合蚌客運專線膨脹土路基設計

于榮喜

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

合蚌客運專線是京福高速鐵路的重要組成部分，同時也是京滬高速鐵路與合武客運專線間的快速連通線，正線全長129.861 km，其中正線路基總長42.11 km，約占正線總長的32.9%，設計時速350 km，采用CRTSⅡ型板式無砟軌道;項目位于安徽省中部，為淮河平原與沿江平原之間的江淮崗地丘陵區，沿線廣泛分布第四系上更新統黏土，褐黃色，硬塑，自由膨脹率為5% ～74%，蒙脫石含量為17% ～36%，陽離子交換量為240～390 mmol/kg，具有弱～中膨脹性。

1 合蚌客運專線沿線膨脹土的工程地質特征

1.1 地層巖性

合蚌客運專線膨脹土分布于沿線經過之江淮波狀平原區，微地貌形態為一、二級階地及崗地，分布高程多介于20～66 m。地層巖性:上部為棕黃色黏土、粉質黏土，硬塑，含鐵、錳薄膜，并多含鐵錳質結核層，該層柱狀裂隙較發育，節理面光滑，裂隙在干燥條件下為開啟狀，并多見有擦痕，裂隙中充填灰白、灰綠色黏土條帶或薄膜，厚度1～3 m;中部為棕黃及土黃色黏土、粉質黏土，含鐵、錳質結核，硬塑，柱狀裂隙發育一般，裂隙多呈閉合狀，裂隙面光滑，厚3～5 m;下部為棕紅色黏土，含灰白色鋁質條帶，硬塑，柱狀節理不發育，厚5～25 m。

1.2 大氣影響深度

大氣影響深度是自然氣候作用下，由降水、蒸發、地溫等因素引起土體脹縮變形的有效深度。依據安徽地區多年蒸發量與降雨量等氣象資料的統計值，以及在高速公路取樣試驗研究的成果，本工程區域的濕度系數ψw=0.868。按《膨脹土地區建筑技術規范》(GBJ112—87)［1］表3.2.5確定的相應的大氣影響深度為3.20 m，大氣影響急劇層深度為1.44 m。本次研究主要為大氣影響深度及取土場開挖深度范圍內的膨脹土。

1.3 膨脹土主要物理力學指標

主要物理力學統計指標詳見表1，從統計數據看，自由膨脹率多介于40% ～60%，單指標判定以弱膨脹土為主，而蒙脫石含量多介于17% ～33%，單指標判定以中等膨脹土為主，陽離子交換量多介于200～400 mmol/kg，單指標判定多為弱膨脹土及中等膨脹土，各指標頻次分布詳見圖1～圖3，按照《鐵路工程特殊巖土勘察規程》(TB10038—2012)［2］表 5.5.2-3 的綜合判定(當土質符合任意2項以上指標時即判定為該等級)，判定結果詳見圖4，從統計分析，本線膨脹土屬弱～中等膨脹土，僅個別土樣具強膨脹潛勢，其液限一般大于39%，其他指標如膨脹力在11～39 kPa，無荷膨脹率在0.3% ～9.1%，平均4.1%左右，25 kPa荷載下的膨脹率在0.1% ～1.9%，50 kPa荷載下的膨脹率在0.1% ～1.1%，收縮系數在0.17～0.36。

表1 膨脹土的常規物理力學指標統計

圖1 自由膨脹率頻次分布

圖2 蒙脫石含量頻次分布

圖3 陽離子交換量頻次分布圖圖

圖4 按鐵路規范膨脹土潛勢判定結果

2 高速鐵路膨脹土路基設計難點

合蚌客運專線設計時速350 km，采用無砟軌道，對路基變形要求極其嚴格，而沿線廣泛分布的膨脹土，穩定性差，受氣候影響大，對路基危害大，本工程的設計難度主要體現在以下幾個方面。

(1)膨脹土受氣候影響大，遇水膨脹、崩解，失水急劇收縮開裂，對路基影響大。

(2)膨脹土在高速列車動荷載及水的影響下，容易破壞失穩。

(3)線路附近缺乏優質填料，根據經濟技術比較，采用改良土填筑，而對膨脹土的改良利用是本項目設計的難點。

(4)高速無砟軌道線路對路基變形要求嚴格，如何進行地基處理，控制路基變形是本項目設計的難點。

3 高速鐵路膨脹土路基設計措施

為避免合蚌客運專線沿線廣泛分布的膨脹土對高速鐵路產生影響，采用以下措施對膨脹土進行處理，以滿足高速鐵路路基的沉降與穩定的要求。

3.1 路堤基底處理

由于膨脹土在大氣降水的影響下具有吸水膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮開裂的性質，為了保證路基基底的穩定性，對膨脹土地段路堤基底挖除換填0.5 m改良土，作為膨脹土與路堤之間的隔離層，減少膨脹土的大氣影響深度，減少基底膨脹土對路基的影響;換填設計如圖5所示。

