鐵路重載線路病害及其整治施工管理

項(xiàng)敏

摘 要：隨著我國鐵路重載化的發(fā)展與走向成熟，重載列車在既有線上的開行為線路、橋梁、隧道等鐵路固定基礎(chǔ)設(shè)施帶來了一系列的影響及病害。本文重點(diǎn)闡述了包括道碴陷槽、線路翻漿冒泥、隧道裂縫滲水、橋涵過載等各類常見病害發(fā)生及發(fā)展致因，并提出了針對不同病害的具體整治施工內(nèi)容及工程管理原則，以保障重載鐵路的安全、高效運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；線路病害；整治措施；施工管理

中圖分類號：U216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0088-03

當(dāng)今世界鐵路運(yùn)輸，主要向著客運(yùn)的高速化及貨運(yùn)的重載化兩大方向的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)重載列車高效安全開行已成為鐵路大國的一個重要標(biāo)志[1]。重載鐵路也被普遍運(yùn)用于大宗黑貨的運(yùn)輸過程中，并具有較高的經(jīng)濟(jì)性。然而，重載列車相較于普通貨物列車，有著軸重大、開行頻率高、速度提升等特點(diǎn)，普通重載鐵路單列運(yùn)量超過5000t。例如，我國干線級重載鐵路大秦線，早在2010年就已實(shí)現(xiàn)2萬噸級組合列車開行并達(dá)到4億噸級年運(yùn)輸量，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策，其年運(yùn)量依然保持在3.7億噸級。另一條主要重載鐵路朔黃線，線路大部位于我國煤炭重要產(chǎn)地山西省，自2000年通車以來，僅煤炭運(yùn)輸就已超過20億噸，年運(yùn)量超過2億噸[2]。然而，較大的軸重、較大的頻率，使得重載鐵路病害的判斷與整治成為一個難題。重載列車在運(yùn)行過程中不可避免地將對鐵路軌道和路基、鐵路隧道、鐵路橋梁等設(shè)施造成損害，線路路基沉降、隧道結(jié)構(gòu)破壞及列車動載沖擊隧道軟弱圍巖、大軸重擠壓橋墩等問題需要得到重視并重點(diǎn)整治。本文綜述研究國內(nèi)關(guān)于重載列車開行對鐵路帶來的影響以及其整治措施，結(jié)合部分?jǐn)?shù)據(jù)，分析了其作用于不同固定設(shè)施的具體病害內(nèi)容、病害現(xiàn)狀、病害致因及具體整治工程措施和方法，為綜合考量重載線路的重點(diǎn)病害預(yù)防提供了有力支撐和依據(jù)。

1 重載鐵路路基及鋼軌主要病害類型及致因

我國現(xiàn)在仍在投入使用的重載鐵路，基本都已使用多年。列車運(yùn)行過程中，應(yīng)力傳導(dǎo)遵循貨物-車體-轉(zhuǎn)向架-輪對-鋼軌及軌枕-道床-路基的順序[3]。在長期的雨水洪澇侵害和大軸重列車往復(fù)動荷載應(yīng)力作用下，鋼軌本體、路基特別是地面鐵路與橋梁之間的過度路段[4]路基極易產(chǎn)生并逐漸發(fā)展出病害。

1.1 鋼軌病害情況

鐵路軌道的鋼軌部分直接承受著由輪對傳遞的下來的動荷載應(yīng)力，由于這一應(yīng)力方向不止平行于重力方向，還會存在部分水平方向分應(yīng)力[5]。這一部分水平分應(yīng)力，將會使得鋼軌本體及其聯(lián)結(jié)扣件發(fā)生損害，這一點(diǎn)在重載鐵路上表現(xiàn)得尤為明顯。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，重載鐵路鋼軌損傷的主要類型包括鋼軌側(cè)方磨損（這一點(diǎn)在曲線處尤為明顯）及剝離掉塊、鋼軌疲勞核損和軌縫焊接處的接頭損毀[6]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這三種類型的鋼軌病害數(shù)目占據(jù)鋼軌重傷類型的97%，其中僅核損一項(xiàng)就占據(jù)90%以上，且隨著重載通道貨運(yùn)量的不斷上升而呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[7]。

