既有鐵路路基下沉加固施工技術研究

沈仕杰 SHEN Shi-jie

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司烏魯木齊分院，烏魯木齊 830000）

0 引言

鐵路是供火車等交通工具行駛的軌道。近幾年，我國鐵路建設里程不斷增加，既有鐵路連接了上游項目開發、設備制造與中游運輸服務、下游維修檢查養護等環節。既有鐵路的運營安全穩定性關乎整個鐵路行業的發展。而既有鐵路路基下沉問題的出現，導致鐵路整體運行安全性能下降，制約了鐵路行業發展。因此，研究既有鐵路路基下沉加固施工技術具有非常重要的意義。

1 既有鐵路路基下沉加固施工項目

既有鐵路位于我國西北部，走向為自南向北，線路全長369.521km。因路基土地基密實度較小，既有鐵路路基在自重、荷載重、水與振動的作用下出現大面積豎向變形，且沉降速度較快，線路整體平順度下降，影響了列車安全行駛。病害路段為K898+235~898+585，處于西北部邊緣剝蝕丘陵區，沿線地貌為丘陵，地形起伏較小，西北部高、東南部低，海拔高程650m~745m，植被較發育。工程周邊地層為1.8m厚軟塑粉質黏土和硬塑粉質黏土，填高為5.7m。

病害路段所屬氣候區為中溫帶干旱氣候區，內陸型氣候特征突出，降雨時期集中，年降雨量達89.5mm，蒸發量較大，平均蒸發量為2152.2mm，晝夜溫差較大，夏季酷熱多雨，冬季嚴寒干燥，年平均風速可達21.2m/s。區域年均溫為6.8℃，最熱月平均氣溫為32.5℃，最冷月平均氣溫為-18.3℃。

病害路段通過大地構造單元為隱伏斷裂（第四系地層覆蓋），存在顯著的剝蝕與下切作用，第四系孔隙潛水連續分布于病害路段，呈條帶狀分布于大型溝床內，地下水位埋深為0.8m~4.5m，水質較差，對混凝土具有硫酸鹽中等侵蝕作用。

2 既有鐵路路基下沉加固施工難點

2.1 天窗時間短

既有鐵路線路天窗時間較短，為1.5h/天，傳統先基于K30平板載荷試驗計算地基承載力、后回填搗固道碴的方法實施難度較大。

2.2 道床厚度大

既有鐵路線路經過若干次大機拋床，道床厚度超出1.1m。加之前段對既有鐵路路基加固處理不當，導致線路兩側基床頂面存在堅硬注漿體，而道心下則為未注漿的白泥，整體道床厚度處于較高的水平。

2.3 排水不暢

既有鐵路線路基床頂面標高顯著低于線路側溝溝底標高，側溝溝底積水排出難度較大，大量淤積的水體可反向灌輸至基床。同時在道床一定深度位置側溝出現泥漿滲出現象，導致既有鐵路線路兩側排水溝被基床冒漿堵塞，基床溝清理周期顯著縮短。

3 既有鐵路路基下沉加固施工技術流程

3.1 路基下沉檢測

根據既有鐵路線路天窗時間短的特點，結合《鐵路工程地質勘察規范》（TB10012），利用基于動力觸探儀的原位測試法代替基于K30平板載荷試驗法，縮短路基下沉檢測時長。基于動力觸探儀的原位測試法主要利用觸探桿（長1000mm~1500mm、直徑25mm金屬管）、探頭、穿心錘（10kg）組成的儀器。在測試前，利用機械開挖裝置開挖既有鐵路道床，在開挖過程中描述既有鐵路道床、基床填層情況（含厚度、狀態）。開挖到基床頂面后，由頂面連續觸探基床土層，觸探參數見表1。

根據表1參數，自由下落穿心錘，促使探頭與既有鐵路路基層成90°，連續貫入錘擊。同時記錄每打入土層30cm時的錘擊數，在這一數值超過100（或者貫入15cm的錘擊數超過50）的情況下，停止觸探，得出結果見表2。

表1 既有鐵路路基下沉觸探參數

表2 既有鐵路路基下沉觸探結果（局部）

根據觸探結果，得出既有鐵路下行線右軌下方沉降較大，水平超限問題頻發。同時根據道床開挖出露情況，可確定既有鐵路路基下部土質向上部道床侵入是基床頂面土質松散、含水量增加、承載力下降的主要原因。主要表現為：既有鐵路基床地質成分為白泥土，由蒙脫石組成，富含鈣質，吸水性、膨脹性較強，極易與水摻和形成黏結型物質，甚至與道床砂墊層、道碴膠結，造成路基沉陷。

3.2 路基加固方案設計

根據觸探結果中顯示的既有鐵路下行線右軌下方沉降情況，結合《建筑地基處理技術設計規范》（JGJ79）的相關要求，設計斜向高壓旋噴技術+路基邊坡加固方案。

3.2.1 斜向高壓旋噴技術方案

第一步，根據斜向高壓旋噴技術應用要求，準備3臺高壓旋噴鉆XP-20，3個高壓注漿泵XPB-90D（含直徑2.5mm尖錐形高壓泵噴嘴），4臺20kW發電機和1000L自漿桶、直徑50mm的特種螺紋連接鉆桿（長160cm~170cm）[2]。

