既有鐵路路基下沉加固施工技術(shù)研究

沈仕杰 SHEN Shi-jie

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司烏魯木齊分院，烏魯木齊 830000）

0 引言

鐵路是供火車等交通工具行駛的軌道。近幾年，我國鐵路建設(shè)里程不斷增加，既有鐵路連接了上游項目開發(fā)、設(shè)備制造與中游運輸服務(wù)、下游維修檢查養(yǎng)護等環(huán)節(jié)。既有鐵路的運營安全穩(wěn)定性關(guān)乎整個鐵路行業(yè)的發(fā)展。而既有鐵路路基下沉問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致鐵路整體運行安全性能下降，制約了鐵路行業(yè)發(fā)展。因此，研究既有鐵路路基下沉加固施工技術(shù)具有非常重要的意義。

1 既有鐵路路基下沉加固施工項目

既有鐵路位于我國西北部，走向為自南向北，線路全長369.521km。因路基土地基密實度較小，既有鐵路路基在自重、荷載重、水與振動的作用下出現(xiàn)大面積豎向變形，且沉降速度較快，線路整體平順度下降，影響了列車安全行駛。病害路段為K898+235~898+585，處于西北部邊緣剝蝕丘陵區(qū)，沿線地貌為丘陵，地形起伏較小，西北部高、東南部低，海拔高程650m~745m，植被較發(fā)育。工程周邊地層為1.8m厚軟塑粉質(zhì)黏土和硬塑粉質(zhì)黏土，填高為5.7m。

病害路段所屬氣候區(qū)為中溫帶干旱氣候區(qū)，內(nèi)陸型氣候特征突出，降雨時期集中，年降雨量達89.5mm，蒸發(fā)量較大，平均蒸發(fā)量為2152.2mm，晝夜溫差較大，夏季酷熱多雨，冬季嚴寒干燥，年平均風(fēng)速可達21.2m/s。區(qū)域年均溫為6.8℃，最熱月平均氣溫為32.5℃，最冷月平均氣溫為-18.3℃。

病害路段通過大地構(gòu)造單元為隱伏斷裂（第四系地層覆蓋），存在顯著的剝蝕與下切作用，第四系孔隙潛水連續(xù)分布于病害路段，呈條帶狀分布于大型溝床內(nèi)，地下水位埋深為0.8m~4.5m，水質(zhì)較差，對混凝土具有硫酸鹽中等侵蝕作用。

2 既有鐵路路基下沉加固施工難點

2.1 天窗時間短

既有鐵路線路天窗時間較短，為1.5h/天，傳統(tǒng)先基于K30平板載荷試驗計算地基承載力、后回填搗固道碴的方法實施難度較大。

2.2 道床厚度大

既有鐵路線路經(jīng)過若干次大機拋床，道床厚度超出1.1m。加之前段對既有鐵路路基加固處理不當，導(dǎo)致線路兩側(cè)基床頂面存在堅硬注漿體，而道心下則為未注漿的白泥，整體道床厚度處于較高的水平。

2.3 排水不暢

既有鐵路線路基床頂面標高顯著低于線路側(cè)溝溝底標高，側(cè)溝溝底積水排出難度較大，大量淤積的水體可反向灌輸至基床。同時在道床一定深度位置側(cè)溝出現(xiàn)泥漿滲出現(xiàn)象，導(dǎo)致既有鐵路線路兩側(cè)排水溝被基床冒漿堵塞，基床溝清理周期顯著縮短。

3 既有鐵路路基下沉加固施工技術(shù)流程

3.1 路基下沉檢測

根據(jù)既有鐵路線路天窗時間短的特點，結(jié)合《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB10012），利用基于動力觸探儀的原位測試法代替基于K30平板載荷試驗法，縮短路基下沉檢測時長?；趧恿τ|探儀的原位測試法主要利用觸探桿（長1000mm~1500mm、直徑25mm金屬管）、探頭、穿心錘（10kg）組成的儀器。在測試前，利用機械開挖裝置開挖既有鐵路道床，在開挖過程中描述既有鐵路道床、基床填層情況（含厚度、狀態(tài)）。開挖到基床頂面后，由頂面連續(xù)觸探基床土層，觸探參數(shù)見表1。

根據(jù)表1參數(shù)，自由下落穿心錘，促使探頭與既有鐵路路基層成90°，連續(xù)貫入錘擊。同時記錄每打入土層30cm時的錘擊數(shù)，在這一數(shù)值超過100（或者貫入15cm的錘擊數(shù)超過50）的情況下，停止觸探，得出結(jié)果見表2。

