高速鐵路路基狀態(tài)調(diào)查與分析

郭瀏卉，陳 鋒，李中國，程愛君，王鵬程，堯俊凱

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

自2008年我國首條高速鐵路京津城際鐵路開通運營以來，截至2017年12月底，我國開通運營的高速鐵路營業(yè)里程已超過2.5萬km，占世界高速鐵路總里程的66.3%。為掌握高速鐵路路基服役情況，系統(tǒng)分析高速鐵路路基典型病害及整治措施，了解高速鐵路路基檢查維修現(xiàn)狀，對分布于東北嚴寒地區(qū)、西北干旱風沙地區(qū)、南方溫暖潮濕地區(qū)等高速鐵路線路開展了大量的現(xiàn)場調(diào)研工作。

1 高速鐵路路基服役現(xiàn)狀

調(diào)研范圍內(nèi)線路的總長為 9 096.11 km，其中路基總長為 3 204.309 km，占比35.23%。統(tǒng)計結(jié)果(見表1)顯示，路基整體運營情況良好，發(fā)生過病害的長度占路基總長的6.51%。高速鐵路路基主要病害為路基沉降，占路基病害總數(shù)的29.55%。此外，排水不良也是路基的主要問題，占比達27.20%。其他的主要病害包括支擋防護損壞及鋼化，封閉層破損、翻漿冒泥、邊坡溜塌等[1]。個別地域存在凍害、上拱、危巖等問題。

1.1 有砟軌道

調(diào)研區(qū)段內(nèi)有砟軌道路基總長 1 246.391 km，其中病害總長50.087 km，占比4.02%。有砟軌道路基病害情況見表2?？梢?路基沉降是最主要的病害，占病害總長的56.47%，其次是路基排水不良和邊坡溜坍病害，分別占病害總長的15.52%和14.27%。

表1 調(diào)研區(qū)段路基病害情況

表2 有砟軌道路基病害情況

1.2 無砟軌道

無砟軌道路基總長 1 693.618 km，其中病害總長141.450 km，占比8.35%。無砟軌道路基病害情況見表3?？梢?，路基排水不良、支擋防護損壞及風化、路基沉降、封閉層破壞對無砟軌道有較大影響，占比分別為31.27%，24.21%，19.98%，10.84%。

表3 無砟軌道路基病害情況

2 高速鐵路路基典型病害分析及整治措施

2.1 路基結(jié)構(gòu)

2.1.1 路基沉降

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果可知，路基病害中出現(xiàn)沉降病害的總里程為58.498 km，占所有病害的29.55%，是主要病害。其中地基部分最易發(fā)生沉降，對該部分的病害預(yù)防須著重考慮。沉降路段路基類型和路堤沉降病害部位分別見表4和表5。

表4 沉降路段路基類型

表5 路堤沉降病害部位

鐵路路基沉降是由多種因素共同作用導致的，主要成因如下：

1)對于復(fù)雜地質(zhì)情況及特殊土質(zhì)，勘察和設(shè)計的難度較大，存在勘察誤差及地基加固設(shè)計選用不當?shù)膯栴}[2]，進而引發(fā)了沉降。

2)路基排水系統(tǒng)在連續(xù)的強降雨條件下無法滿足需求，微地貌積水導致路基土體物理性質(zhì)變化，進而產(chǎn)生較大的沉降。

3)路基周圍地下水的抽取、挖填方等人類活動有可能造成路基沉降。

因地下水徑流改變導致的沉降病害，在路基沉降部位可通過注漿、設(shè)置加強體等措施進行加固。當沉降較大，軌道不能滿足平順性要求時，可以進行軌道抬升修復(fù)。

2.1.2 路基凍害

在我國的西北部和東北部季節(jié)性凍土區(qū)域，鐵路的凍害比較普遍。目前已建的寒區(qū)高速鐵路包括哈大、盤營、沈丹、哈齊、蘭新、哈佳、哈牡、京沈等，總里程超過 7 000 km[3]。針對寒區(qū)氣候條件的高速鐵路采取了一定防凍措施，但路基凍融問題依然存在。多年的監(jiān)測結(jié)果表明，高速鐵路路基填料凍脹發(fā)展變化過程可劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動融沉、融沉穩(wěn)定5個發(fā)展階段[4]。引起路基凍害的具體原因如下：

