寒區(qū)鐵路路基凍害微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)

閆宏業(yè)

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

寒區(qū)鐵路路基凍害問題始終困擾著鐵路的安全運營，具有普遍性且根治難度極大。根據(jù)2013—2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅沈陽鐵路局普速鐵路每年凍害總計1.6～2.0萬處，總長度達150 km；沈陽、哈爾濱鐵路局僅凍脹量15 mm及以上的凍害約3萬處，最大凍脹量甚至超過100 mm。目前，有砟軌道凍害整治維護方法主要有設(shè)置預(yù)墊板、高抬道、大揭蓋換填、挖側(cè)溝、鋪設(shè)保溫層、疏排水、注鹽等[1-7]。但這些方法普遍存在整治深度較淺、整治效果維持短、不適合短天窗作業(yè)、治標(biāo)不治本等問題，導(dǎo)致雖然每年投入大量人力、物力但整治效率和效果并不理想，凍害依舊年復(fù)一年地發(fā)生。以沈陽鐵路局為例，每年凍害整修投入70%～80%的人力，占據(jù)冬季50%的天窗時間，每年平均投入整修費用超過 3 000 萬元,但并未從根本上解決凍害問題。因此，亟待提出安全高效、治標(biāo)治本的鐵路路基凍害整治技術(shù)。

本文針對秦沈客運專線路基凍害工點，提出路基凍害微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)，達到根除凍害的目的，對寒區(qū)鐵路路基凍害的整治具有借鑒意義。

1 路基凍害微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)

寒區(qū)鐵路路基凍害微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)原理是：針對凍害層位，首先用鋼護管作為穩(wěn)定護壁結(jié)構(gòu)，然后采用液壓頂進系統(tǒng)提供動力，以特制螺旋合金鉆頭作為掘進裝置，邊掘進邊出土直至設(shè)計位置，最后在鋼護管內(nèi)澆筑非凍脹的混凝土或砂漿，從而達到根除路基凍害的目的。

微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)主要特點為：①根據(jù)勘察取樣結(jié)果確定置換層位與厚度，針對性強，有效性高。②以非凍脹填料置換路基不良填料，可達到根除凍害目的。③采用微型盾構(gòu)掘進出土技術(shù)，能夠保證施工過程路基的穩(wěn)定性。④采用基于變形實時監(jiān)測的信息化動態(tài)施工技術(shù)，可保障線路的平順性。

2 凍害工點情況

秦沈客運專線是我國第一條客運專線，設(shè)計時速為250 km，自開通以來常年出現(xiàn)季節(jié)性凍害問題，每年發(fā)現(xiàn)的凍害均在300處以上。以2017—2018年冬季為例，全線共發(fā)生凍害368處，其中292處位于涵洞頂部。選取沈陽鐵路局管轄范圍內(nèi)17處典型凍害位置進行整治，共計長285 m，見表1。

表1 秦沈客運專線涵洞頂凍害整治工點情況

3 整治方案與步驟

3.1 整治方案

針對秦沈客運專線凍害產(chǎn)生部位、凍害范圍及發(fā)展特性，制定了“強置換+強排水”凍害綜合整治方案。在凍害位置涵洞頂凍害層位通過微型盾構(gòu)掘進技術(shù)設(shè)置一排或多排置換孔，孔徑不小于主要凍結(jié)層厚度，將不良填料置換成非凍脹的混凝土或砂漿，實現(xiàn)靶向精準(zhǔn)置換。同時，在緊貼涵洞頂面、置換孔之間設(shè)置密集的排水孔，使涵洞頂具備較強的排水能力，使涵洞頂填料始終保持干燥狀態(tài)。通過“強置換+強排水”的綜合整治方案，可達到根治凍害的目的，整治方案見圖1。

