西南某鐵路翻漿冒泥機理及病害處置優化分析

徐鳳祥，趙培鈞，沈蘇興，崔俞，魏博康

（1.四川省鐵路建筑有限公司，四川 成都 611130；2.成都卓奧叢山環境科技有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

鐵路路基是鐵路軌道系統的基礎，承擔并傳遞軌道本身的重量及列車荷載，是保證列車安全運行的重要組成部分。翻漿冒泥是指基床土體在降雨或地下水的作用下，自身吸水液化形成泥漿，在列車循環荷載作用下，孔隙水壓力不斷發生變化，泥漿沿著道砟間空隙上涌，并最終從鋼軌接口處噴濺而出，在道床中部集聚的一種路基病害。翻漿冒泥不僅影響鐵路行車安全，而且還增加鐵路維修量，縮短軌道使用壽命。若發生翻漿冒泥后清理不及時，泥漿中水分揮發后，還會造成道床板結、鐵路整體彈性降低等危害。

翻漿冒泥形成機理的現有研究有：①Takatoshi 最早提出了有砟軌道翻漿冒泥形成模型，即翻漿冒泥抽吸驅動模型；②Alobaidi 對路基土上覆粗顆粒層形成的結構（如高速公路及鐵路）的翻漿冒泥病害和影響因素以及治理材料均進行了全面的研究；③Cui選擇了法國西部一條在運營的早期修建且病害較嚴重的鐵路線路進行鉆孔取芯試驗研究，并設計了縮尺的物理模型試驗，研究了中間夾層（interlayer）和翻漿冒泥的形成機理。

樊永杰[1]針對大巴山隧道翻漿冒泥病害特點，提出了安設水平集水孔、加深側溝、施設仰拱、翻修加厚道床等方法的綜合處置措施；司劍鋒[2]在兗石線路基處置修繕工程實踐中，采用鋪設兩布一膜不透水土工布，并在布的上下加設中粗砂保護層的處置措施來處理基床翻漿冒泥病害；段銘鈺[3]采用石灰改良基床填料與鋪設土工布相結合的辦法對浙贛線鐵路路基翻漿冒泥進行處理；程博華[4]分析朔黃線路基翻漿冒泥病害，提出對于基床性病害采用自路肩外花管注漿后設置中粗砂+復合排水板封閉層的處置措施；吾望超等[5]以高分子化合物聚氨酯、聚脲和碎石為原料，調配發明了一種新型化學聚合物——碎石結構層，同時施工時采用挖除底漿、鋪設聚合物結構層的方式來對翻漿冒泥進行治理。

綜上，在已有的翻漿冒泥處置中，基本都是因地制宜，采取最適合當地現場的方法，并沒有一種在任意地區都適用的方法。針對本次研究區段，在常規換填路基土、道砟等措施基礎上，對排水系統進行優化，在一定程度上預測和緩解翻漿冒泥的產生。

1 工程地質概況

1.1 工程地質條件

1.1.1 地形地貌

研究區域地處四川盆地南部，地貌區域劃為川中丘陵。依據地形地貌、海拔高程可細化為兩個地貌單元，即丘陵山地區和丘陵區。

①丘陵山地區

丘陵山地區多為砂巖與泥、頁巖互層，常形成臺階狀的“方山”。山頂一般較平緩，海拔高程500～650m；溝谷深切，呈“V”形，切割深度一般50～100m，最大切割深度達180m。谷坡陡峭，線路起點端一帶多見陡立懸崖，至汪洋一帶呈變緩的趨勢，谷底也逐步變寬，“方山”平臺及山頂多辟為耕地，谷坡多為密林。

②丘陵區

丘陵區地層以泥巖為主，夾砂巖，剝蝕后多形成圓緩丘陵，在樂山周邊以砂巖為主的地帶則較陡。丘頂高程在380～500m 之間，丘間溝槽多呈寬緩的淺“U”形，溝槽與丘頂高差在30～60m 之內。丘坡一般為旱地或林地，溝槽內以水田為主，漁塘散布。