1)夏、秋季降雨量大于蒸發(fā)量時，降雨結(jié)束后即進入冬季，雨水滲至路基本體來不及蒸發(fā)，造成了路基凍脹。

2)部分沉積性黃土地區(qū)，路基基床多為原狀土，具有保水性、濕陷性、節(jié)理發(fā)育等特點。路基填挖結(jié)合部成為滲水通道，其附近土體含水量大，密實度低，造成雨季下沉、冬季凍脹。

3)由于在冬季路基凍結(jié)過程中，涵洞路基在路基面和涵洞底部雙向凍結(jié)，其凍結(jié)深度較一般路基更大。同時，路基底部填料細顆粒含量、含水量均較高，導致凍脹量較大[5]。

4)在季節(jié)性凍土區(qū)域，由于防排水設(shè)施不足、損壞等因素(如電纜槽和路肩防排水不通、封閉層嵌縫措施失效等)導致水分滲入路基，引起路基中含水量不均勻，在冬季產(chǎn)生路基不均勻凍脹。

5)由于路塹地下水位高，在施工時改變了地形地貌及徑流條件，導致局部積水，遇冷引起凍脹。

目前，對路基凍脹的整治措施有扣件調(diào)整、嵌縫修補、封閉層修復(fù)、盲溝等疏排水技術(shù)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，從凍害形成的根本原因出發(fā)，合理選擇一種或多種整治措施，才能真正達到消除凍害的目的。

2.1.3 路基上拱

通過對路基上拱病害區(qū)域的分析發(fā)現(xiàn)，路基上拱在路堤、路塹、過渡段區(qū)段均有發(fā)生，其中在路塹和過渡段發(fā)生較多。原因是：①膨脹土(巖)蒙脫石類親水性礦物吸水膨脹，包括泥巖膨脹，多發(fā)生在低矮路堤及路塹段。②化學改良土中摻加的拌和料，因水化或其他化學反應(yīng)導致體積膨脹。

路基上拱的發(fā)展是一個長期漸進的過程，而水分是引起路基上拱的重要原因。根據(jù)上拱量的大小及變化情況采取相應(yīng)的維護、控制與整治措施。維護措施按照相關(guān)維修標準與規(guī)范進行順坡調(diào)整即可；控制措施包括修補路基封閉層，設(shè)置泄水孔、隔水墻、滲溝等；整治措施包括切割減薄支承層[6]、基床置換落道等。

2.1.4 路基翻漿冒泥

調(diào)研時發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥多數(shù)發(fā)生在無砟軌道底座伸縮縫兩端5 m范圍內(nèi)，鋪設(shè)框架軌道板地段較為嚴重，路肩上流淌或堆有泥漿。上下行外側(cè)、兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現(xiàn)象，嚴重處滲出物達10～50 mm厚，個別處泥滲物被抽吸至軌道板表面道心。

路基翻漿病害的具體成因如下：

1)離縫的成因主要有2方面，內(nèi)因是底座板混凝土內(nèi)部的裂紋、層間耦合、約束不強等結(jié)構(gòu)本身的缺陷，以及底座板施工時下底面不平順等。外因是列車荷載、溫度荷載等外部作用引起底座板的應(yīng)力及變形較大。

2)部分線路的伸縮縫僅用膠合板塞縫，未形成有效封閉。因此，當溫度下降時混凝土收縮，膠合板間出現(xiàn)縫隙，導致雨水從縫隙滲入級配碎石層中；路肩的混凝土封閉層也發(fā)生收縮，在封閉層與底座板間產(chǎn)生裂隙，為雨水下滲提供了通道。此外，路肩上混凝土封閉層比級配碎石層高3～5 cm，形成了一道自然攔水槽，使匯集于級配碎石層的雨水無法排出，在級配碎石層表層形成了一個水囊。

