滬寧城際鐵路路基翻漿原因分析及整治措施研究

潘振華

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 210075)

1 概述

滬寧城際鐵路自2011年12月開始常規(guī)的檢查以來，共發(fā)現(xiàn)有數(shù)十公里的路基地段發(fā)生了路基翻漿病害，大多數(shù)病害發(fā)生在混凝土底座板的端部附近，特別是在鋪設(shè)框架軌道板的地段較為嚴(yán)重。路基翻漿主要表現(xiàn)為:在路肩上流淌著或堆積著由水與碎石墊層中細(xì)顆粒混合而成的泥漿滲出物，嚴(yán)重處滲出物厚度達(dá)10～50 mm，個(gè)別地段泥漿滲出物被抽吸至軌道板表面道心內(nèi)，見圖1。從動(dòng)檢車添乘檢查記錄也可發(fā)現(xiàn)，在路基翻漿的K221+250—K264+900地段，出現(xiàn)多處高低不良，并且垂直加速度達(dá)到Ⅱ級(jí)甚至Ⅲ級(jí)超限，其中K231+600—K231+800尤為明顯，波形圖顯示高低及長波高低不良，其中高低大值達(dá)到－7.8 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)這已嚴(yán)重影響到列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和行車的安全性，見圖2。

圖1 路基翻漿地段滲出物

圖2 動(dòng)檢車波形圖

2 路基基床表層翻漿成因分析

導(dǎo)致路基基床表層翻漿有多種因素，如基床表層級(jí)配碎石層組成、動(dòng)力荷載的作用、排水系統(tǒng)的工作狀況等。本文就已經(jīng)掌握的影響因素進(jìn)行分析。

2.1 路基基床表層(級(jí)配碎石層)填料不當(dāng)

高速鐵路路基基床表層由級(jí)配碎石填筑，根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，基床表層的壓實(shí)系數(shù)應(yīng)≥0.97，它強(qiáng)調(diào)基床表層應(yīng)具有較密實(shí)狀態(tài)，然而這個(gè)規(guī)定卻忽視了透水性。圖3為杭長客專、寧杭高鐵、京滬高鐵及滬寧城際4條高鐵級(jí)配碎石的級(jí)配曲線，從中可以看出級(jí)配碎石層中含有相當(dāng)比例的細(xì)顆粒。

目前各高速鐵路在路基基床表層選材時(shí)均按《規(guī)范》中規(guī)定的級(jí)配碎石粒徑級(jí)配曲線制備，且各粒徑材料的百分率基本一致，即＜0.1 mm占10%，0.1～1 mm占20%，1～5 mm占10%，5～10 mm占20%，10～20 mm占20%，20～31 mm占20%。此類路基表層(級(jí)配碎石層)具有滲透系數(shù)低甚至不透水的特點(diǎn)，對(duì)于有砟高速鐵路(如杭深線)，因路基面設(shè)有良好的排水坡，雨水能快速排出基床流入側(cè)溝，因此，杭深線運(yùn)營4年來，未發(fā)生路基翻漿病害。對(duì)于Ⅱ型板的無砟軌道(如京滬、滬杭高鐵)，因軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，雨水僅從軌道板與兩側(cè)封閉層間的裂隙少量地滲入，發(fā)生路基翻漿的現(xiàn)象較少。但對(duì)于降雨充沛的滬寧城際鐵路，級(jí)配碎石層細(xì)小顆粒含量大不僅使路基表層成為不透水層，而且為路基產(chǎn)生翻漿提供了條件。這是滬寧城際鐵路路基翻漿的重要原因之一。

圖3 級(jí)配碎石粒徑級(jí)配曲線

2.2 路基防排水系統(tǒng)不完善

滬寧城際軌道的混凝土底座間伸縮縫未進(jìn)行有效封閉，僅用膠合板進(jìn)行塞縫。在夏季，混凝土底座板因溫度升高而膨脹從而夾緊膠合板，致使雨水難以滲入路基中，因此，多雨的夏季并不是路基翻漿的高發(fā)季節(jié)，然而從常規(guī)檢查發(fā)現(xiàn)滬寧城際鐵路沿線的路基翻漿一般發(fā)生于冬季(即11月份至來年的2月份共計(jì)4個(gè)月，這期間常年累計(jì)降雨量達(dá)160 mm)，而在來年的3至4月份較為集中顯現(xiàn)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因:首先，混凝土通常在溫度變化下發(fā)生縮脹，對(duì)于20 m長混凝土底座板因溫度下降導(dǎo)致收縮可能要產(chǎn)生約12 mm的縫隙，在降雨時(shí)雨水將從縫隙滲入級(jí)配碎石層中;其次，在溫度下降時(shí)，路肩的混凝土封閉層也發(fā)生收縮，在封閉層與底座板間產(chǎn)生收縮裂隙，這也為雨水下滲提供了通道。然而在工程實(shí)施過程中，級(jí)配碎石層透水性較差，造成雨水滯留在級(jí)配碎石層的表面，同時(shí)設(shè)計(jì)的路肩上混凝土封閉層又高于級(jí)配碎石層3～5 cm，形成了一道自然攔水槽，使集于級(jí)配碎石層的雨水無法排出，在級(jí)配碎石層表層形成了一個(gè)水囊。這是滬寧城際鐵路路基發(fā)生翻漿的最重要的內(nèi)在原因之一。

