高鐵無砟軌道水泥土路基上拱成因及整治技術(shù)研究

李金良

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來，高速鐵路路基上拱變形問題十分突出，多條鐵路先后發(fā)現(xiàn)了路基上拱變形問題，上拱變形引起了軌道抬高、軌道板及墊層開裂、路肩變形、線路纜槽開裂、邊坡開裂等工程安全問題，嚴(yán)重影響線路的正常運營[1]。路基上拱變形往往緩慢發(fā)生，上拱發(fā)生的位置也難以確定，經(jīng)常在營業(yè)線或在建工程后期、運營初期階段發(fā)現(xiàn)，造成工程整治非常困難。因此，高鐵無砟軌道下部結(jié)構(gòu)上拱問題防治也是高鐵運營維護(hù)及擬建項目的建設(shè)中面對必要課題。目前，也有同仁在路基上拱變形病害及成因進(jìn)行了有益探索。

崔曉寧等[2]對高速鐵路路基填料及地基土的膨脹性進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗并提出新的分級標(biāo)準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)，水泥改良填料在適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度條件下與硫酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶體(如鈣礬石晶體)也會引起路基膨脹上拱，上拱持續(xù)時間較長。王鵬程等[3]在無砟軌道路基上拱原因試驗研究中發(fā)現(xiàn):路基填料和地基土中均含有不同程度易溶鹽，易溶鹽含量與上拱變形呈正相關(guān)性，含少量鹽分的地基土或填料的膨脹也會嚴(yán)重影響線路的平順性；摻水泥級配碎石和水泥卵礫石的墊層中含有鈣礬石和硅灰石膏等成分，其形成過程中產(chǎn)生膨脹變形也可引起上拱變形。

蘭新高鐵部分段落水泥土路基在運營過程中出現(xiàn)了路基上拱病害，最大上拱量達(dá)22.8 mm，給行車安全造成了威脅。本文以此工程為例，分析其路基各種可能引起上拱的因素及其可能性，確定了主要的上拱原因，并提出針對性的整治措施[4]和建議，可為相似工程設(shè)計實踐提供參考。

2 工程概況

蘭新高鐵的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為時速350 km，雙線，無砟軌道的高速鐵路。本研究的路基段以路堤為主，填土高度1～3 m，路基與隧道連接處為半填半挖的淺路塹。線路走行于山梁坡腳。

2.1 地質(zhì)概況

本段線路位于河流二級階地后緣，地形有所起伏，沖溝發(fā)育，線路右側(cè)10～20 m為三級階地前緣斜坡，左側(cè)為水澆地。

地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積的砂質(zhì)黃土、細(xì)砂、上更新統(tǒng)沖積的粗圓礫土、卵石土、細(xì)砂。表層砂質(zhì)黃土，厚度8～15 m，淡黃色，土質(zhì)不均，具有孔隙大和粉粒含量高的特點，稍密—中密，稍濕—潮濕，Ⅱ級普通土，σ0＝120 kPa。土樣試驗天然含水率8.6%～17.7%，塑性指數(shù)8.5～8.9，具Ⅲ級自重濕陷性，濕陷性土層厚8～15 m。

地下水位埋深約30 m，最大季節(jié)性凍結(jié)深度1.05 m，地震基本烈度七度。

2.2 路基填料及地基處理情況

蘭新高鐵青海地區(qū)部分段落由于合格路基填料缺乏，路基填料采用水泥改良土。具體情況如下:基床表層采用級配碎石填筑；基床底層采用水泥改良土，水泥摻量5%～7%；基床以下采用水泥改良土，水泥摻量3%～5%，基床底層鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜。路基兩側(cè)設(shè)寬2.0 m、高1.5 m護(hù)道；兩側(cè)設(shè)側(cè)溝、排水溝，側(cè)溝平臺采用0.3 m厚漿砌片石封閉。地基處理采用CFG樁＋水泥土擠密樁，CFG樁正方形布置，孔徑0.4 m；水泥土擠密樁，正方形布置，孔徑0.4 m。地表下設(shè)1.0 m厚水泥改良土加筋墊層。

3 上拱病害特征

3.1 軌道的縱斷面高程及平面水平位移的變形

2015年5月份發(fā)現(xiàn)該段上拱；2017年10月開始上拱發(fā)展較快，最大上拱量20 mm。上行線高程扣件最大調(diào)整到25 mm；平面扣件最大調(diào)整到8 mm；下行線高程扣件最大調(diào)整到26 mm，平面扣件最大調(diào)整到8 mm；該段繼續(xù)上拱，2019年5月發(fā)現(xiàn)上行線(左側(cè))，最大上拱22.8 mm；下行線最大上拱22.0 mm；上行線軌向右發(fā)生偏移，最大13.9 mm；下行線軌向右發(fā)生偏移，最大10.3 mm。具體見圖1～圖2。

