鐘志彬，李安洪，吳沛沛，鄧榮貴

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

高速鐵路軟巖路基運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)持續(xù)、不收斂的上拱變形，是近年來(lái)高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)面臨的又一個(gè)“新問題”。2010 年開通的鄭西高鐵在運(yùn)營(yíng)1 a 后，多處無(wú)砟軌道即出現(xiàn)上拱變形，最大超出設(shè)計(jì)高程90.07 mm[1]；2014年開通運(yùn)營(yíng)的蘭新高速鐵路也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多處泥巖路基區(qū)段出現(xiàn)超限上拱變形，最大上拱量超過(guò)52 mm，且沒有收斂跡象[2-4]。近年來(lái)，西南地區(qū)穿越紅層高速鐵路深挖路塹路基的上拱病害尤其突出，最為典型的是成渝客運(yùn)專線，內(nèi)江北站2段無(wú)砟軌道開通前上拱變形量就已超限，為此進(jìn)行了返工處理，線路開通運(yùn)營(yíng)后的5 a 期間，該區(qū)段路基依然持續(xù)上拱累積最大超過(guò)70 mm，導(dǎo)致列車不斷降速最后不得不再次返工處理[5-9]。西成客運(yùn)專線江油段、成貴高速鐵路宜賓段也在施工期或者運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)多處深路塹路基超限上拱病害。紅層占我國(guó)陸地總面積的9.5%，其中60%分布于南方，尤其在四川盆地、盆地邊緣與攀西地區(qū)分布極為廣泛，是我國(guó)紅層分布最多的地區(qū)，被稱為“紅層盆地”[10]。同時(shí)，截至2021 年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到4 萬(wàn)km，意味著將有大量的潛在紅層上拱變形病害路基工點(diǎn)，如此大規(guī)模的紅層軟巖深路塹工程足以讓工程建設(shè)及后期運(yùn)營(yíng)談“拱”色變。與普速鐵路相比，高速鐵路由于列車運(yùn)行速度快，對(duì)于線路平順性要求更加嚴(yán)苛，無(wú)砟軌道對(duì)路基上拱變形調(diào)節(jié)能力卻僅有4 mm 的空間[11]，超限的上拱變形將嚴(yán)重威脅列車的安全運(yùn)行。并且，運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基返工整治代價(jià)非常大，在缺乏有效理論支撐的情況下，無(wú)法從根源上解決深路塹路基服役期持續(xù)上拱變形問題，存在反復(fù)整治風(fēng)險(xiǎn)，極大提高了線路運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，造成不良的社會(huì)影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)地揭示紅層軟巖區(qū)深路塹路基時(shí)效性上拱變形的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)我國(guó)特殊巖土地區(qū)高速鐵路工程防災(zāi)減災(zāi)及今后大規(guī)模線路運(yùn)營(yíng)維護(hù)意義重大。鐵路路基上拱(或者隆起)變形大多是由于地基膨脹性巖土體吸水膨脹、高寒地區(qū)凍脹作用、鹽漬土的巖脹作用引起。如早期的南昆鐵路[12-14]、云桂高速鐵路[15-16]、京沈高速鐵路[17]以及蘭新高鐵[2-4,18-21]都是由于基底膨脹性巖土吸水膨脹變形誘發(fā)工程病害，法國(guó)南部連接Saint-Marcel-lès-Valence 和Marseille 的高速鐵路也曾由于膨脹巖造成路基在運(yùn)營(yíng)期超限上拱變形[22]。傳統(tǒng)膨脹巖土以及微膨脹性巖石的脹縮性對(duì)高速鐵路路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響已受到廣泛關(guān)注，因此，成渝客運(yùn)專線紅層路基出現(xiàn)上拱變形后，大部分學(xué)者也從基底紅層軟巖的膨脹性角度開展了研究[5-7]。然而，試驗(yàn)表明紅層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖等均不具備顯著的膨脹性，而僅表現(xiàn)出隨時(shí)間演化的微膨脹變形特征[7,23]。鐘志彬等[8]認(rèn)為深路塹開挖引起基底巖體應(yīng)力場(chǎng)分異，進(jìn)一步造成紅層泥巖的蠕變是路基長(zhǎng)期上拱變形的主要原因。吳沛沛等[9,24-26]通過(guò)數(shù)值模擬手段，從軟巖流變性角度分析了路基的長(zhǎng)期上拱變形特征。無(wú)論是膨脹誘因觀點(diǎn)還是流變主導(dǎo)觀點(diǎn)，目前均未能給出系統(tǒng)的證據(jù)支撐。紅層軟巖物理力學(xué)性能復(fù)雜，已有研究表明，水力敏感性是誘發(fā)紅層工程災(zāi)變的關(guān)鍵內(nèi)在因素[27-30]，包括巖體的微膨脹性、流變性以及物理力學(xué)性能隨時(shí)間的演化特征，都可能是引起路基在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)緩慢、持續(xù)上拱變形的原因。但是，目前尚未對(duì)這一復(fù)雜的作用過(guò)程及致災(zāi)機(jī)理開展系統(tǒng)、深入的研究，尚無(wú)基于實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)的高速鐵路路基長(zhǎng)期上拱變形特征研究。本文以成渝客運(yùn)專線典型紅層軟巖路基上拱病害工程為依托，在詳細(xì)分析病害路基工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合基底地層巖性及其結(jié)構(gòu)和路基長(zhǎng)期連續(xù)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析路基變形的時(shí)空演化特征及其影響因素，獲得路基服役期變形的特征規(guī)律，并初步定性分析引起路基持續(xù)上拱變形的原因，為后續(xù)系統(tǒng)揭示路基變形機(jī)理及建立理論模型奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 路基上拱病害概況