1.2 路基病害情況

路基承受著鋼軌及道床傳遞而來的列車運(yùn)行荷載，路基本體及其附屬設(shè)備極易發(fā)生并發(fā)展病害[8]。據(jù)資料統(tǒng)計及文獻(xiàn)研究，路基面臨的病害主要包括：邊坡溜滑或坍塌、道床及路基沉降、道碴陷槽（甚至產(chǎn)生道碴囊）、翻漿冒泥等等。僅2008年一年，朔黃鐵路就產(chǎn)生道碴陷槽、翻漿冒泥及路基沉降超過3000處[9]。以道碴陷槽和翻漿冒泥為例，描述病害產(chǎn)生并說明其主要致因。

道碴陷槽是指貨車動荷載將原本位于道床層的石碴碎屑擠壓進(jìn)入了路基基面之中，使得原本堅固、穩(wěn)定且不易滲水的路基基體遭到破壞，道碴囊逐漸形成，從而出現(xiàn)線路沉降、翻漿冒泥等情況，甚至導(dǎo)致路肩出現(xiàn)坍塌，嚴(yán)重威脅列車的安全和高效運(yùn)行。道碴陷槽及道碴囊見圖1所示。

導(dǎo)致發(fā)生道碴陷槽的原因主要包括以下幾點(diǎn)：（1）路基修建時進(jìn)行的填土工序中，使用了粘性土，這種類型的填土容易變形，特別是在濕潤條件下極易變軟，從而導(dǎo)致容易被道碴侵入；（2）路基壓實(shí)流程不到位，路基基面強(qiáng)度不足；（3）道床較薄，由于道床石碴起到緩沖并分散動荷載應(yīng)力的作用，其厚度不足會導(dǎo)致路基基床承受的荷載過大；（4）季節(jié)變化導(dǎo)致的熱脹冷縮，容易造成路基膨脹變軟。

道碴陷槽形成的過程主要是先在軌道軌枕下產(chǎn)生斷裂的凹槽，凹槽不斷加深并在路面形成縱向鋸齒。這些道碴槽加劇了雨水等液體對基床填土的侵蝕，填土在長期的濕潤條件下開始軟化。在列車特別是重載列車的應(yīng)力擠壓下，道碴陷入填土的情況不斷加劇，又更進(jìn)一步導(dǎo)致地表水侵蝕，產(chǎn)生惡性循環(huán)。

翻漿冒泥也是重載鐵路線路甚至是常規(guī)鐵路運(yùn)行線路上非常常見的一種路基病害。該病害一旦發(fā)生，會使得翻冒起的泥漿混入道碴，并使得出現(xiàn)道床各處強(qiáng)度不一，軌面不平，軌枕受力不均或直接失效，鋼軌磨耗嚴(yán)重等問題。

翻漿冒泥病害的出現(xiàn)，一般是多個因素共同作用導(dǎo)致的，主要分為以下兩種類型[10]：（1）基床性翻漿冒泥，是因?yàn)榛膊捎昧宋院玫恼承酝粒ㄍ临|(zhì)性）或石質(zhì)基面風(fēng)化軟化（石質(zhì)性），這類粘性土或石質(zhì)軟化后的基面在吸水膨脹后，再受到周期性振蕩應(yīng)力[11]，內(nèi)部土質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞從而容易形成泥漿，這些泥漿被充滿空隙的道床道碴層抽吸上升，產(chǎn)生翻漿冒泥；同時，道碴也被擠壓下沉并填補(bǔ)被抽吸的泥漿，產(chǎn)生道碴陷槽和道碴囊，形成惡性循環(huán)。這也是翻漿冒泥病害最主要情形，將使基床發(fā)生不可逆的永久形變。（2）道床性翻漿冒泥，是由于排水不良而形成道床積水，在列車動荷載作用下形成泥漿并冒出，如果道床性翻漿冒泥長期得不到處理，道碴被污染并在應(yīng)力擠壓下磨成粉狀，造成道床透水差，并進(jìn)一步發(fā)展為基床性翻漿冒泥。

