羅布泊鹽湖巖鹽路基設計及施工方法研究

謝德江

(新疆鐵道勘察設計院有限公司，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羅布泊鎮羅中區，全長383 km，為南疆環線的一部分，設計時速120 km，于2010年開工建設，目前項目處于路基本體施工和鋪軌已完成待竣工驗收階段。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(圖1)，當地氣候干燥，降雨稀少，地表呈現“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，水質極差。最高氣溫48℃，最低氣溫-22.7℃。年蒸發量達5 070.4 mm，年降雨量38.5 mm。

圖1 羅布泊鹽湖湖積平原區

2 工程特點與難點

巖鹽作為一種特殊的路用材料，無規可循，無據可依，巖鹽對鐵路工程的主要危害表現為鹽溶、鹽脹、坍陷、溶蝕和腐蝕性。其工程性質和路用性能的研究，主要集中在20世紀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、巖鹽強度大等。但也存在較大的區別，察爾汗鹽湖巖鹽的化學成分中 NaCl含量高達 87.68%，SO42-的含量為0.36%～1.69%，地下潛水淺，產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含量遠遠超過了2%，地下潛水深，產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，主要針對鹽脹和地基處理的設計。

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

3 巖鹽路基的可行性和必要性

3.1 可行性

3.1.1 巖鹽路基穩定性的初步分析

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

3.1.2 巖鹽的力學性質分析

根據地質特征，地層的最小承載力為200 kPa，承載力滿足設計要求。巖鹽重塑樣28 d齡期無側限抗壓強度為620～1 450 kPa，填筑路基的強度要求也能達到。

3.1.3 場地穩定性、適宜性評價

在勘察和施工期間基底未見深層溶洞現象，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，應對該水平狀孔洞進行處理來滿足設計要求。

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年投入運營。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，不同的是當地巖鹽以氯鹽為主，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。在羅布泊地區還有哈羅公路，它是目前羅布泊地區唯一的交通通道，公路等級為三級，于2004年開工建設，2006年竣工，該公路羅布泊鹽湖段采用巖鹽進行填筑，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

由于本線巖鹽路基的長度85 km，采用常規處理方法需要大量滲水土填料。而且北側庫魯克塔格剝蝕丘陵區及線路周邊滲水土填料缺乏，須遠運，平均運距在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，可節省大量的工程投資降低工程造價。

3.2.2 保護環境

該段取土量較大，取土時不可避免地對自然地表進行挖填，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利用。如采用就地取土，取土分散，取土后巖鹽重新膠結，對地表基本無影響。

3.2.3 為將來哈羅鐵路延伸至若羌積累必要的技術儲備

哈羅鐵路修通以后，根據我國的鐵路規劃，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，外運填料變得更為不現實，通過該項目的設計研究，為哈羅延伸至若羌鐵路修建提供必要的技術積累和人才儲備。

4 工程設計

4.1 路基本體設計

路基橫斷面設計見圖2。

圖2 路基橫斷面設計(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。基床表層0.6 m以下利用當地巖鹽填筑。路肩以下0.6 m處設置0.5 m寬的平臺，填巖鹽部分邊坡坡率為1∶1.75。

坡腳處設置1.0 m寬，0.5 m高的防護護道。

路肩以下0.6 m處鋪設復合土工膜隔斷層，并在復合土工膜上、下各設置0.10 m厚的中粗砂保護層。

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

4.1.2 路基結構的選擇

(1)主要以如下3個方案進行研究比較。

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:路基結構分為表層和底層，表層厚0.6 m，其下為底層。表層采用B組填料，底層利用當地巖鹽填筑，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)各方案經濟比較(表1)

表1 DK298+172～DK383+500段方案經濟比較

(3)各方案比較分析

方案一為路基處理鹽漬土地區的成熟方法，但是工程造價高。

方案三工程造價低，但大氣降水、運營中列車用水以及車站用水直接溶蝕了路基面，對雨水無隔斷作用，對路基造成破壞，且巖鹽的特性能不能保證路基基床表層的各項指標要求尚不明確。

方案二結合經濟和技術為推薦方案，但也需要進一步研究試驗。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的研究。