第二步，綜合考慮既有鐵路下沉病害路段路基水文地質條件、土層結構、列車荷載條件等因素，以列車安全運營為前提，設定斜向高壓鉆頭入射角度大于等于10°但小于15°，斜向高壓旋噴用漿液水灰比為1:1，水泥土強度大于等于1.2MPa，水泥漿初凝時間小于等于20h，在20MPa的壓力下注漿，注漿量與噴射長度、單位時間噴漿量、損失系數、提升速度具有較大關系。在依據15cm/min的速度提升鉆桿，鉆頭旋轉速度為10r/min，送風壓力為0.7MPa時，注漿量計算如下：

式（1）中，Q為注漿量，m3；H為噴射長度，m；v為提升速度，15cm/min；q為單位時間噴漿量，m3/min；β為損失系數，0.1~0.2。

第三步，根據既有鐵路路基下沉病害路段路基病害產生的原因，結合路基小范圍土體浸水軟弱病害特殊表現，選擇“咬合”形布樁形式，樁間距為2倍樁徑~3倍樁徑，樁排距為200cm，均衡豎向應力分布，滿足鐵路路基加固需求，確保路基內多數土體均可承擔上部荷載[3]。

第四步，在注漿參數確定后，依據圖1所示操作流程，重復噴射漿液，防控路基隆起、鉆孔坍塌或堵塞問題出現，最終獲得橫斷面基本呈圓形，樁體縱向分布基本均勻，無縱向發育裂紋且樁頂無空腔的樁體。

圖1 斜向高壓旋噴技術流程

如圖1所示，斜向高壓旋噴技術主要包括鉆機打孔、高壓旋噴加固兩個階段，前者需要確保鉆孔深度與預先設定標準相符，后者需要以噴射漿液質量、最大粒徑順利流出噴嘴為前提，依據20MPa及以上的壓力，向鉆設孔位內噴射漿液，同時邊旋轉鉆桿邊向上提升，確保高壓噴射流完全切削周邊土體并混合，獲得固結狀態良好的圓柱體。

3.2.2 路基邊坡加固

因既有鐵路路基橫斷面為梯形，白水泥固結體較為堅硬，在擠壓作用下，路基邊坡與“咬合”形樁相交位置少量土體極易被擠出，基于此，需對既有鐵路路基邊坡進行進一步加固。既有鐵路路基邊坡加固方法為機械密實搗固+種灌木方法。

根據排水不暢致既有鐵路路基土軟化變形現象，結合線路兩旁標高與基床標高差異，取消原有線路邊坡兩側圍墻，進行底標高低于既有鐵路下沉病害路段路基頂面標高的邊溝設置，或者在原有線路兩側圍墻墻腳設置數量充足的排水孔，確保地表水順利排出。同時利用清篩方法處理污染嚴重、泥碴混結的道碴，移除泥漿混結體，避免泥漿填堵側溝。清篩后，先后鋪設15cm砂墊層、土工布、15cm砂墊層、潔凈碎石道碴。在潔凈碎石道碴鋪設后，均勻密實搗固，確保土質在固體狀態下物理力學性質穩定，提高路基基床強度。

在種灌木方法應用過程中，技術人員應綜合考慮既有鐵路下沉病害路段路基邊坡周邊氣候環境、土壤環境，結合路基邊坡植物防護需求，選擇適宜的灌木。因既有鐵路下沉病害路段路基邊坡為丘陵區，沿線自然植被較發育，且路基填料抗沖刷能力較差，可以選擇沙棘、紅柳、穗槐、檸條等苗木。其中沙棘苗木高度應大于等于50cm，地徑應大于等于0.30cm，根系長應大于等于15cm；而紅柳苗木高度應大于等于25cm，地徑應大于等于0.20cm，根系長應大于等于15cm；穗槐苗木高度應大于等于30cm，地徑應大于等于0.25cm，根系長應大于等于25cm；檸條苗木高度應大于等于30cm，地徑應大于等于0.25cm，根系長應大于等于25cm。一般可以在種植沙棘、檸條路段邊坡頂部栽植穗槐，沙棘、檸條、穗槐的栽植時間均為10月~11月，栽植前截桿留茬10cm~15cm，保留有效根系15cm~20cm，并利用50mg/L的ABT生根粉溶液進行處理。栽植布置形式均為“品”字形，相鄰植株之間距離為0.3m，相鄰行之間距離為0.4m，每個樹穴栽植2株。

