大準(zhǔn)鐵路路基病害特征分析

張文生

摘 要：針對(duì)大準(zhǔn)鐵路路基病害問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，獲得了大準(zhǔn)鐵路路基病害類型為路基下沉和擠出變形，主要為路基下沉。同時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大準(zhǔn)鐵路路基處于均勻下沉階段，路基基本穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果一致。通過(guò)數(shù)值模擬分析，同時(shí)研究了路基病害演化機(jī)理。

關(guān)鍵詞：鐵路 路基 病害 變形監(jiān)測(cè) 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）11-0-02

引言

大準(zhǔn)鐵路隸屬于神華準(zhǔn)能公司，是我國(guó)煤炭系統(tǒng)企業(yè)自建自管專用鐵路。大準(zhǔn)鐵路東起山西省大同市，西至內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市薛家灣鎮(zhèn)，正線全長(zhǎng)265.263km，初設(shè)發(fā)運(yùn)量1500萬(wàn)t，改擴(kuò)建后運(yùn)量為4900萬(wàn)t，遠(yuǎn)景規(guī)劃達(dá)1～1.5億t。大準(zhǔn)鐵路所經(jīng)過(guò)地區(qū)主要地形為丘陵與山岳，地質(zhì)情況復(fù)雜，局部有軟土與風(fēng)積沙，同時(shí)水土流失嚴(yán)重。大準(zhǔn)鐵路存在大量的高填方路基，最高可達(dá)30m，在降雨、列車震動(dòng)、凍融循環(huán)等因素的作用下出現(xiàn)了翻漿冒泥和下沉外擠等病害現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著鐵路的安全運(yùn)行[1]。

近年來(lái)，工程技術(shù)人員針對(duì)大準(zhǔn)鐵路路基問(wèn)題開(kāi)展了許多研究，如：孫書偉等[2]采用FLAC 3D軟件討論了列車荷載、填土壓實(shí)系數(shù)等對(duì)大準(zhǔn)鐵路路基不均勻沉降的影響；董文瑞[3]結(jié)合大準(zhǔn)鐵路列車荷載大、運(yùn)輸車輛密集以及路基病害復(fù)雜等因素，研究了在不影響既有線正常運(yùn)行的情況下治理路基病害的方法和工藝。但是，針對(duì)大準(zhǔn)鐵路路基病害問(wèn)題，目前尚未有系統(tǒng)研究，已有的研究大多是針對(duì)某一具體工況點(diǎn)的病害和治理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹或略作討論。因此，本文以大準(zhǔn)鐵路全線的路基病害問(wèn)題作為研究對(duì)象，以期深入認(rèn)識(shí)相關(guān)問(wèn)題，有效保障大準(zhǔn)鐵路安全運(yùn)行。

一、大準(zhǔn)鐵路概況

大準(zhǔn)鐵路自大同樞紐大同東站起，向西經(jīng)大同市、豐鎮(zhèn)市、涼城縣、和林格爾縣、清水河縣至準(zhǔn)格爾旗薛家灣站，途徑山西和內(nèi)蒙古兩省（區(qū)），是大秦線向西的延伸，屬國(guó)家干線I級(jí)單線電氣化鐵路。

該鐵路線路地區(qū)地貌類型多樣，從地勢(shì)較為平坦的豐鎮(zhèn)平原開(kāi)始，經(jīng)涼城岱海盆地南緣至下腦亥的剝燭中低土石山區(qū)，從和林縣的新店子沿渾河河谷進(jìn)入黃土丘陵區(qū)，直到岔河口跨過(guò)黃河到達(dá)準(zhǔn)格爾旗，平均海拔高度在1200～1500m之間。沿線水土流失現(xiàn)象普遍存在，水燭、風(fēng)燭、重力侵蝕等類型共存。沿線地區(qū)屬中溫帶亞干旱氣候區(qū)，大陸性氣候明顯，冬季寒冷，夏季炎熱，春秋多風(fēng)，干旱少雨，但雨量集中在7月至8月，年平均降雨量410.7mm。本區(qū)主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方式為升降運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)次之，受地質(zhì)構(gòu)造影響較弱，無(wú)控制線路的斷裂帶。隨著運(yùn)輸需求量的不斷增加，準(zhǔn)能公司對(duì)大準(zhǔn)鐵路進(jìn)行了改擴(kuò)建工程，大準(zhǔn)鐵路公司積極地采取了一系列安全保障措施，確保了鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，但是這些措施缺乏系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)，不能從根本上解決問(wèn)題。為了確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩㈨槙常行е笇?dǎo)今后對(duì)鐵路沿線的長(zhǎng)效綜合治理，有必要進(jìn)行大準(zhǔn)鐵路路基病害相關(guān)研究，為大準(zhǔn)鐵路創(chuàng)造一個(gè)安全可靠的運(yùn)輸環(huán)境。

