內(nèi)蒙某快速通道過渡段路基沉降特征成因分析

蔡雙樂　張道金

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI Shuangle　ZHANG Daojin

內(nèi)蒙某快速通道過渡段路基沉降特征成因分析

蔡雙樂張道金

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI ShuangleZHANG Daojin

摘要根據(jù)該段路基沉降病害隨機(jī)分布的特點(diǎn)，采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等綜合勘探手段，探查填料性質(zhì)、壓實(shí)密度和基底土質(zhì)情況，結(jié)合設(shè)計(jì)文件、施工過程資料和現(xiàn)場調(diào)查資料，分析沉降病害成因特征，提出加固處理措施建議。

關(guān)鍵詞高速鐵路過渡段沉降病害特征成因分析

該線為國鐵Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路，是我國第一條速度160 km/h預(yù)留200 km/h、開行萬噸列車的重載快速鐵路，于2010年建成通車。通車伊始，部分橋路、涵路過渡段即出現(xiàn)持續(xù)沉降病害。 2012年7月20日15時(shí)～7月21日9時(shí)，該線普降大到暴雨，最大連續(xù)降雨量達(dá)92.2 mm；7月25日1時(shí)～8時(shí)該地區(qū)再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨，最大連續(xù)降雨量達(dá)86.4 mm。兩次強(qiáng)降雨導(dǎo)致沿線局部地段的路基邊坡發(fā)生坍塌、排水溝淤堵或被沖毀，在 K50～K140段內(nèi)的部分橋路、涵路過渡段出現(xiàn)較明顯的下沉，嚴(yán)重影響列車安全運(yùn)營。

1概況

1.1　設(shè)計(jì)概況

該段路塹與路堤相間分布，土石方調(diào)配以移挖作填為原則。路堤與橋臺(tái)、路堤與橫向結(jié)構(gòu)物(涵洞)連接處設(shè)置過渡段，過渡段為倒梯形(設(shè)計(jì)時(shí)為梯形，施工時(shí)均調(diào)整為倒梯形)，采用級(jí)配碎石填筑。過渡段路堤基床表層為級(jí)配碎石，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足K30≥190 MPa/m和孔隙率n<18%；表層以下以級(jí)配碎石分層填筑，鄰近橋臺(tái)2 m范圍級(jí)配碎石摻5%水泥(圖1、圖2)，填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足K30≥150 MPa/m和孔隙率n<28%[1]。路堤工后沉降量應(yīng)滿足以下要求：一般地段不應(yīng)大于15 cm，路橋過渡段不應(yīng)大于10 cm，年沉降速率不應(yīng)大于5 cm/年[2]。

圖1　橋路過渡段

圖2　涵路過渡段

1.2　工程地質(zhì)概況

地貌為高原剝蝕丘陵區(qū)，丘坡與谷地相間，地形起伏大，溝谷縱橫，切割強(qiáng)烈，沖溝發(fā)育；谷地大部為砂層覆蓋，丘坡及沖溝基巖出露較好，基巖巖性以砂巖、砂礫巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖薄層。

沿線為典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點(diǎn)，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃，平均月最低氣溫為-10～13 ℃，7月平均氣溫為21～25 ℃，全年氣溫日差為11～15 ℃，年差為45～50 ℃。降水量為300～400 mm，全年降水集中在7～9月。蒸發(fā)量大，年蒸發(fā)量達(dá)2 000～3 000 mm。

2過渡段沉降病害特征

K50+000～K159+000區(qū)間內(nèi)橋路過渡段有76處(38座橋梁)，涵路過渡段有156處，共計(jì)232處。截止2012年7月底，根據(jù)工務(wù)部門提供的統(tǒng)計(jì)資料，路基與橋梁、路基與涵洞過渡段累計(jì)沉降達(dá)到100 mm以上的地段約有132處，其中累計(jì)沉降達(dá)到200 mm以上的地段有24處，見表1。

表1　橋路、涵路過渡段下沉病害情況統(tǒng)計(jì)[3]

2.1　沉降病害占比大

從表1可知，路堤與橋梁過渡段下沉嚴(yán)重有45處，占該段總橋梁過渡段個(gè)數(shù)(76個(gè))的59.2%；路堤與涵洞過渡段下沉嚴(yán)重有87處，占該段總涵洞過渡段個(gè)數(shù)(156個(gè))的55.7%；二者占比均超過50%，可見該段橋路、涵路過渡段下沉病害十分嚴(yán)重，橋路、涵路過渡段病害不存在個(gè)數(shù)的系統(tǒng)差異。

