，隧道外路基土為非膨脹土，但a、b兩點基床底層的蒙脫石含量偏高，分別達到7.8%和10.7%，具有微弱的膨脹性。

現場含水率測試結果表明基床底層的現場含水率明顯高于其他層位，a、b點分別達到15.94%和24.01%。隧道內仰拱下部基巖均為膨脹性巖土，且c、d、e點的蒙脫石含量和陽離子交換量均較高，按照TB 10077—2019判定為中強膨脹性。

1.3 上拱成因分析

隧道外發生上拱病害的原因為基床底層路基填料含水率較高，其中膨脹性礦物蒙脫石遇水后產生膨脹對隧道外部無砟軌道產生一定的上拱位移。隧道內仰拱下部基巖為中強膨脹性巖土，由于隧道內巖體巖性較差，節理裂隙較多，加之隧道施工過程中破壞了地下水原有平衡，在雨季地下基巖裂隙水較為充足時，造成具有較強膨脹性的隧道基底地層在遇水后產生不均勻變形，從而在部分地段引起仰拱及其上部無砟軌道變形?；鶐r膨脹造成隧道上部圍巖應力增大是導致隧道內二次襯砌產生裂縫的主要原因。此外，隧道內仰拱下部巖體雖然膨脹性較強，但該部分巖體遇水膨脹產生的膨脹力受到仰拱底部填充的混凝土、仰拱襯砌以及上部圍巖的抑制作用，并未使上部無砟軌道造成較大的上拱位移。仰拱下部具有較強膨脹性的基巖在較為充分的基巖裂隙水環境中發生膨脹后，在受到上部圍巖和隧道仰拱多重抑制作用下對隧道內無砟軌道產生一定的上拱位移。

2 數值模擬

參照TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［20］、TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》［21］并結合現場實際情況，建立路隧過渡段三維有限元數值計算模型，進行路基膨脹分析。模型幾何尺寸均參照設計資料，隧道部分模型建立采用雙洞單線形式，如圖3（a）所示。模型總長為106 m，其中外部純路基段長度為56 m，隧道長度為50 m。根據現場監測情況設置膨脹區域總長為50 m，其中隧道外32 m，隧道內18 m，如圖3（b）所示。隧道洞門采用斜切式。

圖3 路隧過渡段計算模型（單位：m）

模型除頂面外均設置法向位移邊界約束。模型各結構層之間設置法向和切向接觸屬性，法向設置摩擦因數為0.16，切向設置硬接觸。模型均采用四面體網格進行劃分，對無砟軌道鋼軌進行局部網格加密。

模型各結構參數取用經驗值，鋼軌采用60 kg/m，100 m定尺長無螺栓孔新鋼材，模型主要結構層參數見表2。

表2 模型結構層參數

隧道外膨脹層位設置在基床底層，隧道內膨脹層位設置在仰拱下部2 m深度范圍內的巖層。結合線路實際情況及試驗結果，設置膨脹率為0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%的5個膨脹工況進行對比分析。

當膨脹率為0.06%時，模型鋼軌上拱值及分布情況基本與現場監測數據一致（圖4），此時的膨脹率也基本與現場獲取的試樣載荷膨脹率0.057%一致。

圖4 現場監測及數值模擬上拱位移分布

2.1 鋼軌響應分析

2.1.1 鋼軌上拱位移

路基膨脹層位發生膨脹后對上部無砟軌道支撐層和道床板產生一定的膨脹擠壓作用，最終致使道床板上部鋼軌產生一定的上拱位移。不同膨脹工況下鋼軌頂部上拱位移沿路線走向的分布曲線見圖5?？芍号蛎泤^域內的鋼軌上拱位移最大，隧道內部的上拱位移整體大于隧道外部，且最大上拱位移出現在隧道內部，其值為4.56 mm。不同膨脹率時鋼軌上拱位移分布曲線相似，且在路堤側和隧道側無較大差異。當膨脹率為0.09%時，鋼軌上拱位移最接近高速鐵路鋼軌上拱可調節臨界值4 mm。由于鋼軌下部直接接觸的路基結構層為道床板，道床板的上拱位移直接影響鋼軌的變形，膨脹率為0.06%時鋼軌最大上拱位移為2.7 mm，這與圖2現場監測的左右道床板最大上拱位移3.6、3.2 mm較接近。

圖5 不同膨脹率時鋼軌上拱位移分布曲線

膨脹率為0.10%的鋼軌上拱位移云圖見圖6?？芍?，膨脹中心區域鋼軌上拱位移最大，鋼軌整體呈抬升趨勢上拱變形較為明顯，膨脹區域兩側鋼軌上拱位移逐漸減小，上拱變形也逐漸消失。

