高速鐵路路基沉降病害成因分析及措施

趙博

摘 要：高速鐵路在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受種種因素的共同影響，很難完全規(guī)避掉路基沉降病害問(wèn)題，因此需要充分認(rèn)識(shí)到加強(qiáng)高速鐵路路基沉降病害治理的必要性，做好病害問(wèn)題原因的分析，并做好相應(yīng)病害的針對(duì)性治理，從而才能夠更好的保護(hù)高速鐵路運(yùn)行安全。本論文作于2017年12月，筆者當(dāng)時(shí)擔(dān)任中交一航局新建蘭新鐵路第二雙線項(xiàng)目經(jīng)理部副經(jīng)理職務(wù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;路基沉降;病害成因;治理措施

高速鐵路經(jīng)常需要露天運(yùn)行，因此會(huì)受到外界天氣因素的影響，導(dǎo)致路基土壤出現(xiàn)物理性質(zhì)變化，引發(fā)不均勻沉降問(wèn)題，除了自然因素，列車實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)荷載影響以及認(rèn)為因素的影響均會(huì)對(duì)高速鐵路路基帶來(lái)不利影響，引發(fā)不均均沉降問(wèn)題。因此為了保護(hù)列車運(yùn)行安全，需要加強(qiáng)對(duì)路基不均勻沉降病害問(wèn)題的分析，并提出一些針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，從而為高速列車保護(hù)穩(wěn)定安全運(yùn)行提供有力保障。

1 加強(qiáng)高速鐵路路基沉降病害治理的必要性分析

如今在我國(guó)整體交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的大背景之下，伴隨著高速鐵路建設(shè)技術(shù)的逐漸應(yīng)用成熟，如今高鐵運(yùn)輸已經(jīng)成為我國(guó)交通運(yùn)輸重要組成部分，在推動(dòng)我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。從“十三五”規(guī)劃綱要中我們能夠認(rèn)識(shí)到，預(yù)計(jì)到2020 年推動(dòng)我國(guó)的高鐵營(yíng)業(yè)里程成功達(dá)到3 萬(wàn)公里目標(biāo)，并且要求告訴鐵路能夠成功連接全國(guó)覆蓋 80%以上的大城市，如今這一目標(biāo)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)。但同時(shí)我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，由于我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)自然條件、地質(zhì)條件分布也比較復(fù)雜，伴隨著高速鐵路的建設(shè)投入運(yùn)行，其中也出現(xiàn)了很多病害問(wèn)題，在眾多病害問(wèn)題組成中，高速鐵路路基沉降病害可以說(shuō)是最不容忽視的一大病害問(wèn)題。一旦高鐵鐵路的路基出現(xiàn)不均勻沉降問(wèn)題，將會(huì)造成鐵路不同的結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)不同程度的下沉，嚴(yán)重應(yīng)鐵路結(jié)構(gòu)的受力的平衡性與穩(wěn)定性，為了讓軌面標(biāo)高保持規(guī)范的高度，只能夠采用松開(kāi)扣件，加裝墊板的方法進(jìn)行解決。但這一方法指標(biāo)不治本，隨著鐵鐵路路基沉降問(wèn)題逐漸加重，此時(shí)在軌道扣件的調(diào)整方面，也已經(jīng)達(dá)到了極限的范圍，已經(jīng)無(wú)法再滿足軌道標(biāo)高的要求，因此為了保證列車行車的安全，只得選擇在一些地基沉降比較嚴(yán)重的路段，實(shí)施限速措施，此時(shí)高速列車變成了“低速列車”，對(duì)于列車整體運(yùn)行品質(zhì)帶來(lái)了非常嚴(yán)重的影響。但事實(shí)上，在高速鐵路設(shè)計(jì)之初，國(guó)家對(duì)于鐵路工后沉降有著非常嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，以我國(guó)的無(wú)砟軌道路基為例，要求在完成施工后，應(yīng)將沉降控制在 15mm以內(nèi)。雖然當(dāng)下我國(guó)對(duì)于地基沉降有著非常嚴(yán)格的控制，并在施工過(guò)程中，采用了很多先進(jìn)的路基加強(qiáng)技術(shù)，有效保障了鐵路路基的質(zhì)量，但想要完全避免高速鐵路路基沉降仍是一個(gè)不切世界的問(wèn)題，這是因?yàn)閷?dǎo)致鐵路路基沉降的原因有很多，尤其是隨著鐵路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，受荷載以及自然地形變換影響，必然會(huì)出現(xiàn)各種路基沉降病害問(wèn)題。區(qū)別僅在于沉降是否嚴(yán)重，比如在我國(guó)某些個(gè)別地區(qū)，鐵路路基沉降便非常嚴(yán)重，有的路基沉降量超過(guò)了50m，遠(yuǎn)高于我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求。在這一背景下，有必要在充分了解高速鐵路路基沉降病害成因的基礎(chǔ)上，分析其中存在的問(wèn)題，然后提出一些針對(duì)性的應(yīng)對(duì)處理措施，從而更好的保護(hù)鐵路運(yùn)行安全，推動(dòng)我國(guó)鐵路交通運(yùn)行實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展^[1]。

