高速鐵路路基沉降病害成因分析及措施

趙博

摘 要：高速鐵路在實際運行過程中，受種種因素的共同影響，很難完全規避掉路基沉降病害問題，因此需要充分認識到加強高速鐵路路基沉降病害治理的必要性，做好病害問題原因的分析，并做好相應病害的針對性治理，從而才能夠更好的保護高速鐵路運行安全。本論文作于2017年12月，筆者當時擔任中交一航局新建蘭新鐵路第二雙線項目經理部副經理職務。

關鍵詞：高速鐵路;路基沉降;病害成因;治理措施

高速鐵路經常需要露天運行，因此會受到外界天氣因素的影響，導致路基土壤出現物理性質變化，引發不均勻沉降問題，除了自然因素，列車實際運行帶來荷載影響以及認為因素的影響均會對高速鐵路路基帶來不利影響，引發不均均沉降問題。因此為了保護列車運行安全，需要加強對路基不均勻沉降病害問題的分析，并提出一些針對性的應對措施，從而為高速列車保護穩定安全運行提供有力保障。

1 加強高速鐵路路基沉降病害治理的必要性分析

如今在我國整體交通運輸產業飛速發展的大背景之下，伴隨著高速鐵路建設技術的逐漸應用成熟，如今高鐵運輸已經成為我國交通運輸重要組成部分，在推動我國交通運輸發展中發揮著非常重要的作用。從“十三五”規劃綱要中我們能夠認識到，預計到2020 年推動我國的高鐵營業里程成功達到3 萬公里目標，并且要求告訴鐵路能夠成功連接全國覆蓋 80%以上的大城市，如今這一目標已經基本實現。但同時我們也應認識到，由于我國幅員遼闊，不同地區自然條件、地質條件分布也比較復雜，伴隨著高速鐵路的建設投入運行，其中也出現了很多病害問題，在眾多病害問題組成中，高速鐵路路基沉降病害可以說是最不容忽視的一大病害問題。一旦高鐵鐵路的路基出現不均勻沉降問題，將會造成鐵路不同的結構之間出現不同程度的下沉，嚴重應鐵路結構的受力的平衡性與穩定性，為了讓軌面標高保持規范的高度，只能夠采用松開扣件，加裝墊板的方法進行解決。但這一方法指標不治本，隨著鐵鐵路路基沉降問題逐漸加重，此時在軌道扣件的調整方面，也已經達到了極限的范圍，已經無法再滿足軌道標高的要求，因此為了保證列車行車的安全，只得選擇在一些地基沉降比較嚴重的路段，實施限速措施，此時高速列車變成了“低速列車”，對于列車整體運行品質帶來了非常嚴重的影響。但事實上，在高速鐵路設計之初，國家對于鐵路工后沉降有著非常嚴格的控制標準，以我國的無砟軌道路基為例，要求在完成施工后，應將沉降控制在 15mm以內。雖然當下我國對于地基沉降有著非常嚴格的控制，并在施工過程中，采用了很多先進的路基加強技術，有效保障了鐵路路基的質量，但想要完全避免高速鐵路路基沉降仍是一個不切世界的問題，這是因為導致鐵路路基沉降的原因有很多，尤其是隨著鐵路長時間運行，受荷載以及自然地形變換影響，必然會出現各種路基沉降病害問題。區別僅在于沉降是否嚴重，比如在我國某些個別地區，鐵路路基沉降便非常嚴重，有的路基沉降量超過了50m，遠高于我國高速鐵路設計規范要求。在這一背景下，有必要在充分了解高速鐵路路基沉降病害成因的基礎上，分析其中存在的問題，然后提出一些針對性的應對處理措施，從而更好的保護鐵路運行安全，推動我國鐵路交通運行實現更好的發展^[1]。

2 高速鐵路路基沉降病害成因分析

高速鐵路在實際運行時，由于外界環境因素多變，再加上自身荷載的影響，從而使得路基沉降病害在形成方面，通常是由多種因素共同作用而成。筆者通過實際調查分析，并以鐵路路基沉降病害中不同因素影響大小為依據，來對高速鐵路病害成因問題進行了如下分類：

一是鐵路自身結構因素引發的沉降病害問題：這一類型的沉降病害與鐵路自身結構的特點有著非常緊密的關系。比如在最初進行勘察過程中，沒有做好誤差控制，從而致使在鐵路設計過程中，沒有對鐵路結構自身沉降進行有效的處理，最終導致出現嚴重的工后鐵路路基沉降問題;還有一種是相應的鐵路地基、路基施工措施沒有落實到位，導致地基強度不足，路基也存在嚴重的壓縮變形，最終引發嚴重的路基沉降病害問題^[2]。

