高鐵路基區(qū)段路基沉降的控制措施研究

趙國凱

摘要：高鐵軌下基礎(chǔ)沉降對(duì)高鐵的安全運(yùn)營造成很大的隱患，必須采取有效的措施進(jìn)行控制。本文結(jié)合西北某高鐵由于路基沉降引起的軌道結(jié)構(gòu)的病害，分析了該段路基沉降的機(jī)理，并通過采用路基基底鉆孔注漿技術(shù)和軌道抬升與糾偏技術(shù)，對(duì)高速鐵路路基沉降引起的鐵路病害進(jìn)行了控制和處理。研究成果對(duì)同類問題的處理具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;路基沉降;沉降控制;基底注漿;軌道抬升與糾偏

中圖分類號(hào)：U216.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

無砟軌道是我國現(xiàn)階段高速鐵路普遍采用的軌道結(jié)構(gòu)形式，這種軌道結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是穩(wěn)定、平順和少維修。但對(duì)于無砟軌道而言，由于高程調(diào)節(jié)受其自身能力的限制，對(duì)沉降變形特別敏感，容易造成無砟軌道的整體道床的開裂和軌道幾何形位的變化，為鐵路運(yùn)行造成安全隱患。

現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)于路基沉降的研究較多，在這一方面，周生年[1]分析了影響路基工程沉降控制的施工內(nèi)容;本立平[2]闡釋了低粘度改性高聚物注漿材料的優(yōu)點(diǎn);張慶[3]提出了路基養(yǎng)護(hù)和預(yù)防路基沉降的對(duì)策;范會(huì)新[4]以建立有限元分析的方式對(duì)不均勻沉降致使的脫空病害進(jìn)行了分析;韓宜康[5]通過數(shù)值模擬研究了路基沉降對(duì)行車的危害;王星博等[6]評(píng)價(jià)了各種整治措施對(duì)路基沉降的效果;楊威[7]開展了高速鐵路抬升整治技術(shù)研究;辜永超[8]初步確定了針對(duì)沉降的整治措施與變形監(jiān)測手段。這些研究內(nèi)容涉及到路基沉降的多個(gè)方面，但專門針對(duì)高速鐵路路基沉降及其帶來的危害的研究則相對(duì)較少。因此，本文結(jié)合我國西北地區(qū)某高鐵由于路基沉降的具體狀況，對(duì)高鐵路基沉降的控制及處理措施展開研究。以形成相應(yīng)的技術(shù)措施，為今后該類問題的處理提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 工程概況

西北地區(qū)某高鐵的某一路基區(qū)段內(nèi)的無砟軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的沉降。由調(diào)查數(shù)據(jù)可知，該區(qū)段內(nèi)高鐵上、下行線某段無砟軌道結(jié)構(gòu)沉降較大，部分區(qū)段伴隨著軌道偏移。其中上、下行線累計(jì)最大沉降量分別達(dá)到46mm和50mm。

對(duì)于高速鐵路的路基區(qū)段而言，路基基床在列車荷載作用下的累積變形、路堤本體壓密沉降以及支撐路基的地基工后沉降變形是造成運(yùn)營階段路基沉降的主要影響因素。其中路堤本體壓密沉降是最大因素。影響路基壓密沉降的主要是路基的填筑質(zhì)量和使用的路基填料。

對(duì)于該沉降路基區(qū)段，通過對(duì)路基取樣并進(jìn)行相應(yīng)的篩分實(shí)驗(yàn)，得到土樣的顆粒級(jí)配曲線如圖1。

從圖1中可以確定顆粒含量的質(zhì)量百分率分別為10%、30%和60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，計(jì)算可得土樣的不均勻系數(shù)Cu為23.33，曲率系數(shù)Cc為0.96，路基填料為礫砂土，但由于Cu > 5且Cc < 1，初步認(rèn)為土樣為級(jí)配不良的土。從土樣級(jí)配曲線中進(jìn)一步看出，級(jí)配組成中缺少1mm～1.1mm范圍的顆粒，表現(xiàn)出不連續(xù)，而且曲線整體較陡，粒徑比較均勻，較大顆粒間缺少小粒徑顆粒填充，導(dǎo)致土體密實(shí)度不好，可認(rèn)定土樣為級(jí)配不良的礫砂土。對(duì)于該種填料，采用路基鉆孔注漿技術(shù)進(jìn)行沉降控制是一種非常有效的方法。

