高速鐵路路基上拱整治技術(shù)

茹曉軍

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路路網(wǎng)的逐漸形成，運(yùn)營(yíng)線路不斷增加，路基上拱問(wèn)題時(shí)常出現(xiàn)，無(wú)砟軌道高程超出軌道扣件調(diào)整范圍后常采取限速措施，甚至拆除重建，嚴(yán)重影響正常運(yùn)營(yíng)秩序。我國(guó)西北地區(qū)某高速鐵路路基區(qū)段運(yùn)營(yíng)后持續(xù)上拱，采取混凝土換填、地基疏排水和落道調(diào)整等常規(guī)整治措施后仍未有效消除，為此，采用暗挖法開(kāi)挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)解決該問(wèn)題。

1 病害情況

該路基區(qū)段于2014年3月靜態(tài)驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)上拱變形，隨后將涵洞兩側(cè)路基道床板下填料換填為C30混凝土，但上拱變形仍未穩(wěn)定，2017年1月開(kāi)始限速120km/h運(yùn)行，2017年3月開(kāi)始限速60km/h運(yùn)行，2017年11月整治完成后恢復(fù)正常速度運(yùn)行。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2017年11月至2019年6月某路涵過(guò)渡段及兩側(cè)路基工點(diǎn)變形持續(xù)發(fā)展，最大上拱量為103.9mm，位于涵背4m處；膨脹變形主要發(fā)生在過(guò)渡段路基面以下1.5～4.0m(箱形橋過(guò)渡段5%水泥級(jí)配碎石層)。

2 填料設(shè)計(jì)

過(guò)渡段及兩側(cè)路基工點(diǎn)位于某山前沖洪積平原，地表為粒徑2～10mm粗細(xì)圓礫土，其下地層以粉質(zhì)黏土和粉土為主，局部夾雜砂礫土。地下水位埋深7～8m，水位基本穩(wěn)定，其余勘察深度內(nèi)未見(jiàn)地下水。路基基床表層采用級(jí)配碎石填筑，基床底層及以下采用AB組填料填筑。過(guò)渡段采用水泥級(jí)配碎石填筑，基床表層水泥摻量5%，表層以下水泥摻量3%。墊層采用水泥卵礫石填筑，水泥摻量50kg/m3。

3 上拱原因分析

已有研究表明，水泥水化產(chǎn)物受硫酸鹽侵蝕會(huì)形成鈣礬石和硅灰石膏晶體。鈣礬石晶體形成過(guò)程中，1個(gè)鈣礬石晶體分子結(jié)合和吸附32個(gè)水分子，使鈣礬石固相體積劇烈增大。類似于鈣礬石晶體的形成，硅灰石膏晶體形成時(shí)固相體積增大。可知過(guò)渡段及墊層中的水泥與硫酸鹽反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)會(huì)引起路基上拱。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，過(guò)渡段及兩側(cè)路基工點(diǎn)變形主要發(fā)生在路基和涵洞過(guò)渡段摻水泥填料及水泥卵礫石墊層中。通過(guò)X射線衍射檢測(cè)過(guò)渡段鈣礬石含量，可知水泥卵礫石墊層中含有大量鈣礬石和硅灰石膏晶體。過(guò)渡段及兩側(cè)路基工點(diǎn)主要膨脹變形范圍內(nèi)含有大量硫酸鹽侵蝕水泥反應(yīng)生成的膨脹性晶體，過(guò)渡段及墊層中水泥與填料中的硫酸鹽反應(yīng)生成新的物質(zhì)后體積膨脹，這也是引起路基上拱的主要原因。

4 整治方案

由于常規(guī)整治措施效果較差，為此，采用暗挖法開(kāi)挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.1 施工準(zhǔn)備

1)線間封閉層共77.7m，采用人工風(fēng)鎬、洋鎬破除，渣土外棄。

2)沿線路縱向布置硬隔離，并向整治范圍外一側(cè)各延伸10m。立柱間距3.0m、高3.0m。硬隔離橫向跨過(guò)軌道結(jié)構(gòu)后，使用金屬網(wǎng)柵欄進(jìn)行隔離，形成封閉的施工區(qū)域，在路基坡腳下留門，以便出入。硬隔離圍擋立柱如圖1所示。

圖1 圍擋立柱示意

3)線路開(kāi)通前無(wú)砟軌道出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，在涵洞兩側(cè)曾進(jìn)行混凝土換填整治施工，考慮暗挖時(shí)回填層側(cè)壁安全，在非混凝土換填段設(shè)置1排微型樁，間距0.5m，長(zhǎng)度為暗挖結(jié)構(gòu)底板下1.5m。在線間豎向鉆φ108mm孔，孔內(nèi)插φ89mm鋼管，鋼管內(nèi)注入水泥漿液進(jìn)行暗挖側(cè)壁預(yù)加固。微型樁形成后，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高，采用I25進(jìn)行樁樁連接，使其發(fā)揮更穩(wěn)定的整體加固作用。

