鐵路路基下沉病害原因及注漿加固處理研究

胡國偉

中鐵三局集團有限公司勘測設計分公司，山西 太原 030001

1 工程概況

山西某電氣化鐵路重載列車的開行數量及列車載重不斷增加，盡管經過改造，路基病害仍時有發生。鐵路路基承受鐵路荷載及機車動力荷載的同時，還不斷遭受到雨、雪極端氣候的侵襲，以及不良地質條件及各種人為因素的影響，最終出現基床下沉、外擠，甚至出現陷穴等病害，已經嚴重影響路基的穩定和鐵路的安全運營。

2 病害產生的原因

通過對該路基下沉段進行現場調查、勘探發現，路基下沉病害主要有以下原因：（1）素填土為自重濕陷性土，選用的填料不合理及填筑工藝未能使填料有效碾壓密實。鐵路所需填料要求在列車動荷載的長期作用下，在土質、級配和強度上具有較高的力學強度、水穩定性和較小的滲透性。如果填土厚度過大、壓實不足，極易產生壓實不足等問題。（2）原地面砂質黃土為自重濕陷性土，當排水不暢時，地表水滲入砂質黃土中，出現濕陷現象，導致上覆填土下沉。

該段路基填料及原地面土存在不同程度的濕陷性，在地表水的滲入、聚集，加之列車的反復碾壓下，使得路基承載力逐漸下降。隨著地表水的持續進入，劣化填土區域不斷擴大，最終出現基床下沉、外擠，甚至出現陷穴等病害。

3 注漿治理方案選擇

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）、《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025—2018）中關于濕陷性土處理的主要技術內容，選擇通過鉆孔注漿，將漿液通過鉆孔注入填土中，使填土的力學性質得到改善，從而提高路基承載力，減少路基下沉量。該方法對行車影響最小，并且具有成本低、固結體強度大、可靠性高、施工簡便、機動性強的特點，對線路運營影響較小。

4 室內模擬注漿試驗

為了消除路堤黃土質填土的濕陷性，且在施工過程中避免過大的路基附加沉降，選擇采用單液硅化法加固沉降段路基工程，注漿溶液主要由濃度10%～15%的硅酸鈉溶液摻入2.5%氯化鈉組成，進行室內模擬注漿試驗，參照設計要求，每桶土樣采用電鉆開4個直徑為2cm、深度為10cm的圓孔（見圖1），將按照設計要求配置并攪拌均勻的硅酸鈉溶液滲入土體中，每隔0.1～1h加一次溶液，防止孔內溶液滲干，3h后孔內有殘留溶液，停止注漿，再對注漿后試樣進行壓縮實驗、直接剪切等實驗（見圖2），測定注漿加固后土體的滲透性、壓縮性、濕陷性及抗剪強度指標。

圖1 土樣注漿完畢

圖2 直接剪切試驗

根據實驗前、后填土的各項指標變化（見表1～表3），可以得到如下結論：（1）注漿后土體的含水率恢復到天然狀態，注漿前后土體的滲透系數、孔隙比、干密度基本無變化，可塑性指標發生改變。表明硅酸鈉溶液采用自滲的注漿方式并沒有改變土體的原狀結構，注漿過程并不會引起路基附加沉降。在氯化鈉催化作用下，硅酸鈉溶液與土體中的硫酸鈣或碳酸鈣發生化學反應，形成硅酸凝膠并膠結土粒，使可塑性大幅度提高。（2）壓縮性試驗表明，注漿后的土體降低了在荷重下的壓縮性，有效提高了路基的承載力。（3）注漿后黃土質填土的抗剪強度指標（內聚力、內摩擦角）均提高，隨著土體含水量的降低，以及硅酸凝膠體的膠結作用，內聚力提高幅度較大，有利于增強路堤邊坡的穩定性。（4）注漿加固后，黃土質填土對水的敏感性降低，濕陷系數降至0.015以下，濕陷性消除，而且后期失水減濕后其濕陷性并未恢復。

表1 注漿前后黃土質填土的壓縮性指標

表2 注漿前后黃土質填土的抗剪強度指標

表3 注漿前后黃土質填土的濕陷性指標

通過現場取土進行室內注漿加固試驗，測出加固土體的壓縮性和濕陷性等指標均可以滿足規范要求。

5 路基注漿設計及施工方法

施工前應選擇一沉降段進行多孔灌注溶液試驗，確定注漿參數。灌注溶液試驗結束后，間隔10d左右，取土樣進行測試，測定加固土的壓縮性和濕陷性等指標。路基注漿施工時在路基兩側使用鉆機鉆孔后放入注漿管，注漿管直徑為80mm，鉆孔間距為0.6m，梅花形布置（見圖3～圖4）。將配好的硅酸鈉溶液灌滿灌注孔，使溶液自行滲入土中。待溶液全部注入土中后，注漿孔用二八灰土回填，注漿溶液由濃度為10%～15%的硅酸鈉溶液摻入2.5%氯化鈉溶液組成，相對密度宜為1.13～1.15，且不應小于1.10，其模數值應為2.5～3.3。

圖3 注漿斷面大樣圖

圖4 注漿管布置立面示意圖（單位：mm）

6 結論

通過分析地勘報告并開展室內單液硅化法注漿加固等一系列實驗，測定注漿加固前、后土體的壓縮性、濕陷性和抗剪強度等指標，可以得到以下結論：路基下沉段濕陷性填土采用注漿加固后，填土的抗剪強度指標（內聚力、內摩擦角）均有所提高，可以有效降低填土在荷重下的壓縮性，增強了路基的承載力，而且隨著土體含水量的降低，受硅酸凝膠體的膠結作用，內聚力提高幅度較大，路堤邊坡的穩定性也得到了明顯提高。