既有鐵路工程中線路加固及地基處理技術(shù)分析

文／陳俊宏 中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司 廣西南寧 530003

引言：

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)繁榮發(fā)展的背景下，為了配合全國(guó)各地的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、滿足各個(gè)建設(shè)主體的交通運(yùn)輸要求，我國(guó)的交通網(wǎng)絡(luò)逐漸密集，并且朝著高速的方向不斷發(fā)展。在完善交通網(wǎng)絡(luò)的過程中，不可避免要與既有鐵路工程產(chǎn)生交集。面對(duì)這種情況，需要相關(guān)人員盡可能減小對(duì)既有鐵路運(yùn)行的影響下完成施工。因此，研究既有鐵路工程中的線路加固技術(shù)和地基處理技術(shù)就是一項(xiàng)十分重要的工作。

1.工程案例

在城市化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的背景下，為了提高交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力、完善交通網(wǎng)絡(luò)，鐵路、公路之間的交叉越來越多。

某工程位于平原地區(qū)，地層中有著較為豐富的承壓水。在經(jīng)過環(huán)境勘察和水文條件調(diào)查之后，發(fā)現(xiàn)該工程施工區(qū)域內(nèi)的承壓水位低于淺部水位，整體埋深在2.5m～10.5m 之間。另外，地表水是施工區(qū)域內(nèi)淺層承壓水的主要來源和補(bǔ)給途徑。

該工程的道路中心線與鐵路中心線的夾角為39°，施工時(shí)使用了4 個(gè)單孔框架，框架橫向長(zhǎng)度為21.560m。在加固線路時(shí)，主要使用了D 型便梁加固法。

2.線路加固技術(shù)

2.1 吊軌法

吊軌法主要在跨度較小的工程中使用。在施工過程中選擇吊軌束梁時(shí)，通常會(huì)使用P43 以上的鋼軌[1]。吊軌束梁有著不同的組合方式，需要以鐵路工程的荷載能力、線路跨度、鐵路運(yùn)輸要求等具體條件為參考依據(jù)。根據(jù)實(shí)際情況的不同，吊軌法又可以細(xì)分為單層軌束梁和雙層軌束梁兩種不同的方法。單層軌束梁一般會(huì)使用2～9 根軌。當(dāng)軌數(shù)大于4 時(shí)，施工人員要將所有軌放置在同一水平面上，并交錯(cuò)安排軌縫，進(jìn)行固定。雙層軌束梁則需要角鋼和結(jié)合螺栓加筋鋼軌，以提升荷載能力，使最終的施工效果符合預(yù)期，能夠滿足鐵路工程的建設(shè)需求。

該技術(shù)的施工過程比較簡(jiǎn)單，有著較好的加固效果，能夠在很大程度上將工程的施工設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。另外，該技術(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)的控制難度相對(duì)較低。

2.2 吊軌橫梁法

吊軌橫梁法在吊軌梁的下方布置了鋼橫梁，為了增加施工的穩(wěn)定性，施工人員需要布置兩個(gè)受力點(diǎn)。在實(shí)際工程建設(shè)當(dāng)中，吊軌橫抬梁的滑動(dòng)方式有以下三種。

第一，鋼橫梁為工字型時(shí)，施工人員可以先穿入槽鋼，然后拖入工字鋼。此時(shí)，槽鋼可以在框架頂部滑行，并連接橫抬梁和吊軌。在這一過程中，施工人員可以使用U型螺栓，使施工更加便捷。在施工時(shí)，施工人員需要布置膠墊，保障通信信號(hào)的暢通。

第二，施工人員可以安裝鋼滾軸。通常情況下，在使用吊軌橫梁法時(shí)會(huì)將鋼滾軸設(shè)置在橫抬梁和框架橋的頂部。使用該方法時(shí)，施工人員可以利用鋼滾軸改變現(xiàn)有的線路荷載摩擦系數(shù)，使施工過程更加順利。

第三，施工人員可以借助軌道小車的作用，在橫抬梁下方布置軌道小車，實(shí)現(xiàn)吊軌橫抬梁的滑動(dòng)。這種方法在施工過程中受排水坡的影響較小，有著較好的施工效果，因此使用范圍和頻率較高。

