高速鐵路路基注漿整治凍害試驗研究

鐘寶

摘要 隨著我國高速鐵路的快速發展和鐵路建設理論與技術的完善，對于高速鐵路路基的災害治理也應予以重視。為防止高速鐵路路基凍害，文章以某工程為例，從高速列車的行車安全出發，探討試驗段工程措施的可行性。通過實踐論證表明：在滿足相關條件下，通過試驗得出了漿液對路基有影響，為工程提供理論指導。

關鍵詞 高速鐵路;路基;注漿整治

中圖分類號 U216.412 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0145-03

0 引言

路基凍害是鐵路運營過程中的常見病害，隨著我國高速鐵路建造和運營技術的逐漸完善，處理鐵路運營過程中的路基凍害是目前科研工作者研究的一個重要方向。注漿技術由于操作方便、施工難度低、在處理過程中并不會干擾既有鐵路的行車等優勢在實際工程中被廣泛采用。而土體的隱蔽性和復雜性，又給注漿的研究帶來許多不便，致使注漿的實際應用遠遠超過理論研究。近幾年數值模擬分析以其獨特的優勢在注漿工程方面受到國內外研究人員的重視。

1 工程概況

某工程K1244+615～K1246+900段為路基工程，基床表層采用0.5 m厚A組土換填，下夾0.15 m厚中粗砂土工隔層，基床以下為第四系沖積層粉質黏土。通過現場調查及室內試驗分析，該段路基表層填料孔隙比大，透水性強，基床下部的粉質黏土細顆粒含量高，親水性強，與水結合后不易失水。線路運營期間，雨雪形成的地表水經過填料下滲至基床底部，形成局部匯集，短期內無法排出，在冬季極易引發凍脹[1] 。

根據現場觀測數據顯示，該段路基已出現多處凍害，凍高一般為10～15 mm，最大處可達25 mm，凍脹病害路基長度總計2.285 km，凍脹等級為強凍脹，由此產生的不均勻變形已危及行車安全。為改善該段路基凍脹病害情況，同時不影響既有線的運營，采用注漿加固技術進行病害處理，先期試驗段開展里程為K1244+700～K1244+800，試驗段長度100 m。

2 注漿加固機理及方案

2.1 注漿加固機理

凍脹路基段通過在路基側部布設注漿孔位。在路基表層通過擠密注漿方式注入漿液，使漿液充分填充在路基填料的縫隙中擴散，漿液與填料完成凝結反應后，形成密實的固結體，改善了土體的物理力學性能。固結體形成的相對隔水層阻止或改善了地表水，減輕了水分在底部的匯集，進而減弱路基凍脹病害[2] 。

此外，注漿形成的漿脈體有效阻止下部毛細水的上升，一定程度上阻隔上部地表水入滲，降低基底黏性土的含水率，改善路基不均勻凍脹，也避免后期路基產生翻漿冒泥等次生病害。

2.2 注漿方案

2.2.1 注漿工藝

高鐵工程對沉降要求很高，考慮到有可能發生后續隱患等因素，該次施工試驗采用袖閥管注漿的方式進行地基加固處理。

2.2.2 注漿參數確定

（1）注漿壓力。注漿壓力根據地層性質及注漿方式確定：

[Pe]=βγT+cKλh （1）

式中：[Pe]——容許注漿壓力（105 Pa）;β——系數，取1;γ——地表以上覆蓋層重度，該項目無地表覆蓋層;T——地基覆蓋層厚度，取2.5 m;c——與注漿期次有關參數，取1;K——自上而下注漿系數，取0.8;λ——與地層性質有關參數，取1.5;h——地面至注漿段深度，取2.5 m。

代入式（1）計算得出，理論容許注漿壓力[Pe]為0.3 MPa。將理論容許注漿壓力作為最大注漿壓力參數進行試注，后續注漿效果良好，未造成路基上拱，最終確定最大注漿壓力為0.3 MPa。

（2）擴散半徑。注漿選用袖閥管注漿方式，根據Maag理論模型推論，袖閥管注漿擴散半徑為：

（2）

式中：r1——擴散半徑（cm）;t——理論注漿時間，取60 s;n——土體孔隙率，取0.5;k——土體滲透系數，取1×10?4 cm/s;v——漿液運動黏滯系數，取4×10?7 cm2/s;h1——注漿壓力，距離cm水頭，該次為30×102水頭;r0——注漿管半徑，取1.5 cm;de——被注入土體有效粒徑，取5×10?4 cm。