表1 既有鐵路路基下沉觸探參數(shù)

表2 既有鐵路路基下沉觸探結(jié)果（局部）

根據(jù)觸探結(jié)果，得出既有鐵路下行線右軌下方沉降較大，水平超限問題頻發(fā)。同時根據(jù)道床開挖出露情況，可確定既有鐵路路基下部土質(zhì)向上部道床侵入是基床頂面土質(zhì)松散、含水量增加、承載力下降的主要原因。主要表現(xiàn)為：既有鐵路基床地質(zhì)成分為白泥土，由蒙脫石組成，富含鈣質(zhì)，吸水性、膨脹性較強，極易與水摻和形成黏結(jié)型物質(zhì)，甚至與道床砂墊層、道碴膠結(jié)，造成路基沉陷。

3.2 路基加固方案設(shè)計

根據(jù)觸探結(jié)果中顯示的既有鐵路下行線右軌下方沉降情況，結(jié)合《建筑地基處理技術(shù)設(shè)計規(guī)范》（JGJ79）的相關(guān)要求，設(shè)計斜向高壓旋噴技術(shù)+路基邊坡加固方案。

3.2.1 斜向高壓旋噴技術(shù)方案

第一步，根據(jù)斜向高壓旋噴技術(shù)應(yīng)用要求，準備3臺高壓旋噴鉆XP-20，3個高壓注漿泵XPB-90D（含直徑2.5mm尖錐形高壓泵噴嘴），4臺20kW發(fā)電機和1000L自漿桶、直徑50mm的特種螺紋連接鉆桿（長160cm~170cm）[2]。

第二步，綜合考慮既有鐵路下沉病害路段路基水文地質(zhì)條件、土層結(jié)構(gòu)、列車荷載條件等因素，以列車安全運營為前提，設(shè)定斜向高壓鉆頭入射角度大于等于10°但小于15°，斜向高壓旋噴用漿液水灰比為1:1，水泥土強度大于等于1.2MPa，水泥漿初凝時間小于等于20h，在20MPa的壓力下注漿，注漿量與噴射長度、單位時間噴漿量、損失系數(shù)、提升速度具有較大關(guān)系。在依據(jù)15cm/min的速度提升鉆桿，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為10r/min，送風(fēng)壓力為0.7MPa時，注漿量計算如下：

式（1）中，Q為注漿量，m3；H為噴射長度，m；v為提升速度，15cm/min；q為單位時間噴漿量，m3/min；β為損失系數(shù)，0.1~0.2。

第三步，根據(jù)既有鐵路路基下沉病害路段路基病害產(chǎn)生的原因，結(jié)合路基小范圍土體浸水軟弱病害特殊表現(xiàn)，選擇“咬合”形布樁形式，樁間距為2倍樁徑~3倍樁徑，樁排距為200cm，均衡豎向應(yīng)力分布，滿足鐵路路基加固需求，確保路基內(nèi)多數(shù)土體均可承擔(dān)上部荷載[3]。

第四步，在注漿參數(shù)確定后，依據(jù)圖1所示操作流程，重復(fù)噴射漿液，防控路基隆起、鉆孔坍塌或堵塞問題出現(xiàn)，最終獲得橫斷面基本呈圓形，樁體縱向分布基本均勻，無縱向發(fā)育裂紋且樁頂無空腔的樁體。

圖1 斜向高壓旋噴技術(shù)流程

如圖1所示，斜向高壓旋噴技術(shù)主要包括鉆機打孔、高壓旋噴加固兩個階段，前者需要確保鉆孔深度與預(yù)先設(shè)定標準相符，后者需要以噴射漿液質(zhì)量、最大粒徑順利流出噴嘴為前提，依據(jù)20MPa及以上的壓力，向鉆設(shè)孔位內(nèi)噴射漿液，同時邊旋轉(zhuǎn)鉆桿邊向上提升，確保高壓噴射流完全切削周邊土體并混合，獲得固結(jié)狀態(tài)良好的圓柱體。

3.2.2 路基邊坡加固

因既有鐵路路基橫斷面為梯形，白水泥固結(jié)體較為堅硬，在擠壓作用下，路基邊坡與“咬合”形樁相交位置少量土體極易被擠出，基于此，需對既有鐵路路基邊坡進行進一步加固。既有鐵路路基邊坡加固方法為機械密實搗固+種灌木方法。

