高速鐵路路基上拱整治技術

茹曉軍

(中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路路網的逐漸形成，運營線路不斷增加，路基上拱問題時常出現，無砟軌道高程超出軌道扣件調整范圍后常采取限速措施，甚至拆除重建，嚴重影響正常運營秩序。我國西北地區某高速鐵路路基區段運營后持續上拱，采取混凝土換填、地基疏排水和落道調整等常規整治措施后仍未有效消除，為此，采用暗挖法開挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結構解決該問題。

1 病害情況

該路基區段于2014年3月靜態驗收時發現上拱變形，隨后將涵洞兩側路基道床板下填料換填為C30混凝土，但上拱變形仍未穩定，2017年1月開始限速120km/h運行，2017年3月開始限速60km/h運行，2017年11月整治完成后恢復正常速度運行。

監測數據顯示，2017年11月至2019年6月某路涵過渡段及兩側路基工點變形持續發展，最大上拱量為103.9mm，位于涵背4m處；膨脹變形主要發生在過渡段路基面以下1.5～4.0m(箱形橋過渡段5%水泥級配碎石層)。

2 填料設計

過渡段及兩側路基工點位于某山前沖洪積平原，地表為粒徑2～10mm粗細圓礫土，其下地層以粉質黏土和粉土為主，局部夾雜砂礫土。地下水位埋深7～8m，水位基本穩定，其余勘察深度內未見地下水。路基基床表層采用級配碎石填筑，基床底層及以下采用AB組填料填筑。過渡段采用水泥級配碎石填筑，基床表層水泥摻量5%，表層以下水泥摻量3%。墊層采用水泥卵礫石填筑，水泥摻量50kg/m3。

3 上拱原因分析

已有研究表明，水泥水化產物受硫酸鹽侵蝕會形成鈣礬石和硅灰石膏晶體。鈣礬石晶體形成過程中，1個鈣礬石晶體分子結合和吸附32個水分子，使鈣礬石固相體積劇烈增大。類似于鈣礬石晶體的形成，硅灰石膏晶體形成時固相體積增大。可知過渡段及墊層中的水泥與硫酸鹽反應生成膨脹性物質會引起路基上拱。

監測數據顯示，過渡段及兩側路基工點變形主要發生在路基和涵洞過渡段摻水泥填料及水泥卵礫石墊層中。通過X射線衍射檢測過渡段鈣礬石含量，可知水泥卵礫石墊層中含有大量鈣礬石和硅灰石膏晶體。過渡段及兩側路基工點主要膨脹變形范圍內含有大量硫酸鹽侵蝕水泥反應生成的膨脹性晶體，過渡段及墊層中水泥與填料中的硫酸鹽反應生成新的物質后體積膨脹，這也是引起路基上拱的主要原因。

4 整治方案

由于常規整治措施效果較差，為此，采用暗挖法開挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結構。

4.1 施工準備

1)線間封閉層共77.7m，采用人工風鎬、洋鎬破除，渣土外棄。

2)沿線路縱向布置硬隔離，并向整治范圍外一側各延伸10m。立柱間距3.0m、高3.0m。硬隔離橫向跨過軌道結構后，使用金屬網柵欄進行隔離，形成封閉的施工區域，在路基坡腳下留門，以便出入。硬隔離圍擋立柱如圖1所示。

圖1 圍擋立柱示意

3)線路開通前無砟軌道出現上拱現象，在涵洞兩側曾進行混凝土換填整治施工，考慮暗挖時回填層側壁安全，在非混凝土換填段設置1排微型樁，間距0.5m，長度為暗挖結構底板下1.5m。在線間豎向鉆φ108mm孔，孔內插φ89mm鋼管，鋼管內注入水泥漿液進行暗挖側壁預加固。微型樁形成后，根據設計標高，采用I25進行樁樁連接，使其發揮更穩定的整體加固作用。

4)按以下流程安裝圍擋：組織安排→施工前演練→施工準備→鋼軌鋪設橡膠板→立柱安裝→下橫梁、斜撐安裝→中橫梁安裝→圍擋板安裝→上橫梁安裝→相鄰圍擋水平調整→加固→專人檢查→標記防松線。圍擋施工難點在于僅能在1個天窗點內完成，時間緊、任務重、工序繁雜、零配件易遺漏、相鄰圍擋安裝尺寸存在偏差，需安排專人檢查立柱螺栓是否緊固，斜撐及橫梁穩固后在螺栓上標記防松線。圍擋整體安裝完成后，由安全員每日進行定點檢查，以確保圍擋安全。

4.2 上行線封鎖施工

4.2.1豎井施工

根據整治范圍，在小里程40m長度范圍內設置1號檢查井、2，3號輔助豎井，在大里程段34m長度范圍內設置4號檢查井、5，6號輔助豎井。根據地下結構設計選擇豎井開取位置，以開挖掘進軸線為豎井中線，豎井井口進行鎖口加固，防止鎖口邊沿坍塌，豎井深度以深于隧道(箱涵)底0.3m為宜，鎖口頂口高出地面0.3m，便于出土。

豎井施工前首先放樣輪廓線，施工人員使用切割機沿輪廓線切割，確保邊線整齊；然后施工豎井鎖口及鎖口盤鋼筋混凝土；最后施工豎井井身。提升設備預埋件、防護圍欄預埋鋼筋與豎井鎖口盤同時施工，豎井施工時埋設爬梯。

4.2.2暗挖結構施工

暗挖結構主要施工工序為：馬頭門施工→主體結構開挖→噴錨→環向鋼支撐支設→鋼筋綁扎→模板支設→襯砌混凝土澆筑→循環施工至襯砌完成。

在豎井側墻開口，立2榀拱架，找結構外邊線。2榀拱架均通過橫梁連接，橫梁方向平行于線路方向，橫梁內側預留連接板。在小里程側開1m寬導洞，開挖至線間另一側正洞開挖邊線，掛網噴射混凝土封閉開挖面。

