高速鐵路路基沉降病害整治技術研究

范會新

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧 大連 116000）

1 引言

為滿足高速鐵路安全舒適的基本要求，必須保證高速鐵路路基具備一定的穩(wěn)定性。但由于長期遭受高速荷載以及環(huán)境作用，難以避免路基產(chǎn)生沉降變形，對于高速列車的安全性而言是較大的威脅。本文結(jié)合我國高速鐵路特點，研究高速鐵路路基沉降的整治方法。

2 有限元模型

軌道板基床表層和支撐層相互接觸面的脫空是本文重點研究的病害內(nèi)容。本文通過有限元軟件進行了建模處理，建立的結(jié)構模型包括四層，既無砟軌道板，砂漿，支撐以及基床表層，以分析在靜力荷載的作用下，模型的內(nèi)力還有位移的變化。

對于無砟軌道板而言，鑒于其特殊的柔性基層表面以及剛性支撐層結(jié)構，若有不均勻沉降發(fā)生在路基，將會導致基層表面和支撐層發(fā)生脫空，致使支撐作用散失，而因為無砟軌道板和支撐層在其結(jié)構中擔任承力對象，其幾何尺寸在動荷載的高速作用下將會發(fā)生變形，若變形較為嚴重，將會導致斷裂等病害發(fā)生在軌道板。

根據(jù)調(diào)查表明，在基床表層處產(chǎn)生較多病害的區(qū)域為支撐層的伸縮縫處，因此本文在建模時對脫空病害的位置進行了兩方面的考慮：支撐層中間位置底部以及支撐層伸縮縫位置底部。結(jié)合我國規(guī)范里所限制的路基不均勻沉降量在15mm以內(nèi)，本文通過仿真分析發(fā)現(xiàn)當沉降范圍較小時的應力及位移最大值變化較小。因此本文在建模時設定15mm為基床表層的不均勻沉降值，重點分析上部結(jié)構內(nèi)力以及位移和脫空長度之間的關系，軌道和路基結(jié)構有限元模型如圖1所示。

圖1 軌道和路基結(jié)構有限元模型

3 靜力影響分析

3.1 支撐層中間部位脫空對各層結(jié)構的靜力影響分析

本文模擬支撐層中間部位脫空病害采取的是結(jié)構缺陷的方式，共分為六種工況，加載荷載為300kn的單軸雙輪列車，分析高速鐵路路基各層結(jié)構與基床表層和支撐層局部脫空之間的關系。

（1）軌道板在荷載作用下的應力及位移變化規(guī)律

表1 軌道板應力及位移數(shù)據(jù)表

從表1中可知，軌道板在不同脫空長度下的橫向拉應力以及位移的變化均較小，但具有較大的縱向拉應力變化。應力的增幅在1m的脫空長度下較大，為1.5倍的軌道板正常狀態(tài)縱向應力，縱向應力的最大值在2m的脫空長度下為正常狀態(tài)的兩倍，當軌道板承受較為高速的動荷載時將會使其產(chǎn)生一定的破壞，因此可得出結(jié)論在支撐層的脫空長度達到1m以上時，需及時對其進行整修，避免在高速荷載的作用下基床表層處的脫空不斷增大，最后導致安全事故的發(fā)生。

（2）支撐層最大應力與位移變化

表2 支撐層應力及位移數(shù)值表

從表2可知，軌道板支撐層位移僅有較小的變化幅度，但當其脫空長度達到1m時的縱向最大拉應力數(shù)值為1.27倍的支撐層在正常狀態(tài)下的縱向應力，縱向最大拉應力數(shù)值在1.5m脫空狀態(tài)下為1.45倍的支撐層正常狀態(tài)縱向應力，縱向最大拉應力數(shù)值在2m脫空狀態(tài)下為1.56倍的支撐層正常狀態(tài)縱向應力。在上部結(jié)構的作用下支撐層下部受拉而上部受壓，在支撐層下部有最大應力值，因此若其應力產(chǎn)生較大的變化，將會導致軌道板的下部產(chǎn)生開裂，影響軌道整體受力。

對砂漿層在荷載作用下的應力及位移變化分析結(jié)果顯示：砂漿層的應力以及位移變化均較小，主要是由于砂漿層結(jié)構具有較好的彈性，緩沖作用較好，因此可推論荷載作用下砂漿層若處于較完好狀態(tài)時能較好的保持其性能。

通過對上述對模型的試驗分析可知，當有脫空病害發(fā)生在基床表層和支撐層時，主要受較大影響的是軌道板以及支撐層，對砂漿層的影響不大；定量分析可知，若其脫空長度為1m時，軌道板以及支撐層具有較大的拉應力變化，因此可知當脫空長度為1m時需采取措施進行整修，不然將會使結(jié)構隨著脫空長度的增加在高速的動荷載作用下發(fā)生斷裂，影響運營安全。