1.1.2 地層巖性

根據翻漿冒泥段路基橫斷面圖所示（圖1），其地層由新到老分別為以下兩種。

圖1 路基橫斷面圖

1.1.2.1 第四系（Q）

沿線第四系成因復雜、種類繁多、分布廣泛、厚度變化大，主要有坡積、殘積、崩積、沖積、洪積、滑坡堆積等地層。沿既有鐵路、高速公路及附近的溝谷中有大量的人工堆積，多為全新統（Q4）地層，局部為上更新統（Q3）地層，其中全新統（Q4）可分為以下兩部分。

人工填土（Q4ml）：表面顏色主要為灰黃、褐黃、棕紅、棕黃等，為硬塑狀粉質黏土夾碎石角礫及稍濕～潮濕狀碎石類土，石質為泥巖、砂巖。來源一是廢棄老鐵礦及城鎮建設棄渣，厚2～25m 不等，松散，稍濕～潮濕，穩定性差，屬Ⅱ級普通土～Ⅲ級硬土；二是既有鐵路、高速公路及城市道路等填筑土，厚2～20m，稍濕～潮濕，稍密～中密。

坡殘積層（Q4dl+el）：褐黃、淺黃、紫紅色硬塑～堅硬狀粉質黏土，含碎石角礫。一般厚0～2m，局部達5～8m，廣泛分布于緩坡及坡腳。

1.1.2.2 侏羅系（J）

下統（J1）中的珍珠沖組（J1z）：紫紅或雜色泥巖、砂質泥巖夾黃綠色泥頁巖、泥質粉砂巖和薄至中厚層狀粉——細粒石英砂巖，泥巖一般具有弱膨脹性。

1.2 水文地質條件

根據地層的儲水介質及富水程度判斷，研究區域地下水主要為第四系孔隙潛水。

研究區域內大部分地段的第四系覆蓋層以黏性土為主，水量匱乏，第四系孔隙潛水主要賦存于河流及沖洪積松散土層中，地下水埋深約1～3m，為飽水層，由大氣降雨及河水補給，受季節變化影響較大。

2 西南某鐵路翻漿冒泥病害概況

西南某鐵路經過四川省內江市威遠縣、眉山市仁壽縣和樂山市境內，線路全長90.775km，參照國鐵Ⅱ級標準設計。東側成自瀘高速從工程區穿過，西側有多條高速連接樂山市，國道G213 從中段通過北區，有多條省道連接，途經鄉鎮，村與村之間有鄉間道路相連，線路交通條件較好。

該鐵路自2010 年通車，經過12 年運行，多段出現翻漿冒泥病害，特別是圖2 附近翻漿冒泥較為嚴重，根據道床表面的表現形式，將其分為三個區域，即集聚區、包裹區和影響區。并按時空域進行排序（見圖3），即①泥漿在道心處積聚、②泥膜將道砟完全包裹約（1mm）、③道砟表面附著泥點。

圖2 翻漿冒泥現場圖片

圖3 翻漿冒泥在道床表面的三種表現形式

通過對該道床翻漿冒泥產生過程進行觀察，將其分為四個階段，見表1。

表1 道床翻漿冒泥發展階段

3 翻漿冒泥病害機理分析

3.1 影響翻漿冒泥的主要因素

鐵路路基在修建完成后，起初為一個健康體系，隨著時間的推移，其排水系統開始堵塞或失效，地表水或地下水開始入侵路基土，隨著運載列車的反復行駛，產生的循環荷載不斷沖擊鐵路系統，道砟彼此碰撞破碎劣化，并產生細顆粒下陷，使孔隙水壓力不斷發生變化，土體液化，泥水攜帶細顆粒不斷上涌，發生翻漿冒泥。因此翻漿冒泥是多種因素共同作用下發生的一種病害，路基土性質、水、道砟條件、列車循環荷載都是發生路基翻漿冒泥的主要因素。