新建成渝客運(yùn)專線(以下簡(jiǎn)稱“成渝客專”)是滬蓉快速客運(yùn)通道及沿江高鐵的重要組成部分，線路由成都東站到重慶北站，全程設(shè)12 個(gè)車站。采用雙線無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，全長(zhǎng)308.2 km，其中四川境內(nèi)185.5 km，重慶境內(nèi)122.7 km。2010 年3 月開工建設(shè)，2015 年12 月26日開通運(yùn)營(yíng)。

2處上拱路基均為深挖方路段(圖1)，其中A段232 m，路塹開挖深度14～47 m，B 段175 m，開挖深度15～39 m，從2012 年11 月開始開挖，2013年4 月開挖完成，2014 年7 月完成無(wú)砟軌道鋪設(shè)。2015年5月在軌道精調(diào)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)無(wú)砟軌道超限上拱，隨即對(duì)A 段上拱最嚴(yán)重區(qū)段進(jìn)行破除軌道板重新澆筑返工(未進(jìn)行路基處理)，并開展路基變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)及部分地質(zhì)補(bǔ)勘工作(圖2)。

圖2 路基長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)及鉆孔布置示意圖Fig.2 Arrangement diagram of long-term deformation monitoring and boreholes

如圖2 所示為A 和B 段路基變形監(jiān)測(cè)及鉆孔剖面布置，其中I線和II線為主線，3線和4線為到發(fā)線，結(jié)合圖1可以看到，3線臨近北側(cè)深路塹邊坡，4線臨近站房側(cè)。A 段沿線路方向間隔20 m 布置自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在沿路基橫向布置AZ1和AZ2這2個(gè)地質(zhì)鉆孔剖面，每個(gè)剖面包含4 個(gè)鉆孔；B 段變形監(jiān)測(cè)和鉆孔剖面布置方式類似，BZ1和BZ2地質(zhì)鉆孔剖面分別包含3個(gè)鉆孔。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)環(huán)境

地形地貌及大地構(gòu)造方面，內(nèi)江市處于四川盆地腹心地帶、川中地區(qū)，地貌以淺丘和緩丘為主，工程區(qū)內(nèi)地面高程320～395 m，相對(duì)高差約75 m，自然橫坡一般16°～40°，局部可達(dá)70°。川中剛性基底受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，地殼相對(duì)穩(wěn)定，盆地上侏羅統(tǒng)巖層屬于水平構(gòu)造，受地殼運(yùn)動(dòng)影響較輕微，這種條件下外動(dòng)力作用占優(yōu)勢(shì)。內(nèi)江北站所在的內(nèi)江市東興區(qū)位于四川沉降帶中部、威遠(yuǎn)背斜北翼，屬川中低緩褶皺區(qū)，無(wú)大的斷層發(fā)育[31-32]。從地質(zhì)構(gòu)造上，內(nèi)江北站所在區(qū)域無(wú)顯著的構(gòu)造作用影響，巖體以豎向自重應(yīng)力為最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力為在豎向自重應(yīng)力作用下的被動(dòng)壓力。

