重載鐵路路基病害分析及對(duì)策

摘要：鐵路在運(yùn)營的過程中易于出現(xiàn)的病害包括凍脹、變形和路基下沉等，需要對(duì)路基進(jìn)行科學(xué)合理的修整。文章對(duì)我國現(xiàn)有重載鐵路路基的典型病害即變形與沉降進(jìn)行了剖析，總結(jié)出了產(chǎn)生病害的主要原因，并針對(duì)這些原因逐個(gè)進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策和防治措施。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；路基病害；凍脹；沉降；變形；鐵路運(yùn)營 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U216 文章編號(hào)：1009-2374（2016）22-0102-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.050

2005年國際重載協(xié)會(huì)理事會(huì)，對(duì)重載鐵路的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新的規(guī)定，需要對(duì)以下三條標(biāo)準(zhǔn)中任意兩條進(jìn)行滿足：（1）列車質(zhì)量≥8000t；（2）貨車軸重≥27t及以上；（3）長度≥150km的線路上年貨運(yùn)量≥4000萬t。因此，重載鐵路涉及鐵路一系列管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的改變，現(xiàn)期間還處于快速發(fā)展階段，如今鐵路在運(yùn)營的過程中易于出現(xiàn)的病害包括凍脹、變形和路基下沉等，需要對(duì)路基進(jìn)行科學(xué)合理的修整。輕則需對(duì)線路抬軌補(bǔ)砟整道、對(duì)路基基床注漿處理，嚴(yán)重的要拆除重新施工，產(chǎn)生較壞的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)運(yùn)營線安全造成巨大安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，線路限速約40%是由路基變形沉降引起的，因此一定要對(duì)路基的變形和沉降原因進(jìn)行認(rèn)真的分析，從而找到最佳預(yù)防辦法。

1 重載鐵路路基出現(xiàn)變形與沉降的主要原因

依據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)和分析，重載鐵路路基發(fā)生沉降與變形的主要原因有：（1）特殊地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境。巖溶地基、地下水下降及地面下沉因素引起的路基沉降；北方嚴(yán)寒地區(qū)凍脹引起的路基上拱；（2）軟弱地段的地基處理。新黃土地基、其他軟基和膨脹性巖土地基等處理不當(dāng)，遇水后引起的路基不均勻沉降和變形；（3）施工質(zhì)量問題。路基沒有使用合格的填料、填料中添加了較多的具有較強(qiáng)膨脹性的填料或者是生石灰沒有得到完全溶解，這就導(dǎo)致遇到水以后就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的膨脹現(xiàn)象，從而使路基出現(xiàn)上鼓的情況；（4）其他因素。臨近線路堆載或開挖基坑施工等因素引起的路基變形。

具體線路產(chǎn)生沉降與變形的原因是由多種因素導(dǎo)致的，有的原因沒有得到明確的確定，需要從地質(zhì)情況、施工技術(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范、地質(zhì)勘察以及其他原因等角度進(jìn)行綜合的研究，只有找到原因才能制定出高效的解決辦法。

2 特殊地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境引起的沉降

2.1 地面沉降分析

軟土地層比較厚的地方易于出現(xiàn)地面沉降的問題，出現(xiàn)這些問題的主要原因包括兩種：（1）地質(zhì)因素，比如軟弱土層固結(jié)出現(xiàn)沉降、構(gòu)造活動(dòng)等；（2）人為因素，比如礦產(chǎn)資源的開發(fā)、地下水下降等。如今地面沉降的主要原因就是地下水的過度開采，有的地區(qū)通過采取限量的辦法，使地面沉降得到了有效的控制。

2.2 處理辦法

鐵路工程從沉降地區(qū)經(jīng)過的時(shí)候，一定要對(duì)沉降的速率、幅度和歷史進(jìn)行認(rèn)真的分析，從而得到詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和線路走向的解決辦法。通常情況下，過量開采地下水可以造成地面出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降問題，會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的漏斗區(qū)，地面沉降緩慢或者是均勻下沉不會(huì)對(duì)重載鐵路工程造成影響。

