高速鐵路路基上拱機(jī)理與治理措施研究

王越 杜林 龔懷明 雷占山 李耀宗

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-4295

摘? 要：該文依托于西北地區(qū)某高速鐵路路基上拱試驗(yàn)段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)微觀試驗(yàn)，著重分析了上拱路段工程地質(zhì)特點(diǎn)以及膨脹性指標(biāo)、易溶鹽含量和礦物成分，得出了該高速路基上拱是由于硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成鈣礬石以及硅灰石膏等膨脹性物質(zhì)導(dǎo)致路基上拱變形的結(jié)論，提出了一些防治措施，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)估了該高速鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)的整治效果。

關(guān)鍵詞：高速鐵路? ?路基上拱? ?硫酸鹽侵蝕? ?治理措施? ?樁板結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U238? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）09（a）-0059-05

Study on Mechanism and Treatment Measures of Subgrade Arching of High-speed Railway

WANG Yue1? ?DU Lin1? ?GONG Huaiming1? ?LEI Zhanshan1? ?LI Yaozong2

（1.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810007 China; 2.School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province， 050043? China）

Abstract： Based on a high-speed railway subgrade arch test section in Northwest China， through field and indoor micro tests， this paper focuses on the engineering geological characteristics， expansibility index， soluble salt content and mineral composition of the arch section. It is concluded that the camber of the high-speed subgrade is caused by the expansive substances such as ettringite and wollastonite produced by sulfate eroding the cement improved soil， and some prevention measures are put forward; Through field monitoring， the regulation effect of the pile slab structure of the high-speed railway foundation is evaluated.

Key Words： High speed railway; Subgrade arching; Sulfate attack; Governance measures; Pile slab structure

中國(guó)鐵路近年來(lái)發(fā)展迅猛，目前已建成高效的鐵路網(wǎng)。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程將會(huì)達(dá)到4.5萬(wàn)km[1]。以西北地區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)可達(dá)性潛力模型和網(wǎng)格化模型分析，發(fā)現(xiàn)鐵路建設(shè)將會(huì)更好地帶動(dòng)西北地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)發(fā)展，縮小區(qū)域之間的差異，為西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展提供強(qiáng)有力的交通基礎(chǔ)設(shè)施保障[2]。

高速鐵路運(yùn)行速度高，對(duì)線路平順性要求高，所以其路基變形要求更為嚴(yán)格。路基上拱一直是困擾交通工程建設(shè)的問題，從2015年起到2018年該高速鐵路多個(gè)路基段持續(xù)發(fā)生軌道高程上拱現(xiàn)象，且這些發(fā)生上拱現(xiàn)象的路基段膨脹變形仍在發(fā)展，其中最為嚴(yán)重段道岔上拱量已超過(guò)100 mm，嚴(yán)重地影響列車的正常運(yùn)營(yíng)。

目前很多學(xué)者對(duì)高速鐵路路基上拱變形原因進(jìn)行了大量研究。路基上拱可能是由于路基中含有膨脹土，而膨脹土中的膨脹性物質(zhì)遇水會(huì)引起體積的劇烈膨脹[3-4]。有學(xué)者指出在溫濕度、鹽分合適條件下，水泥改良土填料與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石、硅灰石膏等膨脹性晶體，也會(huì)引起路基膨脹[5]。例如美國(guó)得克薩斯州82號(hào)公路東側(cè)路基發(fā)生的石灰土與硫酸鹽礦物質(zhì)反應(yīng)誘發(fā)路基膨脹、馬德里和巴塞羅那之間的某條高速鐵路發(fā)生的硫酸鹽侵蝕水泥改良土誘發(fā)路基膨脹，通過(guò)微觀物質(zhì)分析二者生成物主要成分為鈣礬石、石膏等膨脹性物質(zhì)[6-7]。堯俊凱等人發(fā)現(xiàn)水泥改良土段路基上拱變形主要原因是硫酸鹽侵蝕路基水泥改良土，并且封閉體系下鈣礬石的生成反而會(huì)使體積變小，只有當(dāng)外界水和硫酸鹽參與反應(yīng)生成鈣礬石時(shí)，才會(huì)引起體積的劇烈膨脹[8-10]。