代入式（2）計算得出，理論袖閥管注漿擴散半徑0.95 m，現場試注時采取挖探檢驗，綜合確定實際有效擴散半徑約為0.5 m。

（3）注漿孔間距。現場實測有效擴散半徑為0.5 m，漿液在注漿孔深度范圍內呈圓球狀擴散，注漿孔間距l應滿足式（3）：

l≤r1 （3）

式中：l——注漿孔間距;r1——注漿擴散半徑。

在保證注漿連續效果的同時，按照實際工作量，最終確定孔間距為0.5 m。

2.2.3 注漿孔布置

試驗段路基表層換填深度為0.60 m，最大凍結深度為2.05 m，該項目表層注漿孔影響深度H1，深層注漿孔影響深度H2，則H1和H2應滿足H1>0.60 m，H2>2.05 m。

（1）線路右線左側2.5 m開始斜向45°布置鉆孔，每孔垂直線路方向投影間隔0.1 m錯落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側注漿孔角度及長度為10°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側;遠側注漿孔角度及長度依次為25°/5.5 m、40°/3.8 m和60°/2.8 m，至凍結深度以下傾向線路一側[3]。

（2）線路左線右側2.5 m開始斜向45°布置鉆孔，每孔垂直線路方向投影間隔0.1 m錯落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側注漿孔角度及長度為12°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側;遠側注漿孔角度及長度依次為25°/5.7 m、40°/3.9 m和60°/2.9 m，至凍結深度以下傾向線路一側。雙線區域共計1 600孔，合計7 320 m。

2.3 主要施工工序

注漿加固整治施工工序為：硬防護設置→注漿孔定位→鉆進及注漿施工→注漿孔封堵恢復→施工完成后拆除硬防護、恢復場地平整[4]。

3 試驗檢測及效果評價

為檢驗該試驗段的注漿效果，測試加固后路基基床承載力及土體改善情況，現場采用原位測試、室內試驗和物探測試3種手段進行綜合測試，以提高評價效果的準確性。

3.1 原位測試

原位測試可以測定難取得不擾動土樣的有關工程力學性質，具有測試快捷、代表性強的優點，在現場既有線的場地條件下比較適用。

3.1.1 技術規范

技術規范采用《鐵路工程地質原位測試規程》（TB 10018—2018）、《鐵路工程土工試驗規程》（TB 10102—2010）。

3.1.2 方案布置

現場在試驗段路基上下兩側對應里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置進行原位測試，測試深度范圍為0～2.5 m，通過與未處理段落橫向比較，驗證注漿處理效果。

每個位置均在2.5 m深度內進行分層挖探取樣及動力觸探貫入。

3.1.3 效果評價

在最大凍深2.05 m深度內，未處理段落K1244+830里程的基床承載力一般在160～200 kPa，注漿處理段落K1244+720～K1244+770里程基床承載力普遍在200～

360 kPa，較未處理段落提升約40%。注漿處理后，注漿影響深度范圍內土體與漿液結合，形成改良土體，既有路基密實程度得到提高，承載力整體提升[5]。

3.2 室內試驗

室內試驗主要進行含水率測定，土體中水分占比可以直觀反映出土體孔隙與水之間的關系，進而反映出注漿后土體孔隙比變化以及親水性的改善情況。

現場對K1244+720～K1244+850段路基上下行兩側里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置進行分層挖探取樣，所得樣品送到試驗室進行室內含水量測試。

由相關數據可知，經過注漿處理后，已處理段落雙線K1244+720里程位置的樣品含水率低于未處理段落K1244+830位置的樣品含水率，且受取樣前降雨及降雪影響，未處理位置的表層含水率已經提高（36%～37%），但處理段落表層含水率相對穩定，基本保持在30%以下。說明經過注漿處理后，凍深范圍內土體的孔隙受漿液填充，孔隙比下降，親水性下降，土體性質得到改良，形成相對隔水層，整體含水率下降，起到減弱凍脹的作用[6]。

3.3 物探檢測

瑞雷面波（微動）法作為一種新的淺層地球物理勘探方法具有操作方便、快速、成果直觀等特點，十分適用于既有線施工檢測。K1244+680～K1244+850段路基注漿工程進行工后工程物探檢測，采用微動面波探測法主要目的是對場地內路基基床注漿效果進行檢測。

