西北地区高速铁路路隧过渡段无砟轨道上拱原因分析

安元锋王梦田程建军李中国高丽

1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

伴随高速铁路的普及和长期投入使用，各类难以预测和避免的路基病害问题逐渐显现［1］，尤其是在一些特殊路段出现的路基病害，不仅严重影响高速铁路列车的安全运营，而且病害原因较为复杂，处置起来也较为困难。由于路基膨胀而引起的无砟轨道上拱病害成为高速铁路正常运营造成重大安全隐患［2-3］。国内外部分学者已经关注到高速铁路无砟轨道上拱病害的严重性，并已有少数学者开展了相关研究。文献［4-5］认为红层泥岩吸水膨胀是造成路基上拱变形的主要原因；文献［6-7］研究了高速铁路路基膨胀机理，并通过多种数值模拟方法研究了轨道上拱变化规律；文献［8］通过室内路基模型试验研究了膨胀岩土浸水膨胀后铁路无砟轨道路基结构的隆起变形特性。但现有研究成果主要集中在普通路基段上拱成因，部分学者仅对高速铁路过渡段中的路涵过渡段、路桥过渡段进行了上拱病害的研究［9-10］。而隧道过渡段由于其结构断面非常复杂，无论是现场监测布置还是数值模拟建模均存在极大困难，因此有关隧道过渡段的钢轨上拱病害研究鲜有开展。隧道过渡段由于山体开挖卸载、隧道内排水设施等多种原因，往往也存在洞口段钢轨应力分布不均、竖向位移变化不连续的问题。学者针对隧道内部的隆起病害进行了大量研究［11-17］，但对于路隧过渡段这种特殊区段的轨道上拱病害还少有研究。

为了解路隧过渡段上拱病害成因和路基上拱病害的发展规律，本文依托西北地区一高速铁路路隧过渡段无砟轨道上拱工点，开展为期三个月的现场监测工作，获得路隧过渡段实测上拱变化规律，同时现场取样进行室内试验确定上拱病害成因，通过有限元软件进行精细化建模得到路隧过渡段的钢轨上拱变化规律和路基膨胀变形规律，以期为有关高速铁路上拱病害的其他研究及实际工程中路隧过渡段上拱病害的整治提供一定的理论参考。

1 工程概况

2017年11月，高速铁路工务段在进行轨道精调小车静态数据采集时发现该路隧过渡段有两处疑似上拱，其上行线最大上拱位移分别为6.7、4.5 mm，下行线最大上拱位移分别为5.6、4.2 mm，均已超过高速铁路钢轨上拱可调节临界值4 mm。在对现场进行排查时发现，上拱段隧道内壁共有23处出现二次衬砌裂缝。

隧道区地质勘察结果显示，隧道岩性复杂，呈多角度不整合接触，且不整合接触结构面岩性较差，较破碎。隧道区地表水不发育，无常年性流水。地下水主要为基岩裂隙水，分布较广，含于基岩风化带、风化裂隙及构造节理裂隙中，水位和水量受季节降雨量影响明显。

1.1 现场监测

自精调小车发现疑似上拱后在该过渡段开始埋设监测点位并进行监测。监测范围总长为100 m，其中隧道内外各为50 m，共计布设11个监测断面，每个断面布设5个监测点位，分别位于左脚墙、左道床板、路中线、右道床板、右脚墙，现场监测点位布置如图1所示。

图1 监测点平面布置（单位：m）

截至2018年2月，共累计监测10期。各纵断面上拱监测曲线见图2。可知，路隧过渡段隧道内外均出现上拱位移峰值，其中直接接触并影响钢轨发生变形的左右道床板最大上拱位移为3.60、4.00 mm；而路中线路基护面结构上部不受钢轨、道床板、支撑层和列车荷载的压制作用因此其上拱位移最大，隧道外、隧道内最大上拱位移分别为6.20、6.89 mm，左右脚墙的上拱位移则较小，均在2.00 mm以内。

图2 各纵断面上拱监测曲线

监测期间，所有监测点的上拱位移均随时间呈现增长趋势，且截至监测结束，仍未收敛稳定。

1.2 室内试验

为确定该路隧过渡段的路基上拱病害成因，考虑到隧道内外无砟轨道均出现了上拱病害，因此在隧道外和隧道内上拱段分别进行了现场取样。隧道外选a、b两个点位，取样位置为路肩处，分别对基床表层、基床底层和地基进行了取样，取样完毕后随即进行了现场含水率的测试。隧道内选c、d、e三个点位，对仰拱下部不同深度处基岩进行取样。所有试样按照TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》［18］进行室内试验，测得有荷载膨胀率为0.057%～0.115%，其试验结果见表1。

