高速铁路跨越活动断裂带轨道结构选型

高增增

（中国铁路设计集团有限公司 线路站场枢纽设计研究院，天津 300308）

1 概况

活动断裂带在我国分布广泛，随着我国高铁建设的大规模开展，已有部分线路跨越活动断裂带影响范围。我国对活动断裂带区域铁路选线主要通过对活动断裂带的活动特征、年代、走滑等进行分析，评估对铁路工程的影响，提出通过活动断裂带的最佳方式、位置、工程设置类型及所采取的防护措施。主要设计原则为：线路应尽量绕避活动断裂带，必须跨越活动断裂带时，应选择稳定性相对较好地段或岩质较硬区域通过。线路不宜在活动断层上盘迂回展线，工程尽可能设置于下盘。

受活动断裂带影响，隧道仰拱等下部结构易随基础发生变形或错动，因此要求轨道结构应具有一定的变形调整能力及快速修复能力，能够在隧道仰拱等下部结构发生变形时，通过轨道结构调整，保证线路的平、纵断面和几何线形满足要求［1］。

TB 10621—2014《高速铁路设计规范》规定：“对于活动断裂带、地面严重沉降区、冻结深度较大且地下水位较高的季节冻土区以及深厚层软土等区域变形不易控制的特殊地质条件，不应采用无砟轨道”；TB 10082—2017《铁路轨道设计规范》规定：“活动断裂带、地面严重沉降区、冻结深度较大且地下水位较高的季节冻土区及深厚层软土等区域变形不易控制的特殊地质条件地段，宜采用有砟轨道”；铁路工程设计措施优化指导意见（铁总建设〔2013〕103号）规定：“活动断裂带、地面严重沉降区、冻结深度较大且地下水位较高的季节性冻土区及深厚软土等区域变形不易控制的特殊地质条件地段，不应采用无砟轨道结构”。

2 轨道结构选型

2.1 选型原则

活动断裂带断层发生运动时，会造成隧道仰拱等下部结构发生横向和（或）垂向错动，从而引发轨道结构发生变形、伤损和轨道平顺性超限，影响行车舒适性，严重时影响行车安全。为尽量减小活动断裂带影响，活动断裂带范围轨道结构选型应遵循以下原则［2-3］：

（1）结构安全可靠：即轨道结构选型的基本原则。

（2）较强的适应性：轨道结构应尽量与线下基础变形相协调，避免过大的变形能积聚于轨道结构，造成轨道结构伤损。

（3）足够的几何调整能力：当断层随时间发生蠕变导致轨道变形时，轨道结构可快速调整，保证线路的平、纵断面和轨道平顺性满足要求。

（4）施工简单方便、可修复性较好：当线下基础变形较大，无法通过扣件调整恢复轨道平顺性时，轨道结构应具备通过自身结构特点调整达到快速修复的能力。

2.2 有砟轨道

有砟轨道弹性好，在一定的维修质量条件下，具有较好的轮轨接触效应；轨道结构形式简单，便于养护维修，工程造价相对较低；且减振、降噪效果较好。但是，有砟轨道受其自身结构特点影响，不利于保持轨道结构的几何形位，道砟易磨损，养护维修工作量大，特别是在工务养护作业难度大的长大隧道内。受活动断裂带影响，下部基础易发生变形或错动，导致轨道结构变形，有砟轨道道床为碎石散粒结构，可通过调整道床厚度恢复轨道平顺性。有砟轨道具有变形适应性强、调整量大、易修复性等特点，应作为活动断裂带范围首选的轨道结构形式。在设计时速250 km及以下的线路，应优先采用有砟轨道。

京唐城际铁路北京—大厂设计时速200 km，跨越夏垫断裂带。为减小活动断裂带影响，下部基础采用路基结构，轨道结构形式采用有砟轨道。大张高铁设计时速250 km，天镇—阳高盆地北缘断裂与大张铁路相交于大梁山隧道出口段内，为减少该活动断裂带的不利影响，线路跨越活动断裂带段前后200 m范围，应优先采用有砟轨道。

当列车以时速300 km及以上运行时，有砟轨道将面临道砟粉化和道砟飞溅两大难题。研究表明，采取降低道床砟肩堆高、道床表面设置大颗粒道砟等技术措施，可有效防止高速列车运行下道砟飞溅现象。在合福高铁巢湖东站地基沉降严重地段铺设了有砟轨道，为适应时速300 km列车运营要求，在《高速铁路设计规范》有砟轨道结构标准基础上进行优化，取消堆肩堆高、表面铺设大颗粒道砟、清除散落在轨枕顶面和钢轨轨底表面道砟颗粒等，在联调联试期间，列车运行时速最高达328 km，未发生道砟飞溅。