3.3.1 技術規范

物探檢測工作執行的主要標準及有關規范為：

（1）《鐵路工程物理勘探規程》（TB 10013—2019/J 340—2019）。

（2）《物化探工程測量規范》（DZ/T 0153—2014）。

3.3.2 方案布置及判譯原則

根據現場注漿里程位置情況，采用美國Geometric公司生產的NZ-XP型地震儀進行勘探，28磅落重震源激發，4 Hz檢波器24通道接收，道間距1 m，測點間距5 m。對地震面波數據采用Surf Seis2.0進行頻散曲線的拾取和反演處理，并最后在CAD中成圖解釋。現場共布置測線2條，分別位于K1244+680～K1244+850段上下行兩側。

瑞雷波速度主要受土體的礦物成分、結構、密度及孔隙率的影響，因此同一介質不同狀態的波速不同，同一狀態不同介質的波速也不同。土層、巖層的礦物成分、結構及孔隙率有明顯差別，注漿前波速相差甚大，正常狀態下注漿之后波速都有提高，但波速提高值和提高后的波速也有明顯差異[7]。

注漿處理后，隨著漿液在基床范圍內擴散，充填凝固膠結后，形成較為密實的固結體，改善基床表層的滲透性和凍脹性，提高基床承載能力，同時使土體的瑞雷波速度有所提高。瑞雷波速度與地基承載力有很好的相關性，即波速越高反映介質層密實度或固結程度越高，相應承載力越強。

3.3.3 效果評價

注漿處理段落土體瑞雷波波速分布在220～360 m/s，兩側未處理段落瑞雷波波速分布在180～210 m/s，注漿處理段落波速提高30%。說明試驗段注漿處理后，隨著漿液對擴散范圍內土體孔隙的充填凝固膠結，形成水泥改良土密實度提高，土體性質得到改良，承載力增強。

4 結論

為有效處理路基凍脹病害，保證高速列車的行車安全，分析發生凍害的關鍵因素，測試注漿后基床本體效果，評價試驗段工程措施的可靠性和合理性。

（1）漿液對擴散范圍內土體孔隙的充填凝固膠結較為充分，注漿加固后凍深范圍內土體狀態得到改善，承載力提高。

（2）通過現場動力觸探檢測，未處理段落的基床承載力一般在160～200 kPa，注漿處理段落內基床承載力普遍在200～360 kPa，較未處理段落提升約40%[8]。經過注漿處理后，注漿影響深度范圍內土體與漿液結合，形成改良土體，既有路基密實程度得到提高，承載力整體提升。

（3）通過現場取樣試驗檢測，未處理段落表層含水率受近期降雨及降雪影響，已經提高至36%～37%，而注漿處理段落地層含水率仍穩定在26%～29%，較未處理段落下降近30%。凍深范圍內地層經過漿液擴散填充后密實度提高，孔隙比減小，土體性質得到改良，同時漿液在基床表層形成致密層、親水性下降，有效防止表層水分下滲[9]。

（4）某工程K1244+700～K1244+800段路基注漿試驗段處理后，基床及以下土體與漿液結合，形成水泥改良土，基床狀態得到提高。檢測后形成的地質斷面反映，注漿影響深度基本在2.5～3.0 m，大于該地區最大凍結深度2.05 m，達到預期目的。處理后的基床整體狀態良好，密實度及承載力均得到提高，經過2個冬季的運行對路基翻漿冒泥等病害起到了預防作用。

參考文獻

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[3]陳志濤. 接觸網架設施工中吊弦質量控制[J]. 鐵道技術監督， 2019（3）： 28-36.

[4]陳志濤. 凍害區段軟橫跨改軟索式硬橫梁防傾斜研究[J]. 鐵道工程技術與經濟， 2020（5）： 24-29.

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[6] 注漿技術規程： YSJ211-1992[S]. 西安：西安交通出版社， 1993.

[7] 高速鐵路有砟軌道線路維修規則（試行）： TG/GW116—2013[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2013.

[8]陳志濤. 濱洲鐵路接觸網支柱凍害整治專項施工研究[J]. 減速頂與調速技術， 2020（1）： 21-27.

[9]王悅. 呼和浩特鐵路局既有線路基凍害成因分析及整治措施[J]. 中國鐵路， 2017（11）： 62-65.