表1 路隧过渡段取样室内试验结果

根据TB 10077—2019《铁路工程岩土分类标准》［19］的膨胀岩土评判指标和膨胀潜势分级标准，隧道外路基土为非膨胀土，但a、b两点基床底层的蒙脱石含量偏高，分别达到7.8%和10.7%，具有微弱的膨胀性。

现场含水率测试结果表明基床底层的现场含水率明显高于其他层位，a、b点分别达到15.94%和24.01%。隧道内仰拱下部基岩均为膨胀性岩土，且c、d、e点的蒙脱石含量和阳离子交换量均较高，按照TB 10077—2019判定为中强膨胀性。

1.3 上拱成因分析

隧道外发生上拱病害的原因为基床底层路基填料含水率较高，其中膨胀性矿物蒙脱石遇水后产生膨胀对隧道外部无砟轨道产生一定的上拱位移。隧道内仰拱下部基岩为中强膨胀性岩土，由于隧道内岩体岩性较差，节理裂隙较多，加之隧道施工过程中破坏了地下水原有平衡，在雨季地下基岩裂隙水较为充足时，造成具有较强膨胀性的隧道基底地层在遇水后产生不均匀变形，从而在部分地段引起仰拱及其上部无砟轨道变形。基岩膨胀造成隧道上部围岩应力增大是导致隧道内二次衬砌产生裂缝的主要原因。此外，隧道内仰拱下部岩体虽然膨胀性较强，但该部分岩体遇水膨胀产生的膨胀力受到仰拱底部填充的混凝土、仰拱衬砌以及上部围岩的抑制作用，并未使上部无砟轨道造成较大的上拱位移。仰拱下部具有较强膨胀性的基岩在较为充分的基岩裂隙水环境中发生膨胀后，在受到上部围岩和隧道仰拱多重抑制作用下对隧道内无砟轨道产生一定的上拱位移。

2 数值模拟

参照TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［20］、TB 10001—2016《铁路路基设计规范》［21］并结合现场实际情况，建立路隧过渡段三维有限元数值计算模型，进行路基膨胀分析。模型几何尺寸均参照设计资料，隧道部分模型建立采用双洞单线形式，如图3（a）所示。模型总长为106 m，其中外部纯路基段长度为56 m，隧道长度为50 m。根据现场监测情况设置膨胀区域总长为50 m，其中隧道外32 m，隧道内18 m，如图3（b）所示。隧道洞门采用斜切式。

图3 路隧过渡段计算模型（单位：m）

模型除顶面外均设置法向位移边界约束。模型各结构层之间设置法向和切向接触属性，法向设置摩擦因数为0.16，切向设置硬接触。模型均采用四面体网格进行划分，对无砟轨道钢轨进行局部网格加密。

模型各结构参数取用经验值，钢轨采用60 kg/m，100 m定尺长无螺栓孔新钢材，模型主要结构层参数见表2。

表2 模型结构层参数

隧道外膨胀层位设置在基床底层，隧道内膨胀层位设置在仰拱下部2 m深度范围内的岩层。结合线路实际情况及试验结果，设置膨胀率为0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%的5个膨胀工况进行对比分析。

当膨胀率为0.06%时，模型钢轨上拱值及分布情况基本与现场监测数据一致（图4），此时的膨胀率也基本与现场获取的试样载荷膨胀率0.057%一致。

图4 现场监测及数值模拟上拱位移分布

2.1 钢轨响应分析

2.1.1 钢轨上拱位移

路基膨胀层位发生膨胀后对上部无砟轨道支撑层和道床板产生一定的膨胀挤压作用，最终致使道床板上部钢轨产生一定的上拱位移。不同膨胀工况下钢轨顶部上拱位移沿路线走向的分布曲线见图5。可知：膨胀区域内的钢轨上拱位移最大，隧道内部的上拱位移整体大于隧道外部，且最大上拱位移出现在隧道内部，其值为4.56 mm。不同膨胀率时钢轨上拱位移分布曲线相似，且在路堤侧和隧道侧无较大差异。当膨胀率为0.09%时，钢轨上拱位移最接近高速铁路钢轨上拱可调节临界值4 mm。由于钢轨下部直接接触的路基结构层为道床板，道床板的上拱位移直接影响钢轨的变形，膨胀率为0.06%时钢轨最大上拱位移为2.7 mm，这与图2现场监测的左右道床板最大上拱位移3.6、3.2 mm较接近。

