常見鐵路路基病害及路基加固技術(shù)分析

霍偉

摘 要：鐵路路基是指承受列車及其軌道荷載的建筑結(jié)構(gòu)，路基的質(zhì)量深刻影響列車的安全運(yùn)行。受地質(zhì)因素、自然環(huán)境因素、列車荷載因素的影響，鐵路路基容易出現(xiàn)老化、下沉等問題。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通和物流運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展下，重載鐵路得到了廣泛應(yīng)用，和一般鐵路相比，重載鐵路的行駛路程較遠(yuǎn)、承載的貨物較重，得到了廣泛應(yīng)用，和一般鐵路相比，這種類型的鐵路更容易出現(xiàn)路基病害，且發(fā)生路基病害之后對(duì)社會(huì)發(fā)展影響更為深刻。為了能夠更好地促進(jìn)我國(guó)鐵路運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展，文章以重載鐵路為研究對(duì)象，在闡述常見鐵路路基病害的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析高壓旋噴樁施工技術(shù)在重載鐵路路基加固中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鐵路路基；病害類型；路基加固

中圖分類號(hào)：U216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0046-03

Abstract： Railway subgrade refers to the construction structure which bears the load of train and its track. The quality of subgrade has a profound impact on the safe operation of trains. Affected by geological factors， natural environment factors and train load factors， the railway roadbed is prone to aging， subsidence and other problems. With the development of social economy， transportation and logistics， heavy-haul railway has been widely used. Compared with the general railway， the heavy haul railway has a long distance and heavy cargo， and has been widely used. Compared with the general railway， this type of railway is more prone to roadbed disease， and after the roadbed disease， the impact on social development is more profound. In order to better promote the development of railway transportation in China， this paper takes heavy haul railway as the research object， on the basis of expounding the common railway roadbed diseases. The application of high pressure rotary grouting pile construction technology in the reinforcement of heavy duty railway subgrade is analyzed emphatically.

Keywords： railway subgrade； disease type； roadbed reinforcement

1 路基建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路運(yùn)輸是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、物流運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展下，出現(xiàn)了重載鐵路。和一般鐵路相比，重載鐵路在很大程度上增加了列車重量，提升了列車運(yùn)輸能力。但是從實(shí)際發(fā)展情況來看我國(guó)路基建設(shè)仍然存在以下幾個(gè)方面的問題：第一，重載路基建設(shè)質(zhì)量不高。我國(guó)鐵路新線發(fā)展建設(shè)采用的以往的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)重載鐵路路基建設(shè)缺乏足夠的了解，重載路基材料的選擇比較隨意，無法保證列車質(zhì)量。第二，原有線路病害頻發(fā)。在應(yīng)用原有路基建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，現(xiàn)有路基建設(shè)普遍存在性能差、強(qiáng)度低的問題，危害了列車現(xiàn)代化運(yùn)行發(fā)展。第三，整治難度較大。鐵路建設(shè)的快速發(fā)展使得列車車軸重和運(yùn)行速度增加，使得路基狀態(tài)進(jìn)一步惡化，路基整治工作開展難度大。

2 常見鐵路路基病害

2.1 路基下沉

鐵路路基下沉是指路基在自身荷載以及外部荷載的作用下，因承載能力不足而發(fā)生較大的豎向變形。在鐵路路基較大的豎向變形影響下會(huì)使得軌道出現(xiàn)不均勻沉降問題，在沉降問題的影響下還會(huì)出現(xiàn)不同程度的開裂問題，嚴(yán)重威脅了整條鐵路軌道的安全、穩(wěn)定。在鐵路正常運(yùn)行后一段時(shí)間，鐵路路基沉降問題在一定程度上會(huì)被緩解，但是在列車荷載過大的影響下，路基開裂和沉降問題也會(huì)相應(yīng)的變得更加嚴(yán)重。這就嚴(yán)重威脅到鐵路的安全。

2.2 翻漿冒泥

受到列車的反復(fù)振動(dòng)以及水的影響，基床表層滿足一定條件的粘粒和粉粒土?xí)霈F(xiàn)軟化、液化等現(xiàn)象，產(chǎn)生泥漿，這是另一常見的路基病害——翻漿冒泥。而翻冒通道則是指病害發(fā)生路段存在于路基和填土中上下連通的縫隙。這些縫隙在垂直方向上把道床、基床和路基連成一體，破壞了它們?cè)械膶訝罱Y(jié)構(gòu)，使它們喪失了各自的功能，從而影響鐵路的正常使用。