2.2　沉降病害分布特征

沉降病害主要發(fā)生在K50～K159段，特別集中在K60～K140段，該段地貌為剝蝕丘陵區(qū)，沖溝、狹窄谷地發(fā)育。線路縱斷面上地面線上下起伏，路塹、路堤頻繁交替，橋路、涵路過渡段眾多。該段路基土石方調(diào)配原則是移挖作填，路塹棄方多為泥質(zhì)砂巖、砂礫巖間夾薄層泥巖，屬B、C組填料。而K60～K140段以外的地段則地形較平坦，路基基床表層以下多采用集中取土場的C組填料。

從微地貌角度，橋路過渡段大多數(shù)處于丘坡的斜坡上，而涵路過渡段位于丘坡和谷地區(qū)域的數(shù)量差不多，所以不具有沉降位置同丘坡、谷地的對(duì)應(yīng)關(guān)系，沉降病害與過渡段所處位置的微地貌分布無系統(tǒng)聯(lián)系。

2.3　沉降病害沉降量與填高

從對(duì)病害路基的高度分析來看，路橋過渡段路基最高約10.0 m，平均高度約4.6 m，相對(duì)較低；路涵過渡段路基最高約12.0 m，平均高度約6.0 m，相對(duì)較高；橋路過渡段的最大沉降(沉降量300 mm)發(fā)生在填高10 m處，涵路過渡段的最大沉降(沉降量350 mm)發(fā)生在填高6 m處。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，填高1 m范圍平均沉降量與填高的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3，填高6～7 m時(shí)，沉降量最大，小于6 m時(shí)，沉降量隨路基填高的增高而增加，大于7 m后基本處于140～160 mm。統(tǒng)計(jì)顯示沉降量大小與填高無線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有隨機(jī)性。

圖3　過渡段路基填高-沉降量關(guān)系曲線

3過渡段病害勘察

在全面分析施工圖設(shè)計(jì)、竣工資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際和地形地貌特點(diǎn)，計(jì)劃采用鉆探、代表性橫斷面托軌架梁開挖，全面探查過渡段路基填料的性質(zhì)(如填料的礫徑、級(jí)配、空隙度、密實(shí)度、是否存在空洞等)、注漿的效果(漿體的擴(kuò)散、凝固、膠結(jié)等情況)，并配合使用N10和Evd等原位測(cè)試以及灌砂法或灌水法等試驗(yàn)方法進(jìn)行路基填料密實(shí)度檢測(cè)；計(jì)劃采用地質(zhì)雷達(dá)法[4]全面檢測(cè)過渡段道碴厚度及變化情況。

考慮到不能中斷列車的運(yùn)營，遵循不干擾或少干擾行車的原則，最終采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等勘察手段，探查路堤基床部分和本體部分的填料性質(zhì)、填筑壓實(shí)密度，以及路堤基底的地層分布及特性。

3.1　鉆探

選取填高大、沉降大的典型工點(diǎn)進(jìn)行鉆探，確定路堤本體部分的填料性質(zhì)，探查和復(fù)核基底地層及特性。分別進(jìn)行了6處33孔橋路和涵路過渡段邊坡的鉆探工作，6處15孔涵洞處基底鉆探驗(yàn)證工作。

①基底鉆探揭示，基底地層巖性為稍密—中密的細(xì)砂、細(xì)園礫土，下伏泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖，未發(fā)現(xiàn)軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區(qū)，細(xì)砂、細(xì)園礫土地基基本承載力都在150 kPa以上。

②邊坡鉆探揭示，過渡段填料主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖，以及砂類土、圓礫土等，綜合分析屬于B、C組填料，為附近路塹的移挖作填。

3.2　物探-瑞雷面波

采用瑞雷面波進(jìn)行K60～K140段全部橋路、涵路過渡段檢測(cè)，利用面波速度與介質(zhì)密度、地基系數(shù)、路(地)基承載力等之間的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)波速定量評(píng)判過渡段路基本體填筑的密實(shí)程度及均勻程度。

(1)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式法

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層195152底層(碎石類)180133底層(礫石類)170120

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層200150底層(碎石類)180136底層(礫石類)170129

(2)類比法

通過對(duì)沒有下沉段的測(cè)試，取得各層的平均VR，作為該種填料的壓實(shí)質(zhì)量合格臨界值VR0。

VR≥VR0：合格；

VR

根據(jù)本線所做的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，建議波速200 m/s作為壓實(shí)質(zhì)量合格波速臨界值。過渡段波速在180～200 m/s之間基本穩(wěn)定時(shí)，建議進(jìn)行過渡段沉降監(jiān)測(cè)；過渡段波速在180 m/s以下時(shí)，建議進(jìn)行過渡段處理。