2.3 无砟轨道

相对于有砟轨道，无砟轨道的结构整体性强，稳定性好，养护维修工作量和维修成本大幅度减少。但受扣件调高量限制，无砟轨道在线路水平、高低与方向上的调整量十分有限，下部基础技术要求非常高，因此其初期建设成本高于有砟轨道。同时，无砟轨道轨道弹性较差，振动、噪声较大，工程造价较高。受活动断裂带影响，下部基础易发生变形或错动导致轨道结构变形，一般只能通过扣件调整。无砟轨道扣件主要有WJ-7型和WJ-8型，扣件调整能力有限。如WJ-8型扣件，标准扣件横向调整量为±5 mm，垂向调整量为-4 mm、+26 mm。特殊调整扣件最大横向调整量为±15 mm，垂向调整量为-10 mm、+60 mm（钢轨垂向调整量超过40 mm时应限速200 km/h及以下运营）。特殊调整扣件在运营线路维修时采用，铺设后一般情况下使用时间为3年，超过3年进行专项评估。

2.3.1 结构特点

我国高速铁路无砟轨道类型主要有CRTSⅠ、Ⅱ、Ⅲ型板式无砟轨道和CRTS双块式无砟轨道等（见图1），其结构特点各有不同［4-6］。

（1）CRTSⅠ型板式无砟轨道。由60 kg/m钢轨、WJ-7型扣件、预制Ⅰ型预应力轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、钢筋混凝土底座、凸形挡台及其周围填充树脂等组成。轨道为单元结构，轨道板采用双向后张法预应力混凝土结构，避免了表面裂缝的发生，可适于东北严寒地区。简明层状体系拼装式设计，轨道系统力学模型清晰、传力明确。可维修性好，在轨道板破坏等特殊情况下，能通过采用树脂砂浆等措施在天窗时间内修复。

（2）CRTSⅡ型板式无砟轨道。由60 kg/m钢轨、WJ-8型扣件、预制Ⅱ型单向先张法预应力轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层及支承层（钢筋混凝土底座）等部分组成。轨道为纵连结构，轨道板端部变形小，结构整体性好。无砟轨道结构易出现裂缝，后期增加养护维修工作量。对严寒、寒冷地区的适应性较差。由于轨道板及桥上底座纵向连续贯通，底座易出现裂纹，轨道结构修复复杂。

（3）CRTSⅢ型板式无砟轨道。由60 kg/m钢轨、WJ-8型扣件、预制Ⅲ型先张法预应力轨道板、配筋的自密实混凝土层、限位凸形挡台、土工布隔离层和钢筋混凝土底座等部分组成。轨道结构简单、传力明确，便于施工，避免由于结构复杂造成工程质量不易控制。轨道结构各层匹配，无明显薄弱环节，保证轨道结构的耐久性。轨道为单元结构，轨道板采用双向先张法预应力结构，避免表面裂缝的发生，可适于东北严寒地区。采用单元结构，可维修性好。

（4）CRTS双块式无砟轨道。由60 kg/m钢轨、WJ-8型扣件（WJ-7型扣件）、SK-2型双块式轨枕（SK-1型双块式轨枕）、现浇道床板、钢筋混凝土底座（支承层）等组成。轨道结构简单、传力明确，便于施工，避免由于结构复杂造成工程质量不易控制。无砟轨道结构易出现裂缝，后期增加养护维修工作量。对严寒、寒冷地区的适应性较差。一般情况路、隧地段轨道结构纵连，可修复性差，桥梁地段采用单元式结构。路、隧地段轨道结构也可采用单元式结构。现场混凝土浇筑量大，施工质量不易控制，施工工效低。

不同类型无砟轨道结构特点对比见表1。

表1 不同类型无砟轨道结构特点对比

对于CRTSⅡ型板式无砟轨道与路隧地段CRTS双块式无砟轨道为连续结构，下部基础发生变形会造成轨道结构开裂或拱起，轨道结构养护维修工作量较大，适应性相对较差。CRTS双块式无砟轨道现场混凝土浇筑量大，施工质量不易控制。CRTSⅠ、Ⅲ型板式无砟轨道在路桥隧地段均采用单元结构，具有较好的修复性；CRTS双块式无砟轨道在跨越活动断裂带范围优先采用单元式结构［7-10］。

津秦高铁设计时速350 km，跨越卢龙断裂范围滦河特大桥采用CRTSⅡ型板式无砟轨道结构。考虑断裂带影响，无砟轨道在断裂带处40#墩上方梁面与底座间不设剪力齿槽，取消CRTSⅡ型板式无砟轨道与桥梁固定支座的固结，轨道结构配筋适度加强。

2.3.2 下部基础变形整治

下部基础水平变形超过特殊扣件调整能力时，结合线路、路基、隧道和桥梁等专业制定综合调整措施：

（1）调线调坡。对测量数据进行分析，根据高速铁路线路水平、高低与方向的调整量限值要求，进行纵断面调整。根据既有运营高速铁路纵断面调整经验，最小坡长不低于200 m，困难条件下可以降低标准，但应保证前1个竖曲线与后1个竖曲线不重叠。最小竖曲线半径Rsh≥0.4v2，竖曲线不受圆曲线及缓和曲线的限制，原变坡点竖曲线半径采用原设计值。

