高原凍土區(qū)既有線路基病害防治技術

李昌斌

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

在我國早期建成的高原鐵路中，部分鐵路已不能滿足日漸增長的交通需要。然而高原地區(qū)條件惡劣，地質情況復雜，新建鐵路成本較高，工期較長，同時由于沿線主要為高寒草甸、高寒草原、沼澤濕地等高原生態(tài)系統(tǒng)，自然生態(tài)環(huán)境十分脆弱，一旦遭到擾動破壞，其恢復將十分困難，有的甚至是不可逆的。環(huán)境質量的好壞將直接影響到高原凍土區(qū)人民的生產和生活。對既有線進行擴能改造既能最大化節(jié)省工程投資，滿足鐵路運輸的要求，又能最大程度地保護生態(tài)環(huán)境。因此，在“低投資，低污染，高要求，高質量”的原則下研究既有鐵路的改造技術十分必要。

在既有線路基病害防治中，由于既有填料和新填料在含水率、粒徑級配等物理性質上存在差異，導致凍脹和融沉的速率存在差異。如果不采取必要的措施會使治理后的路基出現大量縱向裂縫，這些裂縫不僅規(guī)模巨大、數量繁多，而且發(fā)展迅速、難以養(yǎng)護，危及行駛安全［1］。為此，本文結合柴達爾支線路基病害，在對多年凍土區(qū)路基縱向裂縫形成機理進行研究的基礎上，通過全線普查和典型路段詳查，從工程實際出發(fā)，研究經濟合理、技術可行的處治對策。

1 高原凍土區(qū)鐵路路基病害防治原則

路基病害的整治遵循“以防為主，防治結合，徹底整治，不留后患”的思路，采取主動保護和被動保護相結合的措施，充分考慮既有線新舊填土性質的不同和滲水對路基的影響。綜合分析，比選出最合理經濟的工程措施。

2 高原凍土區(qū)路基病害防治措施

2.1 換填既有基床填料防止凍融

在位于青海省的柴達爾支線擴能改造路基設計工程中，既有線路基土質不良，路基內含草皮，滲水性差，冬季凍害嚴重，分布比較廣泛，凍起高度以25 mm較為普遍，最大為50 mm，對行車安全構成隱患。本線在早期設計過程中，對凍害路基基床頂面至地面的最小距離考慮不足。

通過下式可以計算出路基基床頂面至地面的最小距離Hmin

式中:Hc為毛細水強烈上升高度，m。根據本線地層情況，Hc=0.290+0.056 7wm+1.545為最大分子吸水率，%;d10為有效粒徑，μm;d50為平均粒徑，μm。Δh為安全高度，一般取0.5 m。hf為有害凍脹深度，m;一般取最大凍結深度的60%～95%。hw為凍脹期地下水埋深或地面積水深度，m;當為地下水時取負號。

路基凍害根據凍起高度和最大凍結深度的不同而采取不同措施。對于不能滿足凍土區(qū)路基基床頂面至地面的最小距離的一般凍害路段，挖除基床1.8 m，依次換填0.6 m厚滲水土和1.2 m厚B組填料，對既有填料進行改良。為防止毛細水上升，在基床表層底部鋪設土工膜，土工膜上下各鋪0.1 m厚中粗砂墊層。對于嚴重凍害路段，基床填料優(yōu)先選擇礦渣、爐渣、粉煤灰、砂、砂礫石及碎石等抗凍穩(wěn)定性較好的材料。挖除基床2.5 m，依次換填0.6 m厚滲水土和1.9 m厚B組填料，基床表層底部鋪設土工膜，土工膜上下各鋪0.1 m厚中粗砂墊層。同時為了有效降低水位，加強基床的排水作用，在中粗砂墊層以上設置橫向盲溝，最后再填筑滲水土。橫向盲溝每10 m設一處。尺寸為0.4 m ×0.6 m，見圖1。

圖1 橫向盲溝示意

2.2 修筑保溫護道降低凍土的破壞作用

保溫護道是指在多年凍土區(qū)路堤兩側用保溫材料填筑的具有一定寬度和厚度的護道。其高度一般為1.5～2.0 m，寬度為2.0～3.0 m。其作用是防止自然或人為因素改變地面溫度，造成凍土融化而影響路基的穩(wěn)定。