1? 病害機(jī)理分析

為了探究該高速鐵路路基上拱的具體原因，通過(guò)對(duì)路基上拱段較為明顯工段，進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察、路基填料取樣進(jìn)行膨脹性指標(biāo)分析、易溶鹽含量測(cè)試和x射線衍射儀礦物質(zhì)分析等手段，來(lái)探究該高速鐵路路基上拱的具體原因。

1.1 上拱路段工程地質(zhì)

該試驗(yàn)段地質(zhì)位于：湟水河一級(jí)、二級(jí)階地，地形地勢(shì)較為平緩開闊;工點(diǎn)范圍內(nèi)主要分布地層為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃黏土：棕黃色、淺棕紅色、淺黃色，厚2～20 m，具有I～Ⅱ級(jí)非自重濕陷，且該段范圍內(nèi)不良地質(zhì)不發(fā)育;其下為粗、細(xì)圓礫土、卵石土，局部夾透砂土、粉質(zhì)黏土、粉土;下伏第三系泥巖夾砂巖，具有膨脹性;在鐵路、道路路基及坡腳一帶表層為填筑土、素填土;該上拱工點(diǎn)的地下水埋深6.8～8.5 m，地下水位變化幅度大，土壤最大季節(jié)性凍結(jié)深度為105 cm。

1.2 上拱路段各項(xiàng)指標(biāo)分析

1.2.1 膨脹性指標(biāo)

由分析可知，該工點(diǎn)蒙脫石含量為7%～14%、自由膨脹率為40%～90%、陽(yáng)離子交換量為170～260mmol/kg，得出該斷面的填料和地基土均達(dá)不到膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 易溶鹽含量

該斷面易溶鹽偏高，除基床表層以外其他土樣，易溶鹽總量為0.8%～1.3%，硫酸根離子高0.4%～0.9%。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》（TB 10038-2012）中對(duì)于鹽漬土的判定標(biāo)準(zhǔn)（易溶鹽總量大于0.3%），得出該斷面路基填料和地基土達(dá)到鹽漬土標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 高速鐵路路基上拱原因分析

通過(guò)對(duì)該上拱斷面的檢測(cè)可知水泥改良土和水泥墊層位置處含有大量石膏粉末，由于硅灰石膏具有膨脹性，所以其是造成路基上拱變形的主要物質(zhì)。因此，該工點(diǎn)路基的上拱變形，只要是由于硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成硅灰石膏、鈣礬石等膨脹性物質(zhì)引起的。

2? 病害治理措施

通過(guò)第二節(jié)分析可知該高速鐵路路基上拱的主要原因?yàn)榱蛩猁}侵蝕水泥改良土引起的。封閉體系下鈣礬石的生成反而會(huì)使體積變小，只有當(dāng)外界水和硫酸鹽參與反應(yīng)生成鈣礬石時(shí)，才會(huì)引起體積的劇烈膨脹，所以尋找合理的外界水分、鹽分的阻斷措施便勢(shì)在必行。

2.1 水鹽運(yùn)移的防治措施

目前關(guān)于水鹽運(yùn)移防治措施主要有提高路基高度、鋪設(shè)隔斷層、改進(jìn)路基結(jié)構(gòu)形式、防排水措施等。

（1）提高路基高度：路基高度的提高有利于增加毛細(xì)水上升時(shí)的重力勢(shì)，進(jìn)而減少毛細(xì)水對(duì)路基的影響作用，該措施主要針對(duì)于新建鐵路。