地層巖性方面，路基下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，為典型的“川中紅層”軟巖，泥巖厚度大(約1.0～3.0 m)，砂巖較薄(約0.5～1.0 m)。泥巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性；砂巖多為長(zhǎng)石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚～厚層狀，質(zhì)稍硬[8]；局部夾紫紅色砂質(zhì)泥巖，為粉砂泥質(zhì)結(jié)果、泥質(zhì)膠結(jié)。巖層產(chǎn)總體狀平緩，呈近水平層狀，傾角4°～8°。深路塹開挖后，泥巖裸露后迅速風(fēng)化崩解，砂巖風(fēng)化速度緩慢，泥巖風(fēng)化剝落后在坡腳堆積，砂巖層形成懸臂板，卸荷風(fēng)化裂隙發(fā)育[33]，砂泥巖差異風(fēng)化現(xiàn)象明顯，局部形成凹腔，但邊坡總體穩(wěn)定性較好(圖3)。

圖3 內(nèi)江北站紅層泥巖夾砂巖邊坡差異風(fēng)化Fig.3 Differential weathering slopes of red-bed mudstone with sandstone at Neijiang North Station

圖4 為A 和B 段上拱路基鉆孔揭示的地質(zhì)剖面示意圖，A 段AZ1 和AZ2 剖面各布置4 個(gè)鉆孔，B段BZ1和BZ2剖面各布置3個(gè)鉆孔，鉆孔深度自路基頂面以下均超過(guò)10 m，其中1.9 m 范圍內(nèi)為路基本體回填層，以下為基巖?？梢钥闯?，A段基底以泥巖為主，10 m 深度范圍內(nèi)泥巖層占比超過(guò)80%，部分鉆孔甚至全部為泥巖(如AZ1-1，AZ1-2，AZ2-3 和AZ2-4)，局部夾砂巖層(如AZ1-3 和AZ1-4)，砂巖層厚大多小于1.0 m；B 段基底砂巖層普遍較厚，10 m 深度范圍內(nèi)砂巖層占比大多超過(guò)50%(BZ1-1 和BZ2-1 淺層砂巖厚度達(dá)到2.8 m)，局部有泥巖夾層(BZ1-3)。并且，2段線路橫剖面上基底巖層連續(xù)性較差，A 段基底砂巖呈透鏡狀，B段基底砂巖和泥巖層厚度均有較大變化。

圖4 上拱路基鉆孔地質(zhì)剖面示意圖Fig.4 Geological profile of the heave subgrade

水文地質(zhì)方面，內(nèi)江屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，地表水主要為坡面暫時(shí)性流水，流量受季節(jié)影響明顯，內(nèi)江市歷年平均降雨量為949.1 mm，多分布在夏季，約占全年雨量60%，年平均相對(duì)濕度82%。地下水為第四系土層孔隙潛水及基巖裂隙水，基巖中泥巖裂隙水含量甚微，砂巖中相對(duì)較大，降雨后即可在砂巖層面觀測(cè)到明顯的滲水(圖5)。據(jù)線路設(shè)計(jì)階段實(shí)測(cè)鉆孔靜止水位，測(cè)區(qū)內(nèi)地下水穩(wěn)定水位深0～12.5 m，深路塹開挖后地下水位迅速降低，地下水位大多穩(wěn)定在路基面以下4.3～5.1 m 左右，并且靠北側(cè)邊坡地下水位較高，南側(cè)較低。