圖5 路堤基底換填(單位:m)

3.2 路基基床處理

基床是受列車動荷載影響最大的部分，其穩定性及強度直接影響高速鐵路運營的安全及舒適性，高速鐵路對路基基床的要求非常高，特別是對路塹及低填淺挖路基，其基床位于膨脹土中，受氣候變化影響很大，需要對路基基床進行特殊處理。針對本線廣泛分布的膨脹土，設計時采用不同于一般鐵路路塹形式的路堤式路塹形式，將路基基床部分的膨脹土，全部挖除換填A、B組填料或改良土，保證路基基床不受膨脹土影響，同時將側溝設置于路基基床以下，及時引排基床積水，減少地表、地下水對基床的影響，保證路基基床不受膨脹土影響。路堤式路塹設計如圖6所示。

圖6 路堤式路塹設計(單位:m)

3.3 膨脹土邊坡防護

膨脹土地區路塹邊坡由于直接與大氣接觸，其受氣候影響較大，新開挖邊坡在降水影響下容易崩解，造成邊坡溜坍、滑坡等路基病害。本次設計時邊坡坡率采用放緩一級處理，一般采用1∶1.75～1∶2，路塹邊坡采用加厚型拱形截水骨架護坡(主骨架厚0.8 m)，骨架內種植灌木、草籽，坡底留3 m平臺的綜合治理措施。

3.4 膨脹土填料改良

由于本線大部處于江淮平原區，線路附近缺乏優質填料，如路基填料全部采用遠運，工程投資巨大，所以本線除窯河以北剝蝕丘陵區及部分路基基床填料采用外運A、B組填料外，其余路基均采用改良土填筑，改良土的設計及施工是本工程的重點也是難點。

根據合蚌客運專線沿線填料需求，全線設置6個取土場，取土場填料物理性質及膨脹性指標見表2。

表2 取土場填料物理性質及膨脹性指標

從表2中可以看出，全線取土場的土源均具有弱～中等膨脹性，必須經過改良后才能用于路堤填筑。從塑性指數指標來看，全線土源用土絕大部分為黏土和少量粉質黏土。從含水量來看，取土場的含水量普遍偏高。

目前處理膨脹土的方法主要是化學改性，如摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化納、氯化鈣、瀝青、合成固化劑、合成樹脂和磷酸等，使之與土壤發生一定的物理化學反應，以改變原土的物理力學性質來穩定膨脹土。綜合分析各種改良方法及安徽中部已實施工程的成果及經驗教訓，考慮到石灰在改良高塑性黏土所具有的優勢以及合蚌客運專線沿線被改良土質的特性、料源、施工設備等各種條件，合蚌客運專線在前期勘察過程中對各個取土場土源均進行了室內改良試驗，選用的改良劑主要為石灰，摻灰比分別為5%、6%、7%、8%，取得浸水72 h崩解性、7 d浸水無側限抗壓強度、自由膨脹率、無荷膨脹率、有荷膨脹率(50 kPa)、收縮系數、脹縮總率、重型擊實試驗、陽離子交換量、蒙脫石含量等各項指標，在濱湖取土場還進行摻水泥改良實驗;代表性取土場室內實驗結果如表3、表4所示。

表3 羅南取土場填料摻灰實驗

表4 湖濱取土場填料摻灰實驗

按公路建設經驗，摻石灰的最佳配比，以處理后脹縮總率不超過0.7%為宜(《公路路基設計規范》［3］7.8.2條)。鐵路建設中各項目也提出了石灰改良處理的控制指標，根據合寧線肥東試驗段研究結果［4］，提出的控制指標為無荷膨脹率＜1%，50 kPa荷載下有荷膨脹率＜0;浸水48 h無明顯崩解，根據《高速鐵路設計規范》［5］(試行)中表 6.3.3、表 6.4.1，基床底層改良土填料現場7 d齡期浸水無側限強度要求≥350 kPa，基床以下路堤本體改良土填料場7 d齡期浸水無側限強度要求≥250 kPa。