圖1 上下行線高程精測圖

圖2 上下行線平面精測圖

3.2 裂縫情況

軌道的軌面高程及平面水平位移出現(xiàn)異常后，進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，無砟軌道底座凹槽四角出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[5]，道床板道床板混凝土本體發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，伸縮縫明顯擴(kuò)大，嵌縫膠處裂縫十分明顯，支持墊層假縫出現(xiàn)明顯擴(kuò)大，護(hù)肩下部裂縫明顯。路肩電纜槽也出現(xiàn)了明顯裂縫，道床板與支承層混凝土聯(lián)結(jié)處出現(xiàn)了裂縫，支承層與級配碎石連接處和路肩封閉層與級配碎石聯(lián)結(jié)也出現(xiàn)橫向裂縫(見圖3)。伸縮縫、嵌縫膠處等這些裂縫超過了《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》[6]的要求。裂縫發(fā)育左側(cè)大于右側(cè)，裂縫寬度變化左側(cè)大于右側(cè)，軌道上拱大部分的裂縫變化幅度也大，左側(cè)大于右側(cè)。右側(cè)排水溝也出現(xiàn)了局部裂縫及破損。裂縫和裂紋的單位寬度裂縫(紋)數(shù)量、寬度、長度及變化幅度從上拱最大處向未發(fā)現(xiàn)上拱處，漸次變少變窄變短變?nèi)?，同樣情況下，左側(cè)甚于右側(cè)。

圖3 軌道板橫向裂縫

3.3 路基填料膨脹性、分層易溶鹽成分及含量、填料含水率的情況

為了查明其上拱原因，進(jìn)行了補(bǔ)勘。補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)路基填料膨脹性、分層易溶鹽成分及含量、填料含水率的存在異常情況，具體情況如下:

(1)膨脹性:基床表層、底層和墊層土樣均為非膨脹土，上拱段蒙脫石平均含量7.71%，未上拱段5.93%。

(2)分層易溶鹽:上拱段0.103 mol/kg，硫酸鹽含量0.018 mol/kg；未上拱段0.053 mol/kg，硫酸鹽含量0.009 mol/kg。上拱最大點含鹽量相對較高。

(3)土常規(guī):基床表層以下部位土樣平均含水率:上拱段21.0%，其中左側(cè)為22.0%，右側(cè)為20.0%，未上拱段17.3%，其中左側(cè)為18.3%，右側(cè)為16.3%?？傮w上含水率明顯偏高。均為非凍脹土。

(4)基床底層填料:上拱段，硅灰石膏含量左側(cè)為14%～20%，右側(cè)為16%～23%；石膏含量左側(cè)為6%～11%，右側(cè)為3%～9%；含水率左側(cè)為23%～25%，右側(cè)為22%～23%。未上拱段，硅灰石膏含量左側(cè)為11%～18%，右側(cè)為10%～18%；石膏含量左側(cè)為3%～8%，右側(cè)為1%～3%；含水率左側(cè)為17%～21%，右側(cè)為16%～20%。

(5)本體填料:上拱段，硅灰石膏含量左側(cè)為13%～19%，右側(cè)為10%～12%；石膏含量左側(cè)為5%～9%，右側(cè)為3%～6%；含水率左側(cè)為21%～23%，右側(cè)為18%～20%。未上拱段，硅灰石膏含量左側(cè)為11%～16%，右側(cè)為8%～10%；石膏含量左側(cè)為2%～4%，右側(cè)為1%～4%；含水率左側(cè)為15%～20%，右側(cè)為14%～18%。

(6)基底以下填料、地基:硅灰石膏含量為10%～15%，石膏含量為2%～8%，含水率為17%～21%。

(7)對樁頂高程開挖監(jiān)測，樁頂高程有3～16 mm的上升。左側(cè)甚于右側(cè)。

4 上拱成因分析、整治方案與效果

4.1 上拱成因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及補(bǔ)充勘察情況，結(jié)合其他工程案例的無砟軌道上拱變形病害及上拱成因等綜合分析，主要由于氣候條件及水文地質(zhì)條件、周邊排水條件、路基填料及地層巖性的含水率、路基填料地層巖性礦物成分等因素綜合作用的結(jié)果。其具體成因如下:

(1)2015年發(fā)現(xiàn)路基上拱，冬季上拱速率快，春季明顯回落。變形曲線顯示:兩處明顯上拱點位于填方高度最低處和路塹處。本段為低路堤，左側(cè)坡腳為水澆地，地基含水率較高，線路右側(cè)山體地方綠化后灌溉水進(jìn)入山體形成裂縫和落水洞，平臺局部排水不暢，表水下滲致使路基含水率升高，并且表現(xiàn)出右側(cè)含水率低于左側(cè)。路基高含水率成為其反應(yīng)的誘因。

(2)依據(jù)綜合取樣試驗、現(xiàn)場調(diào)查和變形特征發(fā)現(xiàn)，填料及地基中含鹽量普遍偏高，石膏和硅灰石膏含量均較高，含水率異常，尤其在基床底層中的這些參數(shù)更為異常。并發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:軌道向右側(cè)偏移較大，左側(cè)上拱大于右側(cè)，軌道支承層及封閉層、路肩、排水溝的裂縫幅度左側(cè)大于右側(cè)，硅灰石膏和石膏含量、含水率左側(cè)大于右側(cè)。自上而下，硅灰石膏、石膏含量、含水率漸次降低。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，軌道偏移和上拱、構(gòu)筑物裂縫的發(fā)育情況與路基填料中的硅灰石膏、石膏含量、含水率具有正相關(guān)性。路基填料中的硅灰石膏、石膏含量與路基填料改良土水泥土摻入量有正相關(guān)性。結(jié)合崔曉寧等和王鵬程等對無砟軌道路基上拱原因試驗研究，水泥改良土填料與硫酸根產(chǎn)生反應(yīng)生成結(jié)晶體，產(chǎn)出了膨脹變形，引起了上拱。這與前路基和地基中硅灰石膏和石膏的含量及裂縫發(fā)育特征相一致，這也說明填料和地基中高含量水泥及硫酸鹽為其上拱提供物質(zhì)基礎(chǔ)。由于填料中的硫酸鹽含量、含水率不同致使硫酸鹽遇到水泥生成新的物質(zhì)多少不同，路基產(chǎn)生上拱程度也不同；左側(cè)填料中的硫酸鹽含量、含水率比右側(cè)高，導(dǎo)致左側(cè)酸鹽遇到水泥生成新的物質(zhì)較多，產(chǎn)生差異性膨脹力，致使軌道向右偏移。這是引起路基軌道變形主要原因。

(3)填料含有蒙脫石，雖然達(dá)不到膨脹土標(biāo)準(zhǔn)，遇水會產(chǎn)生少量膨脹；也引起路基上拱。

(4)路基位于山體陰坡，氣溫相對較低，靠山側(cè)為半路塹形式，路基左側(cè)凍脹深度和凍脹量大于右側(cè)。路基中間段局部沉降，兩端上拱，不均勻凍脹和差異變形也可能加劇了軌道右偏。

綜上所述，本工點的路基上拱成因是局部地段防排水措施不足引起表水下滲，致使路基含水率升高為其提供產(chǎn)生反應(yīng)條件，水泥土填料和地基加固樁體材料有含量較高水泥與硫酸根為路基上拱提供物質(zhì)基礎(chǔ)，它們產(chǎn)生反應(yīng)生成結(jié)晶體(如鈣礬石晶體等)，產(chǎn)生膨脹變形，是導(dǎo)致路基上拱主要原因；填料中的硫酸鹽含量、含水率等左側(cè)比右側(cè)高，導(dǎo)致硫酸鹽遇到水泥生成新物質(zhì)左側(cè)比右側(cè)多，產(chǎn)生差異性膨脹力，引起軌道向右發(fā)生偏移，這是路基軌道變形主要原因。此外，填料含有蒙脫石遇水膨脹及差異性凍脹也加劇路基上拱及軌道變形。

4.2 整治方案

整治工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，方案需要綜合考慮施工環(huán)境[7]、列車運營、病害原因等因素。針對防排水措施不足、無砟軌道下面路基未預(yù)留充足變形緩存層、路基和軌道變形緩等方面提出了補(bǔ)強(qiáng)防排水措施、整治無砟軌道下部路基、加強(qiáng)路基監(jiān)測的綜合治理方案。

(1)防排水措施

針對局部地段防排水和基床排水措施不足問題，采取補(bǔ)強(qiáng)措施:防止表水沿山體的裂縫和落水洞下滲，采用灰土對其封閉；防止右側(cè)綠化和左側(cè)坡腳為水澆地的灌溉水進(jìn)入路基基底，設(shè)置3m加深明溝；為保證平臺部位排水順暢和防止表水下滲，加設(shè)平臺排水溝和封閉層；防止基床排水不暢引起含水率變高，基床范圍內(nèi)設(shè)置了深孔排水管和通風(fēng)管。