2.3 高速列車高頻振動(dòng)

級(jí)配碎石層中的自由水在高速列車振動(dòng)作用下產(chǎn)生較高的瞬時(shí)動(dòng)水壓力，瞬時(shí)承壓水同時(shí)進(jìn)行著水壓力消散過程，一方面對(duì)基床表層中大粒徑碎石間填充物——細(xì)顆粒產(chǎn)生劈裂破壞作用，使細(xì)顆粒脫離級(jí)配碎石骨架而溶入承壓水中;另一方面，瞬時(shí)承壓水從底座板間的伸縮縫以及封閉層與底座板間的裂隙消散時(shí)，也帶走了細(xì)顆粒。隨著消散作用的加劇，級(jí)配碎石層中粒徑達(dá)5 mm的顆粒也發(fā)生了流失。一般情況下，底座板伸縮縫處級(jí)配碎石層的翻漿最為嚴(yán)重，并逐步發(fā)展延伸至距伸縮縫5 m范圍內(nèi)。如果級(jí)配碎石層的翻漿進(jìn)一步發(fā)展，將相繼發(fā)生底座板空吊和底座板下沉兩種結(jié)果。隨著級(jí)配碎石層部分小顆粒的流失，底座板形成板下空吊。通過觀測(cè)，底座板在列車作用下產(chǎn)生的上下振動(dòng)幅度可達(dá)3 mm。隨著翻漿冒泥加劇，當(dāng)空吊發(fā)展到一定程度時(shí)，底座板發(fā)生下沉并產(chǎn)生橫向裂紋。據(jù)調(diào)查，滬寧城際的底座板最大下沉達(dá)30 mm。下沉嚴(yán)重時(shí)，極易造成軌道板產(chǎn)生裂紋。

綜上所述，級(jí)配碎石層中細(xì)顆粒含量大和路基表層排水不暢是產(chǎn)生翻漿冒泥的內(nèi)因，而高速列車的高頻振動(dòng)是造成翻漿冒泥的外因。

3 路基翻漿病害整治

3.1 整治原則

從路基級(jí)配碎石層翻漿成因分析可知，要徹底根治病害，首先應(yīng)進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)的封閉，在底座板間設(shè)置止水帶，防止雨水滲入路基級(jí)配碎石層中，同時(shí)，完善路基排水系統(tǒng)，排出路基殘余水;其次，對(duì)產(chǎn)生空隙的級(jí)配碎石層進(jìn)行注漿填空充實(shí)，確保軌道動(dòng)態(tài)平穩(wěn)。

3.2 材料的選擇

由于高鐵施工具有施工天窗時(shí)間短(一般為00:00—4:00)的特點(diǎn)。選擇合適的充填和封閉材料是整治翻漿病害的基礎(chǔ)。注漿充填材料應(yīng)具有初凝時(shí)間短、流動(dòng)性好、易與路基級(jí)配碎石層中顆粒粘結(jié)的特點(diǎn)。在選擇混凝土底座板間的封閉材料時(shí)，要考慮到混凝土底座板受溫度影響產(chǎn)生的熱脹冷縮，應(yīng)具有防水隔水、較高延伸率、抗老化及與混凝土間粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)比選，采用ZTRW-G-202(205)高聚物化學(xué)膠，該膠由A，B雙組分構(gòu)成，在凝結(jié)0.5 h后，其抗壓強(qiáng)度達(dá)35 MPa，見圖4。力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 高聚物化學(xué)膠凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度關(guān)系

表1 ZTRW-G-202(205)高聚物化學(xué)膠力學(xué)參數(shù)

路基表層中注漿材料采用205膠，底座板間伸縮縫采用202膠，在施工結(jié)束后，即可恢復(fù)常速運(yùn)行。在滬寧城際K235處已利用該材料進(jìn)行了試驗(yàn)性的路基翻漿整治施工。

由于底座板間伸縮縫采用202膠封閉，膠體與左右底座板是剛性聯(lián)結(jié)，見圖5。在列車125萬次振動(dòng)作用后產(chǎn)生了疲勞，伸縮縫間的封閉體出現(xiàn)了裂縫，見圖6。