4 既有鐵路路基下沉加固施工技術要點

4.1 鉆孔要點

在既有鐵路下沉病害路段路基鉆孔時，需要以列車穩定運行為前提，落實天窗時間內快速施工原則，結合高壓旋噴加固初期強度小、集中加固段在連續噴射下較為軟弱的特點，利用間隔鉆孔法代替連續鉆孔法，間隔孔位為3孔~4孔。在確定鉆孔方法后，技術人員應在正式操作前期檢查樁位布置準確性，確認無誤后，利用紅色油漆標注每一排、每一個高壓旋噴樁位置，并固定木樁編號。同時對壓力表的靈敏度、精度進行核查，確認現有測量儀表與既有鐵路路基下沉病害路段鉆孔壓力測試要求相符。

確認樁位后，利用鋼制腳手架，搭設200cm高旋噴鉆機作業排架，排架立桿間距、排距分別為100cm、110cm。作業面滿鋪60mm鋼模板，并在外圍增設120cm高安全防護欄。沿著與坡面成90°方向，將170cm~200cm鋼管樁打入排架節點位置，利用鎖扣緊固鋼管樁、排架，增設支撐柱。

作業排架搭設完畢后，利用汽車吊安置鉆機，調整鉆機平整度，促使鉆桿、導向架與水平方向均成15°，調整后固定[5]。進而依據0.5MPa的低壓，進行射水操作。確認管路、壓力設備、噴嘴均無異常后，調高射水壓力到設計值，鉆設第一根鉆桿，停止射水進行第二根鉆桿接長，循環鉆進至設計深度。在鉆孔期間，技術人員應時刻檢查鉆桿角度、鉆孔定位以及鉆機轉速、鉆進速度，及時記錄數據，與設計參數對比，確定施工期間鉆孔參數偏差在規定限度內。

4.2 高壓旋噴要點

在既有鐵路下沉病害路段路基高壓旋噴加固前，技術人員應查看水泥、外加劑的質量合格證以及拌和用水的質量鑒定結果[6]。確認無誤后，根據設計要求將適量水、水泥、外加劑加入攪拌桶內，攪拌5min以內，經過0.8mm孔徑篩網過濾后倒入注漿桶。同時檢查高壓旋噴注漿機械設備是否存在異常，對高壓旋噴注漿機械設備進行試機運行，確保旋噴系統功能正常。

在漿液配置完畢且高壓旋噴制漿機功能無誤后，接通高壓泵管路并加壓，進行工藝試噴作業，驗證高壓旋噴加固工藝在既有鐵路下沉病害路段路基中的應用可行性，提前調整噴漿壓力、注漿量、注漿速度、漿液配比等高壓噴射參數。在既有鐵路下沉病害路段路基高壓旋噴加固時，根據注漿壓力與水泥土加固體直徑等加固效果之間的緊密關系，優選較大的注漿壓力。為避免注漿壓力過大引發高孔壓下路基隆起病害，配置適宜的止漿器。

高壓旋噴順序是由底層到頂層，在第一根鉆桿退出路基坡面后停止壓漿并將鉆桿快速拆除，拆除后恢復壓漿繼續旋噴，達到孔口位置時繼續旋噴5圈以上、8圈以內，停止作業。作業停止后，利用清水將泵體、鉆桿、管道內殘留漿液沖凈，并將泵體出入口球閥、漿液混合器、活塞腔拆除后清洗保養。

4.3 嚴密觀測沉降

在既有鐵路下沉病害路基路段加固作業開展期間，應以列車安全運行為前提，嚴密觀測下沉病害路段路基加固期間沉降變形量，根據沉降變形監測數據進行施工工藝、進度的及時調整，確保既有鐵路下沉病害路段路基加固效果。同時利用經緯儀、尺量、試驗檢測方法，進行施工參數檢查，控制鉆孔垂直度、位置、深度偏差分別小于等于1.5%、50mm、±200mm，樁體直徑、中心偏差（開挖樁頂下500mm位置）分別小于等于50mm、0.2倍設計樁徑。

如表3所示，既有鐵路下沉病害路段路基加固期間沉降值處于較低水平，地基承載力可以承受荷載壓力，達到規范對既有鐵路路基地基承載力的要求。

表3 既有鐵路下沉病害路段路基加固期間沉降值

此外，在成樁后7天，技術人員應選擇2%~5%高壓旋噴注漿孔數，利用常規樁中心線取芯質量檢查方法，進行固結體均勻性、整體性與有效直徑、固結體抗滲性與強度的觀測。對于質量不合格的孔位進行補噴。

5 總結

綜上所述，鐵路路基是列車、軌道荷載的承受者，對線路安全性、行車穩定性均具有較大的影響。鐵路路基下沉是由路基強度低、填筑密度小等因素誘發的病害，易導致鐵路填方路基斷面尺寸的異常變化。而加固是既有鐵路路基下沉問題的首要措施。當前既有鐵路路基下沉加固施工難點為道床厚度大、排水不暢、天窗時間短等。加固施工技術人員應選擇兼具有效性、時效性的方案，如斜向高壓旋噴注漿技術方案，合理設計注漿壓力、鉆頭提升速度、水灰比與鉆桿傾斜角度等參數，解決路基填料不良問題，提高路基壓實度，滿足既有鐵路路基安全平順運行要求。