4)按以下流程安裝圍擋：組織安排→施工前演練→施工準(zhǔn)備→鋼軌鋪設(shè)橡膠板→立柱安裝→下橫梁、斜撐安裝→中橫梁安裝→圍擋板安裝→上橫梁安裝→相鄰圍擋水平調(diào)整→加固→專人檢查→標(biāo)記防松線。圍擋施工難點(diǎn)在于僅能在1個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)完成，時(shí)間緊、任務(wù)重、工序繁雜、零配件易遺漏、相鄰圍擋安裝尺寸存在偏差，需安排專人檢查立柱螺栓是否緊固，斜撐及橫梁穩(wěn)固后在螺栓上標(biāo)記防松線。圍擋整體安裝完成后，由安全員每日進(jìn)行定點(diǎn)檢查，以確保圍擋安全。

4.2 上行線封鎖施工

4.2.1豎井施工

根據(jù)整治范圍，在小里程40m長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置1號(hào)檢查井、2，3號(hào)輔助豎井，在大里程段34m長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置4號(hào)檢查井、5，6號(hào)輔助豎井。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇豎井開(kāi)取位置，以開(kāi)挖掘進(jìn)軸線為豎井中線，豎井井口進(jìn)行鎖口加固，防止鎖口邊沿坍塌，豎井深度以深于隧道(箱涵)底0.3m為宜，鎖口頂口高出地面0.3m，便于出土。

豎井施工前首先放樣輪廓線，施工人員使用切割機(jī)沿輪廓線切割，確保邊線整齊；然后施工豎井鎖口及鎖口盤鋼筋混凝土；最后施工豎井井身。提升設(shè)備預(yù)埋件、防護(hù)圍欄預(yù)埋鋼筋與豎井鎖口盤同時(shí)施工，豎井施工時(shí)埋設(shè)爬梯。

4.2.2暗挖結(jié)構(gòu)施工

暗挖結(jié)構(gòu)主要施工工序?yàn)椋厚R頭門施工→主體結(jié)構(gòu)開(kāi)挖→噴錨→環(huán)向鋼支撐支設(shè)→鋼筋綁扎→模板支設(shè)→襯砌混凝土澆筑→循環(huán)施工至襯砌完成。

在豎井側(cè)墻開(kāi)口，立2榀拱架，找結(jié)構(gòu)外邊線。2榀拱架均通過(guò)橫梁連接，橫梁方向平行于線路方向，橫梁內(nèi)側(cè)預(yù)留連接板。在小里程側(cè)開(kāi)1m寬導(dǎo)洞，開(kāi)挖至線間另一側(cè)正洞開(kāi)挖邊線，掛網(wǎng)噴射混凝土封閉開(kāi)挖面。

立2榀正洞拱架，拱架間距為1m。完成拱架架立與連接后及時(shí)綁扎鋼筋、支設(shè)模板、澆筑混凝土。

開(kāi)挖前進(jìn)行測(cè)量放樣，以確定開(kāi)挖軸線、開(kāi)挖輪廓線，采用人工風(fēng)鎬破除、卷?yè)P(yáng)機(jī)提升結(jié)合手推車外運(yùn)渣土。開(kāi)挖過(guò)程中遵循“由上至下開(kāi)挖、嚴(yán)格控制開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺、保證開(kāi)挖輪廓線整齊”的原則。

路肩側(cè)鋪設(shè)1cm厚工業(yè)橡膠板(線間側(cè)不設(shè)置)、φ8mm雙層鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土。

施工人員根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位施工，鋼架采用I22a制作，底橫梁、立柱、頂橫梁、鋼架連接加固裝置、雙層結(jié)構(gòu)上層結(jié)構(gòu)鋼架安裝完成后及時(shí)使用頂托對(duì)道床板進(jìn)行加固處理。

鋼筋加工完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)豎井運(yùn)至施工作業(yè)點(diǎn)，按圖紙要求施工鋼筋。模板采用竹膠板、方木支撐，并按要求加固。

混凝土澆筑分2次進(jìn)行，首先澆筑中板(底板)至邊墻上1.5m混凝土，然后澆筑剩余邊墻與頂板混凝土。在邊墻上開(kāi)口作為進(jìn)料口，泵送管接至豎井口后，剩余部分采用軟管接至進(jìn)料口。

4.2.3工作槽與鋼結(jié)構(gòu)橫向限位墩施工

將支承層兩側(cè)封閉層破除，路肩破除范圍與工作槽頂面范圍一致。工作槽沿軌道板支承層(底座板)向外側(cè)開(kāi)挖寬度為1.5m，深度為0.6m，坑壁按1∶0.625放坡，并噴射混凝土進(jìn)行防護(hù)。工作槽頂部設(shè)置防水板，防止雨水直接灌入工作槽。在整治段路肩及線間間隔9.75m設(shè)置1對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橫向限位墩，用于整治期間對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向限位。鋼結(jié)構(gòu)橫向限位墩長(zhǎng)0.3m，寬0.6m，高0.4m，距支承層0.02m，通過(guò)錨桿及帶孔鋼底板固定限位墩，可根據(jù)整治作業(yè)需要進(jìn)行拆卸。