图5 不同膨胀率时钢轨上拱位移分布曲线

膨胀率为0.10%的钢轨上拱位移云图见图6。可知，膨胀中心区域钢轨上拱位移最大，钢轨整体呈抬升趋势上拱变形较为明显，膨胀区域两侧钢轨上拱位移逐渐减小，上拱变形也逐渐消失。

图6 膨胀率为0.10%时钢轨竖向位移云图（单位：m）

2.1.2 钢轨应力

路基膨胀层位产生膨胀后引起的膨胀力会逐级向上传递，致使钢轨内部产生不均匀变化的内部应力。不同膨胀工况下钢轨轴向应力沿路线走向的分布曲线见图7。

图7 不同膨胀率时钢轨轴向应力分布曲线

由图7可知：

1）膨胀区域内钢轨呈受拉状态，非膨胀区域呈受压状态，表明膨胀区域的钢轨发生上拱后，钢轨单元应力状态逐渐由弱压应力状态向拉应力状态转化，同时由于上拱钢轨拱脚处的挤压作用，导致拱脚处钢轨单元压应力产生一定程度的增大效应。

2）钢轨上拱段拉应力峰值也出现在拱脚处，随着钢轨由非上拱段向上拱段的发展，拱脚处出现拉压应力突变，路堤侧最大拉压应力差为19.61 MPa，隧道侧最大拉压应力差为17.91 MPa。膨胀区域内隧道内部的钢轨拉应力略高于隧道外部，这与钢轨上拱位移的变化规律类似，表明从纯路堤段过渡到隧道段后，由于受到隧道围岩较大的上覆荷载抑制作用，路基膨胀层位的膨胀扩散范围较为有限，而在开挖部分的隧道仰拱范围内膨胀上拱阻碍作用较小，使得膨胀上拱集中于隧道范围内发生，因此隧道内部膨胀区域的钢轨上拱位移较大，钢轨内部轴向拉应力也较隧道外大。

膨胀率0.10%的钢轨轴向应力分布云图见图8。可知，沿路线走向钢轨的轴向应力变化较大，在膨胀区域边界钢轨拉压应力突变明显，隧道侧钢轨拉应力与路堤侧基本相同，而压应力明显小于路堤侧。

图8 膨胀率为0.10%时钢轨轴向应力云图（单位：Pa）

2.2 路基响应分析

基床底层发生膨胀变形后，造成无砟轨道路基各结构层均产生相应的竖向位移。路基竖向位移不仅在竖向和水平向呈现不同的分布规律，在路堤侧和隧道侧也存在较大分布差异。

不同膨胀率时路基竖向位移沿路基中心的竖向切片云图见图9。

图9 不同膨胀率时路基竖向位移竖向切片云图（单位：m）

由图9可知：膨胀区域的上部路基结构层竖向位移较大，且在隧道洞口区域竖向位移最大，这与钢轨的上拱位移变化规律相对应，也表明隧道洞口附近是过渡段路基上拱病害发展最严重的区域。考虑到隧道洞口是路隧过渡段从普通路基过渡到隧道内仰拱整体式混凝土路基的关键部位，也是列车高速进出隧道的危险部位，因此施工过程中需要对洞口处的路基填料选用和地基处理进行严格把关，以防止后期出现较为严重的路基上拱病害。

膨胀率为0.10%的路基竖向位移沿轨顶高度的水平向切片云图见图10。可知：膨胀区域内自进入隧道洞口后从拱脚位置开始，无砟轨道宽度范围内的上拱位移受到明显的抑制作用。在膨胀区域边缘，路堤侧路基膨胀范围向外扩散较大，而隧道侧膨胀范围在无砟轨道区域内受到较大抑制作用，而在隧道围岩区域内受到的抑制作用较小。

图10 膨胀率0.1%时路基竖向位移水平向切片云图（单位：m）

3 结论

1）隧道外基床底层路基填料内部膨胀矿物蒙脱石含量较高，同时该层含水率较高，两者相互作用后产生膨胀；隧道内仰拱下部基岩膨胀性较强，在遇到较为丰富的基岩裂隙水后产生膨胀。

2）隧道内部的钢轨上拱位移和轴向拉应力均高于隧道外部，且在隧道洞口位置出现较短范围的渐变。同时为使钢轨上拱不超过规范限值4 mm，路基膨胀率不得超过0.09%。

3）路基竖向位移在隧道洞口区域上拱位移最大。隧道内无砟轨道宽度范围内自两侧拱脚位置上拱位移受到较大抑制作用，且隧道侧无砟轨道的膨胀范围扩散也受到较强抑制作用。

4）隧道洞口是路隧过渡段的关键区域，无砟轨道的上拱位移和应力都会发生较为明显的变化，施工过程中洞口区域的路基填料选用和地基处理需严格管控。