圖5 采用202膠封閉

圖6 202膠因疲勞產(chǎn)生裂紋

從現(xiàn)場使用情況看，雖然高聚物化學(xué)膠具有較好的性質(zhì)，但是由于它不滿足抗疲勞的要求，因此不適合于作封閉材料。

經(jīng)研究，采用非剛性聯(lián)結(jié)的橡膠止水帶封閉(圖7)可有效解決高聚物化學(xué)膠抗疲勞性能不足的缺陷?？紤]到底座板收縮，橡膠止水帶局部采用膨脹橡膠，雨水沿橡膠止水帶內(nèi)排水槽排出。同時(shí)對(duì)橡膠止水帶采取了在底座板上植筋鎖定措施，防止橡膠止水帶外竄而威脅行車安全，見圖8。

圖7 采用橡膠止水帶封閉

圖8 橡膠止水帶鎖定

4 施工工藝

基床注漿填空處理流程:首先，封閉底座板與級(jí)配碎石層間的縫隙(預(yù)留少量排氣孔)。其次，在底座板上鉆孔安設(shè)注膠嘴，沿混凝土底座板的兩側(cè)，順線路方向每隔500 mm鉆一個(gè)注膠孔，孔深約300 mm，以鉆透底座板為準(zhǔn)?？讖? mm，距結(jié)構(gòu)邊緣100 mm。然后，用高壓風(fēng)清理注膠孔及底座板下裂縫中孔隙水。最后，用不大于0.4 MPa壓力進(jìn)行注膠，205號(hào)膠體注入底座板與級(jí)配碎石層間縫隙后，與殘余水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成泡沫，泡沫在注膠壓力作用下通過排氣孔排出級(jí)配碎石層，直至205號(hào)膠體將底座板下級(jí)配碎石層中縫隙填充飽滿。注膠及排水系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 注膠及排水系統(tǒng)示意

底座板間伸縮縫封閉基本流程:首先對(duì)伸縮縫鉆孔(鉆孔要保持一定坡度，使橡膠帶排水通暢)，高壓風(fēng)管清孔;其次，塞入橡膠止水帶并鎖定;最后清理現(xiàn)場。

由于底座板外側(cè)的級(jí)配碎石層不透水，為排出從伸縮縫下滲的雨水，在伸縮縫處沿線路方向在兩側(cè)設(shè)置長0.5 m的排水盲溝，在兩線間設(shè)置明溝，參見圖9。

5 整治效果分析

對(duì)路基翻漿最嚴(yán)重的滬寧城際K264+830地段，采用橋梁HFFKY-Ⅱ裂紋測(cè)量系統(tǒng)對(duì)底座板層端部進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)注漿后底座板在列車通過時(shí)上下振動(dòng)起伏幅度只有0.10 mm，可見該區(qū)段上下行空吊板整治效果明顯。同時(shí)，動(dòng)檢車的峰值高低及長波數(shù)值明顯減小，高速狀態(tài)下列車的平穩(wěn)性得到極大改善。注膠整治前后軌道高低幅值對(duì)比見表2。

表2 注膠整治前后軌道高低幅值對(duì)比

6 結(jié)論與建議

1)對(duì)滬寧城際K264前后2 km翻漿地段整治一年后的效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整治有效率達(dá)86%。無砟軌道級(jí)配碎石層翻漿采取排水、注膠和封閉相結(jié)合的方案，具有較好的整治效果。路基翻漿一旦出現(xiàn)應(yīng)及時(shí)整治，否則，端部底座板變形下沉甚至斷裂，不僅嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)安全，而且增加整治難度。

2)由于Ⅰ型無砟軌道板地段的路基級(jí)配碎石層采用壓實(shí)系數(shù)、地基系數(shù)及動(dòng)態(tài)變形模量對(duì)土的壓實(shí)狀態(tài)、強(qiáng)度進(jìn)行控制。在施工時(shí)，一般采用高百分率細(xì)顆粒(＜5 mm)，才能滿足三項(xiàng)指標(biāo)要求上限。

為從源頭防止產(chǎn)生級(jí)配碎石層翻漿，提出兩種建議方案。方案1(適當(dāng)降低壓實(shí)系數(shù)的要求):對(duì)多雨的長江中下游地區(qū)，級(jí)配碎石層的粒徑級(jí)配宜采用《規(guī)范》級(jí)配曲線下限，將級(jí)配碎石層作為透水層設(shè)計(jì)，以便及時(shí)排出雨水，防止翻漿的產(chǎn)生。方案2(不降低壓實(shí)系數(shù)的要求):用不大于3%的水泥干粉替代0.1 mm的小粒徑顆粒，既可充填大粒徑顆?？紫?，以滿足壓實(shí)系數(shù)指標(biāo)要求，又可固化級(jí)配碎石層，防止細(xì)顆粒流失而產(chǎn)生翻漿。同時(shí)，降低路肩封閉層高度，使路肩硬化面低于軌道底座板底面，使通過軌道底座板間裂縫下滲的雨水能排出路基。

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