重載鐵路路基病害分析及對策

摘要：鐵路在運營的過程中易于出現的病害包括凍脹、變形和路基下沉等，需要對路基進行科學合理的修整。文章對我國現有重載鐵路路基的典型病害即變形與沉降進行了剖析，總結出了產生病害的主要原因，并針對這些原因逐個進行分析，提出了相應的對策和防治措施。

關鍵詞：重載鐵路；路基病害；凍脹；沉降；變形；鐵路運營 文獻標識碼：A

中圖分類號：U216 文章編號：1009-2374（2016）22-0102-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.050

2005年國際重載協會理事會，對重載鐵路的標準進行了重新的規定，需要對以下三條標準中任意兩條進行滿足：（1）列車質量≥8000t；（2）貨車軸重≥27t及以上；（3）長度≥150km的線路上年貨運量≥4000萬t。因此，重載鐵路涉及鐵路一系列管理和技術標準的改變，現期間還處于快速發展階段，如今鐵路在運營的過程中易于出現的病害包括凍脹、變形和路基下沉等，需要對路基進行科學合理的修整。輕則需對線路抬軌補砟整道、對路基基床注漿處理，嚴重的要拆除重新施工，產生較壞的經濟和社會效益，對運營線安全造成巨大安全隱患。據統計，線路限速約40%是由路基變形沉降引起的，因此一定要對路基的變形和沉降原因進行認真的分析，從而找到最佳預防辦法。

1 重載鐵路路基出現變形與沉降的主要原因

依據相關資料統計和分析，重載鐵路路基發生沉降與變形的主要原因有：（1）特殊地質構造和環境。巖溶地基、地下水下降及地面下沉因素引起的路基沉降；北方嚴寒地區凍脹引起的路基上拱；（2）軟弱地段的地基處理。新黃土地基、其他軟基和膨脹性巖土地基等處理不當，遇水后引起的路基不均勻沉降和變形；（3）施工質量問題。路基沒有使用合格的填料、填料中添加了較多的具有較強膨脹性的填料或者是生石灰沒有得到完全溶解，這就導致遇到水以后就會出現嚴重的膨脹現象，從而使路基出現上鼓的情況；（4）其他因素。臨近線路堆載或開挖基坑施工等因素引起的路基變形。

具體線路產生沉降與變形的原因是由多種因素導致的，有的原因沒有得到明確的確定，需要從地質情況、施工技術、設計規范、地質勘察以及其他原因等角度進行綜合的研究，只有找到原因才能制定出高效的解決辦法。

2 特殊地質構造和環境引起的沉降

2.1 地面沉降分析

軟土地層比較厚的地方易于出現地面沉降的問題，出現這些問題的主要原因包括兩種：（1）地質因素，比如軟弱土層固結出現沉降、構造活動等；（2）人為因素，比如礦產資源的開發、地下水下降等。如今地面沉降的主要原因就是地下水的過度開采，有的地區通過采取限量的辦法，使地面沉降得到了有效的控制。

2.2 處理辦法

鐵路工程從沉降地區經過的時候，一定要對沉降的速率、幅度和歷史進行認真的分析，從而得到詳細的結構設計和線路走向的解決辦法。通常情況下，過量開采地下水可以造成地面出現嚴重的沉降問題，會出現比較嚴重的漏斗區，地面沉降緩慢或者是均勻下沉不會對重載鐵路工程造成影響。

2.3 路基凍脹原因分析

如今我國已經對路基凍脹的變化規律、性質以及機理進行了詳細的了解，有針對性地探究了西北、東北等嚴寒地區的凍脹問題，積極采取了有效措施對其進行了處理和預防。在修建青藏鐵路的時候，專門對凍害問題進行了深入的研究，并獲得了較好的成績。重載鐵路施工對路基的要求比較高，在嚴寒地區修建和運營重載鐵路尤其是無砟軌道會對凍脹問題有更加嚴苛的要求。