立2榀正洞拱架，拱架間距為1m。完成拱架架立與連接后及時綁扎鋼筋、支設模板、澆筑混凝土。

開挖前進行測量放樣，以確定開挖軸線、開挖輪廓線，采用人工風鎬破除、卷揚機提升結合手推車外運渣土。開挖過程中遵循“由上至下開挖、嚴格控制開挖循環進尺、保證開挖輪廓線整齊”的原則。

路肩側鋪設1cm厚工業橡膠板(線間側不設置)、φ8mm雙層鋼筋網片，噴射C25混凝土。

施工人員根據測量點位施工，鋼架采用I22a制作，底橫梁、立柱、頂橫梁、鋼架連接加固裝置、雙層結構上層結構鋼架安裝完成后及時使用頂托對道床板進行加固處理。

鋼筋加工完成后運至現場，通過豎井運至施工作業點，按圖紙要求施工鋼筋。模板采用竹膠板、方木支撐，并按要求加固。

混凝土澆筑分2次進行，首先澆筑中板(底板)至邊墻上1.5m混凝土，然后澆筑剩余邊墻與頂板混凝土。在邊墻上開口作為進料口，泵送管接至豎井口后，剩余部分采用軟管接至進料口。

4.2.3工作槽與鋼結構橫向限位墩施工

將支承層兩側封閉層破除，路肩破除范圍與工作槽頂面范圍一致。工作槽沿軌道板支承層(底座板)向外側開挖寬度為1.5m，深度為0.6m，坑壁按1∶0.625放坡，并噴射混凝土進行防護。工作槽頂部設置防水板，防止雨水直接灌入工作槽。在整治段路肩及線間間隔9.75m設置1對鋼結構橫向限位墩，用于整治期間對軌道結構進行橫向限位。鋼結構橫向限位墩長0.3m，寬0.6m，高0.4m，距支承層0.02m，通過錨桿及帶孔鋼底板固定限位墩，可根據整治作業需要進行拆卸。

4.2.4基床表層暗挖

采用隧道鑿巖機、繩鋸切割機、千斤頂與人工鑿除相結合的方式進行基床表層暗挖。每隔3m采用鑿巖機沿水平方向開4個孔，作為繩鋸下鋸口。利用線間工作槽，使用千斤頂將軌道板下切割體分次頂出，采用人工風鎬、電鎬鑿除。

4.2.5落道調整

1)準備工作

將施工場地內、外一定距離鋼軌墊片取出，根據落道總長，每隔2.4m標記千斤頂放置位置，并安排人員提前固定調整千斤頂。

2)調整流程

落道調整流程為：①落道施工前千斤頂就位，調整并加固道床板；②松開道床板下所有頂托；③逐節進行落道調整；④頂托加固、道床板頂緊，根據需要進行糾偏。

4.2.6板下填充

首先沿道床板中線每隔3m鉆φ56mm注漿孔，然后安裝φ50mm鋼管作為注漿管，注漿管上露5cm、下露2cm，施工注漿孔時注意避開道床板伸縮縫。

首先采用C15混凝土回填支承層及支承層以下部分，道床板底面為支承層頂面；然后采用C25混凝土回填路肩工作槽與線間回填層。回填前清理基底虛渣，注意回填路肩工作槽時按坡度4%放坡，放坡寬度為支承層外側至電纜槽邊的距離。

板下混凝土澆筑完成后采用漿液比為1∶1的水泥漿分層注漿，注漿壓力≤0.3MPa，注漿過程中嚴格控制注漿壓力與每次注漿量，保證注漿密實。

4.2.7主體結構混凝土養護

主體結構施工完成后進行混凝土灑水養護。

4.2.8主體結構注漿

雙層結構上層中板混凝土澆筑前，在中板兩側邊墻預留φ50mm注漿管，沿線路縱向按間距100cm布置，注漿管上露10cm、下露3cm，如圖2所示。單層結構頂板混凝土澆筑前，在頂板中線位置預留φ50mm注漿管，沿線路縱向按間距100cm布置，注漿管上部距原回填混凝土底面3cm，下部外露10cm，如圖3所示。

圖2 雙層結構注漿管布置示意

圖3 單層結構注漿管布置示意

注漿料包括水泥漿和M20水泥砂漿，雙層結構邊墻注漿采用水泥漿，頂板背后注漿采用M20水泥砂漿。采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為(0.5～0.8)∶1。注漿過程中控制注漿壓力為0.6～0.8MPa，注漿速度為30～50L/min。

4.3 下行線施工

上行線主體施工完成后， 經檢測達設計行車要求后，完成行別轉換，然后開始下行線施工，各工序參照上行線。

5 軌道檢測

整治完成后，選取最大上拱處斷面，對脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂直力、道床板加速度、鋼軌橫向位移及豎向位移等動、靜力學指標進行檢測。結果顯示，2019年11月至2020年12月軌道結構動、靜力學指標均在限值范圍內，動車運行安全性與平穩性滿足要求，整治效果較好。

6 結語

針對高速鐵路路基上拱且常規整治措施效果較差的問題，采用暗挖法開挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結構的方式加以解決。圍擋立柱安裝定位須準確，安裝過程中及時測量立柱限界數據并記錄。豎井、主體結構開挖過程中設置沉降、位移觀測點，隨時監測結構變形。使用頂托對道床板進行加固處理，隨時監測道床位移，防止道床破壞。落道調整時對千斤頂進行編號，根據監測數據計算千斤頂頂程，以實現逐級同步調整。