鐵路路基下方泉眼處治方案與案例

李奕達，馮力馳，孫 曉，鐘亞偉，李隆云

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

0 引言

國內(nèi)鐵路多以路基形式設(shè)計,路基病害多發(fā)生于地表水浸泡和地下水侵蝕[1],在多雨富水區(qū)域,特別是西南山區(qū),車站路基下方偶有出水泉眼,正確處治出水泉眼對保證路基安全穩(wěn)定性具有重要作用。

1 常見處治方案存在的問題

根據(jù)現(xiàn)有文獻資料,泉眼處治方案主要應(yīng)用于高速公路或國省道路路基下方,公路路基泉眼處治主要采用路基邊坡坡腳處開挖降水溝,換填粗顆粒填料增加路基下部排水性能,路基下方設(shè)置盲溝等方案,這些處治方案在公路建設(shè)領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)性和操作性。

但由于高速公路和國省道路設(shè)計年限最高為20 a～30 a,路基工后沉降要求一般路段小于30 cm;而鐵路設(shè)計年限為100 a,路基工后沉降要求客貨共線鐵路一般小于15 cm,無砟高速鐵路小于1.5 cm,上述公路建設(shè)泉眼處治方案應(yīng)用在鐵路建設(shè)領(lǐng)域則存在一定的不足和缺陷。其一,路基坡腳開挖降水溝無法保證地下水能完全匯入降水溝內(nèi),當(dāng)?shù)叵滤惠^深,該方案實際效果不明顯,泉眼位置仍有泉水外溢[2];其二,換填粗顆粒土石可以一定程度增強路基基底排水性能,但是泉水會以散排的形式緩慢排水,路基基底長期處于浸泡狀態(tài)將造成換填粗顆粒石料軟化和天然地基基本承載力降低[3];其三,盲溝作為常見的輔助排水措施,可以解決少量的地下水引排問題,但若將盲溝作為主要排水措施,一旦盲溝反濾層破損,淤泥石子堵塞軟管孔洞,盲溝排水效用將明顯降低或失效,存在較大的失效風(fēng)險[4-5]。綜上分析,鑒于鐵路工后沉降和設(shè)計年限要求遠高于公路,需要采用一種新的泉眼處治方案,將泉水集中、快速、安全地引排出路基。

2 鐵路路基泉眼處治方案比選

2.1 涵洞引排泉眼方案(方案1)

鐵路排洪涵洞常用于將路基一側(cè)匯集地表水引排至另一側(cè),考慮施工和檢修維護的便捷性,一般鐵路排洪涵洞寬度尺寸不小于2 m,高度尺寸不小于2.5 m,現(xiàn)階段各鐵路設(shè)計單位均形成標(biāo)準(zhǔn)參考圖并用于工程設(shè)計中。本方案以2 m寬標(biāo)準(zhǔn)涵洞圖為設(shè)計基礎(chǔ),將涵洞起點設(shè)置在泉眼集中出水處,在涵洞底板處開口引排泉水,開口尺寸為1.5 m×2.0 m,開口內(nèi)可換填粗砂石;同時在涵洞起點端采用0.7 m厚鋼筋混凝土板封堵,防止路基填料侵入涵洞內(nèi),如圖1所示。

2.2 集水井及圓管涵組合方案(方案2)

方案2采用集水井和圓管涵組合形式引排泉水。

首先,在泉眼處設(shè)置1處集水井,該集水井由3個L型懸臂式擋土墻組成,呈井字形布置,頂部采用鋼筋混凝土板上蓋,L型懸臂式擋土墻之間并與上蓋頂板之間拼接處采用預(yù)留φ12鋼筋接頭連接,一并澆筑而成,集水井內(nèi)采用粗砂石換填,避免大量泥漿翻帽,減少后期清掏,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

其次,在集水井缺口一側(cè)處設(shè)置圓管涵1座,圓管涵內(nèi)徑尺寸與路基填筑高度相匹配,為方便運營期人員進入檢修維護,建議不小于1.5 m內(nèi)徑尺寸。圓管涵進口處與集水井采用包管植筋處理并設(shè)置伸縮縫,圓管涵出口處銜接鐵路路基坡腳排水溝引排泉水,如圖3,圖4所示。

最后,為進一步確保外溢泉水不浸泡鐵路路基,應(yīng)在泉眼周邊路基基底換填滲水土填料,制作滲水土填料的母巖飽和單軸抗壓強度大于20 MPa,軟化系數(shù)大于0.75,滲水土填料壓實后應(yīng)符合細(xì)粒土(粒徑小于0.075 mm為細(xì)粒土,或母巖飽和單軸抗壓強度小于20 MPa的粗粒和巨粒為細(xì)粒土)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于10%,滲透系數(shù)大于1×10-5m/s。同時,在滲水土中埋設(shè)橫向盲溝,盲溝采用φ300 mm HDPE帶孔雙壁波紋管,底板由素混凝土澆筑而成,側(cè)壁和頂部由透水無紡布袋裝砂礫石壘成,內(nèi)部填充潔凈碎石并由透水無紡?fù)凉げ及?如圖5所示。