圖5 工程區(qū)路塹邊坡滲水Fig.5 Water seepage in the slope of engineering area

2 路基上拱變形時(shí)空演化特征

2.1 變形監(jiān)測(cè)方案

如圖2 所示，A 路基沿4 條線路分別在軌道底座板邊緣連續(xù)布置4條測(cè)線，各測(cè)點(diǎn)間隔20 m，共計(jì)50 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)段長(zhǎng)度240 m，其中A-5 和A-6 剖面8個(gè)測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域基底為開挖后澆筑的框架涵洞(圖6(a))；B段II線和4線并線道岔段減少測(cè)點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)段長(zhǎng)度160 m。各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并無(wú)線傳輸，采樣頻率為2 h/次，設(shè)備采用太陽(yáng)能電池板供電(圖 6(b))，采集兩段路基各測(cè)點(diǎn)變形隨時(shí)間和空間變化的連續(xù)數(shù)據(jù)。

圖6 路基變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Automatic deformation monitoring system

2.2 路基上拱變形的時(shí)間演化特征

2015 年—2019 年期間，A 段和B 段路基由于測(cè)點(diǎn)被人為損壞、設(shè)備檢修和傳感器更換等原因造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。為分析路基變形隨時(shí)間的變化特征，選取A 和B 這2 段路基I 線測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合監(jiān)測(cè)期內(nèi)內(nèi)江市逐月平均降雨量數(shù)據(jù)繪制圖7，可以看出：1) 總體上，2 段路基在運(yùn)營(yíng)期均產(chǎn)生隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)的上拱變形，持續(xù)5 a未見收斂。2) A 段路基各測(cè)點(diǎn)變形隨時(shí)間波動(dòng)增長(zhǎng)，其中2016 年5—7 月和2017 年5—8 月出現(xiàn)顯著的加速上拱現(xiàn)象，此期間對(duì)應(yīng)于內(nèi)江地區(qū)雨季，降雨量逐月增加，旱季路基變形速率則明顯減緩，AI-7，AI-8 和AI-9 測(cè)點(diǎn)變形量最大，變形隨大氣降雨相關(guān)性最強(qiáng)。對(duì)比圖4(a)和4(b)所示的I 線臨近的AZ1-2 和AZ2-2 鉆孔柱狀圖，AI-7 測(cè)點(diǎn)基底10 m 內(nèi)全部為泥巖，AI-9 基底以泥巖為主，僅夾有一層薄層砂巖(0.7 m)，即泥巖層厚的區(qū)域路基上拱變形量較大，且變形速率受大氣降雨量影響。3) B段路基各測(cè)點(diǎn)變形隨時(shí)間近似呈線性增長(zhǎng)，變形速率大多與大氣降雨量不相關(guān)，僅部分測(cè)點(diǎn)(BI-7，BI-8 和BI-9)變形速率隨降雨量表現(xiàn)出輕微的變化趨勢(shì)。對(duì)比圖4(d)所示臨近的BZ2-2 鉆孔柱狀圖，基底10 m 范圍內(nèi)同樣以泥巖為主，夾有一層較厚的砂巖(1.9 m)。

時(shí)間尺度上，線路服役期的5 a 內(nèi)，A 和B 2段路基各測(cè)點(diǎn)均隨時(shí)間出現(xiàn)持續(xù)、緩慢的上拱變形，以I線為例，A段路基5 a累積最大上拱量達(dá)到38.3 mm，B 段總體小于A 段，累積最大上拱量達(dá)到26.4 mm，均顯著超過(guò)無(wú)砟軌道路基變形控制限值，且無(wú)法通過(guò)軌道扣件進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次，基底以紫紅色泥巖為主的測(cè)點(diǎn)上拱變形量隨降雨量變化，雨季變形速率明顯增大、旱季變形顯著減緩。最后，結(jié)合基底鉆孔揭露地層結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，A段路基基底泥巖明顯較B段厚，A 段路基各測(cè)點(diǎn)變形總體也大于B段，并且基底泥巖層越厚，路基變形速率受降雨影響越顯著，砂巖較厚的B段路基大部分測(cè)點(diǎn)則產(chǎn)生近似線性上拱變形現(xiàn)象。

