重載鐵路翻漿冒泥病害調(diào)查與研究對(duì)策

馬 樂(lè)，岳祖潤(rùn)，馮懷平，楊志浩

(1.石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043;3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)煤炭的需求不斷增大。大秦鐵路作為西煤東運(yùn)的主要線(xiàn)路之一，其路基內(nèi)部的應(yīng)力水平，分布狀態(tài)及作用方式也不斷變化并更加復(fù)雜，再加上地質(zhì)條件、自然環(huán)境及施工質(zhì)量的影響，導(dǎo)致了大秦鐵路路基多種病害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著行車(chē)安全及鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

為最大限度發(fā)揮大秦鐵路作用，有效緩解煤炭運(yùn)輸緊張狀況，自2004年起，鐵道部對(duì)大秦鐵路實(shí)施持續(xù)擴(kuò)能技術(shù)改造，大量開(kāi)行1萬(wàn)t和2萬(wàn)t重載組合列車(chē)，2014年4月18號(hào)又進(jìn)行了3萬(wàn)t組合列車(chē)的通車(chē)試驗(yàn)，列車(chē)安全抵達(dá)了終點(diǎn)，全線(xiàn)運(yùn)量逐年大幅度提高，2008年運(yùn)量突破3.4億t，成為世界上年運(yùn)量最大的鐵路線(xiàn)。2010年12月26日，大秦鐵路提前完成年運(yùn)量4億t的目標(biāo)，為原設(shè)計(jì)能力的4倍，2013年年運(yùn)量達(dá)到4.7億t，之后并將完成年運(yùn)量5億t以上的任務(wù)目標(biāo)。

文獻(xiàn)［1］對(duì)過(guò)渡段形式、選擇橫斷面、設(shè)計(jì)最小長(zhǎng)度問(wèn)題、過(guò)渡段交叉重疊問(wèn)題、挖方過(guò)渡段、站內(nèi)過(guò)渡段、特殊結(jié)構(gòu)形式過(guò)渡段設(shè)計(jì)等系列問(wèn)題進(jìn)行探討;文獻(xiàn)［2］介紹了我國(guó)重載鐵路的發(fā)展趨勢(shì);文獻(xiàn)［3］結(jié)合朔黃重載鐵路路基病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)其存在的主要路基病害進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)各類(lèi)病害的一般特征和表現(xiàn)形式、產(chǎn)生條件及成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［4］提出了使用固化劑和復(fù)合土工材料進(jìn)行路基加固的技術(shù)研究;文獻(xiàn)［5］結(jié)合置換法、振動(dòng)擠密法等整治方法介紹了翻漿冒泥、路基下沉和路肩沖刷病害的整治情況。但是上述學(xué)者并沒(méi)有對(duì)病害發(fā)生的根本機(jī)理進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的研究，都是介紹了在病害發(fā)生以后，提出相應(yīng)的后續(xù)整治辦法，沒(méi)有從根本上考慮病害發(fā)生的機(jī)理。

大秦鐵路承擔(dān)的任務(wù)越來(lái)越重，軌道結(jié)構(gòu)承受更大的荷載，線(xiàn)路的變形及路基的病害也更加嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著大秦鐵路行車(chē)安全及擴(kuò)能改建工作的完成，為此在大秦鐵路北同蒲線(xiàn)進(jìn)行了病害調(diào)查分析，從結(jié)構(gòu)機(jī)理及成因上找到解決翻漿冒泥等路基病害的防治措施，為以后新線(xiàn)的建設(shè)和舊線(xiàn)的改造提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)北同蒲線(xiàn) K123+300大新站(路堤)、K41+500懷仁3號(hào)道岔(路塹)及K47+350處14A號(hào)橋(路橋過(guò)渡段)進(jìn)行了病害調(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)Evd試驗(yàn)、含水率測(cè)定試驗(yàn)，環(huán)刀試驗(yàn)，對(duì)軌縫處和正常段下分層取土并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物性分析試驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《鐵路土工試驗(yàn)規(guī)程》［6］操作，部分現(xiàn)場(chǎng)病害情況見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 軌縫下15 cm道床斷面

