高速鐵路路基沉降病害成因分析及對策

仲新華，陳 勛，楊元治，謝永江，樓梁偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3.沿海鐵路浙江有限公司，浙江 寧波 315000)

高速鐵路路基沉降病害成因分析及對策

仲新華1，2，陳 勛3，楊元治3，謝永江1，2，樓梁偉1，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3.沿海鐵路浙江有限公司，浙江 寧波 315000)

路基沉降治理是采用路基通過技術(shù)修建的高速鐵路運(yùn)營面臨的主要工務(wù)難題。受天窗時間長度的限制，注漿加固成為目前治理路基沉降的首選方法。本文探討了傳統(tǒng)水泥注漿加固路基存在的主要問題，自主研發(fā)了低黏度的改性高聚物注漿材料作為高鐵路基加固材料，并采用該材料進(jìn)行了注漿加固路基試驗。結(jié)果表明:結(jié)石體變形模量為160～190 MPa，可與處于同一數(shù)量級的填土實現(xiàn)勻剛度協(xié)同工作。

路基沉降 地表水侵入 低黏度 高聚物 注漿加固

我國在中東部地區(qū)修建時速＞200 km/h的高速鐵路時大量采用橋梁通過技術(shù)，避免了復(fù)雜路基地段線路沉降問題，實現(xiàn)了高鐵修建技術(shù)的重大突破。然而，由于采用路基通過技術(shù)在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，且在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)表現(xiàn)出更好的線路修復(fù)能力，路基通過技術(shù)仍是在建和新建部分沿海鐵路、中西部鐵路的設(shè)計首選。以2014年12月通車的蘭州至新疆高速鐵路為例，其路基通過里程占總里程比例達(dá)到66.3%，其中路基里程占比最高區(qū)段(哈密至烏魯木齊)達(dá)到79.5%。

高速鐵路路基沉降病害不僅存在于多雨且軟基分布廣泛的東部沿海地區(qū)，在寒冷的東北地區(qū)和干旱的西部地區(qū)也時有出現(xiàn)，路基沉降所造成的軌道不平順嚴(yán)重地影響了列車的運(yùn)行速度和舒適度，并增加了線路養(yǎng)護(hù)工作量。采用路基通過技術(shù)修建的高速鐵路，尤其在無砟軌道區(qū)段，路基沉降后難以通過常規(guī)養(yǎng)護(hù)工藝快速恢復(fù)軌道高平順性，成為運(yùn)營鐵路面臨的重大難題。在現(xiàn)階段，路基沉降路段普遍采用扣件余量調(diào)整技術(shù)和軌道整體抬升技術(shù)恢復(fù)軌道平順性。然而，由于大部分路基沉降是持續(xù)發(fā)生的，使得已經(jīng)通過治理暫時恢復(fù)平順性的軌道存在出現(xiàn)二次病害的風(fēng)險。因此，對路基沉降的原因進(jìn)行科學(xué)分析，有針對性地采取治理措施，才能更有效地解決高速鐵路路基沉降問題。

1 高鐵路基沉降工程實例

某沿海高速鐵路軟土地基區(qū)段設(shè)計采用粉噴樁進(jìn)行加固，樁深7.85～11.75 m，樁頂要求進(jìn)入圓礫土≥0.5 m。樁頂以上路基依次為0.6 m厚的加筋碎石墊層、4.4 m厚的碾壓填土和2.5 m厚的基床。

圖1是該區(qū)段典型的累計沉降曲線，其分年度沉降量和累計沉降量已遠(yuǎn)超高速鐵路沉降控制值，屬于典型的路基沉降病害。

圖1 路基沉降累計曲線

2 路基沉降病害的產(chǎn)生原因

在高速鐵路路基結(jié)構(gòu)中，涉及沉降的承載層自上而下依次為基床、路堤本體和地基。依據(jù)我國高速鐵路建設(shè)的一般經(jīng)驗，基床由級配土填料層和級配碎石上覆層組成，路堤本體由級配土或改良土填筑壓實而成，地基則由于地質(zhì)條件的多樣性，常采用碎石水泥樁、預(yù)制管樁及水泥粉噴樁等形式進(jìn)行加固。由于基床和路堤本體結(jié)構(gòu)形式以及所用材料性能接近，因此可把基床和路堤本體統(tǒng)稱為路基。路基沉降可分為路基自身的沉降和地基引起的沉降，其中路基自身的沉降主要原因可歸結(jié)為運(yùn)營期間地表水侵入引起的塑性變形及施工期間填土質(zhì)量控制未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)引起的壓實沉降，地基沉降主要原因可歸結(jié)為勘察不規(guī)范引起的漏勘及加固設(shè)計不合理造成的承載力不足。