①路基土性質

路基土性質的優劣[6]是基床產生翻漿冒泥的前提條件。根據以往的研究，基床翻漿冒泥的土質中，若含有易軟化的物質，如蒙托石、綠泥石等，由于其強烈的親水性，容易吸收水分并軟化，為翻漿冒泥的產生提供前提條件。

該鐵路路基土為強風化粉砂巖（圖4），含有一定的透水性。隨著風化作用，土中細顆粒的占比逐漸上升，遇水軟化路基，為翻漿冒泥的產生提供前提。

圖4 現場路基土

②水

路基的翻漿冒泥過程，實質就是水裹挾細顆粒在路基中遷移、上涌的過程[7]，因此水是發生翻漿冒泥的重要條件之一。

該鐵路所在區域屬于中亞熱帶濕潤氣候帶，其降雨特點是突發性強、歷時短、雨量大、時空分布不均。這種氣候條件決定了鐵路會面臨短期內路基土體含水率突然變化的情況，汛期降雨量增大，再加上基床排水設施的缺失導致排水不暢，使得路基土易吸水膨脹，顯著降低了土體的臨界動應力和動強度，使得土體發生軟化，并在列車的振動荷載作用下使得道砟壓入基床形成道砟囊，被道砟擠壓的土體形成泥漿上涌至道床。

③列車荷載

列車行駛過程中，車輪沖擊鐵軌帶來的振動荷載會通過枕軌和道砟傳遞到路基中，列車振動[8]荷載一方面會使基床土體發生塑性變形，經過長時間累積最終造成路基的不均勻下沉，從而使得基床面局部產生積水；另一方面又會不斷上下抽吸翻漿冒泥過程中產生的泥漿，使得基床土體內部發生循環上升下降的滲流，滲流產生的動水頭將土體顆粒沖刷推擠至基床面上，最終形成表觀上的翻漿冒泥病害。

研究區段鐵路由于為貨運鐵路，需承受荷載較大，且至今已運行12 年，路基質量嚴重下降，道砟劣化越發加劇，排水系統日益老化。因此，列車荷載是導致該鐵路發生翻漿冒泥的重要外因。

④道砟情況

有砟道床由具有一定級配的碎石組成。由于列車輪軌粗糙以及棘輪，或者當列車通過剛度不均的位置，如橋頭、道路交叉口、有砟-無砟軌道過渡段等，會產生瞬時的高沖擊力荷載，在鋼軌焊接處，由于不良的焊縫，也會產生沖擊荷載[9]。

在該鐵路翻漿冒泥區段，根據道砟劣化情況（圖5），可以明顯看出其在列車荷載等外部應力下，道砟與道砟之間相互碰撞、磨損，其外形、強度、整體對于鐵路穩定受力的性質都已嚴重下降。其在磨損中所產生的細小顆粒，隨著縫隙下沉，在外部應力作用下，與水相遇成為泥漿，甚至發生翻漿冒泥。

圖5 道砟劣化現場圖片

3.2 翻漿冒泥病害機理

通過對上述主要影響因素進行分析，再綜合已有的研究成果及經驗，將該鐵路翻漿冒泥的過程總結如下[10-15]。

①初始裂隙形成階段

這一階段一般是鐵路線路竣工或經過較大處置以后，路基土結構比較完整、路基面平整、道砟潔凈。而隨后由于路基土在干濕循環的作用下逐漸產生細微裂隙，這些細微裂隙在列車振動荷載以及水的滲透侵蝕下相繼連通，進而形成較大裂隙，為水提供了良好的運移和儲存通道，為后續的翻漿冒泥病害的發生提供了條件（見圖6）。