圖2 大新站雨后軌下10 cm道砟

圖3 懷仁3號(hào)道岔處翻漿冒泥典型斷面

圖4 橋梁處枕下道砟斷面

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及向朔州工務(wù)段工作人員了解發(fā)現(xiàn)，困擾北同蒲線(xiàn)乃至整個(gè)大秦鐵路工務(wù)段的鐵路病害有兩方面:一是鋼軌磨耗，隨著大秦線(xiàn)重載鐵路運(yùn)量的不斷增加，列車(chē)對(duì)鋼軌的磨耗越來(lái)越大，每年每千米換軌數(shù)量也不斷增加，其中曲線(xiàn)路段的換軌數(shù)量增加更加顯著，對(duì)道岔的影響也越來(lái)越嚴(yán)重，道岔處輪軌對(duì)道岔的沖擊越來(lái)越大;金沙灘站處的道岔每3個(gè)月更換1次尖軌，維修周期很短，嚴(yán)重制約著大秦重載鐵路的擴(kuò)能改建工程;二是路基翻漿冒泥，整個(gè)北同蒲線(xiàn)幾乎每個(gè)區(qū)段都存在多處翻漿冒泥病害點(diǎn)，特別是在道岔、軌縫及上坡路段，每逢降雨過(guò)后都很明顯看到翻漿的細(xì)砂粘附在表層碎石上，工務(wù)段必須馬上在翻漿點(diǎn)進(jìn)行清砟振搗，否則可能導(dǎo)致行車(chē)危險(xiǎn)，解決這些病害在線(xiàn)路維修養(yǎng)護(hù)工作中占絕大部分，使維修成本大大增加。

鐵路線(xiàn)路是一個(gè)整體，上部的軌道結(jié)構(gòu)和下部的路基結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞下部結(jié)構(gòu)會(huì)隨之破壞，同時(shí)下部結(jié)構(gòu)的破壞又會(huì)反過(guò)來(lái)加劇上部結(jié)構(gòu)的破壞，形成惡性循環(huán)，最終使整個(gè)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)變形過(guò)大而影響行車(chē)安全。

2 室內(nèi)試驗(yàn)與病害機(jī)理分析

2.1 室內(nèi)物性試驗(yàn)

由前述病害可以看出，大秦線(xiàn)重載鐵路路基病害已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，軌縫下、道岔處及路橋過(guò)渡段病害更加嚴(yán)重。由于運(yùn)量任務(wù)的硬性要求，每年所能提供的維修窗口很少且時(shí)間很短，想徹底對(duì)道床進(jìn)行清砟根本不允許，所以暫時(shí)很難從根本上解決頻發(fā)的路基病害，對(duì)這些典型斷面進(jìn)行了取樣調(diào)查，分別在每個(gè)斷面取土帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物性試驗(yàn)分析。每個(gè)斷面的取樣見(jiàn)表1。

表1 分層取土位置編號(hào)對(duì)應(yīng)

對(duì)每個(gè)斷面的每個(gè)層面的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得出每個(gè)層面的物性指標(biāo)，并進(jìn)行對(duì)比分析，找到各個(gè)斷面各個(gè)層面之間的關(guān)系，從而為以后的病害整治工作提供指導(dǎo)意見(jiàn)。其中軌縫底層的各粒徑成分的篩分質(zhì)量見(jiàn)表2，室內(nèi)部分試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖5，每個(gè)斷面每個(gè)層面的篩分級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

2.2 病害機(jī)理分析

由圖5可以看出，取土路段道砟中的細(xì)粒土由3部分組成，分別為機(jī)車(chē)噴砂、煤渣、磨碎的石粉。之前較多學(xué)者認(rèn)為翻漿冒泥現(xiàn)象是由于基床上的粉粒、黏粒土在水和動(dòng)應(yīng)力耦合作用下形成軟化的泥漿，列車(chē)通過(guò)時(shí)軌枕上下浮動(dòng)，使流態(tài)的泥漿受到泵吸作用，通過(guò)縫隙翻冒到表層。其實(shí)不然，大秦鐵路的翻漿冒泥現(xiàn)象實(shí)際上不是基床的翻漿，而是道床本身的翻漿。