2.3 縱橫梁加固法

縱橫梁加固法的應(yīng)用范圍較廣，一般應(yīng)用于大跨度頂進(jìn)框架橋的施工中，有著較好的施工效果。在現(xiàn)階段的鐵路工程地基加固項(xiàng)目中使用縱橫梁加固法，通常會(huì)使用工字鋼和鋼枕，并且縱梁和橫梁的材質(zhì)也有著具體要求。按照線路間距的不同，縱橫梁加固法有單線和雙線兩種施工方法。在面對(duì)曲線和直線線路時(shí)，也有著不同的施工手段和技術(shù)要求。

該方法的施工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨著實(shí)踐活動(dòng)的驗(yàn)證和技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)工藝。該方法可以增加線路間距，對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)的影響較小。該方法在施工過程中有橫抬梁和縱梁兩個(gè)受力主體，能夠充分利用不同結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系分散壓力。另外，該方法不需要使用質(zhì)量較高的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)框架孔徑結(jié)構(gòu)、線路間距、施工長(zhǎng)度等的要求不高，施工難度較低，能夠有效減少附屬工程的施工壓力。

2.4 D 型施工便梁技術(shù)

在施工過程中，D 便梁的安裝方法有以下兩種。

第一，在施工方案的指導(dǎo)下定位一片縱梁，并墊高另一處縱梁。一般情況下，第二片縱梁需要墊高20cm，以便于施工人員在接下來的施工過程中更換枕木。當(dāng)施工人員將縱梁調(diào)整到穩(wěn)固狀態(tài)之后，需要布置牛腿和連接板，抽出枕木，然后設(shè)置橫梁。施工人員要按照施工要求和標(biāo)準(zhǔn)安裝扣件，避免發(fā)生短路[2]。

第二，按照施工方案將各個(gè)位置的橫梁布置完成之后，施工人員要調(diào)整枕木之間的距離，安裝橡膠墊和扣件。連接橫梁和縱梁。在這一過程中，施工人員需要注意連接板和牛腿上的螺栓，必須保證所有螺栓安裝到位，不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。

需要注意的是，施工人員在施工過程中要盡可能避免接觸鋼軌接頭。D 型便梁的使用規(guī)格和參數(shù)都有著明確規(guī)定，施工人員需要遵守相關(guān)的施工規(guī)范和制度要求，不能隨意更改參數(shù)。另外，在施工過程中使用的鋼軌墊板材質(zhì)應(yīng)為氯丁橡膠，并將其厚度維持在20mm 左右。

2.5 其他線路加固方法

第一，當(dāng)工程建設(shè)需要接長(zhǎng)既有涵洞且有著較小的基坑開挖量時(shí)，施工人員可以使用鋼軌樁或鋼管樁保護(hù)既有鐵路線路。使用這一方法時(shí)，需要把控行車速度，以免影響施工建設(shè)的正常進(jìn)行和工程質(zhì)量。施工人員可以在路基坡腳布置直徑為5mm 的鋼管，利用鋼管的支撐作用加固線路。在布置鋼管時(shí)，施工人員應(yīng)該將打入深度控制在二線基坑底以上樁長(zhǎng)的0.6 倍范圍之內(nèi)，并使用錨固樁固定鋼管。

第二，綜合加固法。該技術(shù)手段可以應(yīng)用在車站咽喉區(qū)。這一位置的線路加固工作較為困難，由于軌道和設(shè)備的空間分布較為復(fù)雜，某一種線路加固方法并不能完成整體的加固工作，或是線路加固效果較差。因此，施工人員需要使用綜合加固法，用來保障工程質(zhì)量。施工人員需要全面分析現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，根據(jù)施工條件的好壞和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜程度選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)工藝和手段。該方法能夠有效處理咽喉區(qū)的線路加固工作，但是由于咽喉區(qū)的施工難度較高，因此需要搭配一定的安全輔助措施。

3.線路加固技術(shù)的施工要點(diǎn)

第一，在工程施工開始之前，相關(guān)人員應(yīng)該準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)、曲線地段超高值等工程數(shù)據(jù)，為工程施工提供準(zhǔn)確、科學(xué)、詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，避免因數(shù)據(jù)問題出現(xiàn)失誤和問題，影響整體工程的進(jìn)度和交付使用。