(3)面波檢測(cè)結(jié)果

過渡段與區(qū)間路基波速無明顯變化，從兩者填料在波速上的反映一致的情況來看，兩者物理性質(zhì)無明顯區(qū)別，基本為一種填料。

部分已注漿段落注漿處理效果較好，但部分段落注漿處理效果不明顯。

根據(jù)檢測(cè)資料，把過渡段分三種情況：已穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定(見表2)。

表2　K60～K140段橋路、涵路過渡段沉降統(tǒng)計(jì)匯總

3.3　N10與Evd

對(duì)于路基面以下1.2 m范圍內(nèi)基床表層及基床底層瑞雷面波易失真范圍，采用N10和Evd原位測(cè)試手段探測(cè)填料的密實(shí)度，先后在K71～K95段分別進(jìn)行了200點(diǎn)/20處的N10、182點(diǎn)/20處的Evd探測(cè)。

(1)輕型圓錐動(dòng)力觸探

利用一定的錘擊能量(錘重10 kg)，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)貫入錘擊數(shù)判別土層的類別，確定土的工程性質(zhì)，對(duì)地基土做出綜合評(píng)價(jià)。

N10測(cè)試結(jié)果表明，表層0.6 m填料擊數(shù)一般在32擊，0.6～0.9 m處擊數(shù)一般在30擊，0.9～1.2 m處擊數(shù)一般在30擊。按照鐵道部動(dòng)力觸探技術(shù)規(guī)定(TBJ18—87)將N10值轉(zhuǎn)換為承載力σ0(表3)[5]，則σ0可達(dá)220 kPa，所以路基0.3～1.2 m深度密實(shí)度一般能夠達(dá)到要求。

表3　N10與σ0 值轉(zhuǎn)換

(2)動(dòng)態(tài)變形模量Evd資料整理

Evd主要是對(duì)部分累計(jì)沉降值較大的橋路和涵路過渡段路堤表層進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試值在20～40 MPa之間，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出相應(yīng)的K30值為84.2～154 MPa/m，表明某些沉降段落基床表層密實(shí)度較低。

(1)

3.4　檢測(cè)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及測(cè)試結(jié)果，對(duì)過渡段進(jìn)行綜合分析可得結(jié)論如下：

(1)過渡段路基基底地層部分地段為風(fēng)化巖層，部分地段上覆稍密—中密的細(xì)砂層，下伏風(fēng)化巖層，不存在軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區(qū)等，巖土體工程性質(zhì)較好。

(2)過渡段路基填料主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖以及砂類土、圓礫土等，屬于B、C組填料。

(3)路基0.3～1.2 m深度填土密實(shí)度一般能夠達(dá)到要求，部分沉降嚴(yán)重地段表層級(jí)配碎石層密實(shí)度欠佳。

(4)根據(jù)面波檢測(cè)成果和沉降觀測(cè)等綜合評(píng)價(jià)，過渡段沉降按不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、已穩(wěn)定三類情況進(jìn)行分類(見表2)，便于有針對(duì)性地采取加固處理措施。

4過渡段病害成因分析

通常認(rèn)為路基是柔性結(jié)構(gòu)，與橋梁、涵洞等剛性結(jié)構(gòu)相比，自重、強(qiáng)度、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)具有較大差異，受到動(dòng)荷載作用時(shí)，橋梁、涵洞與相鄰的路基一般均產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致軌面不平順。當(dāng)列車高速通過時(shí)，必然會(huì)增加列車與線路的振動(dòng)，引起列車與線路結(jié)構(gòu)相互作用力的增加，影響線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在路基與橋梁、路基與涵洞之間設(shè)置一定長度的過渡段，可使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少相互之間的沉降差，達(dá)到降低列車與線路的振動(dòng)，減緩線路結(jié)構(gòu)的變形，保證列車安全、平穩(wěn)、舒適運(yùn)行的目的[7]。

路堤的沉降分為填料本身的沉降和基底附加應(yīng)力引起的地基沉降兩部分。K50～K159段為剝蝕丘陵區(qū)，縱斷面上下起伏，路塹、路堤相間，橋路、涵路過渡段較多。大多數(shù)橋路、涵路過渡段落位于山坡斜坡上，基底為風(fēng)化基巖，谷地地層為上砂下巖結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場補(bǔ)充勘探檢測(cè)、測(cè)試結(jié)果與定測(cè)勘察資料一致，不存在軟弱土層、空洞和采空區(qū)等，所以發(fā)生超過設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)的下沉病害主要是由路基本體的沉降引發(fā)的。