二是受外界自然因素影響所產生的沉降病害問題：高速鐵路通常需要露天而建，因此在實際運行時，必然會受到自然氣候的影響，比如天氣過于寒冷或者過于炎熱，都會對路基土體的物理性質帶來一定的變化影響。或者由于天氣環境過于惡劣，比如鐵路所在地區連降數天大于，導致鐵路排水不及時，長期浸泡在水中，也會引發嚴重的沉降病害問題。

三是人為活動因素引起的鐵路路基沉降病害問題：高速鐵路在實際施工建設過程中，通常會對軌道路基下層的地基有著非常嚴格的要求，要求是需要加強對鐵路軌道下方地基變形的控制，地基以及路基本身對于周邊的地形變化也比較敏感。如果在鐵路附近存在一些人類工程活動，均有可能對鐵路地基以及路基帶來一定的變形沉降影響。比如在高鐵線路附近，因工程建設原因，需要進行大量的堆土或者抽水施工，這些人為的活動因素都會對鐵路附近的地形帶來一定的擾動影響，最終引發該路段出現路基沉降病害問題。

四是地下水文地質變化引起的路基沉降病害問題：高速鐵路在實際施工建設過程中，通常在人煙稀少的荒郊野外進行，存在很多水文地質變化因素。并且高速鐵路工程本身是一種線性工程，在鐵路沿線方面，縱向抵抗變形的能力比較弱。在鐵路運行期間，一旦沿線的水文地質條件出現了變化，很容易出現不均勻沉降變形問題，都會對高速鐵路路基帶來一定的影響。這種影響主要表現為：受地面的不均勻沉降的影響，將會對鐵路軌道設計高程帶來一定的變化影響，同時還會對高速鐵路的平順性帶來非常嚴重的破壞，不僅會對高速列車運行的速度及穩定性帶來不利影響，嚴重時還會造成列車側翻安全事故。以京滬高鐵所經過的地形為例，該鐵路沿線地質水文條件比較復雜，一旦地下水位降低，在高速鐵路部分路段，便會出現明顯的異常沉降狀況，最終對于高速列車穩定安全運行帶來了嚴重的安全隱患，面對這些問題，若不及時采用應對措施，任由地面沉降的持續發展，最終會引起該路段的高速鐵路路基軌道出現非常大的變形，統一釀成非常重大的列車運行安全事故。因此需要加強區域沉降的控制，更好的保護列車路基穩定性，保障列車運行安全^[3]。

五是過渡段差異沉降：根據最新版的高速鐵路設計規范，路基與橋梁、隧道或橫向結構物交界處的工后差異沉降不應超過 5 mm，不均勻沉降造成的折角不應大于 1/1000。但是過渡段是高速鐵路工程中最薄弱的環節之一，橋梁、隧道或涵洞與路基工程之間即使發生輕微的沉降差，也會嚴重影響該線路平順性。

3 高速鐵路路基沉降治理方法及存在的問題

3.1 高速鐵路路基沉降治理方法

一是局部換填加固法。在具體實施這種加固法時，需要將基床表層部分軟土地質挖除，然后重新換上新的土質，這種土質主要由砂石組成，有著良好的強度與穩定，通過進行分層填筑，然后進行夯實處理，從而讓新填筑的土質與原本的地基融為一體，達到地基加固的目的。

二是擠密樁加固法。在具體實施該方法時，需要采用圓形鋼管樁等材料，直接打入地基，從而土體進行一定的擠壓，使得土體整體更加密實，承載能力更強。然后在將打入的樁拔出，并填入一些樁孔內碎石水泥等材料，然后進行夯實加固處理，從而達到地基加固的目的。

三是土工格室加固法。在該方法具體實施方面，通常配合局部換填加固方法共同實施，通常會選擇換填層之上，通過進行格柵網的添加，充分借助格柵網的約束力，有效的固定土體，避免出現內部變形移動，促使土體整體強度與承載能力得到有效的提升。

四是注漿加固法。在該方方實施過程中，需要先進行鉆孔注漿，將泥漿打入需要加固的到路堤之中，有效提升加固土體的物理力學性能，促使鐵路路基整體強度得到有效的改善。在具體實踐應用方面，對于普通的鐵路而言均有著良好的效果^[4]。