2 橋隧涵主要病害類型及致因

2.1 重載鐵路隧道病害

重載鐵路列車頻繁的發(fā)車頻率、過大的軸重和速度，使得其在通過隧道時產(chǎn)生高頻率振動，而使隧道受到不定程度的襯砌裂縫、基底裂損（這一點(diǎn)與非隧道處病害相似，但因其發(fā)生在隧道中，更不易檢查和維護(hù)）、隧道滲漏等損害，嚴(yán)重危害行車安全。而在隧道占比較大的重載線路上，其較大的檢查維修難度和較高的維護(hù)成本更是容易發(fā)生和發(fā)展隧道病害。

以朔黃鐵路為例，全線目前共有77座仍在投入使用，總長超過6萬6千雙延米，占線路總長的11.3%[12]。通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，其主要病害類型及成因主要包括以下幾種，朔黃線某年各類病害頻數(shù)及比例如圖2所示[12]。（1）隧道裂縫。成因?yàn)樗淼朗┕べ|(zhì)量控制不佳或限界不足導(dǎo)致的長期側(cè)向應(yīng)力擠壓而在隧道中產(chǎn)生環(huán)向施工縫、襯砌裂縫（如拱部裂縫、邊墻開裂）、不同模塊拼合處接縫等張開裂縫。施工質(zhì)量問題主要包括止水帶/條固定不牢或安放不規(guī)范，混凝土振搗不到位、質(zhì)地不均或搗固不密實(shí)，拱腳浮碴清理不到位[13]等等。（2）隧道滲水。由于存在上述裂縫而導(dǎo)致的地下水沿裂縫流入隧道。（3）隧道腐蝕。成因?yàn)樗淼阑炷良现谢烊胧嗟染咔治g性的物質(zhì)，在一定溫度和濕度條件下與水發(fā)生的腐蝕性化學(xué)反應(yīng)。如果混凝土完全處于水環(huán)境中，屬于純化學(xué)反應(yīng)，其侵蝕速度較慢，但若處于干濕交替的環(huán)境下，則會呈現(xiàn)物理和化學(xué)雙重反應(yīng)的溶蝕，而且物質(zhì)腐蝕比化學(xué)腐蝕更快。（4）基底下沉、翻漿冒泥。成因與非隧道路基該類問題成因基本一致。

2.2 重載橋涵影響

鐵路貨物運(yùn)輸過程中，橋梁和涵洞的承載能力也是制約列車載重量的一個關(guān)鍵因素。重載列車的運(yùn)行，可能使得線路橋涵長期處于運(yùn)營活載等于甚至于大于設(shè)計活載的運(yùn)行條件之下，這在一定程度上會縮短橋涵使用壽命，降低通行能力并威脅運(yùn)營安全[14]。目前，重載列車開行對橋涵部分的影響包括：

（1）活載儲備不足或者超設(shè)計活載運(yùn)行。部分研究表明[15]，隨著貨車軸重的進(jìn)一步提升，尤其是軸重大等于25t之后，橋涵的活載系數(shù)將達(dá)到0.9以上[16]，在面對25t以上軸重重載列車時，橋涵結(jié)構(gòu)平均活載儲備量不足10%。其中，小跨度橋涵（例如<16m）在高軸重貨車作用下，運(yùn)營活載甚至將超過設(shè)計活載五分之一以上，這將嚴(yán)重威脅運(yùn)營安全。（2）涵洞結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。對于鋼筋混凝土材質(zhì)的小跨度涵洞，特別是跨度小于車廂長度的涵洞，當(dāng)重載列車通過時，每節(jié)車輛都將對涵洞造成一次加載卸載過程，極易造成涵洞結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，使得出現(xiàn)裂縫頻繁且增寬等問題[15]。（3）橋墩振幅超限、支座變形。重載列車通過橋梁時，橋墩墩頂振幅可能超限，同時橋梁支座受到縱向力產(chǎn)生位移甚至爬行[15]。

3 部分病害整治施工內(nèi)容及工程管理方法

針對諸多軌道本體、路基及橋隧涵病害，最關(guān)鍵的是在有限的護(hù)理、整治條件下，分清重要程度地對其進(jìn)行整治和養(yǎng)護(hù)，已有諸多學(xué)者和文獻(xiàn)對病害狀態(tài)預(yù)測及重要度排序問題進(jìn)行了梳理[7]，本章在此基礎(chǔ)上主要闡述兩種發(fā)生頻率最高的病害的整治措施及具體施工過程的管理原則。