二、大準(zhǔn)鐵路路基病害現(xiàn)狀調(diào)查與評(píng)價(jià)

根據(jù)中鐵西北科學(xué)研究院探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)，大準(zhǔn)鐵路路基存在的病害有路基翻漿冒泥，路基下沉，路基擠出變形，路基凍害和路基深層陷穴、空洞等。對(duì)大準(zhǔn)鐵路存在凍害的軟土潛在危害地基進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估時(shí)，必須將環(huán)境狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào)結(jié)合分析，才能準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況，同時(shí)獲取感知春融和雨季期間軟土路基列車重在作用下的路基土體內(nèi)部動(dòng)載變形特征對(duì)于分析此期間的路基病害特征和研究深層次力學(xué)具有重要意義。本次通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、資料收集等多種手段對(duì)大準(zhǔn)鐵路路基病害進(jìn)行了調(diào)查分析，調(diào)查對(duì)象為全線典型地段的路基本體和基床。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)41處典型地段進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大準(zhǔn)鐵路路基病害的主要類型為路基面下沉（38處）和擠出變形（3處）等。

根據(jù)大準(zhǔn)鐵路實(shí)際情況，設(shè)定如下路基病害程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

1）危險(xiǎn)級(jí)（A）：工程地質(zhì)條件很差，有多處和多種路基病害，嚴(yán)重影響列車運(yùn)營(yíng)；翻漿冒泥、下沉外擠、凍害、道砟陷槽等Gi指標(biāo)（取值見(jiàn)表1）至少超過(guò)級(jí)別A對(duì)應(yīng)限值其中的一項(xiàng)。

2）不健康級(jí)（B）：工程條件較差，有不良病害特征，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響；翻漿冒泥、下沉外擠、凍害、道砟陷槽等Gi指標(biāo)滿足級(jí)別B對(duì)應(yīng)限值其中的一項(xiàng)。

3）亞健康級(jí)（C）：工程條件較差，有不良病害特征，需采取相應(yīng)措施，翻漿冒泥、下沉外擠、凍害、道砟陷槽等Gi指標(biāo)滿足級(jí)別C對(duì)應(yīng)限值其中的一項(xiàng)。

4）健康級(jí)（D）：路基工程條件好，無(wú)不良病害特征，不需要采取防排水和處理措施，每公里里程內(nèi)翻漿冒泥、下沉外擠、凍害、道砟陷槽等Gi指標(biāo)均不超級(jí)別D對(duì)應(yīng)限值。

同時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范將常見(jiàn)的各類路基病害，按照相應(yīng)的規(guī)則，將其劃分為“極嚴(yán)重（Ⅰ）”、“嚴(yán)重（Ⅱ）”、“較重（Ⅲ）”、“中等（Ⅳ）”、“輕微（Ⅴ）”5個(gè)級(jí)別，相應(yīng)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

病害類型、等級(jí)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值對(duì)應(yīng)下表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)等級(jí)表示的安全隱患分級(jí)。

通過(guò)調(diào)查評(píng)價(jià)，大準(zhǔn)鐵路路基安全隱患等級(jí)匯總結(jié)果分為：危險(xiǎn)級(jí)（A級(jí)）和不健康級(jí)（B級(jí)）路基調(diào)查點(diǎn)數(shù)量為0；亞健康級(jí)（C）路基數(shù)量為4處，其余為健康路基。對(duì)于亞健康級(jí)（C）路基應(yīng)加強(qiáng)檢查，進(jìn)行正常維護(hù)；健康路基（D）對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)影響較少，甚至無(wú)影響，只需正常保養(yǎng)與巡檢。