3.2 存在的問題

在上述介紹的幾種路基加固方法中，在實際實施方面，均需要暫時停止列車運行，才能夠更好的進行施工。因此會對線路運營產生非常大的影響。然而從當前發布的高速鐵路運營管理辦法來看，鐵路暫時中斷的的最長時間為 4 h，因此只有選擇操作工序最為簡單的施工方法才能夠滿足施工要求，對比上述幾種施工方法，注漿加固法不需要大型機械，可以直接進行施工，因此可以說是作為適合的方法。然而在實際應用上，正確的選擇注漿材料才是保證施工質量的關鍵。在具體進行注漿材料選擇時，需要對高速鐵路施工特征進行充分的考慮，首先在填料方面，如果填料細粉的力度在0. 075 mm以內時，滲透系數會非常低，一般在10^-6-10^-4cm/s，對于水泥漿等顆粒注漿材料而言，在實際應用時，能夠注入土體滲透系數為10^-3-10^-2cm/s。通過進行對比，我們能夠認識到，常規的水泥漿難以滿足高速鐵路對注漿的施工要求。并且水漿結石體在變形模量方面，相較于填土有著更高的數量級，從而在實際應用時，很容易受剛度不均勻影響，出現二次病害。為了有效解決這一問題，在實際注漿材料選擇時，可以選擇低黏度的化學注漿材料，這種材料通常有著優良的滲透性。但與普通的地基加固不同，在高速鐵路進行注漿加固施工時，要求結石體需要具備非常大強度因此在1 MPa以上，而對于低黏度化學漿液而言，在整體強度仍有著一定的差距，難以滿足實際的填土加固要求。另一方面，在實際采用水溶液注漿材料時，受水溶液的自身流動性較強的特點影響，通常會對土體帶來非常大的擾動影響，容易在施工期間出現沉降問題，難以滿足實際施工要求。基于此，為有效解決新出現的問題，需要采用以下應對措施^[5]。

4 高速鐵路路基沉降病害治理應對措施

為了能夠滿足高速鐵路注漿施工，需要采用自主研發的低黏度改性高聚物注漿材料，為了驗證材料適合高速鐵路路基加固施工，文章采用以下試驗進行了驗證：

4.1 制備填料

采用含土中砂進行填料制備，其中填料不均勻系數為Cu=（d₆₀/d₁₀）=0.75/0.075=10曲率系數為 C_c=（d₃₀×d₃₀）/（d₆₀×d₁₀）=（0.41×0.41）/（0.71×0.075）=2.98。填料分層的含水率為5.5%，并在鋼模內，采用分層填筑的方式進行人工搗實，具體分層為1m×1m×1.2m。

4.2 注漿

在實際注漿時，注漿管應沿著填料中部鉆孔，下沉至設計位置，然后進行注漿接頭的安裝，在進行注漿量的控制過程中，可以選擇調節注漿時間與注漿壓力等參數來實現，確保低黏度漿液注入滿足實際施工要求。

4.3 結石體制件

在完成注漿后，需要等待漿液固化再將模板拆除，然后慢慢的剝離結石體周邊填料，獲得圓柱形結石體，然后再進行切割處理，就可以獲得實際需要的試件。

4.4 測試結石體變形模量

通過對制作好的試件進行反復的加載、卸載測試，并從中獲得結石體在測試過程中形成的變形模量。期間注意控制好測試參數，一般加載荷載大小控制在 510至40×10⁴N，加載速率控制在100N/s，卸載速率 500N/s。通常實驗結果表明，結石體試件在受壓至 8. 17 MPa 時，仍能夠維持良好的性能。在撤銷壓力后，彈性模量也會逐漸的恢復，經過進一步計算可得出彈性變形模量為160～190Mpa，這一數值能夠有效滿足高速鐵路填土所要求，說明路基中的結石體不會引發路基剛度不均勻問題，能夠應用于實際注漿施工中。

5 結語

綜上所述，與一般的鐵路路基施工相比，高速鐵路路基產生的沉降病害問題原因更為復雜多變，因此為有效實現病害問題的預防，需要進一步加大控制力度，尋找最佳的防治方法，從而有效實現病害問題解決，保證高速鐵路能夠安全穩定的運行。

參考文獻：

[1]蔣騫.?滬寧城際高速鐵路沉降規律分析與路基病害治理措施研究[D].?中南大學，?2014.

[2]仲新華，?陳勛，?楊元治高速鐵路路基沉降病害成因分析及對策[J].?鐵道建筑，?2017（11）：69-72.

[3]程康.?蘭新高速鐵路某區段路基沉降整治措施及治理效果研究[D].?蘭州交通大學.

[4]徐前衛，?蘇培森，?唐卓華軟土路基沉降病害治理的注漿加固技術及其試驗研究[J].?土木工程學報，?2015（s2）：268-273.

[5]董明.?高鐵運營中軟土路基沉降病害處治技術[J].?鐵道勘察，?2014（5）：45-48.