4.1　填料性質(zhì)不能滿足相關(guān)要求

本線橋路、涵路過渡段按照《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的要求設(shè)計(jì)，采用倒體形結(jié)構(gòu)，填筑級(jí)配碎石。根據(jù)邊坡鉆探資料揭示和瑞雷面波波速反映，過渡段填料與鄰近路堤填料一致，主要采用路塹棄方的移挖作填，為全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂礫巖夾薄層泥巖和砂類土的混合物，屬于B、C組填料。過渡段未能按照設(shè)計(jì)要求采用級(jí)配碎石填筑，填料也未能達(dá)到《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》最低要求的A組標(biāo)準(zhǔn)。

4.2　壓實(shí)度和孔隙率不能滿足相關(guān)要求

本標(biāo)段橋路、涵路過渡段的填土碾壓工作安排在施工工期的尾部，趕工嚴(yán)重，部分段落還存在冬季施工，沒有能夠很好地根據(jù)填料性質(zhì)控制填土的分層攤鋪厚度、碾壓機(jī)械、碾壓遍數(shù)等施工工藝參數(shù)，沒有嚴(yán)格執(zhí)行過程監(jiān)控和質(zhì)量檢驗(yàn)程序，使得壓實(shí)度、孔隙率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致填土本身在列車動(dòng)荷載作用下震動(dòng)壓密，出現(xiàn)持續(xù)的沉降變形。

4.3　持續(xù)集中降雨的影響

氣象資料表明，2012年包西線工程區(qū)域連續(xù)降雨，7月份出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)暴雨，比往年明顯增多。在大量降雨的條件下，雨水沿沉降裂縫、臺(tái)背等處下滲，低密實(shí)度、含黏粒較多的泥質(zhì)砂巖，砂礫巖填料自身含水率大大增加，其承載能力降低，在上部車輛震動(dòng)載荷作用下，產(chǎn)生較大變形，產(chǎn)生蠕變、外擠、邊坡側(cè)向下溜；同時(shí)，雨水外滲帶走部分細(xì)顆粒，使填筑土體更加松散，形成震密效應(yīng)。汛期集中降雨后雨水下滲是引起路基下沉等病害的外界客觀原因。

4.4　易風(fēng)化泥質(zhì)填料性質(zhì)的影響

該段橋路、涵路過渡段填料以泥質(zhì)砂巖，砂礫巖為主，該類填料在我國北方雨水稀少時(shí)其性質(zhì)能夠得到一定的保障，但雨水豐足時(shí)性質(zhì)迅速惡化，尤其經(jīng)過一定時(shí)間的環(huán)境溫度、雨水等的作用后，物理風(fēng)化加劇，導(dǎo)致巖塊的軟化和強(qiáng)度降低[8]，處于飽和狀態(tài)時(shí)在列車動(dòng)荷載作用下可能突然加速下沉。

5結(jié)束語

針對(duì)既有線橋路過渡段的沉降病害，目前主要采用注漿加、高壓旋噴樁、基床擠密樁加固等，均不同程度取得一定的成效。為了不影響行車安全，工務(wù)部門采取了三種措施：對(duì)沉降較小的地段采用墊片找平；對(duì)沉降中等嚴(yán)重的地段采用補(bǔ)碴調(diào)整；對(duì)沉降嚴(yán)重的地段采用注漿加固。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析，大部分的過渡段沉降注漿后效果較好，少部分沉降仍然有發(fā)展。綜合既有線過渡段沉降加固處理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本線特點(diǎn)，建議采取如下措施：

(1)在沉降不太嚴(yán)重的地段在兩側(cè)路肩及路基邊坡采用注水泥漿的方式進(jìn)行加固，但應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定具體注漿方式及詳細(xì)參數(shù)，并結(jié)合檢測(cè)報(bào)告確定加固長度范圍。

(2)在沉降嚴(yán)重并相對(duì)持續(xù)發(fā)展的地段，建議在路基邊坡斜向(5°～15°)打入高壓旋噴樁。

(3)應(yīng)根據(jù)過渡段填料現(xiàn)狀加強(qiáng)基床表層的防水措施，利用天窗時(shí)間消除道碴陷槽，增設(shè)二布一膜土工布，防止地表雨水的下滲。

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中圖分類號(hào)：U216.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0067-04

作者簡介：第一蔡雙樂(1981—)，男，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土木工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-03-05