根據(jù)排水不暢致既有鐵路路基土軟化變形現(xiàn)象，結(jié)合線路兩旁標高與基床標高差異，取消原有線路邊坡兩側(cè)圍墻，進行底標高低于既有鐵路下沉病害路段路基頂面標高的邊溝設(shè)置，或者在原有線路兩側(cè)圍墻墻腳設(shè)置數(shù)量充足的排水孔，確保地表水順利排出。同時利用清篩方法處理污染嚴重、泥碴混結(jié)的道碴，移除泥漿混結(jié)體，避免泥漿填堵側(cè)溝。清篩后，先后鋪設(shè)15cm砂墊層、土工布、15cm砂墊層、潔凈碎石道碴。在潔凈碎石道碴鋪設(shè)后，均勻密實搗固，確保土質(zhì)在固體狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，提高路基基床強度。

在種灌木方法應(yīng)用過程中，技術(shù)人員應(yīng)綜合考慮既有鐵路下沉病害路段路基邊坡周邊氣候環(huán)境、土壤環(huán)境，結(jié)合路基邊坡植物防護需求，選擇適宜的灌木。因既有鐵路下沉病害路段路基邊坡為丘陵區(qū)，沿線自然植被較發(fā)育，且路基填料抗沖刷能力較差，可以選擇沙棘、紅柳、穗槐、檸條等苗木。其中沙棘苗木高度應(yīng)大于等于50cm，地徑應(yīng)大于等于0.30cm，根系長應(yīng)大于等于15cm；而紅柳苗木高度應(yīng)大于等于25cm，地徑應(yīng)大于等于0.20cm，根系長應(yīng)大于等于15cm；穗槐苗木高度應(yīng)大于等于30cm，地徑應(yīng)大于等于0.25cm，根系長應(yīng)大于等于25cm；檸條苗木高度應(yīng)大于等于30cm，地徑應(yīng)大于等于0.25cm，根系長應(yīng)大于等于25cm。一般可以在種植沙棘、檸條路段邊坡頂部栽植穗槐，沙棘、檸條、穗槐的栽植時間均為10月~11月，栽植前截桿留茬10cm~15cm，保留有效根系15cm~20cm，并利用50mg/L的ABT生根粉溶液進行處理。栽植布置形式均為“品”字形，相鄰植株之間距離為0.3m，相鄰行之間距離為0.4m，每個樹穴栽植2株。

4 既有鐵路路基下沉加固施工技術(shù)要點

4.1 鉆孔要點

在既有鐵路下沉病害路段路基鉆孔時，需要以列車穩(wěn)定運行為前提，落實天窗時間內(nèi)快速施工原則，結(jié)合高壓旋噴加固初期強度小、集中加固段在連續(xù)噴射下較為軟弱的特點，利用間隔鉆孔法代替連續(xù)鉆孔法，間隔孔位為3孔~4孔。在確定鉆孔方法后，技術(shù)人員應(yīng)在正式操作前期檢查樁位布置準確性，確認無誤后，利用紅色油漆標注每一排、每一個高壓旋噴樁位置，并固定木樁編號。同時對壓力表的靈敏度、精度進行核查，確認現(xiàn)有測量儀表與既有鐵路路基下沉病害路段鉆孔壓力測試要求相符。

確認樁位后，利用鋼制腳手架，搭設(shè)200cm高旋噴鉆機作業(yè)排架，排架立桿間距、排距分別為100cm、110cm。作業(yè)面滿鋪60mm鋼模板，并在外圍增設(shè)120cm高安全防護欄。沿著與坡面成90°方向，將170cm~200cm鋼管樁打入排架節(jié)點位置，利用鎖扣緊固鋼管樁、排架，增設(shè)支撐柱。

作業(yè)排架搭設(shè)完畢后，利用汽車吊安置鉆機，調(diào)整鉆機平整度，促使鉆桿、導(dǎo)向架與水平方向均成15°，調(diào)整后固定[5]。進而依據(jù)0.5MPa的低壓，進行射水操作。確認管路、壓力設(shè)備、噴嘴均無異常后，調(diào)高射水壓力到設(shè)計值，鉆設(shè)第一根鉆桿，停止射水進行第二根鉆桿接長，循環(huán)鉆進至設(shè)計深度。在鉆孔期間，技術(shù)人員應(yīng)時刻檢查鉆桿角度、鉆孔定位以及鉆機轉(zhuǎn)速、鉆進速度，及時記錄數(shù)據(jù)，與設(shè)計參數(shù)對比，確定施工期間鉆孔參數(shù)偏差在規(guī)定限度內(nèi)。