（2）鋪設(shè)隔斷層：雖然路基高度的增加能夠減少毛細(xì)水對(duì)路基的影響作用，但是同樣也會(huì)使路基施工的成本增加，并且如果路基高度過(guò)高會(huì)對(duì)行車安全造成一定的影響。當(dāng)路基高度受限時(shí)，需要在路基內(nèi)部設(shè)置隔斷層來(lái)降低毛細(xì)作用，減少路基內(nèi)部水分和鹽分的運(yùn)移。

（3）改進(jìn)路基結(jié)構(gòu)形式：樁板結(jié)構(gòu)路基是高速鐵路無(wú)砟軌道的一種新型路基結(jié)構(gòu)形式，它由上部鋼筋混凝土承載板、鋼筋混凝土樁基和路基本體構(gòu)成。下部樁對(duì)土的擠密作用，可以使地基與路基土的密實(shí)度增加，進(jìn)而減少地基內(nèi)部水分?jǐn)y帶鹽分的向上運(yùn)移。

（4）防排水措施：目前主要有加強(qiáng)路基邊坡防護(hù)，截、排地表水，降低地下水。

2.2 該高速鐵路具體治理措施

目前高速鐵路針對(duì)路基上拱點(diǎn)的整治措施多為樁板結(jié)構(gòu)。為了檢測(cè)路基樁板結(jié)構(gòu)整治效果，該文以樁板結(jié)構(gòu)治理后的上拱試驗(yàn)段進(jìn)行變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用TZT-D1型振弦式多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)物體內(nèi)部的深層部位的位移、沉降。TZT-D1型振弦式多點(diǎn)位移分別布設(shè)在路基左右兩側(cè)1 m、3 m、5 m、7 m處。

對(duì)整修后的K1808+060試驗(yàn)段左右兩側(cè)1 m、3 m、5 m、7 m處進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月路基變形監(jiān)測(cè)。路基兩側(cè)測(cè)點(diǎn)變形位移如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知，路基左右兩側(cè)變形整體表現(xiàn)為先增大后減少趨勢(shì)。各測(cè)點(diǎn)在鋪設(shè)初期略有上拱現(xiàn)象，并且右側(cè)比左側(cè)上拱變形稍大，左側(cè)路基測(cè)點(diǎn)最大變形量約為0.5 mm;右側(cè)測(cè)點(diǎn)最大變形量約為1 mm。進(jìn)入冬季尤其12月份以后，路基開始劇烈上拱，2月中旬變形最大，右側(cè)高達(dá)6.5 mm，左側(cè)約為1.95 mm。入春后天氣變暖，凍脹變形開始減少，2月中下旬至3月初變形迅速減少，3月至7月初變形緩慢減小至入冬初期的路基變形。目前路基變形均小于2 mm，在路基變形可控范圍內(nèi)。整體上看變形呈現(xiàn)先增大后減少現(xiàn)象，而硫酸鹽入侵水泥土一旦形成了鈣礬石等膨脹性晶體后，膨脹變形會(huì)持續(xù)增大，故整治后的變形不是硫酸鹽入侵水泥發(fā)生的侵蝕膨脹，說(shuō)明該高速鐵路上拱試驗(yàn)段樁板治理效果目前看來(lái)是有一定治理效果的。

3? 結(jié)論

（1）通過(guò)上拱段工程地質(zhì)的調(diào)研，分析膨脹性指標(biāo)、易溶鹽含量和礦物質(zhì)成分，得出西北某高速鐵路路基上拱變形機(jī)理是硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成鈣礬石、硅灰石膏等膨脹性物質(zhì)引起的。

（2）目前關(guān)于水鹽運(yùn)移防治措施主要有提高路基高度、鋪設(shè)隔斷層、改進(jìn)路基結(jié)構(gòu)形式、防排水措施。

（3）該高速鐵路路基樁板結(jié)構(gòu)的整治措施對(duì)于治理硫酸鹽入侵水泥改良土引起路基上拱變形有積極作用。

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