2.3 路基上拱變形的空間演化特征

為分析路基變形在空間上的特征，沿線路縱向、橫向及其與路基面以上豎向開挖高度和路基面以下鉆孔揭露巖性的關(guān)系特征，進(jìn)行空間三維分析，獲得路基變形的空間特征。

線路縱向方面，以I 線為例，選取同一時(shí)刻沿線路縱向各測(cè)點(diǎn)上拱變形量，圖8 為A 和B 2 段路基沿線路里程方向上拱變形量與路塹挖方高度對(duì)比曲線。可以看出：1) 從2015 年—2019 年，2 段路基所有測(cè)點(diǎn)均產(chǎn)生顯著的上拱變形，A段最大上拱變形位于里程K152+810 處，B 段最大上拱變形位于里程K153+690 處，A 段路基上拱變形量總體大于B段。2) A段路基上拱變形量在縱向上與路塹挖方高度一致，即挖方越深上拱變形量越大；與此不同的是，B段路基上拱變形量與路塹挖方高度錯(cuò)開，K153+690～K153+770 區(qū)間開挖深度增大，但是路基上拱變形量反而顯著減小。3) A段路基里程K152+750和K152+770這2處由于位于框架涵上(圖8(a))，上拱變形量減小，框架涵高度約8.3 m，即基底8.3 m 范圍內(nèi)，巖體挖除后反壓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架涵基底巖體依然產(chǎn)生上拱變形，但上拱變形量值減少超過(guò)50%，表明基底產(chǎn)生上拱變形的巖體下限深度已超過(guò)10.0 m。

圖8 路基縱向上拱變形特征Fig.8 Longitudinal heave characteristics of subgrade

結(jié)合圖4 所示A 段和B 段路基鉆孔地質(zhì)情況，A 段基底泥巖層厚度顯著大于B 段，對(duì)應(yīng)于A 段路基上拱變形量較B段大，表明基底泥巖厚度是影響路基長(zhǎng)期上拱變形量的因素之一。另一方面，B段路基臨近I 線的鉆孔BZ1-2 和BZ2-2 揭露10 m 范圍內(nèi)泥巖分別約占47%和76.3%(圖8(b))，然而鉆孔位置對(duì)應(yīng)的K153+675 上拱變形量卻比K153+735大47.6%，即泥巖層越厚上拱變形量反而更小。因此，泥巖層厚度也并非是決定路基上拱變形量的唯一因素。

線路橫向方面，圖9 為A 段和B 段路基上拱變形在線路橫向的特征，A 段取里程為K152+810～883共5個(gè)橫剖面(圖9(a))，路基北側(cè)的3線(靠近路塹邊坡坡腳一側(cè))上拱變形量最小，中間位置的I線上拱變形量最大，與對(duì)應(yīng)鉆孔揭露巖性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3 線和I 線基底10 m 范圍內(nèi)均為泥巖層(泥巖占比100%)，然而2 個(gè)測(cè)點(diǎn)上拱變形量值分別對(duì)應(yīng)于橫剖面上的最小值和最大值。相反，AZ1-3鉆孔揭露基底10 m 范圍內(nèi)存在砂巖夾層(泥巖占84.7%)，該測(cè)點(diǎn)上拱變形量依然大于基底全部為泥巖的AZ1-1對(duì)應(yīng)的3 線上拱變形量。B 段取里程為K153+610～650 共3 個(gè)橫剖面(圖9(b))，與A 段相反，B段上拱變形量最大位于路基北側(cè)的3 線，I 線、II線和4 線上拱變形量差異較小。對(duì)比BZ1 鉆孔剖面，3線臨近的BZ1-1鉆孔揭露基底10 m 范圍內(nèi)泥巖在3 個(gè)鉆孔中占比最小(44%)，對(duì)應(yīng)的上拱變形量反而最大。因此，路基上拱變形在線路橫向上未顯示出與基底泥巖層厚度的相關(guān)性。