2.3 路基凍脹原因分析

如今我國已經(jīng)對(duì)路基凍脹的變化規(guī)律、性質(zhì)以及機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的了解，有針對(duì)性地探究了西北、東北等嚴(yán)寒地區(qū)的凍脹問題，積極采取了有效措施對(duì)其進(jìn)行了處理和預(yù)防。在修建青藏鐵路的時(shí)候，專門對(duì)凍害問題進(jìn)行了深入的研究，并獲得了較好的成績。重載鐵路施工對(duì)路基的要求比較高，在嚴(yán)寒地區(qū)修建和運(yùn)營重載鐵路尤其是無砟軌道會(huì)對(duì)凍脹問題有更加嚴(yán)苛的要求。

2.4 分析凍融規(guī)律

經(jīng)過認(rèn)真分析北方地區(qū)重載鐵路建設(shè)、運(yùn)營等相關(guān)問題，并認(rèn)真地分析凍脹季節(jié)路基觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的變化，凍脹變形先后經(jīng)歷了三個(gè)主要的發(fā)展階段，即快速發(fā)展期、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展和凍融期。主要的變化特點(diǎn)包括：（1）在凍脹快速發(fā)展期內(nèi)，凍脹量飛速的增加，10天以后會(huì)達(dá)到最大值；（2）凍脹穩(wěn)定期凍脹量基本穩(wěn)定；（3）凍脹變形包括上漲及回落兩個(gè)階段；（4）經(jīng)過凍融循環(huán)后，凍融沉降值與凍脹高度產(chǎn)生了凍脹殘余變形，其值不大。因此，線路運(yùn)營受凍融規(guī)律的影響比較明顯，線路運(yùn)營的不穩(wěn)定期主要發(fā)生在凍脹融化期和快速發(fā)展期里，一定要做好觀測工作。

2.5 解決措施

凍脹產(chǎn)生的主要因素包括填料的礦物成分及顆粒組成、填料中水的含量、外部強(qiáng)加的負(fù)荷等。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要對(duì)路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的強(qiáng)化、對(duì)路基填料進(jìn)行不斷地優(yōu)化，同時(shí)做好防排水工作。比如，中南部鐵路、神華集團(tuán)鐵路以及大秦鐵路都具有比較典型的特點(diǎn)，凍脹問題基本都得到了有效處理。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，還要進(jìn)行深層次的探究：（1）做好防水處理工作。造成凍脹的主要原因就是水，路基面以下水進(jìn)行一次有效循環(huán)就是一個(gè)凍融期。隨著水資源的不斷循環(huán)，地基中的細(xì)粒土?xí)粠ё?，?huì)給路基造成一定的變形和強(qiáng)度下降。如果路基壓實(shí)是在最優(yōu)含水率下完成的，一定要確保地基含水率在有效的范圍之內(nèi)；（2）路基填料的凍脹問題。經(jīng)過認(rèn)真的分析，路基凍脹與土體含水率、路基填料有著直接的關(guān)系，還與線路經(jīng)過地區(qū)的凍結(jié)深度有著直接的聯(lián)系。因此，在對(duì)路基進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)的時(shí)候，確定凍結(jié)深度時(shí)，一定要對(duì)凍結(jié)系數(shù)進(jìn)行合理選擇。對(duì)填料來源進(jìn)行認(rèn)真調(diào)查的時(shí)候，需要對(duì)天然含水率、級(jí)配進(jìn)行認(rèn)真的分析，對(duì)當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行模擬并開展試驗(yàn)活動(dòng)；（3）路基過渡段施工。在級(jí)配碎石中添加5%水泥進(jìn)行處理，在級(jí)配碎石中添加水泥可以使混凝土溫度、干燥性得到有效收縮，受反復(fù)荷載和溫度變化的影響，路基易于出現(xiàn)開裂的問題，如果發(fā)生破壞就不可能再恢復(fù)到以前的狀態(tài)，需要對(duì)路基過渡段進(jìn)行持續(xù)觀察。