2.4 分析凍融規律

經過認真分析北方地區重載鐵路建設、運營等相關問題，并認真地分析凍脹季節路基觀測數據，發現隨著時間的變化，凍脹變形先后經歷了三個主要的發展階段，即快速發展期、低速穩定持續發展和凍融期。主要的變化特點包括：（1）在凍脹快速發展期內，凍脹量飛速的增加，10天以后會達到最大值；（2）凍脹穩定期凍脹量基本穩定；（3）凍脹變形包括上漲及回落兩個階段；（4）經過凍融循環后，凍融沉降值與凍脹高度產生了凍脹殘余變形，其值不大。因此，線路運營受凍融規律的影響比較明顯，線路運營的不穩定期主要發生在凍脹融化期和快速發展期里，一定要做好觀測工作。

2.5 解決措施

凍脹產生的主要因素包括填料的礦物成分及顆粒組成、填料中水的含量、外部強加的負荷等。因此，在設計的時候，一定要對路基結構進行不斷的強化、對路基填料進行不斷地優化，同時做好防排水工作。比如，中南部鐵路、神華集團鐵路以及大秦鐵路都具有比較典型的特點，凍脹問題基本都得到了有效處理。在進行設計的時候，還要進行深層次的探究：（1）做好防水處理工作。造成凍脹的主要原因就是水，路基面以下水進行一次有效循環就是一個凍融期。隨著水資源的不斷循環，地基中的細粒土會被帶走，會給路基造成一定的變形和強度下降。如果路基壓實是在最優含水率下完成的，一定要確保地基含水率在有效的范圍之內；（2）路基填料的凍脹問題。經過認真的分析，路基凍脹與土體含水率、路基填料有著直接的關系，還與線路經過地區的凍結深度有著直接的聯系。因此，在對路基進行勘察設計的時候，確定凍結深度時，一定要對凍結系數進行合理選擇。對填料來源進行認真調查的時候，需要對天然含水率、級配進行認真的分析，對當地條件進行模擬并開展試驗活動；（3）路基過渡段施工。在級配碎石中添加5%水泥進行處理，在級配碎石中添加水泥可以使混凝土溫度、干燥性得到有效收縮，受反復荷載和溫度變化的影響，路基易于出現開裂的問題，如果發生破壞就不可能再恢復到以前的狀態，需要對路基過渡段進行持續觀察。

3 施工質量引起的沉降

3.1 施工質量分析

各種施工質量問題最終反映的問題是路基變形和路基沉降。較為典型的情況有：（1）路基填料和工藝把控不嚴，采用的路基填料級配和碾壓工藝不符合設計要求，會引起路基的沉降；（2）添加的填料具有較強的膨脹性，遇到水以后路基會膨脹上拱；（3）在對改良土填料路基施工的時候，沒有對生石灰進行均勻攪拌也會使路基出現上拱的情況；（4）軟弱地段地基處理。改良土換填質量不合格、軟土路基數量和樁長不合格，都會導致路基出現下沉的情況；如果地基具有較強的膨脹性，但沒有進行合理的處理，就會導致路基在遇水以后出現上拱的情況。

3.2 控制施工質量的辦法

重載鐵路路基施工中，填料的控制：（1）基床下路基填料：應選用A、B、C組填料和改良土填料，當選用C組細粒土填料時，液限小于40%，塑性指數小于15，對于C組黃土填料，不得具有高濕陷性；（2）基床底層填料：應選擇A、B組填料和改良土填料。當采用C組細粒土改良時，要根據細粒土種類和天然含水量確定摻加石灰或水泥進行改良。當采用A、B組填料的碎石土時，級配應合理，細粒含量小于20%，對于塊石填料，最大粒徑不大于10cm；（3）基床表層的材料：應具有較高的強度和彈性模量以及耐磨反濾等特性。按設計選用A組料宜采用碎石土，大于2mm以上的顆粒應堅硬，級配應良好，細粒含量宜在2%～15%之間，大于5mm的顆粒含量大于50%，大于20mm的顆粒含量大于30%。

路基填筑施工工藝及控制要求：基床以下路基及基床部分填筑按“三階段、四區段、八流程”的施工工藝組織，嚴格控制分層厚度，當采用塊石類填筑分層最大壓實厚度不大于50cm，對于碎石和礫石類填料分層最大壓實厚度不大于40cm，對于砂類土和改良土最大壓實厚度不大于30cm，分層填筑的最小壓實厚度不宜小于10cm。