(2)無砟軌道下部路基整治措施

結(jié)合路基上拱和軌道變形特征、現(xiàn)場實際情況等因素，對上拱量大且變形未收斂段，存在繼續(xù)上拱的風(fēng)險，為保證整治后路基不在上拱，上下行線采用樁板結(jié)構(gòu)處理，并對挖除板底0.5 m路基填土，樁板下部預(yù)留變形空間，設(shè)置褥墊層，更換已破損的軌道結(jié)構(gòu)；對上拱量不大且變形已收斂和軌道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)病害地段，上拱基本完成，存在繼續(xù)上拱的風(fēng)險較小，不破壞軌道結(jié)構(gòu)，降低工程投資，采用暗挖切割基床表層級配碎石方案整治。見圖4。

圖4 暗挖落道示意

(3)路基監(jiān)測措施

針對這種病害的路基和軌道變形緩慢，難以發(fā)現(xiàn)特點，提出了加強(qiáng)路基的變形的監(jiān)測。具體為:采用人工監(jiān)測和自動監(jiān)測相結(jié)合方式[8]，增設(shè)沉降監(jiān)測點，加強(qiáng)沉降觀測頻率，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立安全風(fēng)險預(yù)警機(jī)制。

4.3 整治后效果

路基整治工作按照《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[9]和《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》[10]等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗收。路基整治后，進(jìn)行軌道恢復(fù)工作，靜態(tài)小車測量軌面恢復(fù)設(shè)計高程[11]。到目前運營近一年，路基和軌面均未出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，整治效果較為良好，達(dá)到了恢復(fù)線路平順性的目的[12]。

5 結(jié)論與建議

通過對本段既有線路基上拱變形，從路基上拱病害發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)場調(diào)查及補(bǔ)充勘探、上拱成因分析、整治方案、整治效果進(jìn)行綜合分析研究，可得出如下結(jié)論:

(1)路基上拱病害采用從軌道的軌面高程及平面水平位移的變形、裂縫情況、路基填料膨脹性、分層易溶鹽成分及含量、填料含水率等方面的現(xiàn)場調(diào)查分析方法，從本次工程實踐來看，這些調(diào)查分析方法是有效可行的。

(2)地基或路基填料中高含量的硫酸鹽和改良土、CFG樁及擠密樁中的高含量的水泥是此類路基上拱的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(3)路基上拱、構(gòu)筑物裂縫與路基填料中的硫酸鹽含量、硅灰石膏、石膏含量、含水率具有正相關(guān)性。路基上拱幅度與路基填料中的硫酸鹽和石膏的含量、含水率等有正相關(guān)性。

(4)局部地段防排水措施不足，致使地表水下滲，是路基上拱重要誘因，地基和填料高含量的水泥和硫酸根產(chǎn)生反應(yīng)生成結(jié)晶體，產(chǎn)生了膨脹變形，是路基上拱主要原因。

(5)從路基上拱整治效果看，暗挖切割基床表層級配碎石方案適用于上拱量不大且變形已收斂和軌道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)病害地段使用；樁板結(jié)構(gòu)方案可適用于上拱量大且變形未收斂地段使用。

結(jié)合該項目實踐，為避免此類路基上拱發(fā)生，提出幾點初淺的建議:

(1)為消除此類路基上拱發(fā)生，需要重點關(guān)注填料和地基中水泥和硫酸鹽的含量。建議在勘察設(shè)計階段需要重視對含有膨脹性物質(zhì)成分、可溶巖含量或地層的微膨脹分析，采用水泥土改良或含水泥地基加固措施中應(yīng)加強(qiáng)填料或地基中硫酸鹽含量分析研判。

(2)本文僅從路基填料中硫酸鹽含量、產(chǎn)生上拱后產(chǎn)生新物質(zhì)含量檢測角度定性分析其上拱原因，尚需進(jìn)一步從定量角度研究不同含量硫酸鹽遇到水泥產(chǎn)生了不同量新物質(zhì)，產(chǎn)生不同大小膨脹力的具體作用機(jī)理。

(3)此類路基上拱變形往往發(fā)生緩慢，上拱發(fā)生的位置也難以確定，為便于及早發(fā)現(xiàn)和保證施工運營安全，建議在從施工初期至運維期建立全周期的監(jiān)測和預(yù)警機(jī)制。

(4)無砟軌道、扣件對變形的調(diào)整能力過低，建議進(jìn)行新型扣件、可調(diào)節(jié)軌道板等進(jìn)行研發(fā)；此外，目前既有無砟軌道線下整治措施有限，效率較低，建議進(jìn)一步研究高效、安全、經(jīng)濟(jì)的整治工法。這樣也可以拓展解決路基上拱病害的途徑。