2 高速鐵路路基沉降病害成因分析

高速鐵路在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于外界環(huán)境因素多變，再加上自身荷載的影響，從而使得路基沉降病害在形成方面，通常是由多種因素共同作用而成。筆者通過(guò)實(shí)際調(diào)查分析，并以鐵路路基沉降病害中不同因素影響大小為依據(jù)，來(lái)對(duì)高速鐵路病害成因問(wèn)題進(jìn)行了如下分類：

一是鐵路自身結(jié)構(gòu)因素引發(fā)的沉降病害問(wèn)題：這一類型的沉降病害與鐵路自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有著非常緊密的關(guān)系。比如在最初進(jìn)行勘察過(guò)程中，沒(méi)有做好誤差控制，從而致使在鐵路設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)自身沉降進(jìn)行有效的處理，最終導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的工后鐵路路基沉降問(wèn)題;還有一種是相應(yīng)的鐵路地基、路基施工措施沒(méi)有落實(shí)到位，導(dǎo)致地基強(qiáng)度不足，路基也存在嚴(yán)重的壓縮變形，最終引發(fā)嚴(yán)重的路基沉降病害問(wèn)題^[2]。

二是受外界自然因素影響所產(chǎn)生的沉降病害問(wèn)題：高速鐵路通常需要露天而建，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必然會(huì)受到自然氣候的影響，比如天氣過(guò)于寒冷或者過(guò)于炎熱，都會(huì)對(duì)路基土體的物理性質(zhì)帶來(lái)一定的變化影響?；蛘哂捎谔鞖猸h(huán)境過(guò)于惡劣，比如鐵路所在地區(qū)連降數(shù)天大于，導(dǎo)致鐵路排水不及時(shí)，長(zhǎng)期浸泡在水中，也會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的沉降病害問(wèn)題。

三是人為活動(dòng)因素引起的鐵路路基沉降病害問(wèn)題：高速鐵路在實(shí)際施工建設(shè)過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)軌道路基下層的地基有著非常嚴(yán)格的要求，要求是需要加強(qiáng)對(duì)鐵路軌道下方地基變形的控制，地基以及路基本身對(duì)于周邊的地形變化也比較敏感。如果在鐵路附近存在一些人類工程活動(dòng)，均有可能對(duì)鐵路地基以及路基帶來(lái)一定的變形沉降影響。比如在高鐵線路附近，因工程建設(shè)原因，需要進(jìn)行大量的堆土或者抽水施工，這些人為的活動(dòng)因素都會(huì)對(duì)鐵路附近的地形帶來(lái)一定的擾動(dòng)影響，最終引發(fā)該路段出現(xiàn)路基沉降病害問(wèn)題。