3)對于無砟軌道，如果有水分從外界滲入且無良好的排水通道，水分將滯留于軌道板與基床表層之間，最終引起翻漿。

CRTSⅠ型無砟軌道底座與基床頂面間翻漿吊空地段采用填充、疏排、封堵的綜合整治方案進行處理。

2.2 邊坡

本次調(diào)研范圍高速鐵路線路主要出現(xiàn)的邊坡病害具體如下：

1)坡面防護病害

主要原因是坡面沖刷導致的骨架破壞，以及植被生長緩慢或枯萎降低了坡面的整體穩(wěn)定性及美觀性。

2)坡面局部坍塌及溜塌

此病害規(guī)模較小，對線路影響也較小，多發(fā)于西部黃土地區(qū)。

3)邊坡防護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

原因是防護結(jié)構(gòu)與坡面接觸面較小，防護結(jié)構(gòu)底端支撐不足，導致防護結(jié)構(gòu)沿坡面下滑。

4)邊坡排水設(shè)施破壞

當排水設(shè)備置于軟弱或松散基礎(chǔ)之上時，基礎(chǔ)沉降或沖刷容易導致截排水溝開裂甚至損壞，溝內(nèi)水滲漏造成排水設(shè)施進一步惡化。

5)危巖崩塌落石

落石具有突發(fā)性及不可預(yù)測性，當其在較高的位置自上而下滾落，將以較高的速度和較大的能量撞擊地面，造成路面損壞，危及行車安全，是山區(qū)高速鐵路的主要病害。

經(jīng)調(diào)研分析可知，邊坡病害主要成因如下：

1)我國秦嶺—淮河以南地區(qū)，高溫多雨，地層風化深度大，邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生災(zāi)害的概率較高。尤其在降雨集中的季節(jié)，坡面坍塌等病害相對較多。

2)邊坡的防護形式及植被類型不適用，容易造成邊坡坍塌。

3)由于邊坡防護檢查內(nèi)容多，在線路維修任務(wù)繁重時，排水設(shè)備出現(xiàn)的問題未能及時發(fā)現(xiàn)，容易引起邊坡病害惡化。

4)對于一些地形地勢復(fù)雜的地區(qū)，勘察難度大，存在部分潛在病害，尤其是危巖及崩塌的勘察及評估，需要工作人員具有一定的邊坡及地質(zhì)方面的經(jīng)驗，并現(xiàn)場實地調(diào)查才能做出正確判斷[7]。

坡面防護可通過錨桿框架以及增設(shè)水溝的方式進行整治。危巖落石的整治措施主要有主、被動防護網(wǎng)，嵌補，支頂，錨索錨固等。

2.3 路基防排水系統(tǒng)

高速鐵路路基防排水問題是最常見的路基病害之一，本次調(diào)研中，各路段普遍出現(xiàn)排水不良病害，病害工點數(shù)量多。防排水病害情況見表6。

表6 防排水病害情況

高速鐵路路基防排水問題成因如下：

1)軟土地區(qū)地基不均勻沉降、寒冷地區(qū)凍脹、洪澇災(zāi)害等氣候及地質(zhì)條件不良，均易造成防排水設(shè)備損壞。

2)排水系統(tǒng)不完善。如排水溝坡度過緩和順坡不良引起的溝內(nèi)淤積、阻塞；天溝、截水溝、側(cè)溝、路堤排水溝、橋涵等排水系統(tǒng)的匯流、銜接不良，導致排水溝未能暢通連接至出水口；局部缺少、甚至沒有排水設(shè)施，如雨水漫流沖刷護坡時路塹防護結(jié)構(gòu)無天溝。

3)排水溝多為圬工材料，強度低，易出現(xiàn)裂縫漏水。當鋪砌水溝溝底原土夯實質(zhì)量不高時，土體發(fā)生的不均勻變形易導致排水溝開裂破壞。此外，當拼接處勾縫質(zhì)量較差時，溝內(nèi)匯流易沿縫隙滲入溝底，造成水溝下沉開裂。

4)排水溝局部損害漏水未及時發(fā)現(xiàn)并檢修，導致病害范圍擴大。當水溝兩側(cè)未整平時，若不能及時清除雜草及雜物，水溝內(nèi)雜草生長，淤泥淤積會導致排水不良。

5)路基封閉層由于溫度升高引發(fā)表面破損，封閉層薄弱部位開裂并向上拱起，導致路基封閉層損壞、防排水功能失效，當雨水浸入路基本體時引發(fā)路基病害。此外，封閉層伸縮縫材料老化、脫落，也會導致路基封閉層損壞。