對于運(yùn)營鐵路，由于通常不具備地基沉降觀測條件，因此路基沉降的真實原因往往難以科學(xué)識別。本文主要針對路基自身沉降病害治理技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 路基自身沉降

2.1.1 地表水侵入

為避免地表水侵入引發(fā)路基病害，有砟軌道和無砟軌道高速鐵路均設(shè)計了較為完善的防排水體系。然而，對于雨水較多的沿海及南方地區(qū)，地表水侵入仍然是高速鐵路路基沉降的主要原因。

正常狀態(tài)下，服役中的路基填土含水量基本穩(wěn)定，即便在荷載作用下路基的物理力學(xué)性能仍處在可控合理的范圍。然而當(dāng)?shù)乇硭秩搿⒎e聚，在列車荷載的反復(fù)作用下，處于非飽和狀態(tài)的填土強(qiáng)度急劇衰減，路基承載力快速下降。隨著地表水的持續(xù)進(jìn)入，劣化填土區(qū)域不斷擴(kuò)大，最終表現(xiàn)為翻漿冒泥、基床下沉外擠甚至陷穴等病害。

在我國北方地區(qū)，由于進(jìn)入冬季前降雨相對集中，地表水進(jìn)入填土不能及時排除，常表現(xiàn)為冬季凍脹和春季融陷等病害形式。

2.1.2 填土施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

填土施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)是多方面因素綜合作用的結(jié)果，最主要的因素是選用的填料不合理以及采用的填筑工藝未能使填料有效碾壓密實。

鐵路施工中對基床和路堤填筑所用的填料在土質(zhì)、級配和強(qiáng)度上均有明確的規(guī)定，以期在長期動力作用下保持性能穩(wěn)定，并有較小的滲透性和良好的耐久性。然而由于鐵路路基工程施工具有填方數(shù)量大、多隊伍施工、工期長等特點，填土質(zhì)量在地材質(zhì)量波動、責(zé)任心缺乏和環(huán)境變化等因素的影響下，容易出現(xiàn)填土級配不合理、土質(zhì)不符、含水量不受控等問題。同時，受填土碾壓工藝和碾壓作業(yè)過程影響，容易出現(xiàn)填土過厚、碾壓能量不足等導(dǎo)致的壓實度不足，及局部漏碾形成的壓實度不均勻等問題。

2.2 地基沉降

2.2.1 漏勘及勘察不準(zhǔn)

地質(zhì)勘察是工程建設(shè)的基礎(chǔ)和依據(jù)，地基加固的方法選擇和設(shè)計依賴于地質(zhì)勘察的深度和準(zhǔn)確性。對于復(fù)雜地質(zhì)情況，特別是面對軟土多層分布、持力層較薄且分布不均等現(xiàn)象，容易出現(xiàn)漏勘及地勘與實際開挖地質(zhì)情況差異較大等問題。另外，勘察時應(yīng)充分考慮水文條件的季節(jié)性變化對地基承載能力的影響。

2.2.2 地基加固設(shè)計不合理

長期以來，從業(yè)人員依據(jù)規(guī)范推薦的理論和方法開展地基加固設(shè)計。這些理論和方法通常來自于工程實踐經(jīng)驗的長期積累，具有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)性和可靠性。然而，當(dāng)工程面臨無經(jīng)驗可借鑒，需要創(chuàng)新設(shè)計同時又缺乏可靠的科研成果支撐時，地基加固設(shè)計的可靠程度完全依賴于設(shè)計者及其所在團(tuán)隊的技術(shù)水平，使得部分工程面臨地基加固方法選用不當(dāng)及對地基承載能力預(yù)計不足的困境。