4.2.4基床表層暗挖

采用隧道鑿巖機(jī)、繩鋸切割機(jī)、千斤頂與人工鑿除相結(jié)合的方式進(jìn)行基床表層暗挖。每隔3m采用鑿巖機(jī)沿水平方向開(kāi)4個(gè)孔，作為繩鋸下鋸口。利用線間工作槽，使用千斤頂將軌道板下切割體分次頂出，采用人工風(fēng)鎬、電鎬鑿除。

4.2.5落道調(diào)整

1)準(zhǔn)備工作

將施工場(chǎng)地內(nèi)、外一定距離鋼軌墊片取出，根據(jù)落道總長(zhǎng)，每隔2.4m標(biāo)記千斤頂放置位置，并安排人員提前固定調(diào)整千斤頂。

2)調(diào)整流程

落道調(diào)整流程為：①落道施工前千斤頂就位，調(diào)整并加固道床板；②松開(kāi)道床板下所有頂托；③逐節(jié)進(jìn)行落道調(diào)整；④頂托加固、道床板頂緊，根據(jù)需要進(jìn)行糾偏。

4.2.6板下填充

首先沿道床板中線每隔3m鉆φ56mm注漿孔，然后安裝φ50mm鋼管作為注漿管，注漿管上露5cm、下露2cm，施工注漿孔時(shí)注意避開(kāi)道床板伸縮縫。

首先采用C15混凝土回填支承層及支承層以下部分，道床板底面為支承層頂面；然后采用C25混凝土回填路肩工作槽與線間回填層?；靥钋扒謇砘滋撛⒁饣靥盥芳绻ぷ鞑蹠r(shí)按坡度4%放坡，放坡寬度為支承層外側(cè)至電纜槽邊的距離。

板下混凝土澆筑完成后采用漿液比為1∶1的水泥漿分層注漿，注漿壓力≤0.3MPa，注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿壓力與每次注漿量，保證注漿密實(shí)。

4.2.7主體結(jié)構(gòu)混凝土養(yǎng)護(hù)

主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行混凝土灑水養(yǎng)護(hù)。

4.2.8主體結(jié)構(gòu)注漿

雙層結(jié)構(gòu)上層中板混凝土澆筑前，在中板兩側(cè)邊墻預(yù)留φ50mm注漿管，沿線路縱向按間距100cm布置，注漿管上露10cm、下露3cm，如圖2所示。單層結(jié)構(gòu)頂板混凝土澆筑前，在頂板中線位置預(yù)留φ50mm注漿管，沿線路縱向按間距100cm布置，注漿管上部距原回填混凝土底面3cm，下部外露10cm，如圖3所示。

圖2 雙層結(jié)構(gòu)注漿管布置示意

圖3 單層結(jié)構(gòu)注漿管布置示意

注漿料包括水泥漿和M20水泥砂漿，雙層結(jié)構(gòu)邊墻注漿采用水泥漿，頂板背后注漿采用M20水泥砂漿。采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為(0.5～0.8)∶1。注漿過(guò)程中控制注漿壓力為0.6～0.8MPa，注漿速度為30～50L/min。

4.3 下行線施工

上行線主體施工完成后， 經(jīng)檢測(cè)達(dá)設(shè)計(jì)行車要求后，完成行別轉(zhuǎn)換，然后開(kāi)始下行線施工，各工序參照上行線。

5 軌道檢測(cè)

整治完成后，選取最大上拱處斷面，對(duì)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂直力、道床板加速度、鋼軌橫向位移及豎向位移等動(dòng)、靜力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，2019年11月至2020年12月軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜力學(xué)指標(biāo)均在限值范圍內(nèi)，動(dòng)車運(yùn)行安全性與平穩(wěn)性滿足要求，整治效果較好。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高速鐵路路基上拱且常規(guī)整治措施效果較差的問(wèn)題，采用暗挖法開(kāi)挖豎井后挖取路基回填料，并改換為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方式加以解決。圍擋立柱安裝定位須準(zhǔn)確，安裝過(guò)程中及時(shí)測(cè)量立柱限界數(shù)據(jù)并記錄。豎井、主體結(jié)構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)置沉降、位移觀測(cè)點(diǎn)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形。使用頂托對(duì)道床板進(jìn)行加固處理，隨時(shí)監(jiān)測(cè)道床位移，防止道床破壞。落道調(diào)整時(shí)對(duì)千斤頂進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算千斤頂頂程，以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)同步調(diào)整。