黃土地區既有鐵路路基病害整治及加固技術

銅川礦業鐵路運銷分公司 陸新銅

黃土地區既有鐵路路基病害整治及加固技術

銅川礦業鐵路運銷分公司 陸新銅

隨著鐵路提速范圍的擴大及列車高速、快速、重載方向的發展,黃土地區路基暴露出來的問題越來越突出,既有鐵路路基加固及病害防治已成為提速改造工程的關鍵項目。本文分析了黃土地區既有鐵路路基基床病害的成因和特性,提出了黃土地區既有鐵路基床病害整治加固的基本思路和技術措施,對我國目前大規模進行的既有線路提速路基改造具有一定的指導意義。

黃土既有線路基處理

一、引言

黃土是一種第四紀沉積物,其分布廣泛,總面積達1300萬km2,世界許多國家都有分布。我國的黃土分布面積約63萬km2,主要集中在西北、華北地區。在我國已建成的鐵路中通過黃土地區的線路很多,如隴海線鄭西段、寶中線、焦柳線、寶蘭線、包蘭線、朔黃線、咸銅線等,這些既有鐵路黃土路基中,基床表層基本上都是用新黃土填筑,屬于C組填料,個別地區用老黃土填料,屬于D組填料。由于黃土的水穩定性很差,且路基土一般都未經過加固處理,當填土遇水作用時,強度會大幅度降低。隨著鐵路提速范圍的擴大及列車高速、快速、重載方向的發展,黃土地區提速路基暴露出來的問題越來越突出,對既有鐵路中存在的病害及隱患如何進行根治,路基如何加固改造滿足提速和載重增加的要求,就成為當前迫切需要解決的重大課題。本文結合工程實踐,介紹幾種路基加固及病害防治技術。

二、黃土路基基床病害類型及成因分析

1.病害類型。黃土地區常見的路基本體、基床病害表現形式有以下幾個方面:(1)路基基床翻漿冒泥,道床板結,線路幾何尺寸難以保證。基床翻漿冒泥是指基床表層土受水浸泡和列車荷載的反復作用,發生軟化或觸變,形成泥漿,受列車振動時泥漿向上翻冒的現象。由于翻漿冒泥造成道床板結、軌道幾何狀態變化頻繁,影響線路結構穩定。(2)基床承載力不足,水穩定性低。(3)基床下沉、外擠,基面變形。(4)道碴陷槽、道碴囊現象嚴重。(5)高寒區凍脹破壞。

2.基床病害形成機理。黃土的特殊工程地質是上述基床病害形成的根本原因。黃土結構疏松,孔隙多且大,孔隙率一般在33%～64%之間,有沿深度逐漸減小的趨勢;有肉眼可見的大孔及蟲孔、植物根孔及各種空洞;具有柱狀或垂直節理,天然條件下,能保持近于垂直的邊坡。黃土的特征決定其具有下列工程性質:(1)濕陷性。干密度越小,濕陷性越強;孔隙比越大,濕陷性越強。(2)透水不均勻性。垂直方向透水性大于水平方向透水性,有時可達10余倍。(3)易崩塌性。(4)易觸變性。

黃土地區多是大填挖方工程,黃土的特殊工程特性表明,路基在使用期間一旦有水滲入,土顆粒就會崩解、溶蝕和濕陷,導致路基穩定性差,病害頻發。由于黃土的濕陷性和易觸變性,其對含水量的變化極為敏感,如下表1新黃土地基極限承載力表[1]所示,含水率低時,承載力很高,隨著含水率的增加,承載力隨之急劇下降。基床土吸水軟化后,基床土強度隨含水量的增加而大幅下降,在動力作用下泥漿擠入道床空隙中冒出道床表面,形成翻漿冒泥,嚴重的會造成路基下沉外擠,如不及時治理,道碴會隨之下陷,形成道碴囊。

表1 新黃土地基極限承載力表

基床下沉、基面變形和道碴陷槽主要與路基土體的密度有關。路基填料不一致,含有雜質,加上黃土土體松軟,密度不均勻,荷載的長期作用及水的共同作用下,引起不均勻壓密,受荷部分下沉,道碴侵入,形成道碴陷槽,下沉量大的部位雨水匯集使周圍土體軟化,降低了這部分的承載力,在列車荷載的擾動下,線路下沉加劇。按照分層總合法的原理,填土越高,沉降量越大,因此高路堤路段路基下沉更為突出。

在季節凍土地區,凍結期水分遷移帶動土體中鹽分的遷移,水分充足條件下就會引起凍脹、鹽凍使土體體積膨脹,融化期又會使土體軟化產生沉陷、翻漿病害,透水不均勻性造成路基土產生不均勻沉陷,局部地段路基發生失穩破壞。

三、既有線路病害治理與加固

1.病害治理與加固的一般原則。黃土地區路基病害的發生和發展主要取決于以下三個方面的因素[2]:基床填土的工程性質;水對基床的作用形式和程度;動荷載的性質、大小和分布。基床病害的治理應根據成因對癥下藥,徹底根治。

我國既有線路基床病害多發生在平均降水量大于500mm的廣大地區,且多集中在基床表層50cm范圍內,該范圍內受動力影響較為劇烈,再向下應力縮減較快,至表層下1m處,動應力影響已很小[3]。可以認為對黃土地區既有鐵路路基病害整治和基床加固的基本思路是:改善排水環境,排除基床面積水;強化基床表層土體,提高其強度及水穩定性。