3 路基區(qū)段軌下基礎(chǔ)沉降的控制措施及施工工藝

3.1 安裝臨時(shí)金屬防護(hù)網(wǎng)

在天窗點(diǎn)進(jìn)入鐵路路基的鉆孔注漿范圍之前，需要拆除6米的鋼筋混凝土防護(hù)柵欄，當(dāng)天在天窗點(diǎn)內(nèi)完成基底注漿施工后，需要將鋼筋混凝土防護(hù)柵欄恢復(fù)。

在鉆孔注漿施工范圍內(nèi)安裝金屬防護(hù)柵欄，柵欄在距離施工區(qū)段路基坡面護(hù)道平臺(tái)高度1.5m的位置;防護(hù)柵欄高1.8米，每3米設(shè)置1根支撐立柱，立柱外側(cè)采用斜撐進(jìn)行加固以防止臨時(shí)柵欄傾倒;臨時(shí)柵欄要和原有鋼筋混凝土柵欄連接使運(yùn)營線路形成封閉區(qū)域，施工要在臨時(shí)柵欄外側(cè)進(jìn)行，施工完成后鉆機(jī)置于鋼筋混凝土防護(hù)柵欄和臨時(shí)防護(hù)柵欄間并順線路方向停放整齊，臨時(shí)防護(hù)柵欄不得影響鐵路原有管線的安全。如圖2所示：

3.2 填筑作業(yè)平臺(tái)

臨時(shí)防護(hù)柵欄安裝完成后，因某段需對(duì)路基下部進(jìn)行注漿加固，需在鉆孔注漿期間在路基反壓護(hù)道平臺(tái)以下采用填土的方式填筑作業(yè)平臺(tái);填筑高度低于路基頂面3米。

3.3 路基基底鉆孔注漿

1）準(zhǔn)備工作

（1）施工準(zhǔn)備

施工前，將場地、進(jìn)出道路平整;提前在坡面和邊坡上安排鉆孔的位置和順序，并與已施工的注漿孔錯(cuò)開，并明顯標(biāo)記;施工前1小時(shí)，應(yīng)將施工人員及施工設(shè)備置于臨時(shí)鋼筋防護(hù)柵欄外，并提前安裝施工管線;線外人員進(jìn)行注漿用套殼料的配置和注漿用水泥漿的攪拌。

（2）機(jī)械設(shè)備及場地布置

防護(hù)柵欄內(nèi)放置大型鉆孔鉆機(jī)、風(fēng)管、袖閥鋼管、注漿管、照明工具機(jī)電線路等設(shè)備，其余輔助機(jī)械放在防護(hù)柵欄外側(cè);提前準(zhǔn)備水泥堆放平臺(tái)、蓄水池、水泥漿存儲(chǔ)池等并放置在柵欄外側(cè);在施工前調(diào)試好各種機(jī)械設(shè)備，并在線外模擬鉆進(jìn)情況;照明設(shè)備安裝在鋼筋混凝土防護(hù)柵欄上，間隔10米設(shè)置。

2）鉆孔注漿工藝

（1）打孔

鉆機(jī)到位后進(jìn)行分序鉆孔，成孔后安裝注漿袖閥鋼管，下套殼料，采用水囊式止?jié){塞后退式分段注漿?？孜徊贾萌鐖D3。

孔位布置：邊坡位于路基護(hù)道平臺(tái)面以上的地方每0.6m打一個(gè)斜孔，鉆入后，鉆孔末端的間距為2.0m，每個(gè)橫斷面圖中標(biāo)注注漿孔與豎直方向的夾角，沿著縱向，注漿孔之間的間距為2.0m。

（2）注漿及止?jié){

注漿參數(shù)：通過沉降部分的地質(zhì)條件、以往的施工經(jīng)驗(yàn)和本工程的特點(diǎn)，基底注漿材料決定選用硫鋁酸鹽水泥單漿，水灰比為0.8：1。在進(jìn)行路基基床注漿時(shí)，注漿的壓力控制在0.2～0.3 Mpa左右，在進(jìn)行路基基床下方注漿時(shí)，注漿的壓力控制在0.5～0.8 Mpa左右。確切的注漿參數(shù)還要依據(jù)現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)和注漿實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行綜合考慮。

