既有鐵路路基基床檢測(cè)方法與評(píng)價(jià)

張健

中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300000

1 工程概況

北黑鐵路（龍鎮(zhèn)至黑河段）既有線(xiàn)全長(zhǎng)239.9km，始建于1933年，于1986年由地方組織復(fù)建，1989年恢復(fù)全線(xiàn)通車(chē)，至今已運(yùn)行30多年，是黑龍江西北部地區(qū)對(duì)外客貨交流的主要通道。該鐵路歷史上多次修筑，標(biāo)準(zhǔn)較低，路基填料來(lái)源差異大，經(jīng)多年的養(yǎng)護(hù)維修、大修，目前運(yùn)營(yíng)正常，但個(gè)別地段也時(shí)有路基病害發(fā)生，存在較大安全隱患。本次改造標(biāo)準(zhǔn)為160km/h單線(xiàn)電氣化一級(jí)鐵路，改造后利用既有路基共28段，長(zhǎng)度約51.5km。為了滿(mǎn)足列車(chē)提速的要求，保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)利用既有路基段的基床檢測(cè)與評(píng)價(jià)是十分必要的。

2 既有路基概況

2.1 地形地貌特征

鐵路沿線(xiàn)所經(jīng)區(qū)域位于黑龍江省北部小興安嶺山地地區(qū)，屬平原微丘區(qū)地形和低山區(qū)地形；沿線(xiàn)山丘起伏連綿，森林茂密，河流縱橫交錯(cuò)。

2.2 氣象特征

沿線(xiàn)區(qū)域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，平均氣溫在攝氏-0.6℃～0.8℃之間，最高氣溫達(dá)37.2 ℃，最低氣溫為－48.1 ℃，年降雨量平均在507～537mm之間，最大凍結(jié)深度2.39～2.98m。沿線(xiàn)對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)屬?lài)?yán)寒地區(qū)。

2.3 路基病害類(lèi)型

總體來(lái)說(shuō)，利用既有路基段經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)維修，目前運(yùn)營(yíng)正常，但仍經(jīng)常有路基病害發(fā)生，存在較大安全隱患。沿線(xiàn)存在的路基病害類(lèi)型有：凍害、翻漿冒泥、河岸沖刷、基床下沉外擠、排水不良、路基浸水、邊坡溜塌等。

3 路基基床檢測(cè)方法

為了滿(mǎn)足提速至160km/h的目標(biāo)，對(duì)利用段既有路基基床需進(jìn)行檢測(cè)，采用綜合地質(zhì)勘探方法，勘探手段有：小型螺紋鉆與挖探，對(duì)基床填料進(jìn)行取樣，并結(jié)合土工試驗(yàn)查明基床本體填料類(lèi)別；輕型動(dòng)力觸探，查明基床本體黏性填土承載力；Evd測(cè)試，測(cè)定基床本體動(dòng)態(tài)變形模量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算K30地基系數(shù)，并輔以瞬態(tài)瑞雷波速測(cè)試及地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試等勘探手段，定性了解基床密實(shí)度情況。以下主要介紹輕型動(dòng)力觸探、動(dòng)態(tài)變形模量Evd測(cè)試、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試、瞬態(tài)瑞雷波測(cè)試的評(píng)價(jià)方法。

3.1 輕型動(dòng)力觸探檢測(cè)方法

輕型動(dòng)力觸探檢測(cè)方法是利用一定的錘擊能量(錘重10kg)，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)貫入錘擊數(shù)所達(dá)到的深度判別土層的類(lèi)別，確定土的工程性質(zhì)，對(duì)地基土做出綜合評(píng)價(jià)。

在既有路基基床檢測(cè)過(guò)程中，該方法主要結(jié)合小型螺紋鉆及挖探方法，用于判定路基基床填料類(lèi)型及黏性土填料的承載力等。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10018-2003)的規(guī)定，當(dāng)貫入深度小于4 m時(shí)，黏性土地基的基本承載力f k，可以根據(jù)場(chǎng)地土層的輕型動(dòng)力觸探（N10）平均值確定；由于輕型動(dòng)力觸探（N10）與f k 成線(xiàn)性關(guān)系，推得經(jīng)驗(yàn)公式f k =8 N10 -20，黏性土基本承載力與輕型動(dòng)力觸探（N10）平均值對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)表1）。輕型動(dòng)力觸探檢測(cè)儀器輕便、操作簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)路基破壞小。

表1 黏性土基本承載力值fk

注：表內(nèi)數(shù)值可以線(xiàn)性?xún)?nèi)插。

3.2 動(dòng)態(tài)變形模量Evd測(cè)試方法

動(dòng)態(tài)變形模量Evd能夠反映列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力對(duì)路基的真實(shí)作用情況，是鐵路路基壓實(shí)質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一。Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)用于測(cè)定土體在落錘沖擊荷載作用下的沉陷值，計(jì)算土體的動(dòng)態(tài)變形模量Evd值，計(jì)量單位Mpa，能夠反映列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力對(duì)路基的真實(shí)作用情況。計(jì)算公式 Evd=22.5/s，s為承載板沉陷值（mm）。Evd動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)適于粒徑不大于荷載板直徑1/4的各類(lèi)土和土石混合填料，測(cè)試有效深度范圍為400～500mm。動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)可直接獲得測(cè)點(diǎn)Evd值，對(duì)每個(gè)里程點(diǎn)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)Evd值進(jìn)行平均，得到Evd算術(shù)平均值，作為基床評(píng)價(jià)依據(jù)。根據(jù)鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程（TB10102-2010，J1135-2010）經(jīng)驗(yàn)公式（見(jiàn)表2），換算出K30地基系數(shù)。

