既有鐵路路橋過渡段路基測試與分析

祝建農(nóng)

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海200070）

寧啟鐵路是國家“八縱八橫”鐵路路網(wǎng)中的重要組成部分，位于江蘇省中部，長江北岸，線路基本與長江平行，呈東西走向，為一級單線鐵路。線路西起南京鐵路樞紐林場站，途經(jīng)六合、儀征、揚州、江都、泰州、姜堰至海安，與新長鐵路相連，過海安經(jīng)如皋至南通，全長約268.2 km，其中含特大橋19座，大橋12座，中橋103座，全線橋長約占全線總長的16%。由于運力不足，現(xiàn)正進行200 km·h-1提速改造。

寧啟線全線路基大部分為填方段，修建時路基基本上為直接挖方或就近移挖作填形成，未進行過專門的路橋、路涵過渡段處理，部分過渡段產(chǎn)生了較大的沉降和錐坡破壞（如圖1所示）。提速時由于路基的剛度不足和沉降量過大，造成線路剛度與幾何不平順[1]，易引起行車事故和影響乘客舒適性，需要進行加固處理。

圖1 馮官圩橋路基相對橋臺的沉降與錐坡開裂Fig.1 Settlement and conical slope crack of roadbed and abutment in Feng-Guanwei Bridge

過渡段剛度漸變一直是過渡段研究的一個熱點，過渡段的控制標準和動應力影響因素許多學者提出了不同的看法。趙國祝[2]認為隨著列車運行速度的提高，特別是對高速鐵路，其主要由剛度控制，而不是強度控制。雷曉燕[3]研究軌道剛度突變對軌道振動的影響，分析單輪對和TGV高速列車在3種軌道剛度比時的軌道動力響應。結果表明，軌道剛度突變對軌道振動影響較大，軌道動力響應隨著剛度比和列車速度的增加而增加。尹成斐[4]結合朔黃鐵路170號橋附近路橋過渡段特點，開展了軌道支撐剛度及路基K30現(xiàn)場測試，分析了剛度變化特點；結合路橋過渡段有限元模型，分析了扣件剛度、基床表層剛度、填料剛度對線路動力響應的影響。研究結果顯示，為減小基床表層動位移和加速度，基床表層剛度應高于150 MPa，填料剛度應高于150 MPa。童發(fā)明[5]采用激振法（強迫振動）對武漢試驗段涵－涵過渡段和路－橋過渡段路基的不同位置進行了激振試驗，成功地獲得了過渡段路基不同位置的武廣客運專線過渡段路基的整體剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，不僅為過渡段路基的強度、變形分析和仿真試驗提供了必要的動力參數(shù)，同時也進一步驗證了過渡段路基設計和施工的可靠性。

既有鐵路過渡段路基檢測與評價是過渡段加固的基礎，但在既有鐵路仍在運營狀況下進行檢測存在較多困難，本文結合寧啟既有鐵路路橋過渡段處理工程，提出了適用于既有線路基的探測與評價方法。

1 既有鐵路過渡段路基現(xiàn)場測試方案

1.1 檢測方案

因為既有鐵路經(jīng)過多年運行后，路肩遭受長時間風化剝蝕，而軌道下方的路基或經(jīng)過列車動荷載作用漸變密實，或出現(xiàn)了道砟囊而出現(xiàn)了病害，兩者有關指標可能有較大差別，所以過渡段的檢測不僅要獲得路肩有關指標，更需要軌道下方道床的有關指標，這就需要扒道砟在軌道下方進行檢測。扒道砟進行測試時，勢必會影響道床道砟層原有的密實程度，如果恢復道砟時不能達到先前的密實度，輕則引起晃車，嚴重時可能引起列車出軌。

為了獲得軌下路基的有關指標，原測試方案的測試位置中心點離軌道30～40 cm，位于軌枕中間，如圖2（a）中虛線圓圈所示。

圖2 測試位置布置平面圖與測試點扒方量計算圖Fig.2 Location layout plan and volume calculation chart of test points

寧啟既有鐵路經(jīng)過多次抬道后，道床高度一般為70～100 cm。根據(jù)計算，若要按照原方案扒道砟進行測試，則需要扒道砟方量達1.0～2.4 m3，影響半徑達1.0～1.4 m（如圖2（b）所示）。因此，為保證既有線運營安全，須改變測試點位置，以減少道砟受影響范圍。修改后的測試點在軌枕頭外側約20 cm（如圖2（a）中的實線圓圈所示）。