4 其他因素分析

線路附近施工引起的線路沉降和變形十分普遍。造成路基變形的原因主要包括兩點：（1）臨近施工導致地基負荷增加，比如線路范圍之內出現堆載、路基幫填等，易于造成線路地基出現變形的情況；（2）在線路附近進行挖掘，從而導致線路出現變形或者是沉降的情況。

在一般情況下采取的措施主要包括兩點：（1）模擬檢驗線側施工可能遇到的所有問題，對線路運行的情況和地基沉降量進行科學的預測；（2）對設計策略進行科學的規劃。使用隔離防護加固的辦法來對既有路基范圍之內的影響進行處理。

5 對策與建議

5.1 加強地質勘察

如今在鐵路建設的時候，開展項目管理制度和地質勘察監理制度是非常重要的。重載鐵路在后期投入使用的時候，出現變形和沉降與地質情況有著直接的聯系，所以，要想對重載鐵路的變形沉降問題進行有效的管理，就一定要將勘察技術和質量進行有效的管理，將監理的作用進行不斷強化，防止出現任何質量問題。

5.2 對設計的系統性進行提升

在進行圖紙設計的時候，易于出現系統性缺失的情況。重載鐵路車輛系統需要有較高的穩定性，對路基變形和沉降有比較嚴格的要求，所以在設計的時候，需要對不同專業系統設計的原則進行良好的展現。對線路經過的特殊地質條件進行認真的分析，對軌道結構選型和線路走向進行認真的分析。在設計的過程中，會有一些特殊的地基情況是無法避免的，分析可能發生的實際工況下運營速度和安全值的對應關系。

5.3 對施工質量進行管理

在重載鐵路建設的時候，受施工質量的影響會導致路基出現一定的變形和沉降，從而導致工程出現拆除和補救的問題，不但造成工期的延誤，還會對重載行車運營埋下巨大的安全隱患，產生較壞的經濟和社會效益。施工中，加強質量管理制度的建設，并建立行之有效的質量控制組織機構，采用強有力的管控手段，嚴格按照工藝流程的施工，以過程控制保證質量。

5.4 維修養護重載線路

在發達國家中，重載線路使用機械化作業的程度可以達到九成，使用大型養路機械可以使重載線路的技術標準得到全面實現，呈現出專業化和多元化的特點。主要的機械化裝置包括鋼軌打磨車、邊坡整形車、線路大修列車、道砟清篩機以及搗固車等。

6 結語

重載鐵路與普通貨運鐵路相比，承受列車軸重由原來10多t增加到30t，列車牽引總重從原來1000多t增加到10000t。路基的變形和沉降會嚴重影響行車安全。

重載鐵路需要謹慎考慮各種因素，如地質構造、軟

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弱地基、凍害及臨近線施工等其他因素對路基穩定性的影響，重載對路基穩定性的另一要求是保證基床足夠強度以滿足重載列車行車需要，和一般條件線路相比，重載條件下列車對路基基床作用有著更加復雜的動力效應。在重載鐵路路基的設計上要做到系統全面設計，以消除各因素的影響，在修建新線時應當提高設計標準，提高填料級別并做好防排水設施。在施工過程中要嚴格控制施工質量，保證路基的強度和穩定性達到設計要求，確保行車安全。

在對重載鐵路進行維修的時候，可以使用預防性養護和鋼軌預防性打磨的辦法，在實現輪軌摩擦管理的過程中，可以使用車載式和軌承式的辦法來進行實現，同時做好幾何狀態檢測和鋼軌探傷作業。在對線路的良好狀態進行保持的時候，可以使用大型機械來進行養護，將管理和檢測的力度進行不斷加大，從而為預防性維修提供可靠的依據。

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作者簡介：田曉青（1980-），男，山西平遙人，供職于中鐵十一局集團第四工程有限公司，中級職稱，研究方向：鐵路施工技術。

（責任編輯：王 波）