黃土地區(qū)既有鐵路路基病害整治及加固技術(shù)

銅川礦業(yè)鐵路運(yùn)銷分公司 陸新銅

黃土地區(qū)既有鐵路路基病害整治及加固技術(shù)

銅川礦業(yè)鐵路運(yùn)銷分公司 陸新銅

隨著鐵路提速范圍的擴(kuò)大及列車高速、快速、重載方向的發(fā)展,黃土地區(qū)路基暴露出來(lái)的問題越來(lái)越突出,既有鐵路路基加固及病害防治已成為提速改造工程的關(guān)鍵項(xiàng)目。本文分析了黃土地區(qū)既有鐵路路基基床病害的成因和特性,提出了黃土地區(qū)既有鐵路基床病害整治加固的基本思路和技術(shù)措施,對(duì)我國(guó)目前大規(guī)模進(jìn)行的既有線路提速路基改造具有一定的指導(dǎo)意義。

黃土既有線路基處理

一、引言

黃土是一種第四紀(jì)沉積物,其分布廣泛,總面積達(dá)1300萬(wàn)km2,世界許多國(guó)家都有分布。我國(guó)的黃土分布面積約63萬(wàn)km2,主要集中在西北、華北地區(qū)。在我國(guó)已建成的鐵路中通過黃土地區(qū)的線路很多,如隴海線鄭西段、寶中線、焦柳線、寶蘭線、包蘭線、朔黃線、咸銅線等,這些既有鐵路黃土路基中,基床表層基本上都是用新黃土填筑,屬于C組填料,個(gè)別地區(qū)用老黃土填料,屬于D組填料。由于黃土的水穩(wěn)定性很差,且路基土一般都未經(jīng)過加固處理,當(dāng)填土遇水作用時(shí),強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。隨著鐵路提速范圍的擴(kuò)大及列車高速、快速、重載方向的發(fā)展,黃土地區(qū)提速路基暴露出來(lái)的問題越來(lái)越突出,對(duì)既有鐵路中存在的病害及隱患如何進(jìn)行根治,路基如何加固改造滿足提速和載重增加的要求,就成為當(dāng)前迫切需要解決的重大課題。本文結(jié)合工程實(shí)踐,介紹幾種路基加固及病害防治技術(shù)。

二、黃土路基基床病害類型及成因分析

1.病害類型。黃土地區(qū)常見的路基本體、基床病害表現(xiàn)形式有以下幾個(gè)方面:(1)路基基床翻漿冒泥,道床板結(jié),線路幾何尺寸難以保證?；卜瓭{冒泥是指基床表層土受水浸泡和列車荷載的反復(fù)作用,發(fā)生軟化或觸變,形成泥漿,受列車振動(dòng)時(shí)泥漿向上翻冒的現(xiàn)象。由于翻漿冒泥造成道床板結(jié)、軌道幾何狀態(tài)變化頻繁,影響線路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(2)基床承載力不足,水穩(wěn)定性低。(3)基床下沉、外擠,基面變形。(4)道碴陷槽、道碴囊現(xiàn)象嚴(yán)重。(5)高寒區(qū)凍脹破壞。

2.基床病害形成機(jī)理。黃土的特殊工程地質(zhì)是上述基床病害形成的根本原因。黃土結(jié)構(gòu)疏松,孔隙多且大,孔隙率一般在33%～64%之間,有沿深度逐漸減小的趨勢(shì);有肉眼可見的大孔及蟲孔、植物根孔及各種空洞;具有柱狀或垂直節(jié)理,天然條件下,能保持近于垂直的邊坡。黃土的特征決定其具有下列工程性質(zhì):(1)濕陷性。干密度越小,濕陷性越強(qiáng);孔隙比越大,濕陷性越強(qiáng)。(2)透水不均勻性。垂直方向透水性大于水平方向透水性,有時(shí)可達(dá)10余倍。(3)易崩塌性。(4)易觸變性。