圖1 微型盾構(gòu)靶向換填方案

3.2 施工步驟

圖2為秦沈客運專線凍害整治施工步驟。

圖2 秦沈客運專線凍害整治施工步驟

1)勘察取樣

整治實施前針對凍害位置進行勘察取樣，開展相關(guān)的土工試驗，以確定填料級配特性、含水率情況及其凍脹特性。根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合該工點凍脹量、凍脹范圍等信息確定凍害位置填料置換層位、厚度及范圍。

2)場地清理

根據(jù)凍害處理范圍設(shè)置金屬隔離網(wǎng)，安裝長度為治理范圍往兩側(cè)各延伸3 m，并與現(xiàn)有隔離網(wǎng)連接，形成封閉的施工區(qū)域。清除凍害位置周邊灌木、雜草、浮土等雜物。對地下電纜等軌旁設(shè)備進行確認(rèn)、標(biāo)記和保護，如影響施工則按相關(guān)規(guī)定進行遷移固定。

挖掘清除道砟外側(cè)基床填料，清除厚度根據(jù)凍害處理層位及厚度而定，從而為微型盾構(gòu)作業(yè)機械提供足夠作業(yè)空間(如圖3所示)。

圖3 鉆孔施工垂直面清理示意

3)測量放線

測量放線應(yīng)足夠精確，一方面確保置換孔之間的殘留填料盡量少，另一方面要確保有足夠的置換孔作業(yè)空間，不能干擾交叉。應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙要求，結(jié)合置換孔孔徑和機械高度對孔位進行精確放樣，同時測量出施工平臺標(biāo)高。

4)搭建平臺

施工作業(yè)平臺為機械與人員提供平穩(wěn)的作業(yè)空間，并為盾構(gòu)機的掘進提供足夠反力，保障了施工作業(yè)的穩(wěn)步推進，其設(shè)計與搭建至關(guān)重要。施工平臺寬度為4 m，其長度和高度由處理范圍和現(xiàn)場涵洞施工條件確定。路堤地段施工平臺采用厚3 mm外徑48 mm鋼管搭設(shè)，橫跨、縱跨、步距均為1 m；涵洞位置則采用H型鋼進行搭設(shè)。平臺上部滿鋪木腳手板。施工平臺通過邊坡錨桿抗拉、鋼管斜撐、型鋼深插、與涵洞墻身錨固聯(lián)接等方式，為微型盾構(gòu)掘進提供足夠反力。

5)機械就位

采用中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司TKHT500微型盾構(gòu)機進行路基填料置換和套管頂進。該設(shè)備主體由調(diào)速電機、減速器、液壓油缸、導(dǎo)軌和機架組成。套管為鋼管，其直徑根據(jù)具體凍害工點的整治方案而定。套管每節(jié)1 m，采用公母絲扣連接，確保套管連接平直。鋼管外壁采用防腐潤滑油脂處理，以減少掘進摩擦力。

工作平臺安裝完成后，將微型盾構(gòu)機放置在平臺上，將鉆頭鉆桿連接到鉆機，同時將套管套在鉆桿上。校正鉆機和套管的軸線、高程、坡度，鉆進前將鉆機固定在施工作業(yè)平臺上。

6)出土作業(yè)

采用特制螺旋合金鉆頭作為掘進出土的關(guān)鍵設(shè)備，其鉆頭直徑具有自適應(yīng)調(diào)整能力。未進行作業(yè)時，鉆頭直徑略小于套管直徑，以方便鉆頭與鉆桿輸送與撤出；當(dāng)開展前端作業(yè)時，鉆頭直徑會自動變大，變得略大于鋼管外徑，以降低套管推進摩擦力。鉆桿螺旋葉片起排除土渣作用，螺旋葉片直徑略小于鋪設(shè)鋼管內(nèi)徑。

微型盾構(gòu)掘進時根據(jù)土質(zhì)情況調(diào)整掘進速度，不宜過快。同時注意觀察鉆進阻力變化，以免土質(zhì)不均或遇到較大石塊時發(fā)生偏移。掘進過程中套管要同時跟進，以防止塌孔引起路基沉降。

