羅布泊鹽湖巖鹽路基設(shè)計(jì)及施工方法研究

謝德江

(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830011)

1 工程概況

新建鐵路哈羅線自既有蘭新線哈密站引出至線路終點(diǎn)羅布泊鎮(zhèn)羅中區(qū)，全長(zhǎng)383 km，為南疆環(huán)線的一部分，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，于2010年開工建設(shè)，目前項(xiàng)目處于路基本體施工和鋪軌已完成待竣工驗(yàn)收階段。其中DK298+172～DK383+500段共85 km為巖鹽路基，處于羅布泊鹽湖湖積平原區(qū)(圖1)，當(dāng)?shù)貧夂蚋稍铮涤晗∩?，地表呈現(xiàn)“犁耕地”，無任何植被。工程地層從上到下主要為鹽殼、鈣芒硝層、含粉質(zhì)黏土鈣芒硝層，地表下10～60 cm存在一層水平狀孔洞。地下水埋深為2.0～10.0 m，為飽和狀態(tài)，水質(zhì)極差。最高氣溫48℃，最低氣溫-22.7℃。年蒸發(fā)量達(dá)5 070.4 mm，年降雨量38.5 mm。

圖1 羅布泊鹽湖湖積平原區(qū)

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

巖鹽作為一種特殊的路用材料，無規(guī)可循，無據(jù)可依，巖鹽對(duì)鐵路工程的主要危害表現(xiàn)為鹽溶、鹽脹、坍陷、溶蝕和腐蝕性。其工程性質(zhì)和路用性能的研究，主要集中在20世紀(jì)70～80年代，青藏鐵路西格段穿越察爾汗鹽湖32.4 km取得了成功，這就是著名的“萬丈鹽橋”，第一條用巖鹽填筑的鐵路。

羅布泊鹽湖巖鹽與察爾汗鹽湖巖鹽有許多相同的地方，諸如巖鹽的成因、所在地的氣候條件、巖鹽強(qiáng)度大等。但也存在較大的區(qū)別，察爾汗鹽湖巖鹽的化學(xué)成分中 NaCl含量高達(dá) 87.68%，SO42-的含量為0.36%～1.69%，地下潛水淺，產(chǎn)生的危害主要為鹽溶;羅布泊鹽湖巖鹽中 Na2SO4含量為 1.52% ～16.33%，NaCl含量為2.76% ～28.61%，含量均較高，且Na2SO4含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了2%，地下潛水深，產(chǎn)生的危害主要為鹽脹以及地表下的水平狀孔洞。因此，哈羅鐵路巖鹽路基除了考慮巖鹽危害的通性外，主要針對(duì)鹽脹和地基處理的設(shè)計(jì)。

哈羅鐵路的修建，將是我國最長(zhǎng)的一條用巖鹽進(jìn)行路基填筑的鐵路，是我國第二條用巖鹽進(jìn)行路基填筑的鐵路，同時(shí)也是我國鐵路建設(shè)史上第一次嘗試以硫酸鹽巖鹽填筑路基的鐵路，其技術(shù)難度大，探索性強(qiáng)。

3 巖鹽路基的可行性和必要性

3.1 可行性

3.1.1 巖鹽路基穩(wěn)定性的初步分析

巖鹽路基的穩(wěn)定性直接受大氣降水的控制，在一般降水量較大的地區(qū)要用巖鹽作為鐵路路基填料是絕對(duì)不可能。但羅布泊地區(qū)屬于典型的大陸干旱性氣候，氣候干熱，蒸發(fā)量大，降雨量少，因此，雖然巖鹽易溶，但雨水對(duì)它的溶解量是極微小的，如果再提出合理的阻隔措施，則大氣降水對(duì)路基的影響微乎其微。

3.1.2 巖鹽的力學(xué)性質(zhì)分析

根據(jù)地質(zhì)特征，地層的最小承載力為200 kPa，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。巖鹽重塑樣28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為620～1 450 kPa，填筑路基的強(qiáng)度要求也能達(dá)到。

3.1.3 場(chǎng)地穩(wěn)定性、適宜性評(píng)價(jià)