具體來說，就是在列車反復(fù)振動(dòng)的過程中，軌枕在列車反復(fù)震動(dòng)作用下發(fā)生變化，在軌枕的變化下，翻冒通道中的泥漿會(huì)因受擠壓而噴涌出來，噴涌出來的泥漿會(huì)形成新的塊狀體，這些塊狀體在很大程度上影響了列地鐵軌道的建設(shè)。彈性降低后，基床持力層就更容易發(fā)生破壞，埋下隱患，危及貨列車的正常運(yùn)行。

2.3 基床外擠

路基基床外擠的主要原因是由基床土體在水和動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生過大的塑性變形引起的。當(dāng)路基基床上層填土較薄時(shí)，在水和列車動(dòng)荷載循環(huán)作用下，逐漸開始軟化，進(jìn)而發(fā)生較大的塑性變形，導(dǎo)致承載力降低，同時(shí)路基基床還會(huì)和緊密土層、剛臥層發(fā)生剪切滑動(dòng)或者塑性流動(dòng)，在滑動(dòng)或者移動(dòng)的過程中，水和列車動(dòng)荷載變化會(huì)使得土體出現(xiàn)軟化，進(jìn)而出現(xiàn)比較明顯的變形，降低土地承受力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。endprint

2.4 道碴陷槽

道碴陷槽是指道床石碴壓入路基基面發(fā)生的病害，是既有線路路基常見的路基病害形式，直接影響路基基床的下沉和外擠變形。道碴陷槽同翻漿冒泥、基床外擠形成的原因類似，也是在貨列車振動(dòng)及水的影響下，基床表層土產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，道碴陷入到軟化的基床內(nèi)，形成道碴陷槽。這種情況多發(fā)生于填方路段。道碴陷槽現(xiàn)象可以加大的幫助土中水分的擴(kuò)散，一方面，使得雨水等地表水更易滲入路基土中，進(jìn)而使路基土的含水量增加，強(qiáng)度降低；另一方面，強(qiáng)度的降低，使道碴在貨列車的上下振動(dòng)作用下更易陷入路基，陷入的道碴越多，路堤塌陷得越多，導(dǎo)致基床破壞現(xiàn)象更加嚴(yán)峻。

2.5 路肩寬度不足

在施工過程中，路肩受到雨水和地表水的沖擊寬度不大，但是因?yàn)槭┕そㄔO(shè)中沒有設(shè)置排水設(shè)施，在一定程度上促進(jìn)了地表水的流動(dòng)和擠壓，無形中帶走了路肩的土壤，在土壤的缺乏下，如果路基本體內(nèi)雨水積累到一定程度就會(huì)出現(xiàn)外滲，出現(xiàn)塌陷。

由上述各種病害的形式和產(chǎn)生機(jī)理看出，發(fā)生病害的主要原因在于路基承載力不足、側(cè)向變形增大。重載鐵路車廂載重大，對(duì)于路基的壓力更大，在列車形式帶來的巨大動(dòng)荷載循環(huán)作用下，同時(shí)基床又處在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中（主要指水的滲透），非常容易使基床表層土體逐漸發(fā)生軟化現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生了一系列的病害。因此，治理重載鐵路路基病害、增大路基承載能力的關(guān)鍵在于提高路基承載力，減小路基的側(cè)向變形，增強(qiáng)基床的防滲能力。

3 常見鐵路路基加固技術(shù)

1960年以來，世界各地的專家學(xué)者們?cè)诠こ虒?shí)踐的基礎(chǔ)上，探索出多種鐵路路基病害整治及路基加固的處理方法。高壓旋噴樁工法、基床換填法、土工格室法、灌漿法、水泥土復(fù)合樁法。水泥粉煤灰碎石樁法等都是在地基處理中常用的方法。下面，針對(duì)工程中常用的地基加固方法進(jìn)行總結(jié)：

