提速條件下蘭新鐵路烏奎段路基沉降整治技術

賈海鋒 程佳 趙相卿 王興

1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730099；2.青海省凍土與環境工程重點實驗室，青海 格爾木 816099

蘭新鐵路烏魯木齊至奎屯段最早為單線鐵路，2009 年增建為二線工程并進行了幾次提速，運行速度由原來的80 km/h 增加到2016 年的140 km/h（烏西—石河子段）和160 km/h（石河子—奎屯段）［1］。提速運營過程中維修養護單位發現該段線路路基凍害和沉降病害發展迅速，對路基結構穩定性產生嚴重影響，進而影響行車安全，需開展相關病害研究。

對于西北地區的路基病害研究，主要集中在兩個方面：①蘭新高速鐵路區段，該段凍害主要發生在門源至浩門、浩門—大梁區等區間，病害地段多為低矮路堤、零斷面換填路基及淺路塹、涵路過渡段。主要開展了路基填料凍脹性研究，措施以道面封閉和排水、保溫為主［2-7］。②蘭新鐵路蘭州局管段，病害主要發生在大青陽口—尖山區間，提出的措施主要包括道床清篩、土工膜封閉、排水疏干、軟式透水管等［8-13］。

對蘭新鐵路烏奎段路基病害問題，主要集中在路基換填和凍害防治方面［1，14-16］，對路基沉降病害整治研究尚不全面。本文結合蘭新鐵路西段路基改造工程，通過室內試驗和現場試驗工程，對蘭新線烏奎段路基沉降病害的分布特征、形成原因、整治措施進行系統研究，提出了符合實際情況的合理整治技術。

1 沉降病害分布特征及等級劃分

1.1 沉降病害分布特征

路基沉降病害統計數據見表1。可知，路基沉降病害主要分布于K2164+850—K2168+500 區間，分布段落共11 段，總長度為1 370 m，最小沉降為40 mm，最大沉降為150 mm。

表1 蘭新鐵路烏奎段路基沉降病害統計

將病害數量和分布長度按不同路基高度進行統計。沉降病害主要發生在路基高度1.5 m 以上，共有9 處，長度1 020 m；路基高度1.5 m 以下僅有2 處，長度350 m。

將病害數量和分布長度按不同路基結構形式進行統計。沉降病害主要發生在路涵過渡段，共有6處，分布長度770 m。

1.2 沉降病害等級劃分

鐵總工電〔2019〕34 號《普速鐵路線路修理規則》對需要維修的沉降變形規定為3～5 mm，而蘭新鐵路烏奎段沿線沉降病害變形在40～150 mm，遠大于規范規定數值。因此，需要對沉降病害等級進行重新劃分。

鐵運〔2006〕146號《鐵路線路修理規則》第4.13.4條，對凍害墊板作業有以下規定：

對于混凝土枕線路病害地段，變形小于15 mm 時可用調高墊板整修；變形15 mm 以上時需采用專用扣件；變形25 mm 以上時，需用中型、大型或通長墊板。對于木枕線路病害地段，變形小于15 mm 地段，可調節順墊板整修；大于15 mm 時需采用小型或中型墊板；大于30 mm以上時，需更換安全道釘。

因此，根據路基沉降提出病害等級劃分，見表2。以此劃分標準結合調查數據分析，蘭新鐵路烏奎段11處路基沉降病害均屬于嚴重沉降，對線路運營安全影響極大。

表2 基于行車安全評價條件下的路基沉降病害等級劃分 mm

2 沉降病害原因分析

2.1 病害地段路基密實情況

1）承載力特征

為研究病害路段路基土體的承載力，選取2 處病害路段和1 處非病害路段進行靜探試驗，結果見表3，以對承載力進行驗算。可知，相對非病害路段，病害路段的路基填料承載力相對較低，可能存在路基填料壓實度不夠的問題。