黃土地區(qū)多是大填挖方工程,黃土的特殊工程特性表明,路基在使用期間一旦有水滲入,土顆粒就會(huì)崩解、溶蝕和濕陷,導(dǎo)致路基穩(wěn)定性差,病害頻發(fā)。由于黃土的濕陷性和易觸變性,其對(duì)含水量的變化極為敏感,如下表1新黃土地基極限承載力表[1]所示,含水率低時(shí),承載力很高,隨著含水率的增加,承載力隨之急劇下降?；餐廖浕?基床土強(qiáng)度隨含水量的增加而大幅下降,在動(dòng)力作用下泥漿擠入道床空隙中冒出道床表面,形成翻漿冒泥,嚴(yán)重的會(huì)造成路基下沉外擠,如不及時(shí)治理,道碴會(huì)隨之下陷,形成道碴囊。

表1 新黃土地基極限承載力表

基床下沉、基面變形和道碴陷槽主要與路基土體的密度有關(guān)。路基填料不一致,含有雜質(zhì),加上黃土土體松軟,密度不均勻,荷載的長(zhǎng)期作用及水的共同作用下,引起不均勻壓密,受荷部分下沉,道碴侵入,形成道碴陷槽,下沉量大的部位雨水匯集使周圍土體軟化,降低了這部分的承載力,在列車荷載的擾動(dòng)下,線路下沉加劇。按照分層總合法的原理,填土越高,沉降量越大,因此高路堤路段路基下沉更為突出。

在季節(jié)凍土地區(qū),凍結(jié)期水分遷移帶動(dòng)土體中鹽分的遷移,水分充足條件下就會(huì)引起凍脹、鹽凍使土體體積膨脹,融化期又會(huì)使土體軟化產(chǎn)生沉陷、翻漿病害,透水不均勻性造成路基土產(chǎn)生不均勻沉陷,局部地段路基發(fā)生失穩(wěn)破壞。

三、既有線路病害治理與加固

1.病害治理與加固的一般原則。黃土地區(qū)路基病害的發(fā)生和發(fā)展主要取決于以下三個(gè)方面的因素[2]:基床填土的工程性質(zhì);水對(duì)基床的作用形式和程度;動(dòng)荷載的性質(zhì)、大小和分布?；膊『Φ闹卫響?yīng)根據(jù)成因?qū)ΠY下藥,徹底根治。

我國(guó)既有線路基床病害多發(fā)生在平均降水量大于500mm的廣大地區(qū),且多集中在基床表層50cm范圍內(nèi),該范圍內(nèi)受動(dòng)力影響較為劇烈,再向下應(yīng)力縮減較快,至表層下1m處,動(dòng)應(yīng)力影響已很小[3]。可以認(rèn)為對(duì)黃土地區(qū)既有鐵路路基病害整治和基床加固的基本思路是:改善排水環(huán)境,排除基床面積水;強(qiáng)化基床表層土體,提高其強(qiáng)度及水穩(wěn)定性。

2.黃土地區(qū)鐵路路基基病害的整治與加固。水不僅降低路基強(qiáng)度,還會(huì)引起翻漿冒泥、路基沉陷及凍脹破壞等其他路基病害。所以,對(duì)提速路基而言,采取整治加固措施前必須首先考慮如何疏干路基,保證路基表面及基床淺層排水暢通。改善排水環(huán)境,主要靠修筑碴底盲溝來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢圆捎迷诼坊鶅蓚?cè)坡腳及塹頂和線間設(shè)置的排水溝,也可以在路基土體內(nèi)設(shè)置橫向、縱向排水盲溝,保證路基穩(wěn)定。

路基病害的整治加固技術(shù)措施可以選擇下列措施中的一種或幾種綜合進(jìn)行。

(1)鋪設(shè)砂墊床。在碎石道床下部,用符合一定材質(zhì)要求的中砂或級(jí)配良好的粗砂,鋪設(shè)一定斷面的砂層,其作用是使碎石與基面隔離,擴(kuò)散上部傳來(lái)的荷載使基面受力均勻,并增加基床剛度、減少基床所受動(dòng)荷載時(shí)的彈性變形,避免基面因積水造成翻漿冒泥。提速工程中,抬道處理是最簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)可靠的方法。該法可用于防治無(wú)地下水的基面翻漿。

(2)設(shè)置封閉層與換填。對(duì)局部路段或鋪設(shè)砂墊床有困難的路基,可采用封閉層法(如土工纖維封閉法),隔離地表水,使之不致下滲,降低基床含水量,提高基面承載能力,阻隔泥漿上冒。適用于防治基面翻漿和道碴沉陷,病害水源主要為降水的路段。