在勘察和施工期間基底未見深層溶洞現(xiàn)象，且地下水礦化度都大于300 g/L，已成為飽和鹵水，不存在溶蝕巖鹽的可能，說明地基是安全的。但在地表下10～60 cm存在一層水平狀孔洞，高5～20 cm，應(yīng)對(duì)該水平狀孔洞進(jìn)行處理來滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.4 類似工程的成功案例

青藏鐵路西格段穿越察爾汗鹽湖32.4 km，是著名的“萬丈鹽橋”，于1979年鋪通，1984年投入運(yùn)營(yíng)。該段鐵路全部以路堤形式通過，表層以下就是利用巖鹽填筑，不同的是當(dāng)?shù)貛r鹽以氯鹽為主，羅布泊的巖鹽以硫酸鹽為主。2008年，青藏鐵路西格段二線也開工建設(shè)。在羅布泊地區(qū)還有哈羅公路，它是目前羅布泊地區(qū)唯一的交通通道，公路等級(jí)為三級(jí)，于2004年開工建設(shè)，2006年竣工，該公路羅布泊鹽湖段采用巖鹽進(jìn)行填筑，填筑高度一般為0.5～0.8 m。

3.2 必要性

3.2.1 降低工程造價(jià)

由于本線巖鹽路基的長(zhǎng)度85 km，采用常規(guī)處理方法需要大量滲水土填料。而且北側(cè)庫魯克塔格剝蝕丘陵區(qū)及線路周邊滲水土填料缺乏，須遠(yuǎn)運(yùn)，平均運(yùn)距在40 km以上，投資巨大。如果采用巖鹽作填料填筑路堤，就地取材，可節(jié)省大量的工程投資降低工程造價(jià)。

3.2.2 保護(hù)環(huán)境

該段取土量較大，取土?xí)r不可避免地對(duì)自然地表進(jìn)行挖填，改變了原來自然地形地貌，減少地表植被，甚至造成局部水土流失，破壞山體自然平衡，影響地下資源的開發(fā)利用。如采用就地取土，取土分散，取土后巖鹽重新膠結(jié)，對(duì)地表基本無影響。

3.2.3 為將來哈羅鐵路延伸至若羌積累必要的技術(shù)儲(chǔ)備

哈羅鐵路修通以后，根據(jù)我國的鐵路規(guī)劃，從羅中至若羌的鐵路修建必將提上議事日程，羅中到若羌段幾乎全部穿越巖鹽地段，外運(yùn)填料變得更為不現(xiàn)實(shí)，通過該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究，為哈羅延伸至若羌鐵路修建提供必要的技術(shù)積累和人才儲(chǔ)備。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 路基本體設(shè)計(jì)

路基橫斷面設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 路基橫斷面設(shè)計(jì)(單位:m)

4.1.1 工程措施

路基基床表層0.6 m采用B組填料，坡率為1∶1.5?；脖韺?.6 m以下利用當(dāng)?shù)貛r鹽填筑。路肩以下0.6 m處設(shè)置0.5 m寬的平臺(tái)，填巖鹽部分邊坡坡率為1∶1.75。

坡腳處設(shè)置1.0 m寬，0.5 m高的防護(hù)護(hù)道。

路肩以下0.6 m處鋪設(shè)復(fù)合土工膜隔斷層，并在復(fù)合土工膜上、下各設(shè)置0.10 m厚的中粗砂保護(hù)層。

路肩0.8 m寬、基床表層坡面和路肩以下0.5 m處0.5 m寬的平臺(tái)平鋪0.10 m厚的小卵石。

4.1.2 路基結(jié)構(gòu)的選擇

(1)主要以如下3個(gè)方案進(jìn)行研究比較。

方案一:橫斷面全斷面填筑滲水土方案，邊坡坡率1∶1.5;

方案二:路基結(jié)構(gòu)分為表層和底層，表層厚0.6 m，其下為底層。表層采用B組填料，底層利用當(dāng)?shù)貛r鹽填筑，邊坡坡率1∶1.75;

方案三:橫斷面全斷面填筑巖鹽方案，邊坡坡率1 ∶1.75。

路基填筑及成形照片見圖3、圖4。

圖3 路基填筑

圖4 成形路基

(2)各方案經(jīng)濟(jì)比較(表1)