表3 不同位置路基承載力特征值

2）壓實度特征

根據靜探試驗結果，現場選取了19處路基填料進行壓實度分析，試驗結果見表4。可知，上行路基壓實系數不足0.9 的占50%，下行路基壓實系數不足0.9的占100%，最低甚至只有0.78，可見大部分病害路段存在路基壓實度不足問題。壓實度不足加上鐵路提速帶來的動荷載作用引起路基沉降［17］。

表4 不同位置路基平均壓實系數統計

3）地基系數K30指標

選取病害路段試驗采用K30平板荷載試驗儀分A、B 組工況進行了試驗。A 組試驗工況為對道心處路基表面進行試驗，B 組試驗工況為對軌道處路基表面進行試驗。A、B工況下病害路基K30分別為47、76 MPa。

根據試驗結果，無論是道心處路基表面，還是軌道處路基表面，其地基系數均小于90 MPa/m，不滿足TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》要求。

2.2 病害地段路基、地基土體性質

取病害地段路基、地基土體進行顆粒成分分析。下行線路基、上行線路基底部及地基主要為低液限粉土、粉質黏土，屬于C 類填料，塑限為13.4%～17.6%；上行線路基基床表層為砂礫土，屬于級配不良的B 類填料。

通過對病害地段路基、地基土體進行天然含水率測試（表5），分析地基及路基不同位置和深度土體含水率，從而確定路基沉降與土體含水率的關系。

表5 不同位置土體含水率

由表5 可知：①路基和地基中的砂礫土含水率均比較低，最高為7.2%，較為干燥。②路基填料中的粉土、粉質黏土含水率較高，最大可達21.0%，大部分均大于15.0%，達到了塑限范圍。高含水率會導致路基土體承載力下降，進而產生沉降。同時，由于地處季節凍土區，高含水率土體在反復凍融作用下會產生更大沉降。③地基土體中的粉土、粉質黏土含水率整體偏低，約為10.0%，最高達到17.7%，說明局部地段地勢低洼，產生了匯水現象，使得地基粉土、粉質黏土含水率高，也會引起路基沉降。

3 沉降病害整治措施

根據現場情況，選擇沉降病害嚴重的K2168+240—K2168+420 段為整治試驗段。主要整治措施包括側限框架、錨定加筋、注漿加固、旋噴樁和水平鋼管樁，不同措施又考慮了不同的間距。整治措施于2016年底實施，隨后進行了3 年的變形監測。具體整治措施、效果及造價見表6，以10 m 為單位，進行整治措施經濟性（投資概算）對比。

表6 路基沉降病害試驗段整治措施、效果及造價

由表6 可知：①與未設置措施前的2016 年路基沉降相比，監測期內各項措施下沉降明顯降低，均降至12 mm 以下，將各措施按沉降病害治理效果排序，依次為旋噴樁＞水平鋼管樁＞注漿加固＞錨定加筋＞側限框架，其中水平鋼管樁和注漿加固略有差異，側限框架效果最差。由于試驗段處于季節凍土區，雖然各工程措施對路基本體進行了擠密、置換等改良，但是仍有一定的凍脹量存在。②側限框架間距100 cm概算價最高，投資概算為28.6萬元/10 m。錨定加筋間距（雙排）80 cm 最為經濟，投資概算為4.9萬元/10 m。

4 結論

1）蘭新鐵路烏奎段病害主要分布于K2164+850—K2168+500區間，總長1 370 m，最大沉降150 mm，從路基高度來看，病害主要分布在路基高度大于1.5 m的地段；從結構形式來看，主要分布于路涵過渡段，其次是路橋過渡段和高路堤地段。

2）基于行車安全評價條件，將沉降病害分為不沉降、沉降、較嚴重沉降、嚴重沉降四類，蘭新鐵路烏奎段沉降病害均屬于嚴重沉降，對線路運營安全影響極大。

3）蘭新鐵路烏奎段沉降病害地段路基承載力低、地基系數偏低、壓實度不足，路基填料中的粉土、粉質黏土含水率高（高于塑限），加上火車提速動荷載增加，這些因素共同導致了路基沉降的產生。

4）根據現場試驗整治效果和經濟性分析，在路基沉降病害整治中，宜采用注漿加固和旋噴樁等措施，不推薦采用側限框架。