防排水結(jié)構(gòu)主要通過養(yǎng)護維修或整體返修的方式進行整治。路基排水設(shè)施應(yīng)定期檢查，堅持防洪隱患和各類安全隱患的排查，及時解決防排水系統(tǒng)養(yǎng)護維修中出現(xiàn)的問題，如清除溝側(cè)及溝內(nèi)的淤泥、雜草、雜物，保持水溝的整潔通暢。

3 高速鐵路路基檢修現(xiàn)狀

TG/GW 120—2015《高速鐵路路基修理規(guī)則》中規(guī)定，路基修理分為路基維修和路基大修。高速鐵路路基檢查類型包括：周期性檢查、日常檢查、汛期檢查以及專項檢查、變形監(jiān)測等[8]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)鐵路路基檢查維修工作目前存在以下問題：

1)人員配備不足

各運維單位普遍存在人員配備不足的問題，尤其是地域特殊的鐵路，如山區(qū)、強降雨及高堤深塹地區(qū)。隨著路基設(shè)備運營時間的增長及養(yǎng)護維修問題的積累，檢查和整修的工作量會成倍地增長。

2)檢查條件及機具有限

由于高速鐵路為全封閉式管理，日間嚴禁進入柵欄檢查設(shè)備，導致日間檢查可視范圍受限。而夜間照明設(shè)備視野有限，天窗時間短，檢查效率較低，對于高堤深塹路段來說，檢查難度更大。

3)缺少有效的檢查及維修手段

南方多雨地區(qū)邊坡樹木茂盛、草木過密，檢查進度緩慢，難度很大。此外，長大路塹漿砌片石護坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部空洞問題的檢查比較困難，目前主要采取人工敲擊檢查的方式。檢查人員高空作業(yè)較危險，需要更科學有效的檢查方法。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)調(diào)研范圍內(nèi)的高速鐵路路基整體服役狀態(tài)良好，主要病害為路基沉降、排水不良。凍害、危巖崩塌落石等病害有明顯的地域性。

2)高速鐵路路基病害主要由地質(zhì)條件、環(huán)境因素、自然災(zāi)害等因素導致。路基凍害及上拱原因較多且復(fù)雜，初期變形速率較大而且具有一定的突發(fā)性，水是主要影響因素。為保障行車安全，重點地段須進行監(jiān)測，及時查明原因并整治。

3)關(guān)于病害整治，在路基沉降方面，采用注漿加固及抬升的方法能有效解決路基沉降問題。 對于凍脹問題，整治措施有扣件調(diào)整、嵌縫修補、封閉層修復(fù)、設(shè)置盲溝疏排水等技術(shù)。對于防排水系統(tǒng)，根據(jù)養(yǎng)護維修經(jīng)驗，應(yīng)注意排水溝的除草、清淤、疏通等工作，加強邊坡防護以減少溝內(nèi)淤泥。在對損壞的既有水溝恢復(fù)重建時，可采用強度較高的片石或混凝土，從而增強排水溝強度。

4.2 建議

1)在設(shè)計施工方面，對線路產(chǎn)生潛在影響的特殊土和特殊環(huán)境地段，在勘察設(shè)計和施工階段應(yīng)給予足夠的重視，加強路基變形設(shè)計和施工控制，優(yōu)化防排水結(jié)構(gòu)。

2)在路基檢查方面，建議針對路基養(yǎng)護維修困難的地域，細化養(yǎng)護維修制度，進一步明確檢查項目及相應(yīng)的檢查周期。更新及完善上道檢查使用的機具，提高路基養(yǎng)護的效率。在高陡邊坡增加路塹邊坡和山體檢查通道。建議作業(yè)通道的寬度不小于1.5 m，以保證安全作業(yè)。

3)在養(yǎng)護維修方面，應(yīng)進一步加強路基養(yǎng)護維修技術(shù)研究，明確不同路基病害的檢查維護措施及作業(yè)標準。對于路基凍害、上拱等成因復(fù)雜的病害，應(yīng)預(yù)防與整治相結(jié)合，合理選擇整治措施。