漿液制備：制漿時(shí)需要使用制漿機(jī)，制漿機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)不小于200轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時(shí)間不應(yīng)大于6分鐘且不應(yīng)小于2分鐘。出漿孔需要設(shè)置100目的過濾網(wǎng)。

注漿：注漿的順序需要安排合理，奇、偶數(shù)跳孔注漿，先進(jìn)行外圍注漿，后進(jìn)行內(nèi)部注漿，目的是使?jié){液均勻擴(kuò)散。

注漿控制：注漿時(shí)，需要同時(shí)控制注漿量和注漿壓力。

3.4 拆除作業(yè)平臺(tái)及臨時(shí)金屬防護(hù)柵欄

完成鉆孔注漿施工作業(yè)后，首先拆除作業(yè)平臺(tái)，然后在天窗點(diǎn)時(shí)間拆除臨時(shí)金屬防護(hù)柵欄。

4 無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升和糾偏施工工藝

4.1 抬升孔及糾偏點(diǎn)布置

1）抬升孔孔位布置

無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升后，先進(jìn)行臨時(shí)填充，如圖4所示，“T”為抬升孔， “LT”為臨時(shí)填充孔位。最后對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行高聚物填充砂漿完全填充，“S”表示砂漿填充孔，在線路中線注漿孔之間布置，“g”表示觀察孔，在線路兩側(cè)支承層上布置，如圖5所示。

2）糾偏點(diǎn)布置

在無砟軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)路基上設(shè)置錨桿反力墩，作為糾偏橫向頂推的反力結(jié)構(gòu)，線間利用相鄰線路作為反力墻，無砟軌道結(jié)構(gòu)頂推點(diǎn)布置如圖6所示，過渡段區(qū)段千斤頂間距為2m，其它區(qū)段千斤頂間距為4m，在被糾偏線路中線上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，中線監(jiān)測點(diǎn)間距為2m。

4.2 糾偏量和抬升量的確定

糾偏量確定：使用軌檢小車進(jìn)行線路中線偏移測量，測得線路中線偏差加上非標(biāo)準(zhǔn)擋塊的調(diào)整量即為對(duì)應(yīng)于每一個(gè)承軌臺(tái)的糾偏量。

抬升量確定：測量前先建立相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)，以保證控制網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)精度。為便于管理識(shí)別，將直接引入既有CPIII坐標(biāo)網(wǎng)，使用電子水準(zhǔn)儀測量每一個(gè)承軌臺(tái)所對(duì)應(yīng)的軌面高程并統(tǒng)計(jì)相對(duì)應(yīng)的墊板數(shù)量，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)承軌臺(tái)的總抬升量就等于軌面高程減去目標(biāo)高程再加上墊板厚度，同時(shí)還要保證抬升段落前后與其相鄰段落順接。

4.3 封閉層切割鑿除及線間級(jí)配碎石鑿除

在進(jìn)行無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏前，首先鑿除該區(qū)段的封閉層和級(jí)配碎石，以解除無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏時(shí)封閉層及級(jí)配碎石對(duì)其的約束。

4.4 反力墩設(shè)置

糾偏前在無砟軌道結(jié)構(gòu)外側(cè)路基上設(shè)置反力墩，為軌道結(jié)構(gòu)橫向頂推提供反力，反力墩為錨桿混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為70cm×90cm，其結(jié)構(gòu)橫斷面見圖7。

4.5 無砟軌道結(jié)構(gòu)氣墊頂升

先在糾偏線路底座或支承層下安放抬升氣墊（見圖8），氣墊在沿線路方向4m間距布置。頂升區(qū)段氣墊全部安裝完成后，對(duì)氣墊充氣，緩慢將軌道結(jié)構(gòu)抬升10mm～20mm，頂升時(shí)使用電子水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道結(jié)構(gòu)高程變化，頂升到位后關(guān)閉氣墊充氣閥門。