換填是指將不良基床土更換(如換砂壤土、中粗砂等)或改良(如換摻石灰)使其滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。換填厚度視軟弱厚度而定,一般為50～60cm,地下水豐富的地段要同時(shí)采取降低地下水位的措施,換砂法也可用于防治翻漿冒泥。適用于土質(zhì)不良、承載能力不足而引起的下沉與外擠等基床變形病害。換填法也是最普遍、采用最多的一種整治凍脹破壞的措施。

采用封閉層、換填整治措施時(shí)最好也同時(shí)鋪砂砂墊床,避免形成道碴囊。

(3)鋪設(shè)土工材料加固。在道碴的底層或基面結(jié)合基床換填,鋪設(shè)土工材料如土工格室、土工格柵或EPS等,與其上下的砂層構(gòu)成一復(fù)合結(jié)構(gòu)加固基床。土工格柵與土體的作用機(jī)理是:土工格柵與土體顆粒的摩擦嚙合作用,增加了剪應(yīng)力,約束了土體的側(cè)向變形;土工格柵或土工格室受荷變形后產(chǎn)生的張力使土體中的垂直應(yīng)力降低,起到分散應(yīng)力的作用,減小了基面直接承受的動(dòng)應(yīng)力,提高了土體的穩(wěn)定性和承載能力。

土工合成材料強(qiáng)度高、韌性好、質(zhì)輕、耐腐蝕、施工簡(jiǎn)易,在路基病害整治應(yīng)用中逐漸發(fā)展為一種行之有效的整治方法[3]。這種方法分散應(yīng)力有限適用于地下水位較低或地下水位高但排水條件較好路段路基。

(4)成孔回填樁與攪拌樁加固處理?；靥顦杜c攪拌樁加固法就是按復(fù)合地基加固原理對(duì)路基基床以提高路基靜承載力為目的進(jìn)行加固處理。

成孔回填樁利用列車間隙時(shí)間施工,在路基上按一定間距成孔,再分層裝填石灰或水泥等材料的改良土,經(jīng)橄欖錘分層擊實(shí)。其主要作用為:通過填裝材料吸水和離子交換作用,使樁周土體固結(jié)和改良,增強(qiáng)土體強(qiáng)度;樁身起骨架作用,加上成樁過程中對(duì)周圍土體產(chǎn)生的擠壓作用,使樁與樁間土形成復(fù)合地基,從而提高承載能力。

攪拌樁是近年來(lái)用于處理軟弱地基發(fā)展比較快的技術(shù),它主要是利用專用設(shè)備在路基或基床上鉆孔,然后將加固材料(水泥或石灰)在粉噴或注漿的同時(shí)進(jìn)行原位攪拌,使加固材料與土體混合成樁,并與土體產(chǎn)生離子交換作用、凝聚作用、化學(xué)結(jié)合等一系列物理化學(xué)作用,使土體固結(jié)和改良,并使其與一定強(qiáng)度的樁體共同作用,從而形成具有整體性、水穩(wěn)性較好,具有一定強(qiáng)度的復(fù)合地基,從而達(dá)到提高地基承載力、減少地基變形的目的[4,5]。

成孔回填樁與攪拌樁加固法具有施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、不封鎖線路等優(yōu)點(diǎn),因而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于較深層的黃土地基加固。該技術(shù)適用于防治路基及基床強(qiáng)度不足造成的下沉或外擠等路基病害和既有線路基床土體的加固。

(5)注漿或高壓旋噴原位固定。通過鉆孔或插入花管,將改良漿液壓入路基及基床,壓密土體,使凝固體和土體復(fù)合受力,提高路基的承載力。適用于高路堤中由于填料不良及強(qiáng)度不足引起的基床下沉和外擠病害。

四、結(jié)語(yǔ)

在黃土地區(qū)既有鐵路基床病害中,大多是由于基床填料不良或排水不暢而導(dǎo)致土體含水量增加,基床承載力大幅降低,形成基床病害。因此在路基病害防治和加固處理時(shí)要抓住填料本身的改良和排水環(huán)境的改善兩個(gè)重要因素,根據(jù)不同自然條件和工況下黃土路基的自身特點(diǎn),本著“因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理”的原則,采取相應(yīng)措施對(duì)黃土地區(qū)提速路基進(jìn)行處理。

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