表2 軌縫底層的各粒徑的篩分含量

圖5 部分篩分粒徑成分

圖6 各斷面級(jí)配曲線(xiàn)

隨著運(yùn)量及軸重的增大，列車(chē)對(duì)鋼軌的作用力增大，使得軌枕在列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)豎向變形增大，道砟之間的磨損也更加厲害，久而久之道床內(nèi)磨損下來(lái)的石粉越來(lái)越多，再加上自然環(huán)境中灰塵的污染、機(jī)車(chē)行車(chē)過(guò)程中的噴砂以及列車(chē)上煤粉的浸入，導(dǎo)致道床內(nèi)的級(jí)配發(fā)生變化，細(xì)顆粒含量明顯增多，細(xì)顆粒的含量對(duì)粗顆粒土的性質(zhì)起著決定性的作用，道床內(nèi)的土變得級(jí)配良好，容易壓實(shí)，從而使得道床在軌枕下一定距離處產(chǎn)生一個(gè)板結(jié)層，且其強(qiáng)度、剛度很大，此板結(jié)層的存在嚴(yán)重影響了道床的功能。

鐵路是一個(gè)整體，列車(chē)對(duì)鋼軌施加壓力，鋼軌將力轉(zhuǎn)移到道床上，道床再將此力轉(zhuǎn)移到路基中，以保證列車(chē)的正常運(yùn)行。由于板結(jié)層的存在，導(dǎo)致道床不能將力均勻傳遞到路基中，而路基本來(lái)是最主要的承擔(dān)列車(chē)載荷的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在載荷傳不下去，導(dǎo)致道床內(nèi)顆粒之間的磨損力增大，更加加劇了道床的污染板結(jié)，形成惡性循環(huán)，加速了道床的破壞。道床破壞后在降雨的過(guò)程中，大量的降水不能排除，導(dǎo)致軌枕下道砟長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，承載力急劇下降，列車(chē)通過(guò)時(shí)非常危險(xiǎn)。據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)叵募窘涤炅坑?50 mm左右，冬季最低氣溫達(dá)到－30℃，而且有8個(gè)月平均氣溫在0℃以下。夏季降雨后道床長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，冬季土體發(fā)生凍脹，春季開(kāi)化時(shí)土體發(fā)生融沉，所以當(dāng)?shù)芈坊磕暝谙募鞠碌谝粓?chǎng)雨和冬季下第一場(chǎng)雪時(shí)翻漿冒泥現(xiàn)象更加顯著。

從圖6可以看出，自道砟表層沿深度方向級(jí)配逐漸良好，且每個(gè)層面上軌縫處比正常處級(jí)配也要良好。其原因是列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)軌縫處受到的沖擊載荷大，豎向變形大，道床中碎石間的磨損就嚴(yán)重，對(duì)道床的污染就更加嚴(yán)重，細(xì)粒土較多且通過(guò)縫隙往下滲，在一定深度范圍內(nèi)，自上而下級(jí)配逐漸良好，較易被壓實(shí)，有利于板結(jié)層的形成。

3 整治措施

由于當(dāng)時(shí)修建該鐵路時(shí)，對(duì)該地區(qū)地質(zhì)情況的勘察不夠深入以及施工質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)低，沒(méi)有將路基按土工結(jié)構(gòu)物來(lái)對(duì)待，常常就近取土，加上后來(lái)對(duì)線(xiàn)路的養(yǎng)護(hù)維修不夠徹底、及時(shí)，軸重再繼續(xù)增大的情況下，病害便極易發(fā)生。大秦鐵路已經(jīng)運(yùn)行了幾十年，其路基已經(jīng)基本壓實(shí)，沉降很小，其強(qiáng)度剛度都很大，據(jù)工務(wù)人員介紹，近幾年進(jìn)行大修過(guò)程中，有些斷面徹底清篩時(shí)發(fā)現(xiàn)路基基床良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)道砟囊、陷槽等病害，全是道床本身的破壞。為此，提出了幾點(diǎn)對(duì)于整治道床翻漿冒泥病害的措施。