圖6 初始裂隙形成階段

②路基軟化下沉階段

汛期降雨量增大，由于干濕循環產生的裂隙使路基土在降水作用后含水率增大，繼續吸水膨脹導致土體強度降低，特別是在土體達到飽和狀態以后，其抗壓強度遠低于正常干燥情況下的土體強度，此時土體在動荷載的作用下，不僅僅表現為較大的累計變形，更有可能是整個骨架的失穩破壞。飽和失穩的路基土由于變形量過大而產生沉降，形成凹坑，積水難以排除，在列車振動荷載的作用下，道砟與失穩的土體反復相互作用，使得道砟被動荷載擠壓進入軟化后的路基中，導致路基土體整體滲透系數增大，而道床也由于荷載的作用發生了不均勻沉降，道砟持續下擠進入路基，這使得水分更易聚集在路基的局部區域，加劇了翻漿冒泥病害的產生（圖7）。

圖7 路基軟化下沉階段

③翻漿冒泥形成階段

道砟被列車動荷載擠入軟化的土體后，路基土體被道砟取代形成道砟囊，使得飽和狀態的土體以泥漿的形式在動荷載的作用下擠壓上升至道床中。上涌的泥漿充填了道砟的縫隙，在經過蒸發作用后其水分逐漸散失，泥漿使原本分散的道砟膠結成為整體，道砟面板結成塊，使道床和路基之間形成一個相對封閉的空間。在經過列車反復上下振動形成的動荷載作用下，這一封閉空間便形成一個真空帶發生抽吸作用，使得下部的泥漿繼續上升至道床表面，并在干濕循環作用下發生軟化-泥漿上涌-板結-軟化的惡性循環。道砟上的泥漿越來越多，板結后的膠結物越來越密實，局部的翻漿冒泥由點連接成片，最終表現成整段路基的翻漿冒泥病害現象，見圖8。

圖8 翻漿冒泥形成階段

4 病害處置方案優化

4.1 病害處置方案

現場對翻漿冒泥不同階段的處置方法如表2所示。

表2 翻漿冒泥發展不同階段地處置方法

4.2 病害處置方案優化

研究區域地下水主要為第四系孔隙型水，受季節性影響較大，且沿線鐵路兩邊有大量水田，汛期雨水不能完全從鐵路系統中排出，所以對排水系統進行優化至關重要。

在上述措施的基礎上，對排水系統進行優化：①0.1m 中粗砂+兩布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 帶孔排水管放置于兩布一膜中上層透水土工布和不透水土工膜之間，以便上部道砟層中積水能順利從PVC 帶孔排水管中排出，不會滲透入基床中[16-19]，兩布一膜材料選取時的主要性能指標見表3。

圖9 道床斷面圖

5 結語

本文通過現場病害調研、研究區域工程地質、水文地質、現場施工等情況，觀察道床翻漿冒泥的發生過程，對翻漿冒泥道床表面三種表現形式、主要影響因素、病害形成機理進行研究，提出了有針對性的排水系統處置優化措施。主要得出以下結論。

通過觀察道床翻漿冒泥產生的具體過程，將翻漿冒泥在道床表面的表現形式分為以下三個區域，即集聚區、包裹區和影響區。并按時空域進行排序，即①泥漿在道心處積聚、②泥膜將道砟完全包裹（約1mm）、③道砟表面附著泥點。

分析了在路基土性質、水、道砟等內因作用下，為翻漿冒泥的產生提供了物料等必要條件，進而在外因列車荷載的作用下，土體液化形成泥漿，竄出道床形成翻漿冒泥的具體過程。

在以往的病害處置方案基礎上，結合實際情況，對排水系統進行優化：①0.1m 中粗砂+兩布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 帶孔排水管，并放置于兩布一膜中上層透水土工布和不透水土工膜之間，以便上部積水從PVC 帶孔排水管中排出，不會軟化下部基床，維持鐵路系統正常運行，成功減少了翻漿冒泥的產生，取得了良好的處置效果。