4.1.3 路基邊坡的研究

(1)一般路基穩定的路堤邊坡坡率:土質及易風化的軟塊石土為1∶1.5，硬塊石土為1∶1.3。巖鹽巖石等級大多為Ⅲ級硬土，個別達到Ⅳ級軟石的標準，但其具有膨脹性等特殊性質，坡率只能為1∶1.5或者更緩，所以設計為1∶1.75。

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

(3)抑制鹽脹，減少外界溫度、風對路基的影響。目前初步測試的外界溫度對路堤本體鹽脹變形敏感區域為外表2 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定作用坡面的距離，使敏感區域盡量在穩定作用坡面以外，從而增加路基的穩定性。

圖5 溫度影響路基鹽脹變形敏感區域示意(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的特殊介質，選擇防氯鹽、硫酸鹽腐蝕材料來加強路基防水是關鍵，而復合土工膜在這方面有成熟的使用方法和應用經驗，根據其材料的合成性能，選擇抗老化、抗拉、抗頂破、抗撕裂、壽命長、耐腐蝕、抗凍及抗高溫性能好的材料。

復合土工膜設置于路肩以下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巖鹽填料的溶蝕，中粗砂則是在巖鹽與基床表層之間對土工膜形成了保護，防止土工膜被大粒徑巖鹽和基床內的碎石損壞，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，對路基基底進行重型機械碾壓處理。經過現場施工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，對這一現象，單獨選取了DK347+700～DK348+200段進行試驗，分別采用了沖擊碾壓法、重型碾壓、重錘夯實法以及破碎壓實法的方法進行處理，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，對原地面使用破碎錘配合挖掘機進行大致平整后，噴灑一定量的鹵水，靜止一段時間，進行20遍沖擊碾壓，對基底進行檢測。

4.2.2 重型碾壓(圖7)

選擇在DK347+900～DK348+000段，對原地面使用破碎錘配合挖掘機進行大致平整后，噴灑一定量的鹵水，靜止一段時間，進行5遍重型碾壓，對基底進行檢測。

圖6 沖擊壓實機現場

圖7 重型碾壓施工

4.2.3 重錘夯實法(圖8、圖9)

選擇在DK348+000～DK348+100段，對原地面使用破碎錘配合挖掘機進行大致平整后，使用夯錘直徑為2.4 m，自重260 kN，按1 000 kN·m的夯擊能試夯后發現表層堅硬鹽殼根本沒有任何變化，然后逐步增加夯錘的起吊高度，直到起吊高度達到15.5 m即夯擊能為4 030 kN·m時才達到擊破鹽殼，單點夯擊數達到5擊時最后兩擊的下沉量已小于10 cm。

圖8 重錘夯實施工

圖9 重錘夯實后的基底處理效果

4.2.4 破碎壓實法

選擇在DK348+100～DK348+200段，對原地面采用破碎錘配合460型以上大功率挖掘機進行破碎，破碎后撒鹵水壓實方案進行處理。

從表2可以看出，沖擊碾壓法和重型碾壓法達不到要求，重錘夯實和破碎壓實法可以滿足要求。雖然重錘夯實方法處理的效果較好，但施工機械挪動較慢導致施工速度緩慢，而且造價較高，而破碎壓實法也能滿足要求，相對重錘夯實施工速度要快，也經濟合理，最后在施工時推薦破碎壓實法。

表2 DK347+700～DK348+200段原地面處理后數據統計

4.3 排水系統設計

4.3.1 平縱斷面設計

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

4.3.2 路基設計

路堤設置0.5 m高、1.0 m寬的護道，對本體以外的雨水起到了阻隔作用;路塹設置側溝匯集坡面水，將匯集的雨水引至排水溝或者路基以外，側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巖鹽侵蝕不影響路基的穩定性。

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，在該地區片石缺乏、而且對混凝土的腐蝕性特別大，為此采用復合土工膜鋪砌排水溝的方法，并在復合土工膜的上下各鋪中粗砂保護。

5 結語

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環境的污染。目前路基填筑成形，鋼軌鋪架也基本完成，經現場觀測，路基沉降和路基變形均滿足規范要求，說明采用的路基設計措施是有效的。當然，由于硫酸鹽巖鹽具有特殊性質，對路基有較大危害性，上述設計還需要經受考驗，也需要繼續研究，來更好地完善設計。通過哈羅鐵路巖鹽路基的設計，對巖鹽有了更深的認識，對巖鹽路基設計和施工具有一定的建設性意見，促進了地區的經濟發展。

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