三、大準(zhǔn)鐵路長(zhǎng)期變形特征分析

1.路基變形總體規(guī)律監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

從大準(zhǔn)鐵路典型斷面路基沉降和測(cè)斜監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，路基變形以沉降為主，同時(shí)雖然沉降量不同，但特征及趨勢(shì)基本一致，而且變形值基本穩(wěn)定，這說(shuō)明大準(zhǔn)鐵路路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一點(diǎn)與前述對(duì)變形路基病害的調(diào)查基本一致。同時(shí)，根據(jù)路基沉降理論[4-6]，大準(zhǔn)鐵路目前階段的路基沉降屬于運(yùn)營(yíng)期的沉降變形。路基的工后沉降主要為不均勻沉降和均勻沉降，而影響列車運(yùn)行舒適度和安全性的主要為不均勻沉降量，因此根據(jù)路基變形總體規(guī)律監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，基本可以認(rèn)為路基目前處于安全狀態(tài)。

2.路基變形數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，大準(zhǔn)鐵路k36+050～500段病害情況具有一定普遍性，選取該段路基開(kāi)展數(shù)值模擬分析，圖1為工程地質(zhì)斷面圖。數(shù)值模擬中假定道床材料線彈性，符合廣義胡克定理；地基為理想彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；模擬中采用均布荷載模擬列車荷載，均布荷載取值P0=225kPa，材料參數(shù)取值見(jiàn)表2。

1）豎直方向（Z向）位移分析

路基變形云圖呈對(duì)稱分布，最大沉降值在路基中心線附近并向兩側(cè)逐漸減小。通過(guò)對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向變形值的統(tǒng)計(jì)，列車荷載對(duì)路基豎直方向變形的影響深度為4m，即4m以下范圍基本無(wú)影響。

2）水平方向（X向）位移分析

道床與路基下部發(fā)生不同方向的水平位移，在上部道床兩側(cè)變形方向均傾向于中心線方向，而在下部則兩側(cè)土體都產(chǎn)生了向臨空方向的變形。通過(guò)對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向變形值的統(tǒng)計(jì)，道床下部路基隨著埋深的增加，路基水平位移呈先增大后減小的變形趨勢(shì)，水平位移最大值在路基面以下1.6m位置，距離中心線約2m處水平位移最大值為6.90mm。整體而言，與路基下沉量相比，路基的水平位移不大，水平位移量在10mm以下，同時(shí)可以看到，列車荷載對(duì)于埋深3.5m以下路基水平位移影響不大。

3）應(yīng)力分析

圖2為路基小主應(yīng)力云圖，圖中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。由圖可知，路基中的小主應(yīng)力沿路基中心線呈對(duì)稱分布，且產(chǎn)生了兩個(gè)明顯的應(yīng)力集中區(qū)，在道床表面中心處，出現(xiàn)了集中的壓應(yīng)力區(qū)；在道床與基床的交界處，出現(xiàn)了集中的拉應(yīng)力區(qū)，下部土層水平應(yīng)力水平較低。

x圖3為路基大主應(yīng)力云圖。由圖可知，路基中的大主應(yīng)力的沿路基中心線呈對(duì)稱分布；橫向上列車荷載作用區(qū)域的應(yīng)力值較大，路肩處的應(yīng)力值較小，出現(xiàn)了小部分的拉應(yīng)力區(qū)域，這是路肩出現(xiàn)的開(kāi)裂的可能因素；縱向上豎直應(yīng)力隨深度變化明顯，距離荷載作用點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)力衰減越明顯。

圖4為路基內(nèi)主應(yīng)力張量分布圖，圖中藍(lán)色線條表示壓應(yīng)力區(qū)域，紅色線條表示拉應(yīng)力區(qū)域。由圖可知，列車荷載作用下，道床內(nèi)大主應(yīng)力方向以水平向?yàn)橹鳎来蚕虏柯坊笾鲬?yīng)力以豎向?yàn)橹鳎抑鲬?yīng)力向臨空面方向產(chǎn)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，埋深3.5m以下路基基本為原始應(yīng)力場(chǎng)。由圖11所示路基內(nèi)塑性區(qū)分布圖可以看出，道床底部產(chǎn)生了“倒三角”狀的塑性破壞區(qū)，表明列車荷載下道床底部區(qū)域內(nèi)巖土體產(chǎn)生了塑性破壞。