4.6 無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏

在糾偏的軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)應(yīng)反力墩的位置安放千斤頂，利用反力墩或臨線無砟軌道結(jié)構(gòu)作為支撐，對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向頂推。糾偏時(shí)，采用全站儀和鋼尺對(duì)軌道結(jié)構(gòu)橫向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。全站儀測量的為在糾偏的軌道結(jié)構(gòu)中線位置埋設(shè)的預(yù)埋件，對(duì)中線坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測量中線位移情況。鋼尺測量時(shí)以臨線無砟軌道結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，對(duì)糾偏無砟軌道結(jié)構(gòu)位移量進(jìn)行采集。糾偏時(shí)，在糾偏量為“0”的位置兩側(cè)對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行夾持固定，然后從軌道結(jié)構(gòu)偏移量最大的位置開始頂推，頂推時(shí)逐級(jí)進(jìn)行加載，根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)的位移情況調(diào)整加載大小和速度。每次糾偏完成后，通過反力墩和相鄰線路對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行左右限位。

4.7 無砟軌道結(jié)構(gòu)填充及夾持限位

無砟軌道結(jié)構(gòu)全部糾偏到位后，采用高聚物對(duì)底座板或支承層下的間隙進(jìn)行填充，并采用夾持裝置對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行左右限位（見圖9）。

4.8 鉆孔及安裝注漿管

孔位標(biāo)記好以后開始進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度應(yīng)穿透高聚物注漿抬升材料或聚合物填充材料層。中間孔在軌道面板上，側(cè)孔在支承層上，如圖10所示。

鉆孔完成后立即安裝鐵路兩側(cè)的注漿管，為了不影響鐵路運(yùn)行，在施工當(dāng)天安裝鐵路中間的注漿管。

4.9 注漿抬升作業(yè)

注漿作業(yè)前，應(yīng)調(diào)試好注漿設(shè)備并測試注漿材料的起發(fā)、表干時(shí)間，并再次核定現(xiàn)場各點(diǎn)的抬升量;注漿時(shí)，使用精密電子水準(zhǔn)儀和軌道尺監(jiān)測道床板高程和水平，用全站儀監(jiān)測線路中線，同時(shí)安排專人觀察注漿點(diǎn)周圍的軌道結(jié)構(gòu)。每個(gè)天窗點(diǎn)注漿抬升作業(yè)完成后，采用高聚物材料對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)填充。

4.10 功能型聚合物砂漿填充及注漿孔封堵

在無砟軌道結(jié)構(gòu)抬升至設(shè)計(jì)高程后，使用功能型聚合物砂漿對(duì)無砟軌道空腔進(jìn)行填充。

注漿完成后，對(duì)抬升段落的線路進(jìn)行復(fù)測，在滿足要求后，采用強(qiáng)度等級(jí)不低于M40的速凝型微膨脹砂漿封堵注漿孔。

4.11 封閉層修復(fù)

上下行抬升糾偏完成并確認(rèn)線形后，修復(fù)線間、外的封閉層并對(duì)封閉層與支承層和施工縫隙進(jìn)行防水處理。

5 結(jié)語

高鐵路基不均勻沉降會(huì)給整體道床的受力和列車的安全運(yùn)營帶來較大的危害。文中針對(duì)我國西北地區(qū)某高鐵路基沉降的具體情況，采用路基基底注漿技術(shù)和軌道抬升與糾偏技術(shù)，對(duì)路基沉降和因路基沉降造成的軌道幾何形位的變化等問題進(jìn)行了處理。處理結(jié)果證明了該措施的有效性，保證了列車的安全運(yùn)營。

參考文獻(xiàn)

[1] 周生年. 高速鐵路路基工程沉降變形控制研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2019， （24）： 55-58.

[2] 本立平. 高速鐵路路基沉降注漿加固施工技術(shù)研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2019， 4（01）： 26-27.

[3] 張慶. 高速鐵路路基施工質(zhì)量控制與沉降預(yù)防對(duì)策[J]. 科技資訊， 2019， 17（19）： 71-72.

[4] 范會(huì)新. 高速鐵路路基沉降病害整治技術(shù)研究[J]. 遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)， 2020， 22（01）： 18-21.

[5] 韓宜康. 某高速鐵路路段典型區(qū)域大面積路基沉降整治技術(shù)研究[J]. 施工技術(shù). 2016， 45（05）： 88-91.

[6] 王星博， 于洪欽， 王財(cái)平， 等. 西部寒區(qū)高速鐵路路基沉降整治措施研究[J]. 路基工程， 2017， （05）： 53-58.

[7] 楊威. 高速鐵路無砟軌道沉降區(qū)高聚物注漿抬升技術(shù)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2019.

[8] 辜永超. 路基沉降條件下無砟軌道整治措施研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2015.