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

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001)

0 引言

無砟軌道是鐵路建設(shè)中軌道結(jié)構(gòu)型式的發(fā)展趨勢，我國正在大力興建以無砟軌道為主的各類鐵路，但由于長大隧道地質(zhì)條件的復雜性，近年來部分已建隧道出現(xiàn)了無砟道床病害。無砟道床病害產(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)生原因是復雜的。

新建鐵路蘭州至重慶線蘭州至廣元段（簡稱“蘭渝線”），隧道工程集中，長大隧道比例較高，其中木寨嶺隧道全長19.1km，為雙洞單線隧道，地理位置特殊，地形、地質(zhì)條件異常復雜，特別是隧道穿越嶺脊段圍巖擠壓破碎、高地應力條件下大變形更為嚴重。運營期間無砟軌道產(chǎn)生病害整治將非常困難，同時進行病害整治將嚴重影響線路運輸和運營安全。對木寨嶺嶺脊地段巖性差、地應力高、軟巖大變形地段調(diào)整為鋪設(shè)有砟軌道，確保蘭渝鐵路運營安全、暢通是非常必要和科學合理的。

1 隧道內(nèi)無砟軌道結(jié)構(gòu)

木寨嶺隧道設(shè)計采用CRTSⅠ型無砟軌道結(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)間無縫線路；道床采用C40 鋼筋混凝土現(xiàn)場連續(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)計為極高風險隧道，地質(zhì)情況極其復雜，二疊系板巖巖性軟弱、圍巖強度低而原始地應力較高，尤其是嶺脊地段極高地應力造成初期支護反復破壞、出現(xiàn)較長段落襯砌開裂及仰拱上鼓，實屬國內(nèi)罕見，使施工安全和結(jié)構(gòu)運營安全面臨極大的挑戰(zhàn)。

2.1.1 地應力狀況

勘察設(shè)計期間在兩個深孔鉆探中進行了地應力測量，施工期間又在洞內(nèi)兩個鉆孔中進行了地應力測量，測得地應力最大水平主應力可達27.16MPa；施工單位委托中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所在隧道尚未貫通里程段的北段和南段分別進行了3 組鉆孔水壓致裂地應力測量，測得北段最大水平主應力為38.38MPa，南段最大水平主應力為35.68MPa。木寨嶺隧道區(qū)域地應力場是歷次構(gòu)造運動應力場的疊加，同時受地震等其他因素的影響，導致地應力場的分布復雜、多變，處于應力大小及方向變化不規(guī)律、薄層擠壓破碎狀態(tài)這一復雜的地應力環(huán)境中。

2.1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復雜

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，巖石及破碎巖體強度軟弱、承載能力低。

2.1.4 區(qū)域內(nèi)地震活動強烈

木寨嶺隧道位于我國南北強震帶，是地震多發(fā)、頻發(fā)、活動最強烈區(qū)域之一。歷史地震活動十分頻繁，其活動的主要特征是集中性很高。有地震記載以來，本帶共發(fā)生M≥4.7 級地震197 次，其中2011年11月2日岷縣禾馱鄉(xiāng)4.5 級和2013年7月22日岷縣6.6級震中均位于木寨嶺隧道出口梅川鎮(zhèn)，對隧道影響較大。

2.1.5 變形及基礎(chǔ)沉降監(jiān)測

通過對木寨嶺隧道嶺脊地段變形監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，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)時間長”的突出特點。

2.2 無砟軌道基礎(chǔ)變形的適應性

2.2.1 有砟軌道與無砟軌道技術(shù)特點對比

（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。其缺點在于：

一是有砟軌道不均勻下沉，易產(chǎn)生嚴重的軌道激振，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；

三是道床橫向阻力較小，不利于無縫線路的穩(wěn)定性；

四是道砟粉化嚴重，當行車速度較高時，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；

六是運營過程中養(yǎng)護維修工作量較大。

（2）無砟軌道整體性強，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)護維修量較低。其缺點主要有：

一是初期投入大，造價較高；

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；

四是對線下基礎(chǔ)變形適應性差，線下基礎(chǔ)變形后整修困難，修復時間較長，代價較高，因而對線下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高。