2.3 方案比選

方案1和方案2均具備可實施性,兩方案優(yōu)缺點梳理歸納如表1所示。

表1 方案優(yōu)缺點對比表

方案1雖然設(shè)計簡便且結(jié)構(gòu)形式少,但對路基填筑高度有較高要求,當(dāng)路基填筑高度較低時,受限于涵洞高度限制,涵洞將下挖埋設(shè),其出水口標(biāo)高將低于路基坡腳排水溝標(biāo)高,存在排水困難的問題;涵洞需現(xiàn)澆施工,增大了質(zhì)量管控難度;工程投資較大。

方案2設(shè)計構(gòu)筑物較多,但圓管涵和盲溝等工程可預(yù)制或采購,降低了施工難度和質(zhì)量管控難度,同時可大幅減少施工時間;對路基高度的適應(yīng)性較好,當(dāng)路基填筑較低時,可采取降低集水井和圓管涵尺寸,避免圓管涵出水口標(biāo)高低于路基排水溝;在同等引排長度下,方案2工程投資僅為方案1的62%,方案2可大幅降低工程投資。

綜上所述,考慮工程投資、施工周期和質(zhì)量管控因素,泉眼整治方案推薦采用方案2。

3 工程實例

西南山區(qū)鐵路車站采用路基形式,原地貌地表上存在村落,拆遷完畢進行清表處理時發(fā)現(xiàn)泉眼1處,泉眼位于鐵路到發(fā)線和站臺填筑體下方,距軌面埋深約13.7 m,到發(fā)線和站臺路堤壓實度K≥0.9,地基系數(shù)K30≥130 MPa/m。泉水從下方上冒,現(xiàn)場估算冬季流量為0.2 L/s,急需對泉眼進行整治,避免造成路基基底浸泡。泉眼位置如圖6,圖7所示。

1)集水井。采用3個L型懸臂式擋土墻組成并上蓋頂板,一體式現(xiàn)澆而成,井內(nèi)換填0.3 m洗凈碎石,防止翻漿冒泥。L型懸臂式擋土墻為鋼筋混凝土,墻厚0.7 m,墻高1.6 m,底板厚0.4 m、長3.14 m;上蓋頂板尺寸為3.5 m×3.2 m,厚0.58 m。懸臂式擋土墻回填地面以上0.2 m、墻頂以下0.6 m各設(shè)置1排泄水孔,之間垂直距離每隔2 m設(shè)置一排泄水孔,交錯布置,泄水孔直徑φ5 cm,坡度不應(yīng)小于4%,泄水孔設(shè)置時不應(yīng)使其旁邊的鋼筋外露,PVC管要求在預(yù)埋前將進水口切成斜面并打磨光滑(斜角40°),并對伸入墻后20 cm長范圍PVC管進水口處包裹一層透水土工布。懸臂式擋土墻墻背設(shè)置0.3 m厚袋裝砂礫(卵)石反濾層,上、下均設(shè)置與墻身同等級混凝土隔水層,懸臂式擋土墻基底設(shè)0.1 m厚C25混凝土墊層。

2)圓管涵。考慮人員檢修維護便捷,圓管涵內(nèi)直徑采用2 m,涵節(jié)長建議為3 m;涵頂最大填土高度為8.3 m,經(jīng)檢算涵管壁厚采用29 cm厚;為避免圓管涵不均勻沉降和受力破損,涵底基礎(chǔ)設(shè)置0.5 m厚、2.9 m寬、與圓管涵等長的混凝土基礎(chǔ)墊層支撐;圓管涵長度根據(jù)預(yù)制工藝工法確定,拼接圓管涵時需在涵節(jié)間沉降縫處設(shè)置橡膠止水帶,止水帶采用背貼式,膨脹螺栓和鋼板條固定與涵節(jié)端部外緣呈環(huán)形布置。此外,圓管涵入口端接集水井出口,涵洞端部與集水井間設(shè)置3 cm的沉降縫;圓管涵出口端設(shè)置八字墻,后接引排溝槽至路基坡腳邊溝。

3)輔助排水措施。通過集水井和圓管涵可將絕大部分泉水排出,為防止少量外滲泉水滲透浸泡路基,需在泉眼周邊20 m范圍內(nèi)換填0.5 m厚的滲水土,滲水土內(nèi)均勻布置2條垂直鐵路線路的滲水盲溝,盲溝排水坡度不小于2%,加強路基基底排水性能。

施工現(xiàn)場如圖8所示。

4 結(jié)論

采用方案2的措施對西南山區(qū)鐵路車站基底發(fā)現(xiàn)的泉眼進行整治,整治后泉水正常從圓管涵內(nèi)排出,引排流量與原始流量基本一致,且工程造價費用僅24.1萬元,驗證了本泉眼整治措施具有可實施性和工程節(jié)約性,鐵路車站路基工程安全質(zhì)量得到進一步提升。