第二，相關(guān)人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工程要求制定科學(xué)、完善的線路加固施工方案，并參照實(shí)際因素不斷調(diào)整和改進(jìn)，使施工設(shè)計(jì)能夠在最大程度上符合線路實(shí)際和建設(shè)要求。

第三，施工人員應(yīng)該做好絕緣處理[3]。這項(xiàng)工作至關(guān)重要，影響著鐵路行車安全。

第四，施工人員需要釋放線路應(yīng)力，并將應(yīng)力放散長(zhǎng)度控制為長(zhǎng)軌條。

第五，在完成線路加固工作并拆除架空加固設(shè)備之后，需要逐漸提高列車的運(yùn)行速度。一般情況下，需要在施工結(jié)束三天后恢復(fù)正常的運(yùn)行速度。

第六，在施工過程中，施工人員需要控制線路結(jié)構(gòu)的位移程度。施工人員可以預(yù)埋鋼軌，并在縱梁和鋼軌之間設(shè)置硬木，阻止軌道的位置變動(dòng)。

第七，施工單位應(yīng)該使用專業(yè)水平較高、加固技術(shù)比較熟練的施工工人。

4.地基處理技術(shù)

4.1 換填法

在地基的強(qiáng)度未能符合鐵路正常運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)和要求時(shí)，可以使用換填法增加地基路面的強(qiáng)度。在施工時(shí)需要去除一部分路面表層，將線路路基一定范圍內(nèi)的為滿足要求的地基軟弱土替換為硬度較高、強(qiáng)度較大、不易塌陷和變形的材料，壓密回填，提高地基路面的承載力和強(qiáng)度。在選擇回填材料時(shí)，除了強(qiáng)度和硬度，還需要考慮回填材料的滲水性，最好選擇滲水性較強(qiáng)的材料。另外，回填材料的具體性質(zhì)和要求還應(yīng)該參考鐵路工程的需求，選擇能夠滿足鐵路運(yùn)行需要的回填材料。

換填法的操作工序較為簡(jiǎn)單，施工人員上手比較容易。但是換填法的技術(shù)缺陷也較為明顯。該方法的適用范圍較窄，只有為滿足鐵路路基要求的地基土層厚較薄時(shí)才能使用換填法處理。如果換填深度較厚，為了保證地基強(qiáng)度，需要添加更多的回填材料，且會(huì)形成危險(xiǎn)性較大的深基坑，將會(huì)提高支護(hù)成本及施工材料的成本投入，進(jìn)而增加整體工程項(xiàng)目的施工成本。

4.2 CFG 樁法、水泥土攪拌樁法

CFG 樁法是在碎石樁的基礎(chǔ)上摻石屑、粉煤灰和水泥，加水拌和制成的具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樁體（現(xiàn)工程項(xiàng)目中，考慮施工便捷性，樁體材料也常使用低強(qiáng)度素混凝土），其與碎石墊層及高強(qiáng)度的土工格柵構(gòu)成柔性樁網(wǎng)復(fù)合地基。

水泥土攪拌樁利用水泥作為固化劑，通過特制的攪拌機(jī)械，在地基深處將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。按施工機(jī)械葉片攪拌的方向不同分為單向水泥土攪拌樁和多向水泥土攪拌樁。處理深度大、地基承載力要求高時(shí)，宜采用多向水泥土攪拌樁。同CFG 樁一致，樁體與褥墊層+土工格柵共同構(gòu)成復(fù)合地基。

碎石褥墊層的設(shè)置使樁間土承載力的發(fā)揮不單純依賴于樁的沉降，而是使路基荷載均布于樁間土上，使樁土共同承擔(dān)載荷。

經(jīng)數(shù)十年的應(yīng)用與發(fā)展，現(xiàn)如今該技術(shù)日漸成熟，其技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在將傳統(tǒng)的“挖樁頭、截樁頭、樁身質(zhì)量檢驗(yàn)、施做樁帽、回填樁間土并密實(shí)”的施工工藝轉(zhuǎn)換為“清理場(chǎng)地、碾壓密實(shí)、控制成樁樁頭高程、樁頭以下2m 深度范圍內(nèi)采用加密振搗（消除樁頭下60cm 混凝土不密實(shí)帶來的隱患）、清理成樁土、樁身質(zhì)量檢驗(yàn)、機(jī)械開挖樁帽土模、澆筑樁帽混凝土”[4]。該技術(shù)進(jìn)步減少了挖、截樁頭的繁雜工序，避免了因截樁頭造成樁體破壞的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了混凝土材料，提升了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 就地固化法