四是地下水文地質(zhì)變化引起的路基沉降病害問(wèn)題：高速鐵路在實(shí)際施工建設(shè)過(guò)程中，通常在人煙稀少的荒郊野外進(jìn)行，存在很多水文地質(zhì)變化因素。并且高速鐵路工程本身是一種線性工程，在鐵路沿線方面，縱向抵抗變形的能力比較弱。在鐵路運(yùn)行期間，一旦沿線的水文地質(zhì)條件出現(xiàn)了變化，很容易出現(xiàn)不均勻沉降變形問(wèn)題，都會(huì)對(duì)高速鐵路路基帶來(lái)一定的影響。這種影響主要表現(xiàn)為：受地面的不均勻沉降的影響，將會(huì)對(duì)鐵路軌道設(shè)計(jì)高程帶來(lái)一定的變化影響，同時(shí)還會(huì)對(duì)高速鐵路的平順性帶來(lái)非常嚴(yán)重的破壞，不僅會(huì)對(duì)高速列車運(yùn)行的速度及穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成列車側(cè)翻安全事故。以京滬高鐵所經(jīng)過(guò)的地形為例，該鐵路沿線地質(zhì)水文條件比較復(fù)雜，一旦地下水位降低，在高速鐵路部分路段，便會(huì)出現(xiàn)明顯的異常沉降狀況，最終對(duì)于高速列車穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患，面對(duì)這些問(wèn)題，若不及時(shí)采用應(yīng)對(duì)措施，任由地面沉降的持續(xù)發(fā)展，最終會(huì)引起該路段的高速鐵路路基軌道出現(xiàn)非常大的變形，統(tǒng)一釀成非常重大的列車運(yùn)行安全事故。因此需要加強(qiáng)區(qū)域沉降的控制，更好的保護(hù)列車路基穩(wěn)定性，保障列車運(yùn)行安全^[3]。

五是過(guò)渡段差異沉降：根據(jù)最新版的高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后差異沉降不應(yīng)超過(guò) 5 mm，不均勻沉降造成的折角不應(yīng)大于 1/1000。但是過(guò)渡段是高速鐵路工程中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，橋梁、隧道或涵洞與路基工程之間即使發(fā)生輕微的沉降差，也會(huì)嚴(yán)重影響該線路平順性。

3 高速鐵路路基沉降治理方法及存在的問(wèn)題

3.1 高速鐵路路基沉降治理方法

一是局部換填加固法。在具體實(shí)施這種加固法時(shí)，需要將基床表層部分軟土地質(zhì)挖除，然后重新?lián)Q上新的土質(zhì)，這種土質(zhì)主要由砂石組成，有著良好的強(qiáng)度與穩(wěn)定，通過(guò)進(jìn)行分層填筑，然后進(jìn)行夯實(shí)處理，從而讓新填筑的土質(zhì)與原本的地基融為一體，達(dá)到地基加固的目的。

二是擠密樁加固法。在具體實(shí)施該方法時(shí)，需要采用圓形鋼管樁等材料，直接打入地基，從而土體進(jìn)行一定的擠壓，使得土體整體更加密實(shí)，承載能力更強(qiáng)。然后在將打入的樁拔出，并填入一些樁孔內(nèi)碎石水泥等材料，然后進(jìn)行夯實(shí)加固處理，從而達(dá)到地基加固的目的。

三是土工格室加固法。在該方法具體實(shí)施方面，通常配合局部換填加固方法共同實(shí)施，通常會(huì)選擇換填層之上，通過(guò)進(jìn)行格柵網(wǎng)的添加，充分借助格柵網(wǎng)的約束力，有效的固定土體，避免出現(xiàn)內(nèi)部變形移動(dòng)，促使土體整體強(qiáng)度與承載能力得到有效的提升。

四是注漿加固法。在該方方實(shí)施過(guò)程中，需要先進(jìn)行鉆孔注漿，將泥漿打入需要加固的到路堤之中，有效提升加固土體的物理力學(xué)性能，促使鐵路路基整體強(qiáng)度得到有效的改善。在具體實(shí)踐應(yīng)用方面，對(duì)于普通的鐵路而言均有著良好的效果^[4]。

