川藏铁路活动断层区域轨道结构设计方案研究

刘启宾

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

川藏铁路昌都至林芝段为设计速度目标值200 km/h的客货共线铁路，沿线高原寒冷、线外交通设施薄弱，且局部穿越了无人区，养护维修条件极为恶劣[1-3]。为减少线路的养护维修工作量，正线以采用少维护的无砟轨道为主。本项目沿线位于青藏高原东南隅，是印度板块与欧亚板块碰撞核心带，新构造运动活跃、地震频繁且强烈，存在3个一级构造、7个二级构造单元，线路穿越了4条具有活动性的活动断裂带，其预估最大错位量均大于1 m，其中嘉黎活动断裂最大水平错位量为5～6 m，最大垂直错位量为2～3 m。现有无砟轨道一旦成型，则轨道线形仅能通过扣件调整，一旦基础错动量超过扣件调整能力，则需要拆除重建或采用基础纠偏措施，工程实施难度大且代价高，不适用活动断层等基础稳定性差的区域[4-5]。有砟轨道线形调整简单、便捷，但本项目养护维修条件极为恶劣，在正线以铺设无砟轨道为主的情况下局部采用有砟轨道，存在日常维护工作量大、作业环境差等缺点，不适用本项目特殊的工程与环境条件[6-8]。

针对上述问题，结合本项目沿线工程与环境特征，提出了川藏铁路活动断层区域轨道结构设计需求，并基于对既有不良地质区域轨道结构应用的调研分析，提出川藏铁路活动断层区域轨道结构设计方案，为活动断层区域轨道结构设计提供指导。

1 现有应用技术及对本项目适应性分析

活动断裂带区域铁路选线以应尽量绕避活动断裂为主，必须穿越时，应选择稳定性相对较好地段或者岩质较硬区域通过。目前活动断层区域轨道结构以采用有砟轨道为主[9-11]，如京唐客专穿越夏垫断裂、大张高铁穿越天镇—阳高盆地北缘断裂、成兰铁路穿越活动断层区域等。个别正线以铺设无砟轨道为主的项目，在活动断裂带等不良地质区域采用了特殊设计方案，以降低运营期养护维修工作量。典型的有可调式框架板、宽枕板式固化道床、聚氨酯固化道床等，各方案的特点及其对本项目工程环境的适应性分析如下。

1.1 可调式框架板

西安分布多条地裂缝，具有缓慢的持续变形特征，在地裂缝区域采用了可调式框架板[12-13]。该结构道床板采用预制预应力框架结构，当基础错动量超过扣件调整能力时，可将框架板抬升，并在板下放置调高垫块即可完成轨道线形的调整修复。该结构理论上高程调整量不小于500 mm，水平调整量不小于84 mm，能够适应地裂缝区域地层持续性缓慢错动的调整，且运营期养护维修工作量少。但该结构仅地铁中应用，对本项目为200 km/h客货共线铁路设计标准的适应性需要进行研究分析。

1.2 宽枕板式固化道床

乌鲁木齐地铁1号线穿越了具有瞬时空间大变形活动特征的断裂带，采用了宽枕板式固化道床轨道结构[14-16]。该结构采用单向预应力的小板结构，便于基础错动后的调整，基础错动后可根据调线调坡结果在板与固化道床之间填充快速修复材料，达到快速修复、恢复行车的目的；道床采用聚氨酯材料固化，可避免道砟粉化，降低运营期的养护维修工作量。该结构与可调式框架板类似，也仅在地铁中进行了应用，对本项目设计标准及工程环境的适应性需要进一步研究分析。

1.3 聚氨酯固化道床

济青高铁正线采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，在潍坊北站与高密北站之间的局部路基地段穿越活动断裂带区域采用了聚氨酯固化道床结构[17]。该结构在已稳定的道床内灌注聚氨酯固化材料，使道床固结成整体，且具有一定的弹性，可避免道砟颗粒粉化，降低运营期养护维修工作量。但济青高铁采用的是现浇聚氨酯固化道床，聚氨酯材料发泡效果受温度、湿度影响较大，在温度较低的情况下其发泡效果较差。本项目沿线处于寒冷地区，如采用此种现浇结构存在施工质量控制难度大、道床固化效果差的情况。

综合分析，在川藏铁路活动断层区域直接采用现有特殊设计方案均存在一定的问题，为避免局部采用有砟轨道养护维修工作量大、作业环境差的问题，应进行能够满足川藏铁路活动断层区域设计需求的轨道结构形式研究。

2 活动断层区域轨道结构设计方案研究

2.1 活动断裂带区域轨道结构设计需求分析

据评估，本项目穿越的活动断裂带以地震诱发基础突发性错动变形为主，暂未发现具有蠕动变形特征，即活动断层区域通常情况下基础是稳定的，在地震时可能出现瞬时空间错动。

在活动断层区域，为便于基础错动后轨道几何形位的调整，轨道结构应具备易调整、可修复的基本功能。考虑到本项目沿线构造运动活跃，活动断层在生命周期内发生错动的概率高，但发生错动的周期相对较长，如在活动断层区域局部采用可灵活调整的有砟轨道，则存在日常养护维修量大、作业环境差等突出问题。因此，本项目活动断层区域轨道结构还应具备少维护的需求。

综合分析，本项目活动断层区域轨道结构应具备易调整、可维修、少维护的基本功能需求。

2.2 活动断裂带区域轨道结构设计方案研究

结合川藏铁路活动断层区域轨道结构设计需求，目前已开始针对活动断层区域进行轨道结构设计方案的研究，典型的方案有装配式聚氨酯固化道床、短板式无砟轨道、高低可调式无砟轨道、梁式无砟轨道等4种。