就地固化法是指在施工過程中利用水泥或石灰等其他凝固后能夠提高強(qiáng)度的物質(zhì)作為固化劑，通過攪拌機(jī)械，在地層深處就地將軟土與固化劑充分混合，由固化劑和軟土之間的物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)，從而提高地基的的強(qiáng)度和承載力，減少路面塌陷變形的可能性。混合物質(zhì)的鋪設(shè)可以利用分子反應(yīng)增加地基路面的強(qiáng)度和承載力，減少路面塌陷變形的可能性。

這種地基處理技術(shù)通常會(huì)應(yīng)用在含水量較高、軟土、淤泥土、粘性土等荷載承受能力較低的地基中。由于水泥土材料有著較強(qiáng)的硬度和承載力，所以該地基處理技術(shù)能夠?yàn)榈鼗膹?qiáng)度帶來較大的提升，提高荷載承受能力，減少地基沉降，將地基的整體狀態(tài)維持在較為穩(wěn)定的水平。

4.4 注漿法

注漿法是利用液壓、氣壓或者電化學(xué)原理，把漿液均勻注入地層中，漿液以充填、滲透、固化、擠密等方式，替換土顆粒間或者巖石縫隙間的水分和空氣，漿液固化成固結(jié)體，與原來的地層形成一個(gè)強(qiáng)度、防水以及化學(xué)穩(wěn)定性等性能有所提高的結(jié)石體。除采空區(qū)及巖溶路基加固外，注漿法也常用于鐵路既有路基、涵洞等下沉開裂病害治理。該方法能降低路基的滲透性，提高路基的強(qiáng)度，減少路基的沉降或不均勻沉降，增加路基的化學(xué)穩(wěn)定性。

注漿材料主要為水泥漿，當(dāng)空洞裂隙較大時(shí)，還可摻入適量砂、黏性土、粉煤灰、水玻璃或其他摻合料。注漿法的注漿效果取決于被注介質(zhì)的可注性，同時(shí)也受水文地質(zhì)條件的制約，故工程實(shí)踐中，需根據(jù)工程、水文地質(zhì)條件，明確注漿目的，制定專門的注漿方案呢。由于溶洞、土洞、巖土體裂隙等注漿填充通道具有不規(guī)則性、各向異性等特點(diǎn)，注漿通道的開度、填充程度不統(tǒng)一，在注漿過程中往往會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此施工時(shí)施工人員應(yīng)遵循“探灌結(jié)合”的信息化施工原則，根據(jù)探查和施工揭示的地質(zhì)特征及時(shí)調(diào)整注漿范圍、參數(shù)、工藝。

4.5 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法主要分為真空預(yù)壓法及堆載預(yù)壓法，其技術(shù)原理利用了預(yù)壓荷載作用處理地基，由于該方法的技術(shù)操作較為簡(jiǎn)單，資金投入較少，適用于處理飽和軟土地基，因此，有著較為廣泛的應(yīng)用范圍。使用排水固結(jié)法時(shí)，施工人員需要關(guān)注預(yù)壓材料的具體情況。如果在真空預(yù)壓環(huán)節(jié)未能選擇較為合適的預(yù)壓材料，或是使用數(shù)量過大，真空預(yù)壓工作的效果將會(huì)大大降低，進(jìn)而導(dǎo)致地基的固結(jié)速度放緩，延誤工程的交付期限。

通過工程項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)的證明和驗(yàn)證，排水固結(jié)法有著一定的技術(shù)缺陷，第一，該方法只能起到加速固結(jié)和沉降的作用。如果工程對(duì)固結(jié)和沉降速度沒有過高的要求，那么排水固結(jié)法的應(yīng)用意義和效果將大大縮小。第二，排水固結(jié)法的處理深度有限，當(dāng)?shù)鼗幚砩疃冗^深時(shí)，排水固結(jié)法產(chǎn)生的孔壓將會(huì)有著較大的消散難度，為后續(xù)的工程施工和收尾工作帶來一定的麻煩。第三，由于該方法沉降大、沉降穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)且質(zhì)量不易控制，常用于大面積場(chǎng)坪工程，不適用于正線及到發(fā)線工程的地基處理。