圖6 膨脹率為0.10%時鋼軌豎向位移云圖（單位：m）

2.1.2 鋼軌應力

路基膨脹層位產生膨脹后引起的膨脹力會逐級向上傳遞，致使鋼軌內部產生不均勻變化的內部應力。不同膨脹工況下鋼軌軸向應力沿路線走向的分布曲線見圖7。

圖7 不同膨脹率時鋼軌軸向應力分布曲線

由圖7可知：

1）膨脹區域內鋼軌呈受拉狀態，非膨脹區域呈受壓狀態，表明膨脹區域的鋼軌發生上拱后，鋼軌單元應力狀態逐漸由弱壓應力狀態向拉應力狀態轉化，同時由于上拱鋼軌拱腳處的擠壓作用，導致拱腳處鋼軌單元壓應力產生一定程度的增大效應。

2）鋼軌上拱段拉應力峰值也出現在拱腳處，隨著鋼軌由非上拱段向上拱段的發展，拱腳處出現拉壓應力突變，路堤側最大拉壓應力差為19.61 MPa，隧道側最大拉壓應力差為17.91 MPa。膨脹區域內隧道內部的鋼軌拉應力略高于隧道外部，這與鋼軌上拱位移的變化規律類似，表明從純路堤段過渡到隧道段后，由于受到隧道圍巖較大的上覆荷載抑制作用，路基膨脹層位的膨脹擴散范圍較為有限，而在開挖部分的隧道仰拱范圍內膨脹上拱阻礙作用較小，使得膨脹上拱集中于隧道范圍內發生，因此隧道內部膨脹區域的鋼軌上拱位移較大，鋼軌內部軸向拉應力也較隧道外大。

膨脹率0.10%的鋼軌軸向應力分布云圖見圖8。可知，沿路線走向鋼軌的軸向應力變化較大，在膨脹區域邊界鋼軌拉壓應力突變明顯，隧道側鋼軌拉應力與路堤側基本相同，而壓應力明顯小于路堤側。

圖8 膨脹率為0.10%時鋼軌軸向應力云圖（單位：Pa）

2.2 路基響應分析

基床底層發生膨脹變形后，造成無砟軌道路基各結構層均產生相應的豎向位移。路基豎向位移不僅在豎向和水平向呈現不同的分布規律，在路堤側和隧道側也存在較大分布差異。

不同膨脹率時路基豎向位移沿路基中心的豎向切片云圖見圖9。

圖9 不同膨脹率時路基豎向位移豎向切片云圖（單位：m）

由圖9可知：膨脹區域的上部路基結構層豎向位移較大，且在隧道洞口區域豎向位移最大，這與鋼軌的上拱位移變化規律相對應，也表明隧道洞口附近是過渡段路基上拱病害發展最嚴重的區域?？紤]到隧道洞口是路隧過渡段從普通路基過渡到隧道內仰拱整體式混凝土路基的關鍵部位，也是列車高速進出隧道的危險部位，因此施工過程中需要對洞口處的路基填料選用和地基處理進行嚴格把關，以防止后期出現較為嚴重的路基上拱病害。

膨脹率為0.10%的路基豎向位移沿軌頂高度的水平向切片云圖見圖10?？芍号蛎泤^域內自進入隧道洞口后從拱腳位置開始，無砟軌道寬度范圍內的上拱位移受到明顯的抑制作用。在膨脹區域邊緣，路堤側路基膨脹范圍向外擴散較大，而隧道側膨脹范圍在無砟軌道區域內受到較大抑制作用，而在隧道圍巖區域內受到的抑制作用較小。

圖10 膨脹率0.1%時路基豎向位移水平向切片云圖（單位：m）

3 結論

1）隧道外基床底層路基填料內部膨脹礦物蒙脫石含量較高，同時該層含水率較高，兩者相互作用后產生膨脹；隧道內仰拱下部基巖膨脹性較強，在遇到較為豐富的基巖裂隙水后產生膨脹。

2）隧道內部的鋼軌上拱位移和軸向拉應力均高于隧道外部，且在隧道洞口位置出現較短范圍的漸變。同時為使鋼軌上拱不超過規范限值4 mm，路基膨脹率不得超過0.09%。

3）路基豎向位移在隧道洞口區域上拱位移最大。隧道內無砟軌道寬度范圍內自兩側拱腳位置上拱位移受到較大抑制作用，且隧道側無砟軌道的膨脹范圍擴散也受到較強抑制作用。

4）隧道洞口是路隧過渡段的關鍵區域，無砟軌道的上拱位移和應力都會發生較為明顯的變化，施工過程中洞口區域的路基填料選用和地基處理需嚴格管控。