2.2.2 無砟軌道對基底變形的適應性差

現(xiàn)場施工中無砟軌道采用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，當隧道基底變形引起的無砟軌道變形量不超過扣件調(diào)整量時，可通過調(diào)整扣件進行軌距、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)整無法適應線下基底的變形。

2.2.3 無砟軌道可維修性差

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

表1 線路無砟軌道平順度鋪設(shè)精度

木寨嶺隧道采用的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道為連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土整體式道床板，如果運營過程中基底發(fā)生較大的變形，就會導致道床板與墊層發(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。

木寨嶺隧道嶺脊段基底情況復雜，鐵路運營期間如發(fā)生較大變形，勢必將導致無砟軌道產(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，地應力極高且復雜，越嶺大埋深段出現(xiàn)了長段落的二襯開裂、仰拱上鼓等病害。無砟軌道建成后，一旦出現(xiàn)較大的線下基礎(chǔ)變形，無法通過扣件調(diào)整，只能進行拆除重建，維修周期長，代價巨大。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，將嶺脊地段軌道結(jié)構(gòu)型式進行調(diào)整，由原設(shè)計的無砟軌道改為傳統(tǒng)的有砟軌道，以確保運營安全和暢通，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高即調(diào)整設(shè)計坡度，另一種方案是軌頂標高不變即設(shè)計坡度不調(diào)整而對軌下結(jié)構(gòu)調(diào)整。

3.1 抬高軌頂標高

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

3.2 軌下結(jié)構(gòu)調(diào)整

設(shè)計坡度不變而通過調(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。

通過對比上述兩種方案（見表2），取消無砟軌道基礎(chǔ)墊層，利用原設(shè)計的30cm 無砟軌道基礎(chǔ)墊層空間，即可滿足有砟軌道高度要求。不改變設(shè)計坡度，線路標高不變，充分利用無砟軌道基礎(chǔ)墊層空間，對嶺脊段的軌道結(jié)構(gòu)型式進行調(diào)整是可行的。

表2 無砟軌道隧道與有砟軌道隧道軌下結(jié)構(gòu)對比表

4 嶺脊段軌道結(jié)構(gòu)型式調(diào)整方案

根據(jù)木寨嶺隧道地應力和構(gòu)造分布情況、巖性差別、基礎(chǔ)沉降監(jiān)測情況，結(jié)合變形特點及病害分布情況，將木寨嶺隧道地應力高、巖性差、構(gòu)造復雜的DK177+200～DK182+580 調(diào)整為有砟軌道，其余段落仍按無砟軌道施做。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。為減少運營過程中工務部門在長大隧道內(nèi)對有砟道床進行維修養(yǎng)護的工作量，延緩道砟粉化，線路采用一級道砟，并進行水洗。軌枕采用2.6m長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 長輔助軌，其中無砟軌道區(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。在隧道進出口無砟軌道一側(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

無砟軌道按設(shè)計使用壽命期內(nèi)一般僅需進行日常的維修，而有砟軌道在運營過程中需要周期性進行道砟搗固、清篩、起撥道、補砟、動力穩(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，中修周期以累計通過總重3～4 億噸。蘭渝線預測 運 量2020年 貨 運5400 萬 噸，客 車34 對，2030年 貨 運7000 萬噸，客車47 對，總列車對數(shù)分別達到94 對、122對，行車密度較大。按通過總重計算，約每5～10年要進行一次有砟道床清篩，作業(yè)量較大，作業(yè)時間長。木寨嶺隧道內(nèi)有砟軌道采用人工養(yǎng)護作業(yè)無法滿足要求，采用機械作業(yè)內(nèi)燃機排放的煙塵和作業(yè)產(chǎn)生的粉塵對工作人員健康影響較大，作業(yè)條件惡劣。

6 結(jié)語

蘭渝線木寨嶺隧道嶺脊地段工程地質(zhì)條件極為復雜，施工過程中高地應力軟巖大變形現(xiàn)象極為突出，同時考慮到隧道變形持續(xù)時間長，流變變形可持續(xù)至運營后，并易導致運營期產(chǎn)生隧道隧底病害問題，因此隧道嶺脊段無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)計坡度，對隧道基礎(chǔ)墊層進行調(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)護維修、減少軌道型式頻繁變化等為綜合考慮。