表1 DK298+172～DK383+500段方案經(jīng)濟(jì)比較

(3)各方案比較分析

方案一為路基處理鹽漬土地區(qū)的成熟方法，但是工程造價(jià)高。

方案三工程造價(jià)低，但大氣降水、運(yùn)營(yíng)中列車用水以及車站用水直接溶蝕了路基面，對(duì)雨水無隔斷作用，對(duì)路基造成破壞，且?guī)r鹽的特性能不能保證路基基床表層的各項(xiàng)指標(biāo)要求尚不明確。

方案二結(jié)合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)為推薦方案，但也需要進(jìn)一步研究試驗(yàn)。諸如其他表層0.3 m厚填B組填料，底層填巖鹽的方案;表層1.0 m厚填B組填料，底層填巖鹽的方案等也可作適當(dāng)?shù)难芯俊?/p>

4.1.3 路基邊坡的研究

(1)一般路基穩(wěn)定的路堤邊坡坡率:土質(zhì)及易風(fēng)化的軟塊石土為1∶1.5，硬塊石土為1∶1.3。巖鹽巖石等級(jí)大多為Ⅲ級(jí)硬土，個(gè)別達(dá)到Ⅳ級(jí)軟石的標(biāo)準(zhǔn)，但其具有膨脹性等特殊性質(zhì)，坡率只能為1∶1.5或者更緩，所以設(shè)計(jì)為1∶1.75。

(2)防止雨水對(duì)路基的侵蝕。邊坡坡率放緩主要起到了加寬作用，使大氣降水只對(duì)路基加寬部分的坡面有影響，真正起穩(wěn)定作用的路基部分未受影響。

(3)抑制鹽脹，減少外界溫度、風(fēng)對(duì)路基的影響。目前初步測(cè)試的外界溫度對(duì)路堤本體鹽脹變形敏感區(qū)域?yàn)橥獗? m范圍(圖5)，通過路基加寬和放緩坡率來增加路基加寬部分坡面和穩(wěn)定作用坡面的距離，使敏感區(qū)域盡量在穩(wěn)定作用坡面以外，從而增加路基的穩(wěn)定性。

圖5 溫度影響路基鹽脹變形敏感區(qū)域示意(單位:m)

4.1.4 防水材料選擇

巖鹽是一種溶解性和腐蝕性都強(qiáng)的特殊介質(zhì)，選擇防氯鹽、硫酸鹽腐蝕材料來加強(qiáng)路基防水是關(guān)鍵，而復(fù)合土工膜在這方面有成熟的使用方法和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)其材料的合成性能，選擇抗老化、抗拉、抗頂破、抗撕裂、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、抗凍及抗高溫性能好的材料。

復(fù)合土工膜設(shè)置于路肩以下0.6 m處，能有效地將路基本體填筑的巖鹽和基床表層B組填料隔離開來，阻斷了自然降水和人為因素造成的淡水對(duì)巖鹽填料的溶蝕，中粗砂則是在巖鹽與基床表層之間對(duì)土工膜形成了保護(hù)，防止土工膜被大粒徑巖鹽和基床內(nèi)的碎石損壞，確保了土工膜的完整。

4.2 地基處理

由于地表下10～60 cm存在一層水平狀孔洞，對(duì)路基基底進(jìn)行重型機(jī)械碾壓處理。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工DK298+172～DK331+200、DK354+600～DK383+500段重型碾壓能處理，但 DK331+200～DK354+600段孔洞依然存在，對(duì)這一現(xiàn)象，單獨(dú)選取了DK347+700～DK348+200段進(jìn)行試驗(yàn)，分別采用了沖擊碾壓法、重型碾壓、重錘夯實(shí)法以及破碎壓實(shí)法的方法進(jìn)行處理，下面就幾種方法分別詳述如下。

4.2.1 沖擊碾壓(圖6)

選擇在DK347+700～DK347+900段，對(duì)原地面使用破碎錘配合挖掘機(jī)進(jìn)行大致平整后，噴灑一定量的鹵水，靜止一段時(shí)間，進(jìn)行20遍沖擊碾壓，對(duì)基底進(jìn)行檢測(cè)。

