提速條件下蘭新鐵路烏奎段路基沉降整治技術(shù)

賈海鋒 程佳 趙相卿 王興

1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730099；2.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木 816099

蘭新鐵路烏魯木齊至奎屯段最早為單線鐵路，2009 年增建為二線工程并進(jìn)行了幾次提速，運(yùn)行速度由原來的80 km/h 增加到2016 年的140 km/h（烏西—石河子段）和160 km/h（石河子—奎屯段）［1］。提速運(yùn)營過程中維修養(yǎng)護(hù)單位發(fā)現(xiàn)該段線路路基凍害和沉降病害發(fā)展迅速，對路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響行車安全，需開展相關(guān)病害研究。

對于西北地區(qū)的路基病害研究，主要集中在兩個方面：①蘭新高速鐵路區(qū)段，該段凍害主要發(fā)生在門源至浩門、浩門—大梁區(qū)等區(qū)間，病害地段多為低矮路堤、零斷面換填路基及淺路塹、涵路過渡段。主要開展了路基填料凍脹性研究，措施以道面封閉和排水、保溫為主［2-7］。②蘭新鐵路蘭州局管段，病害主要發(fā)生在大青陽口—尖山區(qū)間，提出的措施主要包括道床清篩、土工膜封閉、排水疏干、軟式透水管等［8-13］。

對蘭新鐵路烏奎段路基病害問題，主要集中在路基換填和凍害防治方面［1，14-16］，對路基沉降病害整治研究尚不全面。本文結(jié)合蘭新鐵路西段路基改造工程，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)工程，對蘭新線烏奎段路基沉降病害的分布特征、形成原因、整治措施進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了符合實(shí)際情況的合理整治技術(shù)。

1 沉降病害分布特征及等級劃分

1.1 沉降病害分布特征

路基沉降病害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。可知，路基沉降病害主要分布于K2164+850—K2168+500 區(qū)間，分布段落共11 段，總長度為1 370 m，最小沉降為40 mm，最大沉降為150 mm。

表1 蘭新鐵路烏奎段路基沉降病害統(tǒng)計(jì)

將病害數(shù)量和分布長度按不同路基高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。沉降病害主要發(fā)生在路基高度1.5 m 以上，共有9 處，長度1 020 m；路基高度1.5 m 以下僅有2 處，長度350 m。

將病害數(shù)量和分布長度按不同路基結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。沉降病害主要發(fā)生在路涵過渡段，共有6處，分布長度770 m。

1.2 沉降病害等級劃分

鐵總工電〔2019〕34 號《普速鐵路線路修理規(guī)則》對需要維修的沉降變形規(guī)定為3～5 mm，而蘭新鐵路烏奎段沿線沉降病害變形在40～150 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定數(shù)值。因此，需要對沉降病害等級進(jìn)行重新劃分。

鐵運(yùn)〔2006〕146號《鐵路線路修理規(guī)則》第4.13.4條，對凍害墊板作業(yè)有以下規(guī)定：

對于混凝土枕線路病害地段，變形小于15 mm 時可用調(diào)高墊板整修；變形15 mm 以上時需采用專用扣件；變形25 mm 以上時，需用中型、大型或通長墊板。對于木枕線路病害地段，變形小于15 mm 地段，可調(diào)節(jié)順墊板整修；大于15 mm 時需采用小型或中型墊板；大于30 mm以上時，需更換安全道釘。

因此，根據(jù)路基沉降提出病害等級劃分，見表2。以此劃分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)分析，蘭新鐵路烏奎段11處路基沉降病害均屬于嚴(yán)重沉降，對線路運(yùn)營安全影響極大。

表2 基于行車安全評價條件下的路基沉降病害等級劃分 mm

2 沉降病害原因分析

2.1 病害地段路基密實(shí)情況

1）承載力特征

為研究病害路段路基土體的承載力，選取2 處病害路段和1 處非病害路段進(jìn)行靜探試驗(yàn)，結(jié)果見表3，以對承載力進(jìn)行驗(yàn)算。可知，相對非病害路段，病害路段的路基填料承載力相對較低，可能存在路基填料壓實(shí)度不夠的問題。

表3 不同位置路基承載力特征值

2）壓實(shí)度特征

根據(jù)靜探試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場選取了19處路基填料進(jìn)行壓實(shí)度分析，試驗(yàn)結(jié)果見表4?？芍?，上行路基壓實(shí)系數(shù)不足0.9 的占50%，下行路基壓實(shí)系數(shù)不足0.9的占100%，最低甚至只有0.78，可見大部分病害路段存在路基壓實(shí)度不足問題。壓實(shí)度不足加上鐵路提速帶來的動荷載作用引起路基沉降［17］。