修筑保溫護道在一定程度上恢復了在以往修筑過程中就地取土所破壞的路基兩側凍土環(huán)境，對防止融化盤的擴大，減緩路基病害的發(fā)生與發(fā)展起到了十分積極的作用［2］。

柴達爾支線地處人類活動較為頻繁的藏區(qū)，藏民常年在沿線以放牧為生;既有線全線未設排水系統(tǒng)且陰陽側差別明顯。全線在向陽側路堤段設置的保溫護道在保護凍土的同時，降低了邊坡高度，提高了路堤的穩(wěn)定性;在防止水對路基本體作用的同時發(fā)揮了便道的作用。

2.3 幫填土中設土工格柵防止不均勻沉降

在對填料進行改良做好隔排水的基礎上，為更有效防止不均勻沉降對路基的破壞作用，在研究其機理的同時基于現場勘察資料，按照縱向裂縫發(fā)育性狀和形成原因的相似性及工程整治的方便性，將縱向裂縫分為直線型和邊坡弧型兩種類型［3］。對于直線型采取的工程措施主要是在幫寬新填土部分設單層土工格柵，針對邊坡弧型一般采用土工格柵分層加筋。但是不論那種裂縫，在施工中都要求加大幫填路基及新舊路基接觸部位的壓實度。

2.4 雙向挖臺階保證新舊路基充分銜接

在對既有線路基幫填土加寬改造時，采取了雙向挖臺階的施工工藝，即在幫填土時沿既有邊坡橫向和縱向同時挖臺階(見圖2和圖3)，臺階寬度均不應小于1 m。在因凍害換填基床路段，垂直線路走向挖橫向臺階，分層填筑，分層碾壓。雙向挖臺階法可保證新舊填料更好地銜接，避免由于幫填土的強滲水性，在新舊路基連接面處形成匯水面，產生軟化層，導致幫填土路基發(fā)生沉陷;同時可彌補新填土寬度較小，防止新舊兩層皮發(fā)生邊坡溜坍。在柴達爾支線改造中，全線采用了這種措施，最大程度地減小了新舊路基結合處不均勻沉降，消除了邊坡壓實度不足的弊病，加強了新舊路基的結合程度。

圖2 橫向臺階和土工格柵示意(單位:m)

圖3 縱向臺階示意(單位:m)

2.5 采取加寬措施解決幫寬路基填土寬度不足問題

和現行規(guī)范要求的路基面寬度相比，既有鐵路路基面寬度一般都較小。如修筑于1975年的柴達爾支線既有路堤寬一般為5.5 m，路塹寬為5.6 m，部分地段甚至達不到這個寬度，這和目標設計寬度7.0 m差別很大。在設計中如采取雙側加寬，則單側幫寬值為0.75 m(一般要求單側加寬值必須＞0.5 m)。但是在實際施工過程中，路基填土加寬值沒有達到設計要求。根據規(guī)范要求，結合對既有線原始形態(tài)的勘測調查，對柴達爾支線加寬措施作了如下統(tǒng)一規(guī)定:

1)在既有線的改造設計中，只要條件許可，一般宜采用單側加寬，這樣加寬部分和既有路基的銜接面積更小更利用施工，也最大程度上減少了工程量。

2)當單側路肩加寬值＞0.5 m時，采用填土幫寬路堤，應沿既有路堤坡面挖成寬度不小于1 m的臺階，扒松既有坡面，扒松厚度不應小于0.2 m。在幫寬路堤邊坡中鋪設土工格柵，每層間距0.5 m，幅寬1.5～2.5 m。幫填土頂部寬度不應小于0.5 m，底部不應小于頂部幫寬值。

3)當單側路肩加寬值≤0.5 m時，采用干砌片石垛幫寬路基。

4)在不宜刷方擴寬路塹地段，可采用改變側溝形式、削減側溝平臺、設置側溝蓋板等措施加寬路基。削減后的側溝平臺不宜小于1.0 m。擴寬路塹開挖造成對既有防護工程的拆除，為保證邊坡的穩(wěn)定，根據地層及邊坡高度，采用漿砌片石護坡防護或設擋土墻。