4.6 雙側(cè)擠壓法

雙側(cè)擠壓法的應(yīng)用場(chǎng)景為鐵路并行既有鐵路時(shí)的軟土地基處理。在鐵路并行時(shí)，軟土地基的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加容易塌陷和變形[5]。為了解決這一問題，保障鐵路的正常運(yùn)行，施工人員可以在鐵路兩側(cè)布置防護(hù)欄，分擔(dān)軟土地基承受的一部分壓力，一旦遭遇強(qiáng)壓，防護(hù)欄對(duì)緩解地面塌陷的程度起到一定作用。為了保證工程質(zhì)量和防護(hù)欄強(qiáng)度，通常會(huì)建設(shè)實(shí)心的防護(hù)欄。一般情況下，防護(hù)欄的高度數(shù)值需要根據(jù)軟體地基的具體情況判斷，通常為軟土地面填充的一半。

除此之外，施工人員也可以在軟土地基中設(shè)置加強(qiáng)筋，在橫向上分散軟土地基的承重載荷和路面壓力。這種方法在增加軟土地基強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還起到了加強(qiáng)路面穩(wěn)定性的作用，降低了路面變形、開裂和塌陷的概率，也在一定程度上便利了路面的排水。

5.地基處理技術(shù)的施工要點(diǎn)

第一，既有鐵路地基的類型多種多樣，所在區(qū)域的地理環(huán)境和氣候條件也不盡相同，不同施工單位的綜合實(shí)力同樣存在差異，因此，在選擇地基處理技術(shù)時(shí)，應(yīng)該全面考慮施工成本、技術(shù)要求、工程需要、施工單位現(xiàn)有資源、既有鐵路具體情況和施工區(qū)域的客觀環(huán)境，將所有因素綜合起來，挑選合適的地基處理技術(shù)。

第二，施工單位需要制定科學(xué)、全面的施工制度，明確劃分各個(gè)部門、崗位和人員的權(quán)責(zé)范圍和工作內(nèi)容，將施工建設(shè)的各項(xiàng)工作內(nèi)容和任務(wù)分?jǐn)偟綄?duì)應(yīng)到的部門、崗位和人員上[6]。

第三，施工單位需要加強(qiáng)質(zhì)量安全管理。在這方面，施工單位可以加大宣傳力度，向施工人員灌輸工程質(zhì)量安全的重要性和必要性，通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)的方式在施工人員的心目中樹立安全意識(shí)和責(zé)任意識(shí)，使施工人員在工作過程中注意每一項(xiàng)工作的質(zhì)量，嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)的工作標(biāo)準(zhǔn)和要求完成施工任務(wù)。

第四，施工單位應(yīng)該完善監(jiān)督管理體系。為了確保施工方案能夠得到落實(shí)，施工單位需要組織專門的監(jiān)督管理領(lǐng)導(dǎo)小組，監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)的施工情況。當(dāng)監(jiān)督小組在工程施工中發(fā)現(xiàn)了施工問題或落實(shí)不到位的情況，需要立刻向相關(guān)發(fā)出整改通知，并持續(xù)跟進(jìn)該責(zé)任主體的改進(jìn)行為，直至問題得到解決。

第五，施工單位需要為項(xiàng)目施工提供充分的機(jī)械設(shè)備。先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備不僅可以提高施工效果、縮短施工時(shí)間，還可以節(jié)省人力物力。施工單位應(yīng)該根據(jù)工程建設(shè)要求、施工工藝所需的設(shè)備類型和現(xiàn)階段可以用于購(gòu)置設(shè)備的資金數(shù)量采購(gòu)設(shè)備。

結(jié)語：

在既有鐵路工程中加固線路，可以使用吊軌法、吊軌橫梁法、縱橫梁加固法、D 型施工便梁技術(shù)、其他線路加固方法等多種技術(shù)。在地基處理時(shí)，則可以使用換填法、CFG 樁法、水泥土攪拌樁法、就地固化法、注漿法、排水固結(jié)法、雙側(cè)擠壓法等。需要注意的是，不同方法的技術(shù)條件和適用范圍不同，在應(yīng)用時(shí)需要施工人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理安排。