2.黃土地區鐵路路基基病害的整治與加固。水不僅降低路基強度,還會引起翻漿冒泥、路基沉陷及凍脹破壞等其他路基病害。所以,對提速路基而言,采取整治加固措施前必須首先考慮如何疏干路基,保證路基表面及基床淺層排水暢通。改善排水環境,主要靠修筑碴底盲溝來實現。可以采用在路基兩側坡腳及塹頂和線間設置的排水溝,也可以在路基土體內設置橫向、縱向排水盲溝,保證路基穩定。

路基病害的整治加固技術措施可以選擇下列措施中的一種或幾種綜合進行。

(1)鋪設砂墊床。在碎石道床下部,用符合一定材質要求的中砂或級配良好的粗砂,鋪設一定斷面的砂層,其作用是使碎石與基面隔離,擴散上部傳來的荷載使基面受力均勻,并增加基床剛度、減少基床所受動荷載時的彈性變形,避免基面因積水造成翻漿冒泥。提速工程中,抬道處理是最簡單易行、經濟可靠的方法。該法可用于防治無地下水的基面翻漿。

(2)設置封閉層與換填。對局部路段或鋪設砂墊床有困難的路基,可采用封閉層法(如土工纖維封閉法),隔離地表水,使之不致下滲,降低基床含水量,提高基面承載能力,阻隔泥漿上冒。適用于防治基面翻漿和道碴沉陷,病害水源主要為降水的路段。

換填是指將不良基床土更換(如換砂壤土、中粗砂等)或改良(如換摻石灰)使其滿足使用標準。換填厚度視軟弱厚度而定,一般為50～60cm,地下水豐富的地段要同時采取降低地下水位的措施,換砂法也可用于防治翻漿冒泥。適用于土質不良、承載能力不足而引起的下沉與外擠等基床變形病害。換填法也是最普遍、采用最多的一種整治凍脹破壞的措施。

采用封閉層、換填整治措施時最好也同時鋪砂砂墊床,避免形成道碴囊。

(3)鋪設土工材料加固。在道碴的底層或基面結合基床換填,鋪設土工材料如土工格室、土工格柵或EPS等,與其上下的砂層構成一復合結構加固基床。土工格柵與土體的作用機理是:土工格柵與土體顆粒的摩擦嚙合作用,增加了剪應力,約束了土體的側向變形;土工格柵或土工格室受荷變形后產生的張力使土體中的垂直應力降低,起到分散應力的作用,減小了基面直接承受的動應力,提高了土體的穩定性和承載能力。

土工合成材料強度高、韌性好、質輕、耐腐蝕、施工簡易,在路基病害整治應用中逐漸發展為一種行之有效的整治方法[3]。這種方法分散應力有限適用于地下水位較低或地下水位高但排水條件較好路段路基。

(4)成孔回填樁與攪拌樁加固處理。回填樁與攪拌樁加固法就是按復合地基加固原理對路基基床以提高路基靜承載力為目的進行加固處理。

成孔回填樁利用列車間隙時間施工,在路基上按一定間距成孔,再分層裝填石灰或水泥等材料的改良土,經橄欖錘分層擊實。其主要作用為:通過填裝材料吸水和離子交換作用,使樁周土體固結和改良,增強土體強度;樁身起骨架作用,加上成樁過程中對周圍土體產生的擠壓作用,使樁與樁間土形成復合地基,從而提高承載能力。

攪拌樁是近年來用于處理軟弱地基發展比較快的技術,它主要是利用專用設備在路基或基床上鉆孔,然后將加固材料(水泥或石灰)在粉噴或注漿的同時進行原位攪拌,使加固材料與土體混合成樁,并與土體產生離子交換作用、凝聚作用、化學結合等一系列物理化學作用,使土體固結和改良,并使其與一定強度的樁體共同作用,從而形成具有整體性、水穩性較好,具有一定強度的復合地基,從而達到提高地基承載力、減少地基變形的目的[4,5]。

成孔回填樁與攪拌樁加固法具有施工簡單、費用低、不封鎖線路等優點,因而被越來越廣泛地應用于較深層的黃土地基加固。該技術適用于防治路基及基床強度不足造成的下沉或外擠等路基病害和既有線路基床土體的加固。

(5)注漿或高壓旋噴原位固定。通過鉆孔或插入花管,將改良漿液壓入路基及基床,壓密土體,使凝固體和土體復合受力,提高路基的承載力。適用于高路堤中由于填料不良及強度不足引起的基床下沉和外擠病害。

四、結語

在黃土地區既有鐵路基床病害中,大多是由于基床填料不良或排水不暢而導致土體含水量增加,基床承載力大幅降低,形成基床病害。因此在路基病害防治和加固處理時要抓住填料本身的改良和排水環境的改善兩個重要因素,根據不同自然條件和工況下黃土路基的自身特點,本著“因地制宜、經濟合理”的原則,采取相應措施對黃土地區提速路基進行處理。

[1]楚華棟,裴章勤等.黃土的工程特性、筑路技術和病害處理[J].鐵道工程學報,2005(12)

[2]周錫九.鐵路路基基床病害及產生機理分析[J].北方交通大學學報,1994,18(1)

[3]羊關懷,王炳龍,方衛民.土工格室整治浙贛線路基基床病害的試驗研究報告[R].杭州鐵路分局工務段,同濟大學滬西校區巖土工程研究所,1999

[4]楊有海,蘇在朝,夏瓊.黃土地區既有鐵路基床病害整治加固技術研究[J].路基工程,2006(4)

[5]韓自力.既有線提速路基的對策研究[J].中國鐵道科學,2002,4(23)