2.6 基床翻漿冒泥及下沉外擠的整治

既有線填料性質較差，加之高原地區(qū)氣候變化較大，雨水集中，部分路基周期性積水導致基床翻漿冒泥或下沉外擠。一般發(fā)生在基床為黏土類的路基地段，排水不良的路塹和站場比較多見。翻漿冒泥和下沉外擠是基床變形不同階段的不同表現特征，翻漿冒泥導致基床陷槽或出現渣囊引起下沉，陷槽或渣囊的發(fā)展使基床抗剪強度下降，導致路肩隆起或邊坡外擠［4-9］。基床翻漿冒泥引起的軌道不平順，惡化了列車運行條件，但變形發(fā)展緩慢，對行車安全影響不大。而基床下沉外擠，則可能造成行車中斷甚至列車顛覆，嚴重危及行車安全。

在針對路基本體整治基床翻漿冒泥及下沉外擠的的同時，應視病害性質、產生原因、地段長短及施工條件等情況，合理選擇施工工藝綜合整治，做好排水工程，尤其是路塹和站場，應疏通或修建防滲側溝、天溝、排水溝等地表排水系統(tǒng);同時應根據綜合情況采取修建盲溝、截水溝、側溝下滲溝等措施，消除或減小地表水和地下水對路基基床的侵害，使基床土經常保持疏干狀態(tài)。

2.7 路基排水系統(tǒng)的改造和完善

水對路基安全有很大影響，在水的作用下路基可能出現下沉，邊坡開裂、塌陷等問題。早期鐵路路堤地段排水溝和路塹地段側溝一般為土質溝，且斷面尺寸不夠，側溝平臺不足，由于雨季沖刷，破損比較嚴重，造成路基病害。因此，應按照因地制宜的原則對排水溝和側溝進行加固設計。排水工程應根據不同地質條件及環(huán)境狀況選擇多種形式，如采用漿砌片石水溝、草皮水溝、護道及擋水埝等。特別在多年凍土地段，設計擋水埝可抬升多年凍土上限，阻止凍結層上水和地面水進入路基基底，消除側向水誘發(fā)多年凍土地基融化下沉的隱患，對路基下多年凍土起到了重要的側向保護作用。

為實現少病害、少維修、綠色環(huán)保的高原地方鐵路建設目標，在勘察、設計及后期運營過程中，應充分做好對地面橫坡、匯水面積、地表水流方向、橋涵及天然溝渠分布情況、排水溝平面位置等與排水系統(tǒng)相關的現場調查工作，做好排水設施的系統(tǒng)設計及相互銜接，對排水設施不合理地段應及時發(fā)現并修正完善，確保防排水設計能夠滿足實際需要，從而保證路基安全穩(wěn)定。

排水工程設計各專業(yè)接口要保持順暢。路基與隧道、橋梁、涵洞分界處的不同排水措施接口的銜接設計要在細致調查的基礎上詳細優(yōu)化，避免降雨對路基邊坡、橋梁錐體、橋墩基礎及農田造成破壞。

3 結論

以既有線改造為主的柴達爾支線，路基工程采取不同措施綜合治理，從改造后運營三年多的情況來看，重新處理過的地段路基沉降在合理范圍內，工后效果良好，沉降值遠遠小于允許范圍。主要有以下兩點體會:

1)鋪設土工格柵和雙向挖臺階處理幫寬路基接縫的方案，消除了既有線路基加寬中舊路基邊坡壓實度不足的弊病，減少了新舊路基結合處的不均勻沉降，竣工路段未發(fā)現縱向裂縫，治理效果明顯。

2)在設計中充分考慮了本線多年凍土分布較廣，以及高原生態(tài)脆弱的特點，在部分地段采用草皮水溝、擋水埝等截排水，在保護凍土的同時保護了生態(tài)環(huán)境。

［1］滿高峰，劉建坤.多年凍土地區(qū)路基縱向裂縫形成機理的數值分析［J］.鐵道建筑，2007(5):51-54.

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［5］李東俠，于劍青.吉圖鐵路路基病害原因分析及治理措施［J］.鐵道建筑，2012(12):72-74.

［6］黃書華，謝達文.鐵路路基病害整治技術［J］.鐵道建筑，2008(9):64-66.

［7］于進學.新建客運專線和既有線并行地段路基病害的分析與處理［J］.鐵道建筑，2009(5):87-88.

［8］竇明健，胡長順，何子文，等.青藏公路多年凍土段路基病害分布規(guī)律［J］.冰川凍土，2002，24(6):780-784.

［9］羅四元.SNS柔性防護系統(tǒng)在既有線路基病害防治中的應用［J］.鐵道建筑，2010(3):74-76.