（2）桥梁支座调整。桥梁优先采用简支梁跨越活动断裂带，竖向变形主要通过轨道扣件和桥梁调高支座调整，采用在梁底增设钢垫板的形式调高，调高量为0~60 mm。

（3）路基注浆抬升。采用高压注浆设备将具有良好充盈性、快速凝结性及膨胀性等特点的高聚物注胶材料注入无砟轨道底座板下的级配碎石中，利用注浆压力及浆体的膨胀力，对上部轨道结构进行快速、可控地抬升，无砟轨道抬升至设计高程处采用早强、高强度的聚合物填充砂浆对抬升后产生的空隙进行完全填充，以保证轨道结构基础稳定，有足够的承载力，确保行车安全。无砟轨道注浆抬升是一种较成熟的路基沉降整治方案。

（4）无砟轨道绳锯纠偏。无砟轨道绳锯纠偏主要用于既有线无砟轨道病害整治，该方案主要通过绳锯切割无砟轨道，抬升或侧推恢复轨道线路平顺性，再恢复无砟轨道结构。该方案操作简单、施工速度快、对线路行车干扰小、但投资较高。

2.4 聚氨酯固化道床

聚氨酯固化道床是利用聚氨酯材料将散体道砟粘结起来，以增强轨道结构的弹性、整体性和稳定性，减少道砟粉化，尤其针对隧道、桥梁下部基础刚度较大的地段（见图2）。与有砟轨道散粒体结构不同，聚氨酯固化道床是固结的整体结构，在列车冲击、振动荷载作用下，道砟颗粒之间没有相对挤压、错动和残余变形，碎石颗粒之间的空隙被处于压缩状态的膨化氨酯所包裹和填充，起到缓冲作用，减小了碎石颗粒接触点（面）的接触应力，延缓了高速行车条件下道砟颗粒的破碎和粉化，延长了有砟道床使用寿命，减少了养护维修工作量。

图2 聚氨酯固化道床结构模型

聚氨酯固化道床采用的弹条Ⅴ型扣件，进行调高作业时，在轨下垫板与混凝土轨枕承轨面间垫入调高垫板实现钢轨高低调整。其中，普通型最大调高量为10 mm，横向调整量为4 mm；弹条V型大调整量扣件的调整量为+11~+50 mm，横向调整量为4 mm。当调高量大于上述扣件调高量时，需采用抬高轨枕的方法加以维修。将轨枕起至所需轨面标高后，枕底和聚氨酯泡沫固化道床顶面之间出现间隙，间隙内填入道砟，在补充道砟内灌注维修材料，使固化道床新旧结合面及轨枕粘结一体。抬高轨枕维修是一种非常规维修措施，在工程中的应用还需进一步研究。聚氨酯固化道床施工和养护比较复杂，需要专用设备。

聚氨酯固化道床是一种新型的轨道结构形式，已在相关工程中得到应用，如设计时速350 km的沪昆高铁，在北盘江特大桥采用聚氨酯固化道床，其联调联试时速330 km、运营时速300 km；设计时速350 km的济青高铁，在DK209+120—DK212+650里程段穿越沂沭断裂带安丘—莒县断裂，该断裂范围采用聚氨酯固化道床，为防止道砟飞溅，道床表面喷涂道砟胶；设计时速300 km的连徐铁路，采用聚氨酯固化道床，表面设置大颗粒道砟等技术措施，防止了道砟飞溅现象。

3 结论与建议

（1）针对高速铁路跨越活动断裂带特点，对轨道结构选型进行研究，有砟轨道具有变形适应性强、调整量大、易修复等特点，设计时速250 km及以下线路，优先采用有砟轨道。

（2）设计时速300 km及以上线路，为保证全线无砟轨道结构形式统一，在活动断裂带范围可采用单元式的无砟轨道结构；为避免下部变形对轨道结构的影响，轨道结构配筋适度加强。运营期间，当下部基础变形超过扣件调整能力时，可采取调线调坡、桥梁支座调整、路基注浆抬升等技术措施进行整治。聚氨酯固化道床是一种新型轨道结构形式，工程实践中的应用还需要进一步的研究。

（3）目前，常用的无砟轨道结构扣件最大调高量一般不超过70 mm，最大横向调整量在15 mm以内，有必要研究一种新型大调整量无砟轨道扣件系统。

（4）结合活动断裂带活动强度和特点，开展线路、桥梁、路基、地质和轨道多专业专项研究，并采取相应措施，对无砟轨道和下部基础结构进行特殊设计。对于下部基础设计，应采取预留调整措施。