3.1 基床換填法

基床換填法以其可就地取材，施工簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用在鐵路路基病害整治中，是既有線路路基病害整治的主要方法之一。在基床土質(zhì)不良而造成承載力不足，進(jìn)而導(dǎo)致基床下沉、外擠，路基翻漿冒泥，或無法滿足提速或重載擴(kuò)能要求時(shí)，寒冷地區(qū)土體凍害時(shí)，常采用這種方法?；矒Q填法就是將路基本體一定范圍內(nèi)的軟弱土層或已產(chǎn)生病害的路基本體挖除，改換成填充強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定的材料，并經(jīng)壓實(shí)等處理直至滿足設(shè)計(jì)要求密實(shí)度的方法。當(dāng)軟弱土層較薄時(shí)，可全部挖除；當(dāng)軟弱土層較厚時(shí)，根據(jù)計(jì)算可部分挖除。換填材料包括：中粗砂、砂卵石、碎石、灰土等，基床換填一般與土工合成材料配合使用，即在墊層中夾鋪土工格室，以增加換填墊層的整體性與承載能力，或在換填墊層中夾鋪兩布一膜土工布，以提高換填墊層的排水防滲性能。

我國(guó)鐵路由于運(yùn)輸異常繁忙，采用基床換填法整治路基病害時(shí)，僅適用于局部地段的病害整治，不適用于大面積的換填作業(yè)；國(guó)外鐵路運(yùn)輸?shù)姆泵Τ潭冗h(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)鐵路，其基床換填是在拆鋪的條件下，在保證臨線運(yùn)營(yíng)安全的前提下，采用大型機(jī)械施工，效率高，施工速度快，但施工線必須停止運(yùn)營(yíng)。

3.2 土工格室法

土工格室法主要是指通過利用土體表面膠凝材料的硬化特性來進(jìn)行土地約束、加固路基的目的。土木工程的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用這種方法，其中最常用的方法有兩種，一種是根據(jù)工程需求，在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聯(lián)接栓或者強(qiáng)度較高的合成材料繩將土工格柵裝配合成不同類型的土工格室。第二種方法和第一種方法操作基本一致，是由高強(qiáng)度的HDPE條帶經(jīng)過超聲波強(qiáng)力焊接形成，格室的深度不能超過20厘米。第二種方法可用于坡面及沖刷防護(hù)，但其還可用于邊坡穩(wěn)定、層狀承重結(jié)構(gòu)等其他工程領(lǐng)域。

土工格室法具有材質(zhì)輕、材料運(yùn)輸方便、強(qiáng)度高、施工周期短、施工簡(jiǎn)便、工效高等優(yōu)點(diǎn)，并能有效地改善基床土的動(dòng)應(yīng)力及防止基床側(cè)擠和道碴陷槽的發(fā)生，在我國(guó)被廣泛用于基床翻漿冒泥治理、加固補(bǔ)強(qiáng)、控制沖蝕和過渡段處理等。但是，土工格室法進(jìn)行路基的加固存在諸多問題，土工格室材料易破損，在空氣中容易老化，破損后修復(fù)難度較大，在工程的應(yīng)用中針對(duì)材料的老化周期性及后期補(bǔ)強(qiáng)也缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。

3.3 灌漿法

灌漿法和高壓旋噴施工法具有一定的相似性，是利用機(jī)具將均勻拌合好的漿液利用液壓、氣壓或電化學(xué)原理，通過鉆頭鉆孔或注漿管注入到土層中，在硬化之后產(chǎn)生約束作用，達(dá)到地基加固的目的。在灌漿法中，注入的漿液在土體孔隙中不斷滲透，液體產(chǎn)生的壓力會(huì)不斷擠密土體顆粒，將土顆粒間或土團(tuán)粒裂隙中的多余水分和空氣排出。灌漿加固法適用于對(duì)既有鐵路路基承載力和變形不滿足要求的基床和路堤本體進(jìn)行加固處理，但如果漿液擴(kuò)散的范圍有限，那么加固效果將不會(huì)明顯。

3.4 灰土擠密樁法

灰土擠密樁法是基于復(fù)合地基原理的一種地基加固方法，在我國(guó)20世紀(jì)90年代中后期被廣泛采用，適合應(yīng)用在路基承載力不滿足重載要求的砂質(zhì)基床加固處理中，也能夠被應(yīng)用在過渡段下沉和路基中間的病害處理。在操作的時(shí)候，先將一些土體固化劑按一定比例，在適合的容器中充分拌和均勻，制成灰土，然后通過鉆孔機(jī)具在土中成孔，進(jìn)行夯實(shí)操作，制成均勻的灰土擠密樁體?；彝翑D密樁法的優(yōu)點(diǎn)明顯，可以顯著提高地基承載力，減小了地基變形，缺點(diǎn)是施工相對(duì)復(fù)雜、受外界環(huán)境影響大、不適用于含水量較高的土體。