1.2 現(xiàn)場測試方法與測試步驟

1）在天窗時間點之前，首先在路肩上測定剖面上的N10與Evd，獲得路肩的路基承載力與動態(tài)變形模量；

2）天窗點開始時扒道砟，扒道砟以軌枕頭為界，并保留10～20 cm的距離，防止因為扒砟而影響軌下道砟的密實度，從而影響軌下道床的密實度；

3）當?shù)理陌堑铰坊斆鏁r，先測Evd值，然后用輕型動力觸探儀測試N10值；

4）恢復道床，恢復時適當用鎬搗固。

實踐表明，當?shù)来驳理拈_挖至軌枕端頭，并留有10～20 cm的余地時，恢復道砟后可以保證列車運行的安全，且在3小時的天窗時間內(nèi)可以完成路基密實度、動態(tài)變形模量和承載力測試。

2 過渡段實測數(shù)據(jù)分析

動態(tài)變形模量測試儀的工作原理是利用落錘自由落體產(chǎn)生沖擊力作用于直徑300 mm的圓形平板上，通過載荷板將動荷載傳遞給路基面使得路基產(chǎn)生沉降S，并由Evd=22.5/S計算動態(tài)彈性模量Evd[6]。Evd動態(tài)平板載荷試驗彌補了K30平板載荷試驗用靜力加載不能真實反映列車高速行駛時動載荷對路基影響的不足，同時從某種程度上反映路基的剛度。

輕型動力觸探通過擊入土中30 cm所需要的錘擊數(shù)來計算路基的承載力，對于一般粘性土，一定錘擊數(shù)范圍內(nèi)可以通過式（1）獲得路基的承載力[7]。

2.1 路肩與軌枕頭的動態(tài)變形模量關系

對試驗過渡段的20 m范圍內(nèi)進行了Evd測試，測試點離橋臺的距離分別是5.8 m，9.8 m，13.6 m，17.5 m，20.4 m，測試點分別位于相應位置的軌枕端頭與路肩上，小里程過渡段記作過渡段1，大里程端過渡段記作過渡段2，其測試結果如圖3（a～d）所示。

圖3 馮官圩橋與赤練港橋過渡段Evd與N10對比圖Fig.3 Comparison chart of Evdand N10in transition section of Feng-Guanwei and Chi-Liangang Bridge

從圖3（a～d）中可以得出，軌枕端頭處的Evd平均值高于路肩，單點測值也高于路肩。這是因為馮官圩和赤練港兩座橋過渡段路基填土均進行了改良。經(jīng)過近6年的運營，由于路肩改良土遭受風化剝蝕，基床表層的改良土厚度變薄，而改良層下面的地層軟弱，故其Evd值較小。而軌枕端頭處的基床表層上面有道床的保護，特別是下層粗砂的保護，厚度沒有縮減，故改良層厚度較路肩處大，測得的Evd值較路肩大。赤練港路肩和軌枕端頭改良層實測厚度如圖4所示。

圖4 赤練港道床和路基橫斷面圖Fig.4 Cross section diagram of ballast and subgrade in Chi-Liangang Bridge

2.2 Evd值與N10值的相關關系

1）N10實測30 cm的錘擊數(shù)時與Evd值的相關關系。對于馮官圩過渡段2，所有測得的錘擊數(shù)均為通過錘擊入30 cm所獲得的錘擊數(shù)。從圖5（a，c）容易得出Evd值越高N10越高的趨勢，Evd與N10對應的相關關系如圖5（b，d）所示，相關系數(shù)的平方R2分別達到了0.976 6與0.973 3，可見Evd與N10具有顯著的線性相關性。

圖5 Evd與N10的相關關系Fig.5 Correlation between Evdand N10

2）N10通過換算獲得的錘擊數(shù)與Evd值的相關關系。由于馮官圩過渡段1與赤練港過渡2的改良層較厚，當N10達到45擊時，僅擊入7～15 cm，強行擊入30 cm不但會花費大量時間，導致天窗內(nèi)無法完成測試，而且會損壞觸探儀。根據(jù)規(guī)范[8]規(guī)定，此時可以停止實驗，其錘擊數(shù)通過式（2）換算獲得

將同一個過渡段換算獲得的錘擊數(shù)與Evd值相關關系圖繪制如圖6所示。

圖6 馮官圩過渡段1軌枕頭與赤練港2路肩處Evd值與N10相關關系Fig.6 Correlation between Evdand N10in Feng-guanwei transiton 1 and Chi-Liangang transition 2

由于N10是通過換算獲得的，部分測點45擊僅擊入9 cm，與30 cm相差較大。從圖6可以看出，此時N10與Evd的線性擬合對應的相關系數(shù)的平方R2僅為0.650 4和0.031 5，線性相關不顯著，或者認為沒有線性相關關系。

