引起高速鐵路軌道非構(gòu)造物原因的變形因素分析

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

以高速度、大密度為主要運(yùn)輸特點(diǎn)的高速鐵路對軌道變形和平順性要求極高，按照高速鐵路有關(guān)規(guī)范的要求，對于無渣軌道其變形尺度在毫米級，對有渣軌道的變形要求也很高[4]。近年來對于由于地下水開采等因素引起的軌道變形已經(jīng)逐步引起重視。但是由于線路所處的地殼及地表環(huán)境復(fù)雜、且有人工活動因素的存在，影響因素較多，有必要對此進(jìn)行系統(tǒng)分析和梳理。本文從第地質(zhì)角度對地質(zhì)、氣候等自然因素、人工等方面的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)既有文獻(xiàn)資料及經(jīng)驗(yàn)研究其特征及影響，在系統(tǒng)研究高速鐵路軌道變形及位移因素方面進(jìn)行初步探索。

引起高速鐵路軌道變形的原因可以歸結(jié)為橋隧路等構(gòu)筑物因素以及其他引起承載鐵路主體工程的地面產(chǎn)生位移或變形的自然及人為的因素，非構(gòu)造物因素歸納起來主要包括地質(zhì)、水文地質(zhì)、自然環(huán)境、人工等可以引起地表變形的各種原因。我國高速鐵路運(yùn)營及在建規(guī)模宏大，高速鐵路可能出現(xiàn)的變形可能對運(yùn)營及使用產(chǎn)生不利影響，因此，有必要對引起高速鐵路軌道變形的各種影響因素進(jìn)行分析和研究，以便在勘察設(shè)計(jì)施工期間采取相關(guān)措施、在運(yùn)營期間進(jìn)行監(jiān)測、防范和維護(hù)等。

1 引起高速鐵路非構(gòu)造物原因變形或位移原因的類型

引起地表變形或位移的原因，可以歸結(jié)為內(nèi)動力地質(zhì)作用、外動力地質(zhì)作用、氣候等自然因素、人為因素等，從對軌道變形的影響角度其基本特點(diǎn)如表1。

2 各種影響因素的基本特征及對軌道變形的影響

與軌道變形的地質(zhì)、氣候等自然因素、人為因素所涵蓋范圍很廣，特點(diǎn)差異巨大，產(chǎn)生影響的時(shí)間長短、范圍、強(qiáng)弱、可預(yù)防和預(yù)測性，以及可以采取的處理措施也顯著不同。

2.1 內(nèi)動力地質(zhì)作用

構(gòu)造運(yùn)動：由于地球內(nèi)部各種形式能量的存在、轉(zhuǎn)化、以及分布的不均衡，地質(zhì)歷史以致現(xiàn)今地殼運(yùn)動在持續(xù)進(jìn)行，精密觀測手段的進(jìn)步促進(jìn)了現(xiàn)代地質(zhì)、地震等學(xué)科對此的認(rèn)識。主要影響為新構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生，其特點(diǎn)是，表現(xiàn)為板塊或構(gòu)造單元之間的運(yùn)動——主要沿分劃性斷裂構(gòu)造發(fā)生、以及構(gòu)造單元內(nèi)部斷裂活動和整體升降運(yùn)動，對沖形式的二維運(yùn)動、平移運(yùn)動、以及單元內(nèi)部的升降運(yùn)動，構(gòu)造運(yùn)動多數(shù)在較長時(shí)間尺度發(fā)生，分布不均勻，通過長期的觀測結(jié)合地質(zhì)手段分析掌握和了解其量值和運(yùn)動特點(diǎn)。我國各區(qū)域分布眾多的活動性斷裂；區(qū)域性整體運(yùn)動跡象也明顯，如汾渭盆地內(nèi)依然多個(gè)封閉湖盆及封閉洼地等跡象[2,3]。

我國許多活動性斷裂在地震地質(zhì)方面有長期研究及資料積累，其對線路的影響最終表現(xiàn)為軌道變形及相關(guān)構(gòu)筑物的損壞，這種影響是持續(xù)的，有積累效應(yīng)，因此對于活動性斷裂在勘察設(shè)計(jì)階段已經(jīng)最大限度進(jìn)行規(guī)避及采取減少影響的工程措施。對于一定區(qū)域的升降運(yùn)動，其影響取決于速率和積累的幅度、特別是不同地段的變形差異，這種差異一種正是上述斷裂運(yùn)動的表現(xiàn)，另一種為緩變的升降運(yùn)動。