4.2 高壓旋噴要點

在既有鐵路下沉病害路段路基高壓旋噴加固前，技術(shù)人員應(yīng)查看水泥、外加劑的質(zhì)量合格證以及拌和用水的質(zhì)量鑒定結(jié)果[6]。確認無誤后，根據(jù)設(shè)計要求將適量水、水泥、外加劑加入攪拌桶內(nèi)，攪拌5min以內(nèi)，經(jīng)過0.8mm孔徑篩網(wǎng)過濾后倒入注漿桶。同時檢查高壓旋噴注漿機械設(shè)備是否存在異常，對高壓旋噴注漿機械設(shè)備進行試機運行，確保旋噴系統(tǒng)功能正常。

在漿液配置完畢且高壓旋噴制漿機功能無誤后，接通高壓泵管路并加壓，進行工藝試噴作業(yè)，驗證高壓旋噴加固工藝在既有鐵路下沉病害路段路基中的應(yīng)用可行性，提前調(diào)整噴漿壓力、注漿量、注漿速度、漿液配比等高壓噴射參數(shù)。在既有鐵路下沉病害路段路基高壓旋噴加固時，根據(jù)注漿壓力與水泥土加固體直徑等加固效果之間的緊密關(guān)系，優(yōu)選較大的注漿壓力。為避免注漿壓力過大引發(fā)高孔壓下路基隆起病害，配置適宜的止?jié){器。

高壓旋噴順序是由底層到頂層，在第一根鉆桿退出路基坡面后停止壓漿并將鉆桿快速拆除，拆除后恢復(fù)壓漿繼續(xù)旋噴，達到孔口位置時繼續(xù)旋噴5圈以上、8圈以內(nèi)，停止作業(yè)。作業(yè)停止后，利用清水將泵體、鉆桿、管道內(nèi)殘留漿液沖凈，并將泵體出入口球閥、漿液混合器、活塞腔拆除后清洗保養(yǎng)。

4.3 嚴密觀測沉降

在既有鐵路下沉病害路基路段加固作業(yè)開展期間，應(yīng)以列車安全運行為前提，嚴密觀測下沉病害路段路基加固期間沉降變形量，根據(jù)沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行施工工藝、進度的及時調(diào)整，確保既有鐵路下沉病害路段路基加固效果。同時利用經(jīng)緯儀、尺量、試驗檢測方法，進行施工參數(shù)檢查，控制鉆孔垂直度、位置、深度偏差分別小于等于1.5%、50mm、±200mm，樁體直徑、中心偏差（開挖樁頂下500mm位置）分別小于等于50mm、0.2倍設(shè)計樁徑。

如表3所示，既有鐵路下沉病害路段路基加固期間沉降值處于較低水平，地基承載力可以承受荷載壓力，達到規(guī)范對既有鐵路路基地基承載力的要求。

表3 既有鐵路下沉病害路段路基加固期間沉降值

此外，在成樁后7天，技術(shù)人員應(yīng)選擇2%~5%高壓旋噴注漿孔數(shù)，利用常規(guī)樁中心線取芯質(zhì)量檢查方法，進行固結(jié)體均勻性、整體性與有效直徑、固結(jié)體抗?jié)B性與強度的觀測。對于質(zhì)量不合格的孔位進行補噴。

5 總結(jié)

綜上所述，鐵路路基是列車、軌道荷載的承受者，對線路安全性、行車穩(wěn)定性均具有較大的影響。鐵路路基下沉是由路基強度低、填筑密度小等因素誘發(fā)的病害，易導(dǎo)致鐵路填方路基斷面尺寸的異常變化。而加固是既有鐵路路基下沉問題的首要措施。當前既有鐵路路基下沉加固施工難點為道床厚度大、排水不暢、天窗時間短等。加固施工技術(shù)人員應(yīng)選擇兼具有效性、時效性的方案，如斜向高壓旋噴注漿技術(shù)方案，合理設(shè)計注漿壓力、鉆頭提升速度、水灰比與鉆桿傾斜角度等參數(shù)，解決路基填料不良問題，提高路基壓實度，滿足既有鐵路路基安全平順運行要求。