3.2 存在的問(wèn)題

在上述介紹的幾種路基加固方法中，在實(shí)際實(shí)施方面，均需要暫時(shí)停止列車運(yùn)行，才能夠更好的進(jìn)行施工。因此會(huì)對(duì)線路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生非常大的影響。然而從當(dāng)前發(fā)布的高速鐵路運(yùn)營(yíng)管理辦法來(lái)看，鐵路暫時(shí)中斷的的最長(zhǎng)時(shí)間為 4 h，因此只有選擇操作工序最為簡(jiǎn)單的施工方法才能夠滿足施工要求，對(duì)比上述幾種施工方法，注漿加固法不需要大型機(jī)械，可以直接進(jìn)行施工，因此可以說(shuō)是作為適合的方法。然而在實(shí)際應(yīng)用上，正確的選擇注漿材料才是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在具體進(jìn)行注漿材料選擇時(shí)，需要對(duì)高速鐵路施工特征進(jìn)行充分的考慮，首先在填料方面，如果填料細(xì)粉的力度在0. 075 mm以內(nèi)時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)非常低，一般在10^-6-10^-4cm/s，對(duì)于水泥漿等顆粒注漿材料而言，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，能夠注入土體滲透系數(shù)為10^-3-10^-2cm/s。通過(guò)進(jìn)行對(duì)比，我們能夠認(rèn)識(shí)到，常規(guī)的水泥漿難以滿足高速鐵路對(duì)注漿的施工要求。并且水漿結(jié)石體在變形模量方面，相較于填土有著更高的數(shù)量級(jí)，從而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，很容易受剛度不均勻影響，出現(xiàn)二次病害。為了有效解決這一問(wèn)題，在實(shí)際注漿材料選擇時(shí)，可以選擇低黏度的化學(xué)注漿材料，這種材料通常有著優(yōu)良的滲透性。但與普通的地基加固不同，在高速鐵路進(jìn)行注漿加固施工時(shí)，要求結(jié)石體需要具備非常大強(qiáng)度因此在1 MPa以上，而對(duì)于低黏度化學(xué)漿液而言，在整體強(qiáng)度仍有著一定的差距，難以滿足實(shí)際的填土加固要求。另一方面，在實(shí)際采用水溶液注漿材料時(shí)，受水溶液的自身流動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)影響，通常會(huì)對(duì)土體帶來(lái)非常大的擾動(dòng)影響，容易在施工期間出現(xiàn)沉降問(wèn)題，難以滿足實(shí)際施工要求。基于此，為有效解決新出現(xiàn)的問(wèn)題，需要采用以下應(yīng)對(duì)措施^[5]。

4 高速鐵路路基沉降病害治理應(yīng)對(duì)措施

為了能夠滿足高速鐵路注漿施工，需要采用自主研發(fā)的低黏度改性高聚物注漿材料，為了驗(yàn)證材料適合高速鐵路路基加固施工，文章采用以下試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證：

4.1 制備填料

采用含土中砂進(jìn)行填料制備，其中填料不均勻系數(shù)為Cu=（d₆₀/d₁₀）=0.75/0.075=10曲率系數(shù)為 C_c=（d₃₀×d₃₀）/（d₆₀×d₁₀）=（0.41×0.41）/（0.71×0.075）=2.98。填料分層的含水率為5.5%，并在鋼模內(nèi)，采用分層填筑的方式進(jìn)行人工搗實(shí)，具體分層為1m×1m×1.2m。

4.2 注漿

在實(shí)際注漿時(shí)，注漿管應(yīng)沿著填料中部鉆孔，下沉至設(shè)計(jì)位置，然后進(jìn)行注漿接頭的安裝，在進(jìn)行注漿量的控制過(guò)程中，可以選擇調(diào)節(jié)注漿時(shí)間與注漿壓力等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，確保低黏度漿液注入滿足實(shí)際施工要求。

4.3 結(jié)石體制件

在完成注漿后，需要等待漿液固化再將模板拆除，然后慢慢的剝離結(jié)石體周邊填料，獲得圓柱形結(jié)石體，然后再進(jìn)行切割處理，就可以獲得實(shí)際需要的試件。

4.4 測(cè)試結(jié)石體變形模量

通過(guò)對(duì)制作好的試件進(jìn)行反復(fù)的加載、卸載測(cè)試，并從中獲得結(jié)石體在測(cè)試過(guò)程中形成的變形模量。期間注意控制好測(cè)試參數(shù)，一般加載荷載大小控制在 510至40×10⁴N，加載速率控制在100N/s，卸載速率 500N/s。通常實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)石體試件在受壓至 8. 17 MPa 時(shí)，仍能夠維持良好的性能。在撤銷壓力后，彈性模量也會(huì)逐漸的恢復(fù)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可得出彈性變形模量為160～190Mpa，這一數(shù)值能夠有效滿足高速鐵路填土所要求，說(shuō)明路基中的結(jié)石體不會(huì)引發(fā)路基剛度不均勻問(wèn)題，能夠應(yīng)用于實(shí)際注漿施工中。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與一般的鐵路路基施工相比，高速鐵路路基產(chǎn)生的沉降病害問(wèn)題原因更為復(fù)雜多變，因此為有效實(shí)現(xiàn)病害問(wèn)題的預(yù)防，需要進(jìn)一步加大控制力度，尋找最佳的防治方法，從而有效實(shí)現(xiàn)病害問(wèn)題解決，保證高速鐵路能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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