地震活動：以短時(shí)間地殼局部聚集的能量集中釋放為特征，往往表現(xiàn)為發(fā)震斷裂附近地層的錯(cuò)動或者一定范圍第四系的的變形，這種影響在勘察設(shè)計(jì)階段多已經(jīng)最大限度的考慮其影響，但由于人們對地震活動規(guī)律的掌握依然有限，其較大變形出現(xiàn)產(chǎn)生的時(shí)間、地點(diǎn)、幅度、性質(zhì)(垂直或水平)難以預(yù)料，有極大的突發(fā)性、偶然性、不確定性。對于人工因素產(chǎn)生的地震同樣如此。

火山活動：我國火山活動主要局限于西南、東北等幾個(gè)有限的范圍，且強(qiáng)度有限。火山活動對于地面變形的影響目前相關(guān)的知識有限，一般而言，火山機(jī)構(gòu)的管道的擴(kuò)大、變形、坍塌對附近地面可能產(chǎn)生一定影響，另一方面火山活動產(chǎn)生的熔巖流也可能對地面產(chǎn)生直接或間接影響。鑒于火山活動的巨大威脅，和其它人類活動一樣，一般在選線過程中已經(jīng)進(jìn)行了繞避。

2.2 外動力地質(zhì)作用

斜坡物理地質(zhì)作用：包括滑坡、崩塌、其他邊坡變形等形式的斜坡物理地質(zhì)作用，盡管其類型不同、發(fā)展階段不同表現(xiàn)形式各種各樣，但總體表現(xiàn)為斜坡機(jī)械性位移，進(jìn)而對附近通過的線路造成危害及影響。一般在勘察設(shè)計(jì)階段已經(jīng)按照不良地質(zhì)對問題進(jìn)行繞避和處理，運(yùn)營期間出現(xiàn)上述不良地質(zhì)影響的可能性極小，但仍需注意其對線路的影響。

巖溶相關(guān)的塌陷變形：巖溶地區(qū)由于巖溶溶洞溶腔發(fā)育、地下水的活動劇烈，導(dǎo)致部分溶洞內(nèi)松散物或第四系覆蓋層沖蝕流失，造成鐵路構(gòu)筑物所處地質(zhì)條件變化而產(chǎn)生變形和沉降，這種原因產(chǎn)生的變形一旦產(chǎn)生往往幅度較大，影響較大。通常與地表水系改變、地下水運(yùn)動條件變化以及長期潛蝕積累有關(guān)，與人類活動有一定關(guān)聯(lián)性。

巖性的特殊性質(zhì)引起的變形：巖土的膨脹性、濕陷性、等在特定條件下有可能造成軌道變形，對于膨脹性、濕陷性、溶解性、沉淀結(jié)晶性，必須是巖土由于降水、地表水滲入、蒸發(fā)、地下水變化等引起含水情況發(fā)生改變而產(chǎn)生，這些問題通常在勘察階段已經(jīng)查明并采取措施，對欠固結(jié)土也充分考慮了其強(qiáng)度及變形的影響。但由于高鐵對變形敏感，運(yùn)營期間新的條件變化可能產(chǎn)生不利影響。

其他外營力所致的地面變形：諸如風(fēng)化剝蝕產(chǎn)生的地面變形，極其緩慢，在工程年限一般不會產(chǎn)生有影響的變形。

表1 影響因素分類

2.3 自然因素

氣候變化：在高緯度地區(qū)、高海拔地區(qū)氣溫變化對地層凍融影響顯著，進(jìn)而對軌道產(chǎn)生影響，目前這方面的影響尚未顯現(xiàn)，也許表明其影響尚屬有限。

降水變化引起的含水狀況變化的影響往往通過上述巖性的特殊性質(zhì)引起的變形而產(chǎn)生影響。

降水是地下水位變化的主要原因之一，地下水位變化在大厚度第四系地層平原或盆地區(qū)對地面沉降的影響極為顯著，我國許多地區(qū)有豐富的資料積累，有很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。其對軌道變形的影響與沉降量及差異有關(guān)。