(1)装配式聚氨酯固化道床

针对既有现浇聚氨酯固化道床施工工序复杂且受外界环境因素干扰大、对本项目工程与环境条件的适应性差的问题，研发了预制装配式聚氨酯固化道床轨道结构。该结构由钢轨、扣件、预制装配式聚氨酯固化轨枕及细石混凝土调整层[18-20]等组成，如图1所示。

该结构将轨枕与枕底道砟在工厂内采用聚氨酯材料固化成一体，并运抵现场铺设，可实现结构的工厂化预制、装配式施工以及单元化维修。

相比于既有无砟轨道，装配式聚氨酯固化道床可实现基础错动后轨道结构的便捷调整、修复，且运营期养护维修工作量与无砟轨道相当。目前该结构正在进行线上试验段的测试与研究工作，后续可根据研究结果择机选用。

(2)短板式无砟轨道

既有无砟轨道道床板多采用连续结构、分段结构(分段长度50 m以上)和单元结构(板长6.5～19.5 m)，由于道床板较长，在基础变形时轨道线形调整难度大。因此，提出了短板式无砟轨道设计方案，该结构由钢轨、扣件、短板及板下自密实混凝土等组成，如图2、图3所示。

图2 短板式无砟轨道横断面

图3 短板式无砟轨道平面布置

该结构轨道板采用单元小板结构，板底通过限位凹槽/凸台限位，在基础错动量超过扣件调整能力时可将预制小板抬起，局部凿除自密实混凝土层，并按照调线调坡结果固定单元板，重新浇筑细石混凝土即可完成基础大变形的调整。

相比于现有无砟轨道结构，该结构调整简单、便捷，且运营期养护维修工作量与现有无砟轨道相当。目前该结构仅处于方案设计与结构检算阶段，后续可根据研究结果择机选用。

(3)高低可调式无砟轨道

针对既有无砟轨道一旦成型调整困难的问题，提出一种高低可调式无砟轨道，该结构主要由钢轨、扣件、预制轨道板、预制底座及限位凸台、高低可调弹性支座及细石混凝土底座等组成，如图4、图5所示。

图4 高低可调式无砟轨道结构模型

图5 高低可调式无砟轨道结构示意

该结构在底座板与道床板之间设置可调支座，预制板与限位凸台之间采用树脂材料填充，在基础错位量超过扣件调整能力时，可采用支座对高程进行调整、采用树脂材料对平面位置进行微调。

相比于现有无砟轨道，该结构具备易调整、可维修的能力，且运营期养护维修工作量与现有无砟轨道相当。目前该结构仅处于方案设计与结构检算阶段，后续可根据研究结果择机选用。

(4)梁式无砟轨道

针对川藏铁路实际工程环境条件，结合活动断层的活动特征，提出了一种梁式无砟轨道结构，该结构由钢轨、扣件、梁式轨道板、支座系统、支撑垫石等部分组成，如图6、图7所示。

图6 梁式无砟轨道平面

图7 梁式无砟轨道纵断面

该结构采用梁式点支承轨道板结构代替既有的连续面支承轨道结构体系，在基础工程变形后，一方面可以通过扣件和支座系统实现空间变形的快速便捷调整，增加基础变形后轨道的调整方式和调整量，另一方面，在基础出现大变形时，可以通过对可调式支座支撑垫石的快速凿除、恢复，实现对轨道结构的快速、便捷、低成本修复。

该结构运营期养护维修量小，且可根据基础错动量分别通过扣件、支座和支撑垫石实现三级空间调整，调整修复简单便捷，调整能力大。目前该结构仅处于方案设计与结构检算阶段，后续可根据研究结果择机选用。

综合以上分析可以看出，上述方案中装配式聚氨酯固化道床和短板式无砟轨道设计理念均是将道床设计为小单元预制结构，基础出现较大错动后采用道床进行调整，相比于普通无砟轨道采用道床或线下基础调整的方式较为简单；高低可调式无砟轨道及梁式无砟轨道设计理念均为采用点支撑代替传统的面支撑，基础出现较大错动后通过点支撑快速调整。下一步将对上述方案进行深化研究，并根据相关试验测试情况最终选择适用于本项目工程环境条件及活动断层区域的新型轨道结构形式。

3 结语

川藏铁路昌都至林芝段沿线构造运动活跃，活动断层分布段落多，局部采用有砟轨道存在养护维修难度大的问题。针对此问题，结合本项目沿线工程与环境特征，探明了川藏铁路活动断层区域轨道结构设计需求。基于对既有不良地质区域轨道结构应用情况的调研、分析与总结，提出4种川藏铁路活动断层区域轨道结构设计方案，分析了不同设计方案的结构特点并明确了其调整修复方式，凝练出活动断层区域轨道结构设计理念，为活动断层区域轨道结构深化研究指明了方向，也为川藏铁路活动断层区域轨道结构设计提供了指导。得出的主要结论如下。

(1)川藏铁路活动断层区域轨道结构应具备易调整、可维修、少维护的基本功能需求。

(2)现有不良地质区域轨道结构形式均不适用本项目工程环境条件或设计标准，应进行适用于本项目活动断层区域的新型轨道结构研发。

(3)川藏铁路活动断层区域可采用基于道床结构小单元化或基于点支撑设计理念的轨道设计方案，后续可根据试验结果对各方案调整、维修的便捷性进行综合评估并择优选用。