(1)大修時(shí)增加工人人數(shù)，做到至少2人負(fù)責(zé)1個(gè)枕坑。由于窗口時(shí)間的限制，現(xiàn)在大修時(shí)工人無(wú)論挖多深，到規(guī)定時(shí)間必須回填，這樣造成有些地段清砟效果不好。建議增加工人人數(shù)，嚴(yán)格控制開(kāi)挖深度和回填質(zhì)量。

(2)對(duì)特殊地段(爬坡、道岔等)的軌縫加以焊接，同時(shí)枕下設(shè)置彈性橡膠墊片。焊接軌縫大大減小了病害斷面的沖擊荷載，設(shè)置橡膠墊可以緩沖列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的沖擊荷載，減小軌枕的豎向變形，從而減小碎石間的磨損。

(3)在道床表層噴灑一層膠性材料，此膠性材料延展性好且抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，并在最后幾節(jié)車(chē)廂下部安裝超大功率吹風(fēng)機(jī)。翻漿冒泥病害的產(chǎn)生必須滿(mǎn)足3個(gè)條件即細(xì)粒土、水、動(dòng)載荷，此措施的設(shè)計(jì)截?cái)嗔思?xì)粒土侵入道床的途徑，可有效地防止翻漿冒泥病害的發(fā)生。

4 結(jié)論與展望

(1)大秦鐵路重載鐵路路基翻漿冒泥主要是道床自身的翻漿冒泥。

(2)道床中的翻漿的細(xì)顆粒主要由磨損的石粉、機(jī)車(chē)噴砂及侵入的煤粉組成。

(3)大秦鐵路是世界上僅有的年運(yùn)量4億t以上的重載鐵路，運(yùn)量大任務(wù)重造成維修窗口時(shí)間的短暫與路基病害的徹底整治形成了矛盾，由于上述矛盾的存在，現(xiàn)有條件下找到徹底的解決方案是不太現(xiàn)實(shí)的，但是前述防治措施均可以有效延長(zhǎng)維修周期。

［1］鄭心銘，張世杰，唐廣輝.鐵路路基過(guò)渡段設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(10):44-47.

［2］康熊，宣言.我國(guó)重載鐵路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)鐵路，2013(6):1-5.

［3］宋緒國(guó)，葉朝良，蘇達(dá).朔黃重載鐵路路基病害的分類(lèi)及其成災(zāi)機(jī)理研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，26(1):61-66.

［4］劉放民，薄長(zhǎng)順.朔黃鐵路重載路基基床加固技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2006(S1):1-3.

［5］王立軍，張千里，趙洪勇，等.重載鐵路路基病害及對(duì)策［J］.鐵道建筑，2005(7):67-68.

［6］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10102—2010 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

［7］KATAYAMA M.Characteristics of consolidated ballast on elevated structure of tokaido shinkansen and proposals for its treatment［J］.Quarterly reports of railway technical research institute，1988，29(1):33-40.

［8］ZAREMBSKI A M.Subgrade problems-part 2:causes and mechanisms［J］.Railway Track＆ Structures，1995，91:12-14.

［9］楊巧艷，查坤.利用水平集水管整治翻漿冒泥病害［J］.路基工程，2006(2):130-132.

［10］王廷棟，劉振遠(yuǎn).整治路基翻漿冒泥施工方法綜述［J］.鐵道建筑，2005(9):75-76.

［11］周錫九.鐵路路基基床病害及其產(chǎn)生機(jī)理分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(1):24-28.

［12］楊新安，周青.鐵路路基病害與動(dòng)力觸探試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(4):31-35.

［13］劉瀚強(qiáng).淺析鐵道道床翻漿冒泥病害及其防治［J］.煤炭技術(shù)，2013(6):179-181.