災(zāi)害天氣：超出正常氣候的暴雨、臺風(fēng)等極端天氣可能對線路存在潛在的影響。

其他因素：

2.4 人為因素

地下水開采及回灌：地下水開采的影響在我國許多平原區(qū)存在，其特點(diǎn)是經(jīng)歷長期的大規(guī)模開采，地下水位下降幅度巨大，第四系粘性土砂類土厚度巨大[1]。以西安為例，地面沉降累計(jì)幅度最大時(shí)到達(dá)2 m以上，在眾多基底構(gòu)造所控制的臺塬和洼地之間等地段，形成了一系列的地裂縫，在地下水開采量巨大的年份，這些地裂縫經(jīng)常錯(cuò)斷路面、管道、損壞建筑物，道路所形成的明顯錯(cuò)臺常影響車輛通行。地下水開采形成的沉降幅度較大，持續(xù)時(shí)間長，基本不可能恢復(fù)，但通過停止開采、回灌可以逐步讓沉降發(fā)展趨勢停止，沉降往往在很大范圍發(fā)生，而基底構(gòu)造控制的邊界地段、斷裂地段、地層差異地段明顯的沉降差，二者對軌道變形影響均較大，尤以后者明顯。

地表開挖堆填，地下采掘：線路附近較大幅度的開挖堆填可以產(chǎn)生側(cè)向位移，但一般這種行為受到檢控和預(yù)防。地下礦藏一般設(shè)置限采范圍，侵入開采屬于違法行為。

特殊人為活動：某些突發(fā)事件可能對線路造成影響，但是多限于短暫的局部的。

對各類因素的影響特點(diǎn)歸納于表2。

3 軌道變形非構(gòu)造物因素的研究的主要問題

影響軌道變形的因素很多，涉及廣泛、領(lǐng)域較多，部分需要進(jìn)行專門的工作，是保持高鐵安全正常運(yùn)行需要進(jìn)行的長期工作。在項(xiàng)目建設(shè)的不同階段已經(jīng)開展有關(guān)工作。從全面掌握軌道變形影響因素，查明其成因、為預(yù)防和處理提供依據(jù)的角度，需要關(guān)注以下問題：

(1)在監(jiān)測掌握軌道變形的同時(shí)，收集沿線既有地質(zhì)、地震、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、礦產(chǎn)礦山、工程建設(shè)及有關(guān)設(shè)施、氣象氣候等資料和成果，是系統(tǒng)分析研究軌道變形必不可少的基礎(chǔ)。

(2)全面系統(tǒng)分析研究影響軌道變形的各種影響因素和領(lǐng)域，理出不同地區(qū)、地段影響變形的主導(dǎo)因素，作為工作的重點(diǎn)。

(3)對于一條高鐵而言，往往需要工程地質(zhì)水文地質(zhì)、地震、氣象等部門的多領(lǐng)域合作，并根據(jù)主要影響因素開展專門工作。

(4)不同地區(qū)、地段主導(dǎo)因素不同，同時(shí)又存在多因素疊加、共同影響的問題，是工作的重點(diǎn)。諸如地下水開采引起的地面沉降、活動性斷裂變形和位移、巖溶塌陷或沉降已經(jīng)有一定程度的研究；我國地域遼闊，氣候差異巨大，對于因各種巖性的膨脹性、濕陷性、溶解性、沉淀結(jié)晶性等性質(zhì)在一定氣候等外部條件下的變化及可能產(chǎn)生的地面變形尚需要進(jìn)行深入研究。固體潮是近地天體月球、太陽產(chǎn)生的周期性地殼變形，直接影響地表變形、但其在地表的影響尺度巨大，與地殼構(gòu)造運(yùn)動有某種聯(lián)系，對于軌道變形的可能存在間接或直接的影響，需要進(jìn)行探索。

(5)我國地域遼闊、地質(zhì)、氣候等自然環(huán)境差異顯著，經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)烈，因此，對于不可避免的變形，需要研究采取合理方法和技術(shù)，針對性適應(yīng)和解決問題。

表2 各類因素影響方式及特點(diǎn)

4 結(jié)語

影響高速鐵樓軌道變形及平順性的因素很多，為了線路的長期安全運(yùn)行，有必要對各種影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。我國地域遼闊，不同地區(qū)影響軌道變形的非構(gòu)造物因素差異顯著，涉及范圍較廣，通過分析將影響軌道非構(gòu)造物變形的因素歸納為內(nèi)動力地質(zhì)作用、外動力地質(zhì)作用、氣候等自然因素、人為因素四個(gè)方面13種類型，各種類型在時(shí)間、位置、變形或位移方向、變形量及速率等各有特點(diǎn)。對于影響因素的研究有必要開展系統(tǒng)性工作并進(jìn)行相關(guān)主要因素進(jìn)行專門工作。