綜上所述，基床換填法、換填法、土工格室法、灰土擠密樁法等常用地基加固方法應(yīng)用于重載鐵路路基加固中時(shí)均存在著不足之處，尤其是在重載鐵路不適用于在行車繁忙的干線或樞紐的咽喉線路，對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)存在著一定影響。

3.5 高壓旋噴樁施工技術(shù)

高壓旋噴樁施工技術(shù)是指在路基旁側(cè)，使用鉆孔機(jī)具在土層中鉆孔，同時(shí)配合噴射注漿技術(shù)進(jìn)行高壓噴射注漿，在機(jī)械力和漿液沖擊力的作用下不斷將破碎的土顆粒與漿液拌合均勻，然后硬化形成具有較高強(qiáng)度的柱狀體，達(dá)到地基加固的目的。高壓旋噴樁施工技術(shù)是一種路基病害整治的新方法，一般不會(huì)影響鐵路的正常運(yùn)行，現(xiàn)階段已經(jīng)在朔黃鐵路局部路基病害整治中初步使用。雖然高壓旋噴樁施工技術(shù)具有鮮明的優(yōu)勢(shì)，對(duì)鐵路的正常運(yùn)行也無影響，但也具有一些缺點(diǎn)，主要是表現(xiàn)在設(shè)計(jì)和施工兩方面。首先在設(shè)計(jì)方面，很大程度依靠經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)參數(shù)方面也缺少理論依據(jù)。但是如果可以合理的調(diào)動(dòng)人員配置、準(zhǔn)備充足的施工機(jī)械，工程量大、施工繁冗的問題可以得到適當(dāng)?shù)慕鉀Q。在施工方面主要表現(xiàn)為工程量較大，施工周期較長(zhǎng)。特別是在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，每排水泥土樁均需要分別搭設(shè)和拆除施工作業(yè)平臺(tái)、吊裝施工設(shè)備，施工多排水泥土樁時(shí)就要重復(fù)多次搭設(shè)和拆除施工作業(yè)平臺(tái)，多次吊裝施工設(shè)備，這會(huì)占用大量的施工時(shí)間，影響施工工期。

由于缺乏系統(tǒng)的理論研究和大量的工程實(shí)踐，對(duì)高壓旋噴樁施工加固效果的評(píng)價(jià)只能通過室內(nèi)試驗(yàn)，借助樁間土和樁體強(qiáng)度進(jìn)而估算，對(duì)加固后路基整體承載力和沉降變形的深入評(píng)價(jià)方面仍然是欠缺的部分。因此，業(yè)內(nèi)相關(guān)研究人員及施工人員很有必要對(duì)已有重載鐵路使用高壓旋噴樁施工技術(shù)的加固過程及方法進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)，對(duì)于加固效果進(jìn)行深入分析，這對(duì)高壓旋噴樁施工技術(shù)樁體設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工都將有著重要的指導(dǎo)意義。

同時(shí)，高壓旋噴樁加固法也存在著不足之處，主要是其與常用的地基加固方法相比，高壓旋噴樁施工技術(shù)應(yīng)用重載鐵路路基加固中具有成本低、強(qiáng)度高、施工速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；高壓旋噴樁施工技術(shù)在重載鐵路路基加固的過程中不會(huì)影響重載鐵路的正常運(yùn)行。

近年，隨著高壓旋噴樁在鐵路路基加固中應(yīng)用逐漸增多，例如在朔黃鐵路橋涵的過渡段以及DK269+200～DK273+000段路基病害整治中，還有石太客運(yùn)專線路基加固中均采用該技術(shù)，提高了路基承載力，減少了路基下沉引起的病害，實(shí)踐證明效果良好，高壓旋噴樁施工技術(shù)得到了鐵路建設(shè)者的重視。由于其施工的便利性，對(duì)于解決工期迫急、質(zhì)量要求高而且施工條件受限的重載鐵路來說，高壓旋噴樁施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

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