3 路基沉降治理方法及存在問題

3.1 路基沉降治理方法

在高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)要求下，高速鐵路的填土路基質(zhì)量得到了大幅度的提高，然而，仍存在防水能力較弱、強(qiáng)度較低及固結(jié)變形等缺點，因此，填土路基沉降變形幾乎不能完全避免。當(dāng)填土路基部分變形過大演變?yōu)槌两挡『螅仨毤皶r進(jìn)行病害整治，否則影響行車安全。根據(jù)以往線路養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗，沉降病害在填土路基方面的整治方法主要有局部換填加固、擠密樁加固、土工格室加固及注漿加固等。

3.1.1 局部換填加固

局部換填顧名思義就是將基床表層以下不太深的一定范圍內(nèi)的不合格填土挖掉，然后以質(zhì)地堅硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石等材料分層充填，同時以機(jī)械方法分層壓、夯、振動，使之達(dá)到要求的密實度，成為合格的人工地基。

3.1.2 擠密樁加固

通過沖擊或振動方法，將圓形鋼管樁打入基床，擠密周邊土體，提高土體承載能力。同時在拔出圓形鋼管樁后的樁孔內(nèi)填入砂、碎石、碎石水泥等強(qiáng)度較高的材料并夯實，使樁體與原填土形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。擠密樁不僅達(dá)到了樁體直接承受荷載的作用，同時提高了樁間土的承載能力。

3.1.3 土工格室加固

土工格室加固的思路是在局部換填的基礎(chǔ)上，在換填層內(nèi)加設(shè)格柵網(wǎng)，通過格柵約束網(wǎng)內(nèi)土體的橫向變形，從而提高換填區(qū)域內(nèi)填土的承載能力。

3.1.4 注漿加固

鉆孔注漿是利用壓力將能固結(jié)的漿液通過鉆孔注入到填土路堤中，使填土物理力學(xué)性能得到改善，從而提高路基承載能力的一種方法。

3.2 存在問題

前述4種路基加固方法均在普通鐵路中得到應(yīng)用，效果良好。4種加固方法中，均需要中斷行車進(jìn)行施工，對線路運(yùn)營影響較大。根據(jù)現(xiàn)行高速鐵路運(yùn)營管理辦法，可用于中斷行車進(jìn)行施工的最長天窗時間為4 h，因此不能選擇需開挖路基及使用大型機(jī)具施工的加固技術(shù)，僅余注漿加固方法最為可行。

注漿材料的選擇是注漿加固技術(shù)的核心。注漿材料的選擇必須充分考慮高速鐵路填料的特性，首要關(guān)注注漿材料的滲透性、結(jié)石體強(qiáng)度以及是否引發(fā)施工期沉降。

從高速鐵路填料的特性可知，填料在含有一定量的粒度 ＜0.075 mm的細(xì)粉時，其滲透系數(shù)甚至低于10－6～10－4cm/s。水泥漿等顆粒注漿材料的可注土體滲透系數(shù)約為10－3～10－2cm/s，即便采用超細(xì)水泥漿其可注土體滲透系數(shù)最小也為10－4cm/s，難以達(dá)到滿意的注漿效果;且水泥漿結(jié)石體的變形模量比填土自身高一數(shù)量級，可引起由于剛度不均勻產(chǎn)生的二次病害，因此采用水泥漿進(jìn)行高速鐵路填土路基注漿加固具有很大的局限性。

與顆粒狀注漿材料不同，低黏度的化學(xué)注漿材料一般具有較好的滲透性，可用于經(jīng)過碾壓密實的高速鐵路填土注漿。然而，不同于一般地基加固，高速鐵路注漿加固對結(jié)石體的強(qiáng)度要求較高，通常不低于1 MPa(達(dá)到2倍化學(xué)改良土強(qiáng)度)，而多數(shù)低黏度化學(xué)漿液強(qiáng)度僅有0.5 MPa左右，達(dá)不到填土加固基本要求。另外，采用水溶液注漿材料時，水溶液對土體的擾動往往會造成填土的施工期沉降，這是運(yùn)營線路天窗時間內(nèi)施工所無法接受的。因此，高速鐵路填土路基注漿需采用滿足低黏度、高結(jié)石體強(qiáng)度、固化時間可控、環(huán)保型、純化學(xué)或低含水等要求的注漿材料。

4 低黏度改性高聚物注漿試驗

采用自主研發(fā)的低黏度改性高聚物注漿材料進(jìn)行注漿試驗，注漿試驗過程分為填料制備、注漿、結(jié)石體制件和結(jié)石體變形模量測試4個過程。