3.2 支撐層伸縮縫位置脫空對各層結(jié)構的靜力影響分析

若有不均勻沉降發(fā)生，基床表層容易在水和列車的作用下產(chǎn)生翻漿冒泥，導致結(jié)構脫空。因此需考慮軌道板結(jié)構在支撐層伸縮縫位置出現(xiàn)脫空病害時的內(nèi)力以及位移影響。

同上述實驗，在支撐層伸縮縫處若有脫空病害出現(xiàn)時對各層結(jié)構進行靜力分析，所得結(jié)果表明其程度將遠大于脫空病害出現(xiàn)在基層表層中間區(qū)域時的情況，該種脫空病害對結(jié)構的內(nèi)力以及位移均有較大的影響。定量分析可知：若有0.8m的脫空長度產(chǎn)生時，軌道板及支撐層具有較為強烈的拉應力變化，并且伴隨著不斷增加的脫空長度，結(jié)構的應力也在加倍的變化，其值數(shù)倍于正常狀態(tài)，位移也如此，該種狀態(tài)下的軌道板在高速動荷載的作用下將會有較大的變形，嚴重可導致軌道板斷裂，影響行車安全性。因此可知，當伸縮縫處有0.8m的脫空長度產(chǎn)生時，應及時進行整治，否則隨著脫空長度的增加，將會導致軌道板處應力及位移的變化不斷增大。

4 病害整治技術

基于上述分析可知，路基上部軌道的內(nèi)力以及位移會隨著路基的不均勻沉降發(fā)生變化，為滿足軌道的平順性要求，對于某些僅具有較小沉降的軌道結(jié)構，通常采取將扣件松開之后重新增加墊板的措施進行彌補。但對于某些具有沉降較為嚴重的路段，即使將扣件進行了極限調(diào)整，仍無法滿足軌道平順性的要求。因此，為使安全性得到保障，不得不采取限速措施，然而該種措施與高速鐵路高速度的標準有所背離。在該種條件下，如何確保軌道在路基沉降影響下的平順性成為急需解決的問題，研究表明確保軌道的平順性需從根本出發(fā)解決沉降病因，并使軌道平順性有所恢復，才能使高速鐵路符合更快以及更安全的要求。

高速鐵路路基沉降病害的整治主要有兩方面的內(nèi)容： （1）加固沉降病害部位，本項目采取鉆孔注漿加固技術； （2）修復軌道板由于路基沉降所導致的標高變化。在本項目中，針對軌道板較大高程變形的病害，主要采取機械抬升結(jié)合注漿填充的方法進行病害整治。

4.1 加固方案

為使基床的不均勻沉降以及翻漿冒泥現(xiàn)象有所減少，以使整治和強化效果更加顯著，必須在本質(zhì)上使路基沉降的因素得到消除，可從加固軟弱土層的方面進行，使得地基強度有所提高。在本項目中，主要采取在沉降病害部位進行設置高壓旋噴樁以及花管注漿的方案進行注漿加固，具體如圖2所示。

圖2 路基注漿加固施工流程示意圖

4.2 機械抬升結(jié)合注漿填充方案

對于無法通過調(diào)整扣件以恢復軌道結(jié)構的沉降變形，本項目主要采取機械抬升結(jié)合注漿填充的整治方案。該技術方案主要是在支撐層兩側(cè)下部安放頂升設備，將支撐側(cè)、CA砂漿層以及軌道板以計算所得的抬升量進行整體抬升，再在支撐層底部的空隙中注入注漿材料，從而使得軌道標高得以修復，路基基床表層的高程得以保持。在采用頂升設備進行抬升時，軌道結(jié)構的高程采用液力壓差傳感器進行測量，以使得上部軌道結(jié)構的抬升得到精確的控制，保障軌道高程符合規(guī)定要求。同時在被抬升的支撐層底部的空隙中注入速凝材料，以較短的時間恢復通車。機械抬升結(jié)合注漿填充施工如圖3、圖4所示。

圖3 機械抬升結(jié)合注漿填充施工示意圖

圖4 機械抬升結(jié)合注漿填充施工工藝流程圖

5 結(jié)語

通過因不均勻沉降而導致的脫空病害模型分析可知，軌道板內(nèi)力以及位移在支撐層伸縮縫的底板位置有脫空病害產(chǎn)生時的變化，比起脫空病害在其中間區(qū)域產(chǎn)生時更加劇烈。因此可得出結(jié)論，需特別注意支撐層伸縮縫下方位置有脫空病害產(chǎn)生時的情況，若有該種病害產(chǎn)生時應及時進行整治，以保證行車安全。