3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化裂縫整治及工程管理原則

在采取措施及整治之前必須搜集地質(zhì)環(huán)境和水環(huán)境的詳實(shí)資料，掌握襯砌劣化破損程度及致使破損的內(nèi)外因，本著充分利用既有設(shè)施徹底根治，不留后患的原則提出方案并經(jīng)專家論證后實(shí)施，同時制定風(fēng)險預(yù)案，實(shí)施中要遵循不擾動和少擾動圍巖的原則。針對不同的病害程度，引入不同的施工工程內(nèi)容，具體闡述如下：（1）局部襯砌劣化破損。要在改建段前后加強(qiáng)內(nèi)支護(hù)，分段鑿除二襯和初支后，打設(shè)錨桿、掛網(wǎng)及噴射早強(qiáng)微纖維混凝土，并做防水層及二襯，并注意前后段的連接和密貼及控制限界的要求。（2）大段和全隧道的劣化破損，則應(yīng)依此及如上原則分段加固后實(shí)施，最終貫通，確保初支及二襯質(zhì)量。（3）凡是有水環(huán)境而引起初支和二襯的劣化破損，在摸清侵蝕源的基礎(chǔ)上，合理選定防腐初支與二襯材料，控制好初支與二襯的混凝土級配與防腐料的選定。（4）在地質(zhì)環(huán)境和水環(huán)境作用下襯砌的裂縫處理。在處理前必須對既有襯砌質(zhì)量作出評定，用混凝土回彈線或地質(zhì)雷達(dá)對混凝土襯砌可否繼續(xù)服務(wù)作出判斷。

3.2 基床病害整治措施及工程管理措施

針對這一病害，其施工工程組織原則主要為，施工單位針對具體問題制定總體作業(yè)指導(dǎo)書，其中應(yīng)詳細(xì)列出施工流程、人員-設(shè)備-材料的資源配置情況，組織監(jiān)理方熟悉工藝及施工流程，制定施工中需要重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)督的環(huán)節(jié)要點(diǎn)，所有參與設(shè)計、建設(shè)的相關(guān)單位部門均需要制定實(shí)施方案并提交匯總。而針對路基陷槽、滲水等問題，一般的整治措施為視其嚴(yán)重程度進(jìn)行基床加固處理，主要整治方法包括：（1）在進(jìn)行既有線重載化改造的過程中，進(jìn)行路基加固時，要選用合適的填料，不使用軟性土等填料，壓實(shí)路基基床時確保填筑密度，并嚴(yán)格設(shè)計并合理安排排水系統(tǒng)；（2）為防止泥漿化的軟土上升，在路基面鋪設(shè)砂墊層以阻止泥漿、土粒升入道床層；（3）設(shè)置封閉層，以避免地面水滲入基床，做好基面、特別是路塹形式時的排水工作；（4）針對病害頻發(fā)的鐵路路段，將其基床填料更換為透水性更加的相應(yīng)材料；具體實(shí)施時，可采用土工織布、復(fù)合土工膜等鋪設(shè)于路基面上[17]，形成隔水滲水層，以防止路基病害的發(fā)生。

4 結(jié)論及展望

本文從重載列車開行后，對線路、隧道、橋涵等多個鐵路重要固定基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備造成的影響及容易產(chǎn)生的病害出發(fā)，闡述了包括道碴陷槽、線路翻漿冒泥、隧道裂縫滲水、橋涵過載等各類常見病害發(fā)生及發(fā)展致因，結(jié)合朔黃線等主要重載線路數(shù)據(jù)情況，進(jìn)行了相關(guān)說明。最后，闡明了基床病害及隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化裂縫病害的整治工程設(shè)置原則和措施方法，以保障重載鐵路的安全、高效運(yùn)營。同時，重載列車的開行病害，與多種致因相關(guān)，包括具體的地質(zhì)情形、實(shí)際載重軸重及開行頻率、現(xiàn)場維護(hù)條件、運(yùn)營條件、天文水文條件等等，要完成具體的整治施工工程管理，需要根據(jù)具體線路建立具體的病害分析報告，才能為好地為維護(hù)施工及其工程管理服務(wù)。

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