圖9 路基橫向上拱變形特征Fig.9 Transverse heave characteristics of subgrade

3 討論

引起路基上拱變形的因素主要有3個(gè)：臨近邊坡滑動(dòng)、膨脹巖土地基吸水膨脹和基底巖體蠕變變形。法國(guó)LGV Méditerranée 高鐵主要由前2 個(gè)原因造成路基運(yùn)營(yíng)期持續(xù)上拱變形[22]，鄭西客運(yùn)專線、蘭新高鐵、京沈高鐵等則是由基底膨脹性泥巖吸水膨脹造成超限上拱變形[4,17,19-21,34]。成渝客專開通前，出現(xiàn)上拱的內(nèi)江北站由于新增川南城際鐵路引入施工，在線路北側(cè)進(jìn)行二次擴(kuò)挖，擴(kuò)挖路基寬度超過(guò)50 m。并且，開挖揭露邊坡為近水平厚層泥巖夾薄層砂巖，邊坡穩(wěn)定性較好，不存在失穩(wěn)滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)(圖3)。因此，由于臨近路塹邊坡滑動(dòng)變形引起路基上拱變形的因素可以排除，基底巖體的膨脹變形和長(zhǎng)期蠕變變形成為關(guān)注的重點(diǎn)。

路基工程中，由地基膨脹巖或者膨脹土引起的路面變形，其最顯著的特征是變形與大氣降雨量和基底膨脹巖土層厚度顯著相關(guān)。陳偉志[15]在云桂高鐵彌勒段開展的典型膨脹土地基現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地基表面脹縮變形速率隨時(shí)間的變化規(guī)律與外界氣候環(huán)境變化密切相關(guān)，旱季地基土失水收縮表現(xiàn)出沉降變形，雨季則產(chǎn)生顯著的膨脹變形，降雨量越大，地基膨脹變形越大。膨脹巖地基同樣具有類似的變形特征，TANG 等[22]分析了法國(guó)Saint-Marcel-lès-Valence 到Marseille 高速鐵路位于Chabrillan 的Km529+200～Km530+510 區(qū)間路基自2001年—2007年持續(xù)6 a的上拱變形發(fā)現(xiàn)，時(shí)間尺度上，基底膨脹性泥灰?guī)r在每年雨季吸水膨脹、旱季失水收縮變形引起路基豎向波動(dòng)上拱變形；空間上，沿線路縱向鉆孔揭露基底泥灰?guī)r越厚，路基上拱變形量越大。馬麗娜等[18,34]在蘭新高鐵低黏土礦物泥巖開展路基現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)路基豎向變形同樣與注水量相關(guān)。因此，由基底膨脹性巖土體吸水引起路基上拱的變形機(jī)制中，路基豎向上拱變形速率將表現(xiàn)出與大氣降雨量顯著的相關(guān)性，同時(shí)基底膨脹性巖土層厚度越大，上拱變形量也相對(duì)越大。

成渝客專內(nèi)江北站A 和B 2 段路基開通后5 a的上拱變形顯示，部分點(diǎn)位上拱變形的時(shí)間和空間特征符合膨脹性巖體吸水膨脹引發(fā)路基上拱的變形機(jī)制，尤其是A 段路基，基底主要為紅層泥巖，該紅層泥巖含有膨脹性黏土礦物伊利石成分，吸水后本身具有時(shí)效性膨脹變形特征[23]。并且，實(shí)測(cè)I 線大部分測(cè)點(diǎn)上拱變形速率與內(nèi)江市降雨量趨勢(shì)一致(圖7(a))，與基底以砂巖為主的B 段路基相比，總體上拱變形量也更大(圖8)。DAI 等[5-7]基于紅層泥巖緩慢吸水膨脹解釋了路基產(chǎn)生長(zhǎng)期上拱變形的過(guò)程機(jī)制。