4.1 填料制備

采用級配不好的含土中砂經(jīng)篩分和含水控制后作為試驗填料，填料不均勻系數(shù) Cu=d60/d10=0.75/ 0.075=10，曲率系數(shù) Cc=(d30×d30)/(d60×d10)= (0.41×0.41)/(0.71×0.075)=2.98，屬 B組填料。含水率為5.5%的填料分層在1 m×1 m×1.2 m的鋼模內(nèi)人工搗實填筑。

4.2 注漿

注漿管沿填料中部鉆孔下沉至設(shè)計位置后安裝注漿接頭，以注漿時間和注漿壓力控制注漿量，直至注入預(yù)定數(shù)量的低黏度漿液。

4.3 結(jié)石體制件

待漿液固化后，拆除模板，將結(jié)石體周邊填料剝離，最大直徑為0.8 m的圓柱形結(jié)石體經(jīng)切割后制得所需規(guī)格尺寸的試件。

4.4 結(jié)石體變形模量測試

通過對承壓面為69 mm×71 mm、高為58 mm的試件進(jìn)行10個往復(fù)加載、卸載的過程，可測量結(jié)石體變形模量，其中荷載加載區(qū)間為5～40 000 N，加載速率100 N/s，卸載速率500 N/s。試件的無側(cè)限受壓測試荷載變形曲線如圖2所示。

圖2 荷載變形曲線

試驗結(jié)果表明，結(jié)石體試件在無側(cè)限條件下受壓至8.16 MPa時整體性仍保持完好，且在壓力撤除后基本實現(xiàn)彈性恢復(fù)。對試驗結(jié)果進(jìn)行換算，試件的變形模量約為160～190 MPa，該變形模量與鐵路填土所要求的變形模量處于同一數(shù)量級，說明路基中的結(jié)石體不至于引發(fā)路基剛度不均勻問題，結(jié)石體和填土可實現(xiàn)勻剛度協(xié)同工作。

5 結(jié)論

1)運(yùn)營期間地表水侵入引起的塑性變形及施工期填土質(zhì)量控制未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)引起的壓實沉降是填土路基自身沉降的主要原因。

2)受天窗時間長度的限制，需開挖路基及使用大型機(jī)具施工的加固技術(shù)均不適用于高速鐵路路基沉降病害治理;由于滲透性不佳且易引起施工期沉降，水泥注漿技術(shù)同樣不適用于碾壓填料的加固。

3)自主研發(fā)的低黏度改性高聚物注漿材料具有滲透性好和結(jié)石體模量適宜等突出優(yōu)點，是天窗時間內(nèi)進(jìn)行高速鐵路路基注漿加固的優(yōu)選材料。

［1］何華武.無碴軌道技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］趙國堂.高速鐵路無碴軌道技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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［6］江宗斌.沿海路基變形特性試驗與數(shù)值模擬研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2013.

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Cause analysis on subsidence defects in subgrade of high speed railway and its countermeasures

ZHONG Xinhua1，2，CHEN Xun3，YANG Yuanzhi3，XIE Yongjiang1，2，LOU Liangwei1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081 Chnia; 2.Key Laboratory for Track Technology of High speed Railway，Beijing 100081，China;3.Zhejiang Branch of the Coastal Railway Limited Company，Ningbo Zhejiang 315000，China)

subsidence defects management in subgrade is the main problem in high speed railwayoperation constructed by subgrade passing technology and grouting reinforcement becomes the first choice for subsidence defects treatment at present by the length limitation of the skylight time.T his paper discussed the main subgrade problems existing in the traditional cement grouting reinforcement，proposed the improved high polymer grouting material with low viscosity as subgrade reinforcement material in high speed railway，and adopted this material to carry out the grouting reinforcement subgrade test.T he test results showed that the consolidation deformation modulus is 160～190 M Pa，which could realize uniform stiffness cooperative work with the fill at same order of magnitudes.

Subsidence defects in subgrade;Surface water invasion;Low viscosity;High polymer;Grouting reinforcement

U216.41+7

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.21

(責(zé)任審編 周彥彥)

2015-03-10;

:2015-07-19

中國鐵道科學(xué)研究院基金項目(2013YJ034);上海鐵路局科技開發(fā)項目(2014091)

仲新華(1971— )，男，研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0069-04