4）病害演化過(guò)程

由豎直方向位移可以看出，路基在列車荷載作用下，中部下沉，路肩隆起，最大隆起發(fā)生在道床坡腳處，長(zhǎng)期作用將會(huì)發(fā)生路肩隆起病害以及翻漿冒泥等安全隱患；由大主應(yīng)力變化可以看出，橫向上列車荷載作用區(qū)域的應(yīng)力值較大，路肩處的應(yīng)力值較小，出現(xiàn)了小部分的拉應(yīng)力區(qū)域，這是路肩出現(xiàn)開(kāi)裂的可能因素；由路基內(nèi)塑性區(qū)分布圖可以看出，道床底部產(chǎn)生了“倒三角”狀的塑性破壞區(qū)，表明列車荷載下道床底部區(qū)域內(nèi)巖土體產(chǎn)生了塑性破壞，解釋了路基翻漿冒泥病害的發(fā)生機(jī)理。

4.總結(jié)及整治建議

1）本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了大準(zhǔn)鐵路路基病害演化機(jī)理，總體來(lái)看，大準(zhǔn)鐵路路基變形包括沉降和水平擠出兩種類型，以沉降為主，通過(guò)隱患分級(jí)確定其中4處為亞健康級(jí)，其余37處為健康路基，對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)影響較少。根據(jù)長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查基本一致，即大準(zhǔn)鐵路路基變形目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）經(jīng)過(guò)前期病害調(diào)查得出結(jié)論，大準(zhǔn)鐵路路基病害較少，局部存在輕微的路基面下沉、擠出變形等，反映整體路基健康狀態(tài)較好。路基的病害類型主要表現(xiàn)為擠出變形、翻漿冒泥、下沉和凍害等類型，整體表現(xiàn)原因?yàn)橥临|(zhì)不良，壓實(shí)密度不足、排水不暢等原因。當(dāng)路基土壤墑情指標(biāo)（溫度、含水量）適合連續(xù)凍融發(fā)生條件，說(shuō)明路基可能會(huì)發(fā)生凍害。下沉主要表現(xiàn)為路基面沉降指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，深部變形主要表現(xiàn)為春夏季雨季凍土、軟土路基的在列車通過(guò)時(shí)的變形變化。路基病害的治理辦法有很多，如壓力灌漿法、改良基床土質(zhì)、土工合成材料加固和封閉基床等等，但不同鐵路線路、同一線路的不同區(qū)段的路基填料不盡相同，產(chǎn)生路基病害的部位、原因不同，必須針對(duì)各種病害的特點(diǎn)采用切實(shí)可行的措施，否則，病害會(huì)重新出現(xiàn)或出現(xiàn)新的病害。路基病害的整治應(yīng)從路基填料、防止水分侵入提高路基強(qiáng)度和剛度這幾個(gè)方面入手，對(duì)于大準(zhǔn)線亞健康級(jí)地段路基整治要針對(duì)各種病害的特點(diǎn) ，采用切實(shí)可行的措施 ，也可以是多種方法的集合，針對(duì)大準(zhǔn)鐵路凍土區(qū)的特點(diǎn)，可采用換填，物理加固、化學(xué)加固、土工合成材料等方法對(duì)病害路基進(jìn)行處理，其中換填法針對(duì)的是各種病害，但對(duì)列車的正常行車影響較大，其他方法除凍害類病害可以用于路基處理。各種方法具體處理措施如下。

①換填法

對(duì)于容易發(fā)生下沉外擠或深陷槽病害的軟弱基床 ，可采用基床表層換填的整治方案。換填厚度視軟弱層厚度而定 ，一般為 50～60cm。 病害一般地段換填料可為級(jí)配良好的碎石土或中粗砂 ，或在原基床土中摻入改良土壤工程性質(zhì)材料后形成的改性土。

②灰土擠密樁加固法

灰土擠密樁加固法是在基礎(chǔ)底面形成若干個(gè)樁孔，然后將在樁孔中分層回填2：8或3：7灰土夯實(shí)而成，以提高地基的承載力或水穩(wěn)性，從而提高地基強(qiáng)度和增大地基變形模量。

③化學(xué)加固法

化學(xué)加固著眼于提高土體本身的工程性質(zhì)。依據(jù)原土的物理及化學(xué)構(gòu)成和工程條件的不同 ， 可以選用不同的加固材料和施工工藝 ， 使加固材料和原土發(fā)生完全或部分的混合 ， 產(chǎn)生一系列復(fù)雜的物理、 化學(xué)反應(yīng) ， 從而使土體的承載力、密實(shí)度和耐水性都得到較大提高[8 ]。

④土工合成材料法

土工合成材料具有原料豐富、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、抗變形模量大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn) ，對(duì)基床水源多為大氣降雨的病害 ，宜選用不透水的土工防水膜板 ，可防止水浸入基床土 [9 ]。

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