另一方面，B段路基變形的時(shí)空特征則與巖體膨脹性誘發(fā)特征不符，該段基底砂巖本身不具有膨脹性[8]，實(shí)測(cè)I 線大部分測(cè)點(diǎn)時(shí)效性上拱變形與降雨量并無(wú)關(guān)系，而是隨時(shí)間呈近似等速線性上拱變形(圖7(b))。并且，基底泥巖層相對(duì)較厚測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上拱變形量反而更小(圖8(b))，同一橫剖面同樣在泥巖較薄的位置產(chǎn)生更大的上拱變形(圖9(b))。然而，紅層泥巖和砂巖均具有顯著的流變性[8,27-28]，通過(guò)紅層砂泥巖室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)[8]和考慮基底巖體流變性的數(shù)值模擬研究[9,24-26]也可以解釋路基長(zhǎng)期上拱變形過(guò)程機(jī)制，尤其是以砂巖為主地基的長(zhǎng)期變形現(xiàn)象。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定路段的變形現(xiàn)象，基于巖體膨脹性或者流變性機(jī)理都可以解釋路基產(chǎn)生長(zhǎng)期持續(xù)上拱變形的過(guò)程機(jī)制。然而，這樣的分析思路具有結(jié)果導(dǎo)向特征，對(duì)于特定病害路基的災(zāi)變機(jī)理事后分析是可行的，卻很難在工程建設(shè)前期對(duì)即將開挖的路基開展服役期上拱災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。因?yàn)?，路基的長(zhǎng)期持續(xù)上拱變形并不是由基底巖體單一的膨脹或者流變作用引起的，而是兩者耦合作用的結(jié)果，內(nèi)江北站2段上拱路基雖僅相距700 m，卻表現(xiàn)出完全不同的變形特征?；讕r體不同巖性巖層厚度及組合結(jié)構(gòu)特征、巖體受工程擾動(dòng)的損傷特征、巖體的膨脹和流變性能、基底巖體賦存水力環(huán)境演化特征等眾多因素決定了路基變形具體是由膨脹主導(dǎo)，還是由流變主導(dǎo)。因此，需要在充分厘清基底巖體膨脹性和流變性的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖體賦存水力環(huán)境特征，建立綜合考慮膨脹-流變耦合效應(yīng)的地基變形演化模型及其理論計(jì)算方法，再針對(duì)具體工點(diǎn)開展計(jì)算及預(yù)測(cè)分析，最終確定引起特定路基長(zhǎng)期持續(xù)上拱變形的主導(dǎo)因素及影響規(guī)律，并針對(duì)性地為工程防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)提供理論支撐。

4 結(jié)論

1) 成渝客專內(nèi)江北站位于典型川中紅層軟巖區(qū)，基底為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，巖層近水平。鉆孔揭露A 段病害路基基底以泥巖為主，夾薄層砂巖，B段病害路基基底為砂泥巖互層，砂巖層相對(duì)更厚。

2) 時(shí)間尺度上，線路開通后5 a 內(nèi)路基上拱變形隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，未見收斂。其中，A段路基大部分測(cè)點(diǎn)上拱變形速率與大氣降雨量相關(guān)，雨季變形速率大、旱季變形速率顯著減??；相反，B段路基上拱變形速率與大氣降雨量無(wú)顯著相關(guān)性，呈近似線性上拱變形趨勢(shì)。

3) 空間維度上，沿線路縱向，A段路基上拱變形量與路塹挖方深度一致，即開挖深度越大，路基上拱變形量也越大，基底巖體變形影響層下限深度超過(guò)10 m；相反，B段路基上拱變形量與路塹挖方深度無(wú)關(guān)，且基底泥巖層較厚位置上拱量反而更小。沿線路橫向，A段基底以泥巖層為主，路基中心位置附近上拱變形量更大；B段基底以砂巖為主，最大變形出現(xiàn)在臨近路塹邊坡坡腳一側(cè)。

4) 綜合路基上拱變形的時(shí)空分布特征及基底地層巖性特征，路基長(zhǎng)期變形是基底紅層軟巖緩慢吸水膨脹和蠕變的綜合效應(yīng)，應(yīng)考慮基底巖體不同巖性巖層厚度及組合、受工程擾動(dòng)的損傷、膨脹和流變性能、賦存水力環(huán)境演化等因素，建立地基長(zhǎng)期時(shí)效性變形模型及計(jì)算方法，據(jù)此揭示路基長(zhǎng)期上拱變形機(jī)理。

作為紅層軟巖高速鐵路路基長(zhǎng)期上拱變形災(zāi)變機(jī)理的系列研究，后續(xù)將在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析基底巖體的膨脹性、流變性及其理論模型，為建立路基長(zhǎng)期變形理論模型、開展災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。