3 施工質(zhì)量引起的沉降

3.1 施工質(zhì)量分析

各種施工質(zhì)量問題最終反映的問題是路基變形和路基沉降。較為典型的情況有：（1）路基填料和工藝把控不嚴(yán)，采用的路基填料級(jí)配和碾壓工藝不符合設(shè)計(jì)要求，會(huì)引起路基的沉降；（2）添加的填料具有較強(qiáng)的膨脹性，遇到水以后路基會(huì)膨脹上拱；（3）在對(duì)改良土填料路基施工的時(shí)候，沒有對(duì)生石灰進(jìn)行均勻攪拌也會(huì)使路基出現(xiàn)上拱的情況；（4）軟弱地段地基處理。改良土換填質(zhì)量不合格、軟土路基數(shù)量和樁長不合格，都會(huì)導(dǎo)致路基出現(xiàn)下沉的情況；如果地基具有較強(qiáng)的膨脹性，但沒有進(jìn)行合理的處理，就會(huì)導(dǎo)致路基在遇水以后出現(xiàn)上拱的情況。

3.2 控制施工質(zhì)量的辦法

重載鐵路路基施工中，填料的控制：（1）基床下路基填料：應(yīng)選用A、B、C組填料和改良土填料，當(dāng)選用C組細(xì)粒土填料時(shí)，液限小于40%，塑性指數(shù)小于15，對(duì)于C組黃土填料，不得具有高濕陷性；（2）基床底層填料：應(yīng)選擇A、B組填料和改良土填料。當(dāng)采用C組細(xì)粒土改良時(shí)，要根據(jù)細(xì)粒土種類和天然含水量確定摻加石灰或水泥進(jìn)行改良。當(dāng)采用A、B組填料的碎石土?xí)r，級(jí)配應(yīng)合理，細(xì)粒含量小于20%，對(duì)于塊石填料，最大粒徑不大于10cm；（3）基床表層的材料：應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和彈性模量以及耐磨反濾等特性。按設(shè)計(jì)選用A組料宜采用碎石土，大于2mm以上的顆粒應(yīng)堅(jiān)硬，級(jí)配應(yīng)良好，細(xì)粒含量宜在2%～15%之間，大于5mm的顆粒含量大于50%，大于20mm的顆粒含量大于30%。

路基填筑施工工藝及控制要求：基床以下路基及基床部分填筑按“三階段、四區(qū)段、八流程”的施工工藝組織，嚴(yán)格控制分層厚度，當(dāng)采用塊石類填筑分層最大壓實(shí)厚度不大于50cm，對(duì)于碎石和礫石類填料分層最大壓實(shí)厚度不大于40cm，對(duì)于砂類土和改良土最大壓實(shí)厚度不大于30cm，分層填筑的最小壓實(shí)厚度不宜小于10cm。

4 其他因素分析

線路附近施工引起的線路沉降和變形十分普遍。造成路基變形的原因主要包括兩點(diǎn)：（1）臨近施工導(dǎo)致地基負(fù)荷增加，比如線路范圍之內(nèi)出現(xiàn)堆載、路基幫填等，易于造成線路地基出現(xiàn)變形的情況；（2）在線路附近進(jìn)行挖掘，從而導(dǎo)致線路出現(xiàn)變形或者是沉降的情況。

在一般情況下采取的措施主要包括兩點(diǎn)：（1）模擬檢驗(yàn)線側(cè)施工可能遇到的所有問題，對(duì)線路運(yùn)行的情況和地基沉降量進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測；（2）對(duì)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃。使用隔離防護(hù)加固的辦法來對(duì)既有路基范圍之內(nèi)的影響進(jìn)行處理。

5 對(duì)策與建議

5.1 加強(qiáng)地質(zhì)勘察

如今在鐵路建設(shè)的時(shí)候，開展項(xiàng)目管理制度和地質(zhì)勘察監(jiān)理制度是非常重要的。重載鐵路在后期投入使用的時(shí)候，出現(xiàn)變形和沉降與地質(zhì)情況有著直接的聯(lián)系，所以，要想對(duì)重載鐵路的變形沉降問題進(jìn)行有效的管理，就一定要將勘察技術(shù)和質(zhì)量進(jìn)行有效的管理，將監(jiān)理的作用進(jìn)行不斷強(qiáng)化，防止出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