每完成一節(jié)套管鉆進，盾構(gòu)退后足夠距離，并將鉆桿拆下，安裝下一節(jié)鉆桿和套管，盾構(gòu)繼續(xù)推進。掘進至設(shè)計深度后，將鉆桿和鉆頭依次從套管中抽出，套管留在路基中作為永久防護措施。

移動鉆機至下一孔位，重復(fù)上述步驟，直至完成全部處理范圍。相鄰置換孔套管管壁盡量緊貼，管口高程與設(shè)計高程誤差不應(yīng)超過10 mm。

7)支?；靥?/p>

清掃管口外部渣土，在距管口300 mm處支模。模板應(yīng)牢靠穩(wěn)固，縫隙處用發(fā)泡膠密封。選用C30自密實混凝土和速凝砂漿分層回填。澆筑時將混凝土泵車的泵管伸入到鋼管底部，從內(nèi)往外進行澆筑。澆筑過程中不斷振搗，以確?；炷梁蜕皾{填滿鋼套管。

8)設(shè)排水管

采用潛孔鉆機在相鄰套管下方鉆排水孔，孔徑為90 mm，鉆孔深度和鋼套管相同。成孔后放入HDPE(High Density Polyethylene，高密度聚乙烯)排水管，排水坡度不小于0.5%。排水管上半部鉆10 mm小孔，梅花狀布置，排水管外壁包裹一層透水土工布。

9)場地恢復(fù)

施工作業(yè)完成后，進行場地清理，恢復(fù)原狀。

4 施工監(jiān)控

秦沈客運專線是我國鐵路網(wǎng)干線，是進出關(guān)的“咽喉要道”，其行車密度非常大。雖然本次凍害整治采用的是單側(cè)天窗作業(yè)，但整個整治過程中另一側(cè)并未限行。施工過程路基穩(wěn)定狀態(tài)的實時監(jiān)測至關(guān)重要。因此，本項目采用了陣列式沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)對路基沉降進行了監(jiān)測，有效指導(dǎo)了施工過程，確保了秦沈客運專線的行車安全。

圖4 陣列位移傳感系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況

陣列式沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)精度為1.5 mm/30 m，采集頻率為1次/10 min，能夠滿足施工過程變形精度與實時性控制要求。沿線路方向每隔0.50 m(即每個軌枕位置)設(shè)置1個監(jiān)測點，對整個處理區(qū)段進行了全覆蓋監(jiān)測，見圖4。結(jié)合工務(wù)部門要求，沉降5 mm為報警值，當(dāng)超過報警值時立即通知相關(guān)單位，采取相應(yīng)軌道維護措施。

由施工過程典型沉降情況可知，施工過程中沉降未超過4 mm，說明該技術(shù)對路基穩(wěn)定性的影響是完全可控的。

5 整治效果

整治工程從2018年5月開始，至11月底全部完成。整治結(jié)束后立即對凍害整治位置進行了凍脹量觀測，表2為凍害整治位置2018—2019年冬季最大凍脹量統(tǒng)計情況?？芍?7處工點除K644+825—K644+840區(qū)段外，其他16處凍脹量均未超過5 mm，凍害治愈率達到94%，充分說明了該技術(shù)的有效性。

表2 秦沈客運專線凍害整治位置最大凍脹量統(tǒng)計

注：10 m弦測量凍脹量超過5 mm即為凍害。

6 結(jié)語

1)微型盾構(gòu)靶向置換整治技術(shù)針對性強、安全可靠，以非凍脹填料置換路基不良填料，是治標(biāo)治本的凍害整治技術(shù)。

2)施工過程采用變形實時監(jiān)控技術(shù)進行信息化動態(tài)施工，能夠保障線路平順性與路基穩(wěn)定性。

3)秦沈客運專線凍害整治效果說明，凍害治愈率達到94%，基本根除凍害，充分說明了該技術(shù)的有效性，可進一步推廣應(yīng)用。