表4 不同位置路基平均壓實(shí)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3）地基系數(shù)K30指標(biāo)

選取病害路段試驗(yàn)采用K30平板荷載試驗(yàn)儀分A、B 組工況進(jìn)行了試驗(yàn)。A 組試驗(yàn)工況為對道心處路基表面進(jìn)行試驗(yàn)，B 組試驗(yàn)工況為對軌道處路基表面進(jìn)行試驗(yàn)。A、B工況下病害路基K30分別為47、76 MPa。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，無論是道心處路基表面，還是軌道處路基表面，其地基系數(shù)均小于90 MPa/m，不滿足TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2.2 病害地段路基、地基土體性質(zhì)

取病害地段路基、地基土體進(jìn)行顆粒成分分析。下行線路基、上行線路基底部及地基主要為低液限粉土、粉質(zhì)黏土，屬于C 類填料，塑限為13.4%～17.6%；上行線路基基床表層為砂礫土，屬于級配不良的B 類填料。

通過對病害地段路基、地基土體進(jìn)行天然含水率測試（表5），分析地基及路基不同位置和深度土體含水率，從而確定路基沉降與土體含水率的關(guān)系。

表5 不同位置土體含水率

由表5 可知：①路基和地基中的砂礫土含水率均比較低，最高為7.2%，較為干燥。②路基填料中的粉土、粉質(zhì)黏土含水率較高，最大可達(dá)21.0%，大部分均大于15.0%，達(dá)到了塑限范圍。高含水率會導(dǎo)致路基土體承載力下降，進(jìn)而產(chǎn)生沉降。同時，由于地處季節(jié)凍土區(qū)，高含水率土體在反復(fù)凍融作用下會產(chǎn)生更大沉降。③地基土體中的粉土、粉質(zhì)黏土含水率整體偏低，約為10.0%，最高達(dá)到17.7%，說明局部地段地勢低洼，產(chǎn)生了匯水現(xiàn)象，使得地基粉土、粉質(zhì)黏土含水率高，也會引起路基沉降。

3 沉降病害整治措施

根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇沉降病害嚴(yán)重的K2168+240—K2168+420 段為整治試驗(yàn)段。主要整治措施包括側(cè)限框架、錨定加筋、注漿加固、旋噴樁和水平鋼管樁，不同措施又考慮了不同的間距。整治措施于2016年底實(shí)施，隨后進(jìn)行了3 年的變形監(jiān)測。具體整治措施、效果及造價見表6，以10 m 為單位，進(jìn)行整治措施經(jīng)濟(jì)性（投資概算）對比。

表6 路基沉降病害試驗(yàn)段整治措施、效果及造價

由表6 可知：①與未設(shè)置措施前的2016 年路基沉降相比，監(jiān)測期內(nèi)各項(xiàng)措施下沉降明顯降低，均降至12 mm 以下，將各措施按沉降病害治理效果排序，依次為旋噴樁＞水平鋼管樁＞注漿加固＞錨定加筋＞側(cè)限框架，其中水平鋼管樁和注漿加固略有差異，側(cè)限框架效果最差。由于試驗(yàn)段處于季節(jié)凍土區(qū)，雖然各工程措施對路基本體進(jìn)行了擠密、置換等改良，但是仍有一定的凍脹量存在。②側(cè)限框架間距100 cm概算價最高，投資概算為28.6萬元/10 m。錨定加筋間距（雙排）80 cm 最為經(jīng)濟(jì)，投資概算為4.9萬元/10 m。

4 結(jié)論

1）蘭新鐵路烏奎段病害主要分布于K2164+850—K2168+500區(qū)間，總長1 370 m，最大沉降150 mm，從路基高度來看，病害主要分布在路基高度大于1.5 m的地段；從結(jié)構(gòu)形式來看，主要分布于路涵過渡段，其次是路橋過渡段和高路堤地段。

2）基于行車安全評價條件，將沉降病害分為不沉降、沉降、較嚴(yán)重沉降、嚴(yán)重沉降四類，蘭新鐵路烏奎段沉降病害均屬于嚴(yán)重沉降，對線路運(yùn)營安全影響極大。

3）蘭新鐵路烏奎段沉降病害地段路基承載力低、地基系數(shù)偏低、壓實(shí)度不足，路基填料中的粉土、粉質(zhì)黏土含水率高（高于塑限），加上火車提速動荷載增加，這些因素共同導(dǎo)致了路基沉降的產(chǎn)生。

4）根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)整治效果和經(jīng)濟(jì)性分析，在路基沉降病害整治中，宜采用注漿加固和旋噴樁等措施，不推薦采用側(cè)限框架。