表2 Evd與K30相互關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式

Evd檢測(cè)設(shè)備便攜，成本低廉，高效安全，成果迅速。特別是在 K30、 Ev2不能開(kāi)展的狹窄地段，如路肩、橋涵過(guò)渡段等，具有特殊優(yōu)勢(shì)。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試方法

地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試方法工作主要用于檢測(cè)道砟厚度，查明基床沉降情況。地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波（400MHz）在路基各層介質(zhì)中的傳播規(guī)律來(lái)達(dá)到檢測(cè)路基的目的。道床、基床及地基等分層結(jié)構(gòu)具有不同的介電常數(shù)和衰減系數(shù)，對(duì)電磁波的傳播即具有不同的響應(yīng)特征。通過(guò)識(shí)別雷達(dá)圖像中的頻率、振幅、同相軸形態(tài)等特征判釋異常，評(píng)價(jià)路基狀態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試示意圖（見(jiàn)圖1），該方法具有分辨率高、圖象直觀(guān)、工作效率高、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試示意圖

3.4 瞬態(tài)瑞雷波測(cè)試方法

瞬態(tài)瑞雷波法可用于探測(cè)淺部地層中的不均勻體、評(píng)價(jià)路基基床整體質(zhì)量和地基整治加固效果，條件適宜時(shí)可用于求取地層的橫波速度。瞬態(tài)瑞雷波法檢測(cè)鐵路路基基床主要利用了其兩種特性：一是瑞雷波在分層介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性，即在介質(zhì)中傳播的瑞雷波速度隨頻率變化而變化，這是利用瑞雷波分層的前提；二是瑞雷波速度與介質(zhì)的彈性力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。瑞雷波相對(duì)縱波、橫波而言，能量較強(qiáng)、衰減慢、速度較低、頻率較低、容易分辨等特點(diǎn)。瑞雷波速度值與基床狀態(tài)關(guān)系（見(jiàn)表3）。

表3 瑞雷波速度值與基床狀態(tài)關(guān)系

4 綜合檢測(cè)成果分析

根據(jù)本線(xiàn)既有路基改造要求，結(jié)合工程地質(zhì)條件及路基病害類(lèi)型，現(xiàn)場(chǎng)主要采取了地質(zhì)調(diào)查、小型螺紋鉆與挖探、輕型動(dòng)力觸探、動(dòng)態(tài)變形模量Evd測(cè)試、瞬態(tài)瑞雷波速測(cè)試、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試、室內(nèi)土工試驗(yàn)的勘探手段，對(duì)檢測(cè)成果進(jìn)行綜合分析與對(duì)比，定性了解路基基床的整體穩(wěn)定性，為路基基床加固設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析成果。下面以K136+000～K137+600段為例，對(duì)綜合檢測(cè)成果進(jìn)行分析。

（1）結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、小型螺紋鉆與挖探、輕型動(dòng)力觸探、室內(nèi)土工試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)變形模量Evd測(cè)試的綜合數(shù)據(jù)，獲得該段既有路基基床的填料類(lèi)型、厚度及組別、土層承載力及基床的K30值（見(jiàn)表4）。

表4 K136+000～K137+600路基基床評(píng)價(jià)綜合數(shù)據(jù)分析表

（2）結(jié)合瞬態(tài)瑞雷波速測(cè)試、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試的綜合數(shù)據(jù)分析，獲得該段既有路基基床的整體穩(wěn)定性。

① K136+000～K136+800段基床表層瑞雷波速整體低，4.0m以上瑞雷波速變化較大，主要分布在70～190m/s之間，瑞雷波速度分布成層性較好，基床土密實(shí)度低；雷達(dá)檢測(cè)道砟厚度在40～80cm變化，局部偏厚，表明基床有沉降，且在深度1-2m范圍分布有凍土；該段路基表層K30值最小值為28.4Mpa/m，最大值70.7Mpa/m。綜合分析，基床整體穩(wěn)定性差。

② K136+800～K137+600段基床表層瑞雷波速整體低，5.0m以上瑞雷波速變化較大，主要分布在130～190m/s之間，瑞雷波速度分布成層性稍好，基床土密實(shí)度稍低；雷達(dá)檢測(cè)道砟厚度在40～70cm變化，局部偏厚，表明基床有沉降，且在深度1-2m范圍分布有凍土；該段路基表層K30值最小值為57.7Mpa/m，最大值92.1Mpa/m。綜合分析，基床整體穩(wěn)定性稍差。

5 基床穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)K136+000～K137+600段既有路基基床綜合檢測(cè)成果的分析，對(duì)該段路基基床整體穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

（1）基床填料主要以B、C組土為主要填料，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)時(shí)速為160km/h一級(jí)鐵路基床表層及底層的填料選擇標(biāo)準(zhǔn)。

（2）基床底層范圍內(nèi)的天然地基基本承載力：K136+000～K136+500段承載力小于150kPa，不能滿(mǎn)足要求；K136+500～K137+000、K137+000～K137+600段承載力大于150 kPa，滿(mǎn)足要求。

（3）該段K30值最低值為28.4Pa/m，最大值90.1Mpa/m，平均值61.1Mpa/m。不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)時(shí)速為160km/h一級(jí)鐵路基床表層及底層填料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）經(jīng)過(guò)瞬態(tài)瑞雷波速測(cè)試與地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，該段路基基床存在凍害、基床下沉等病害，基床的整體穩(wěn)定性較差，建議進(jìn)行路基基床加固設(shè)計(jì)。