5.2 對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性進(jìn)行提升

在進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的時(shí)候，易于出現(xiàn)系統(tǒng)性缺失的情況。重載鐵路車輛系統(tǒng)需要有較高的穩(wěn)定性，對(duì)路基變形和沉降有比較嚴(yán)格的要求，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)不同專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行良好的展現(xiàn)。對(duì)線路經(jīng)過的特殊地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真的分析，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)選型和線路走向進(jìn)行認(rèn)真的分析。在設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)有一些特殊的地基情況是無法避免的，分析可能發(fā)生的實(shí)際工況下運(yùn)營速度和安全值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5.3 對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行管理

在重載鐵路建設(shè)的時(shí)候，受施工質(zhì)量的影響會(huì)導(dǎo)致路基出現(xiàn)一定的變形和沉降，從而導(dǎo)致工程出現(xiàn)拆除和補(bǔ)救的問題，不但造成工期的延誤，還會(huì)對(duì)重載行車運(yùn)營埋下巨大的安全隱患，產(chǎn)生較壞的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。施工中，加強(qiáng)質(zhì)量管理制度的建設(shè)，并建立行之有效的質(zhì)量控制組織機(jī)構(gòu)，采用強(qiáng)有力的管控手段，嚴(yán)格按照工藝流程的施工，以過程控制保證質(zhì)量。

5.4 維修養(yǎng)護(hù)重載線路

在發(fā)達(dá)國家中，重載線路使用機(jī)械化作業(yè)的程度可以達(dá)到九成，使用大型養(yǎng)路機(jī)械可以使重載線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到全面實(shí)現(xiàn)，呈現(xiàn)出專業(yè)化和多元化的特點(diǎn)。主要的機(jī)械化裝置包括鋼軌打磨車、邊坡整形車、線路大修列車、道砟清篩機(jī)以及搗固車等。

6 結(jié)語

重載鐵路與普通貨運(yùn)鐵路相比，承受列車軸重由原來10多t增加到30t，列車牽引總重從原來1000多t增加到10000t。路基的變形和沉降會(huì)嚴(yán)重影響行車安全。

重載鐵路需要謹(jǐn)慎考慮各種因素，如地質(zhì)構(gòu)造、軟

（下轉(zhuǎn)第75頁）

（上接第103頁）

弱地基、凍害及臨近線施工等其他因素對(duì)路基穩(wěn)定性的影響，重載對(duì)路基穩(wěn)定性的另一要求是保證基床足夠強(qiáng)度以滿足重載列車行車需要，和一般條件線路相比，重載條件下列車對(duì)路基基床作用有著更加復(fù)雜的動(dòng)力效應(yīng)。在重載鐵路路基的設(shè)計(jì)上要做到系統(tǒng)全面設(shè)計(jì)，以消除各因素的影響，在修建新線時(shí)應(yīng)當(dāng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高填料級(jí)別并做好防排水設(shè)施。在施工過程中要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保行車安全。

在對(duì)重載鐵路進(jìn)行維修的時(shí)候，可以使用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和鋼軌預(yù)防性打磨的辦法，在實(shí)現(xiàn)輪軌摩擦管理的過程中，可以使用車載式和軌承式的辦法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)做好幾何狀態(tài)檢測和鋼軌探傷作業(yè)。在對(duì)線路的良好狀態(tài)進(jìn)行保持的時(shí)候，可以使用大型機(jī)械來進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，將管理和檢測的力度進(jìn)行不斷加大，從而為預(yù)防性維修提供可靠的依據(jù)。

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作者簡介：田曉青（1980-），男，山西平遙人，供職于中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司，中級(jí)職稱，研究方向：鐵路施工技術(shù)。

（責(zé)任編輯：王 波）