3）N10與Evd值相結合的評價方式。N10值主要通過換算獲得路基的承載力，Evd值主要為了獲得路基的剛度值。當Evd值超過50 MPa時，輕型動力觸探錘擊時錐頭經(jīng)常發(fā)生回彈，無法完成30 cm的擊入深度，故無法完成N10測試。Evd值滿足要求并不能代表過渡段就不需要加固，以馮官圩過渡段1為例，其對應的錘擊數(shù)與Evd值如表1所示。

表1 馮官圩過渡段Evd值和N10值Tab.1 Value of Evdand N10in Feng-guanwei transiton

表1中的數(shù)據(jù)表明，盡管各點的Evd值均大于40 MPa，甚至大于55 MPa的高速鐵路控制標準，其基床表層0～30cm的N10均大于控制擊數(shù)25擊，該過渡段可以評價為可以滿足要求。但是當穿過改良層后，路基的N10錘擊數(shù)小于25擊，且90～120 cm的錘擊數(shù)僅有8～10擊，對應的承載力為44～60 kPa，用洛陽鏟探測可知該層為松軟土土，含水量高，并沒有完成固結。因此應結合Evd值和N10值雙指標對過渡段是否加固改造作出評價。

3 加固控制標準討論

根據(jù)基床動應力的分析，從荷載的傳遞規(guī)律上看，道床和基床應該作為一個相互聯(lián)系的整體。道床較厚時，實際的基床可以減小，基床范圍應為設計標準道床以下2.5 m。也就是說，當實際道床厚度大于設計道床厚度時，超出的道床部分可以認為屬于基床范圍。根據(jù)京廣線道床的情況，參考國內(nèi)既有線路基加固的經(jīng)驗，實際道床厚度的增加可以使路基面承受的動荷載自然減少。部分路段道床較厚時，底砟部分落入基床范圍或?qū)嶋H道床的下部，形成承載力較高的結構層，對路基承載力的提高起到一定的積極作用[9]。根據(jù)京廣線提速經(jīng)驗，將縱斷面調(diào)整與路基加固工程相結合，在滿足建筑限界的情況下，線路盡量進行抬道，使道床與原路基面之間厚度增加，從而增加基床剛度，減少基床所受動荷載時的彈性變形，對既有路基起到加強和改善的作用。

根據(jù)《鐵路200～250 km·h-1既有線技術管理辦法》對線路縱坡的要求，結合寧啟既有線的現(xiàn)狀，如果以實際道床高度控制加固過渡段，了解每個過渡段的道床厚度需要很大的測量工作量。因此可結合抬道資料和設計縱斷面制定是否加固的標準。

1）根據(jù)寧啟線初步設計審查意見，既有線過渡段范圍基床表層基本承載力控制標準為σ0≥150 kPa，且Evd值大于55 MPa[10]。當滿足此標準，且既有線路基穩(wěn)定、土質(zhì)良好、無病害時，可暫不做基床加固處理。對于特大橋或過渡段路堤高度大于10 m的情況，過渡段是否加固處理仍需要進一步研究。

2）當既有線過渡段基床表層基本承載力不能滿足σ0≥150kPa要求，但大于120 kPa，且Evd≥40 MPa時[11]，如果既有線過渡段抬道量≥20 cm，可認為至少有20 cm厚的道砟進入基床范圍，或基床范圍的實際道床形成了承載力較高的結構層，同時滿足路基穩(wěn)定、土質(zhì)良好、無病害，可不做基床加固處理。

3）當既有線過渡段基床表層基本承載力與道床厚度不滿足以上兩點時，應結合路堤填料類型考慮進行淺層置換、水泥土擠密樁或注漿進行方案比選研究加固方案。

4 結論

1）在距軌枕端頭外10～20 cm處進行N10與Evd測試，基本不影響軌枕下道砟的密實性，回填后列車通過是安全的；

2）由于軌枕端頭處路基表層的改良土受道砟底層粗砂的保護，路肩處遭受剝蝕風化改良層變薄，軌枕端頭處的路基剛度與承載力大于路肩上的測試值；

3）當N10擊數(shù)是通過正常擊入30 cm測得時，承載力對應的輕型動力錘擊數(shù)（N10）與該處的Evd值具有顯著的相關性，當無法擊入30 cm，通過換算錘擊數(shù)時，N10與Evd線性相關性不顯著；

4）Evd值可以代替基床表層的承載力與路基表層的0～60 cm處的路基剛度，而N10通過換算可以獲得更深處60～250 m基床層的承載力狀況，評價路基狀態(tài)時須綜合考慮兩種測試結果；

5）可根據(jù)前述3點情況，確定過渡段是否需要加固。

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