4.2.2 重型碾壓(圖7)

選擇在DK347+900～DK348+000段，對(duì)原地面使用破碎錘配合挖掘機(jī)進(jìn)行大致平整后，噴灑一定量的鹵水，靜止一段時(shí)間，進(jìn)行5遍重型碾壓，對(duì)基底進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 沖擊壓實(shí)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)

圖7 重型碾壓施工

4.2.3 重錘夯實(shí)法(圖8、圖9)

選擇在DK348+000～DK348+100段，對(duì)原地面使用破碎錘配合挖掘機(jī)進(jìn)行大致平整后，使用夯錘直徑為2.4 m，自重260 kN，按1 000 kN·m的夯擊能試夯后發(fā)現(xiàn)表層堅(jiān)硬鹽殼根本沒有任何變化，然后逐步增加夯錘的起吊高度，直到起吊高度達(dá)到15.5 m即夯擊能為4 030 kN·m時(shí)才達(dá)到擊破鹽殼，單點(diǎn)夯擊數(shù)達(dá)到5擊時(shí)最后兩擊的下沉量已小于10 cm。

圖8 重錘夯實(shí)施工

圖9 重錘夯實(shí)后的基底處理效果

4.2.4 破碎壓實(shí)法

選擇在DK348+100～DK348+200段，對(duì)原地面采用破碎錘配合460型以上大功率挖掘機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后撒鹵水壓實(shí)方案進(jìn)行處理。

從表2可以看出，沖擊碾壓法和重型碾壓法達(dá)不到要求，重錘夯實(shí)和破碎壓實(shí)法可以滿足要求。雖然重錘夯實(shí)方法處理的效果較好，但施工機(jī)械挪動(dòng)較慢導(dǎo)致施工速度緩慢，而且造價(jià)較高，而破碎壓實(shí)法也能滿足要求，相對(duì)重錘夯實(shí)施工速度要快，也經(jīng)濟(jì)合理，最后在施工時(shí)推薦破碎壓實(shí)法。

表2 DK347+700～DK348+200段原地面處理后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 平縱斷面設(shè)計(jì)

大部分鐵路選線在東臺(tái)地上走行，只在最后10 km在盆地里，東臺(tái)地比盆地一般高5～10 m;線路縱斷面設(shè)計(jì)也大多以大于2.5 m的路堤形式通過，只有極少數(shù)穿越雅丹地貌為淺挖方，這都有利于雨水自然排出。

4.3.2 路基設(shè)計(jì)

路堤設(shè)置0.5 m高、1.0 m寬的護(hù)道，對(duì)本體以外的雨水起到了阻隔作用;路塹設(shè)置側(cè)溝匯集坡面水，將匯集的雨水引至排水溝或者路基以外，側(cè)溝和排水溝的水引至路基坡腳以外15 m，以確保排出的雨水對(duì)巖鹽侵蝕不影響路基的穩(wěn)定性。

4.3.3 排水溝形式

一般的排水溝都采用漿砌片石或者漿砌混凝土塊板，在該地區(qū)片石缺乏、而且對(duì)混凝土的腐蝕性特別大，為此采用復(fù)合土工膜鋪砌排水溝的方法，并在復(fù)合土工膜的上下各鋪中粗砂保護(hù)。

5 結(jié)語

哈羅鐵路在羅布泊湖段采用硫酸鹽巖鹽作為填料，大大減少了工程投資和對(duì)環(huán)境的污染。目前路基填筑成形，鋼軌鋪架也基本完成，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，路基沉降和路基變形均滿足規(guī)范要求，說明采用的路基設(shè)計(jì)措施是有效的。當(dāng)然，由于硫酸鹽巖鹽具有特殊性質(zhì)，對(duì)路基有較大危害性，上述設(shè)計(jì)還需要經(jīng)受考驗(yàn)，也需要繼續(xù)研究，來更好地完善設(shè)計(jì)。通過哈羅鐵路巖鹽路基的設(shè)計(jì)，對(duì)巖鹽有了更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)巖鹽路基設(shè)計(jì)和施工具有一定的建設(shè)性意見，促進(jìn)了地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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