試驗結果表明，隨著石灰含量的增加，脹縮總率呈反向下降趨勢，最大均不超過0.7%，一般介于0.3%～0.6%，無荷膨脹率一般介于0～0.4%(最大值也僅為0.7%，小于1%的控制值)，有荷膨脹率(50 kPa)介于0.05% ～0.16%(可通過摻石灰含量控制在0.05%至近0)，7 d浸水無側限抗壓強度最小618 kPa、平均值在997～1 077 kPa，也遠大于《高速鐵路設計規范》［5］(試行)中表 6.3.3、表 6.4.1 的要求;從石灰改良后膨脹土判定的三項指標看，經過石灰改良后均已變為非膨脹土，可滿足設計要求。但不同取土場膨脹土土性不同，摻灰比例與改良效果并不是所有指標均呈正向波動，故本項目建議摻灰比為5% ～8%，在滿足設計要求的各項控制指標時，可根據各取土場具體取樣試驗結果確定經濟合理的摻灰比，為保證路基基床改良土的改良效果，要求基床底層改良土采用場拌法施工，基床底層以下改良土采用路拌法施工。

濱湖取土場摻水泥改良土試驗結果表明:除浸水72 h崩解性及7 d無側限抗壓強度指標(達1 230～1 299 kPa，較石灰改良略大)外，其他與膨脹性相關的指標改良效果均較石灰改良差，水泥改良后脹縮總率介于1.7% ～2.5%，自由膨脹率改良后下降15% ～30%(原狀土自由膨脹率59%，改良后下降為38% ～50%)，但仍屬弱膨脹土，說明水泥改良對本項目膨脹土的抗壓強度和水穩性效果明顯，但對各膨脹性指標改良效果不明顯，證明摻水泥不是膨脹土改性處理的有效方法。

從合蚌客運專線后續施工情況看，取土場所取膨脹土，在摻石灰改良后填筑，路基各部分壓實標準均能達到規范要求，摻灰后膨脹土的膨脹性基本消除，改良土無側限抗壓強度均能達到規范要求。

3.5 地基處理

無砟軌道對路基變形要求較高，在合蚌客運專線施工工期相對緊張的情況下，需要按照近似零沉降的理念進行設計;合蚌客運專線路基沿線的覆蓋土層較厚(5～40 m)，主要土層為第四系全新統、上更新統黏土，多具有弱～中膨脹性，該土層直立性強，成孔質量好;按照無砟軌道路基的沉降要求，對全線鋪設無砟軌道的所有土質地基均進行了沉降分析。根據分析結果，結合土層情況，選擇長螺旋CFG樁作為合蚌客運專線地基處理的主要處理樁型，CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的混凝土樁，具有承載力提高幅度大、地基變形小、投資相對較低等特點，其成樁質量與長螺旋成孔質量息息相關，在成孔好的地層中，CFG樁甚至可以達到剛性樁的處理效果;從現場施工情況及檢測結果看，CFG樁成樁效果很好，很少出現斷樁、縮徑等現象，地基處理后路基變形很小，滿足路基鋪設無砟軌道的要求，CFG樁設計圖如圖7所示。

圖7 CFG樁設計(單位:m)

4 結語

安徽省中部是我國膨脹土分布比較典型的區域，目前國內設計時速350 km無砟軌道高速鐵路路基中大范圍通過膨脹土地區并大面積采用膨脹土改良土作為填料的較少，合蚌客運專線路基通過采取膨脹土改良、基底封閉、基床換填、加強防護、地基處理等綜合措施對膨脹土路基進行處理，在參建各方的共同努力下，圓滿地完成了合蚌客運專線膨脹土路基的建設任務。目前合蚌客運專線已開通運營一年，路基已經過了至少兩個雨季的考驗，通過施工期間的監測，驗收、聯調聯試的檢查及開通運營后的檢驗，合蚌客運專線路基穩定，變形小，未發現由于膨脹土引起的路基病害，線路運營舒適性好，膨脹土路基處理措施得當，效果良好，可以為后續膨脹土地區的高速鐵路設計提供參考。

［1］ 建設部.GBJ112—87 膨脹土地區建筑技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，1988.

［2］ 鐵道部.TB10038—2012 鐵路工程特殊巖土勘察規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［3］ 交通部.JTG D30—2004 公路路基設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］ 長江三角洲城際鐵路公司籌備組，中鐵三局，鐵四院，等.合寧線膨脹土路基土質改良措施及填筑工藝試驗階段性研究報告［R］.上海:長江三角洲城際鐵路公司籌備組，2005.

［5］ 鐵道部.TB10020—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［6］ 劉曉義，楊有海.石灰改良膨脹土填料試驗研究［J］.鐵道標準設計，2012(1):20-22.