高速鐵路路基注漿整治凍害試驗研究

陳志濤

（中國鐵路哈爾濱局集團有限公司 濱洲鐵路電氣化改造工程建設指揮部，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

哈爾濱市地處中國北方，氣候條件惡劣，極端氣溫低于-30 ℃，極易造成既有鐵路路基凍脹，產(chǎn)生不均勻變形［1］。春融期間氣溫上升快，凍脹地段孔隙水不能及時排出土體處于飽和狀態(tài)，承載力降低產(chǎn)生不均勻沉降，甚至會造成基床翻漿冒泥［2］，軌道幾何尺寸難以保持，給列車運行安全帶來極大隱患。首次在東北地區(qū)采用注漿技術處理凍脹問題，填料改良后對土力學指標基于室內(nèi)試驗、物理模擬和數(shù)值模擬進行研究［3］，經(jīng)現(xiàn)場驗證有效改善基床的滲透性和凍脹性。

1 工程概況

京哈高鐵雙線K1244+615—K1246+900 段為路基工程，基床表層采用0.5 m 厚A 組土換填，下夾0.15 m 厚中粗砂土工隔層，基床以下為第四系沖積層粉質黏土［4］。通過現(xiàn)場調查及室內(nèi)試驗分析，該段路基表層填料孔隙比大，透水性強，基床下部的粉質黏土細顆粒含量高，親水性強，與水結合后不易失水。線路運營期間，雨雪形成的地表水經(jīng)過填料下滲至基床底部，形成局部匯集，短期內(nèi)無法排出，在冬季極易引發(fā)凍脹［5］。

根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)顯示，該段路基已出現(xiàn)多處凍害，凍高一般為10～15 mm，最大處可達25 mm，凍脹病害路基長度總計2.285 km，凍脹等級為強凍脹，由此產(chǎn)生的不均勻變形已危及行車安全。為改善本段路基凍脹病害情況，同時不影響既有線的運營，采用注漿加固技術進行病害處理，先期試驗段開展里程為K1244+700—K1244+800，試驗段長度100 m。

2 注漿加固機理及方案

2.1 注漿加固機理

凍脹路基段通過在路基側部布設注漿孔位。在路基表層通過擠密注漿方式注入漿液，使?jié){液充分填充在路基填料的縫隙中擴散，漿液與填料完成凝結反應后，形成密實的固結體［6］，改善了土體的物理力學性能。固結體形成的相對隔水層阻止或改善了地表水，減輕了水分在底部的匯集，進而減弱路基凍脹病害［7］。

此外，注漿形成的漿脈體有效阻止下部毛細水的上升，一定程度上阻隔上部地表水入滲，降低基底黏性土的含水率，改善路基不均勻凍脹，也避免后期路基產(chǎn)生翻漿冒泥等次生病害。

2.2 注漿方案

2.2.1 注漿工藝

京哈高鐵對沉降要求很高，考慮到有可能發(fā)生后續(xù)隱患等因素，本次施工試驗采用袖閥管注漿的方式進行地基加固處理［8］。

2.2.2 注漿參數(shù)確定

（1）注漿壓力。注漿壓力根據(jù)地層性質及注漿方式確定：

式中：［Pe］為容許注漿壓力 （105Pa）；β為系數(shù)，取1；γ為地表以上覆蓋層重度，本項目無地表覆蓋層；T為地基覆蓋層厚度，取2.5 m；c為與注漿期次有關參數(shù)，取1；K為自上而下注漿系數(shù)，取0.8；λ為與地層性質有關參數(shù)，取1.5；h為地面至注漿段深度，取2.5 m。

代入式（1）計算得出，理論容許注漿壓力［Pe］為0.3 MPa。將理論容許注漿壓力作為最大注漿壓力參數(shù)進行試注，后續(xù)注漿效果良好，未造成路基上拱，最終確定最大注漿壓力為0.3 MPa。

（2）擴散半徑。注漿選用袖閥管注漿方式，根據(jù)Maag理論模型推論，袖閥管注漿擴散半徑為：

式中：r1為擴散半徑，cm；t為理論注漿時間，取60 s；n為土體孔隙率，取0.5；k為土體滲透系數(shù)，取1×10-4cm/s；v為漿液運動黏滯系數(shù)，取 4×10-7cm2/s；h1為注漿壓力，距離cm水頭，本次為30×102水頭；r0為注漿管半徑，取1.5 cm；de為被注入土體有效粒徑，取5×10-4cm。

代入式（2）計算得出，理論袖閥管注漿擴散半徑0.95 m，現(xiàn)場試注時采取挖探檢驗，綜合確定實際有效擴散半徑約為0.5 m。

（3）注漿孔間距?，F(xiàn)場實測有效擴散半徑為0.5 m，漿液在注漿孔深度范圍內(nèi)呈圓球狀擴散，注漿孔間距l(xiāng)應滿足式（3）：

式中：l為注漿孔間距；r1為注漿擴散半徑。在保證注漿連續(xù)效果的同時，按照實際工作量，最終確定孔間距為0.5 m。

2.2.3 注漿孔布置

試驗段路基表層換填深度為0.60 m，最大凍結深度為2.05 m，本項目表層注漿孔影響深度H1，深層注漿孔影響深度H2，則H1和H2應滿足H1＞0.60 m，H2＞2.05 m。注漿孔深度及角度設計見表1。

表1 注漿孔深度及角度設計

根據(jù)京哈高鐵K1244+700—K1244+800 試驗段場地平面條件，現(xiàn)場具體注漿布置見圖1。

（1）線路右線左側2.5 m 開始斜向45°布置鉆孔，每孔垂直線路方向投影間隔0.1 m 錯落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側注漿孔角度及長度為10°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側；遠側注漿孔角度及長度依次為 25°/5.5 m、40°/3.8 m 和 60°/2.8 m，至凍結深度以下傾向線路一側。

（2）線路左線、右側2.5 m 開始斜向45°布置鉆孔，每孔垂直線路方向投影間隔0.1 m，錯落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側注漿孔角度及長度為12°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側；遠側注漿孔角度及長度依次為 25°/5.7 m、40°/3.9 m 和60°/2.9 m，至凍結深度以下，傾向線路一側。雙線區(qū)域共計1 600 孔，合計7 320 m（見圖1）。

圖1 注漿橫斷面示意圖

2.3 主要施工工序

注漿加固整治施工工序為：硬防護設置→注漿孔定位→鉆進及注漿施工→注漿孔封堵恢復→施工完成后拆除硬防護、恢復場地平整。施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

3 試驗檢測及效果評價

為檢驗本試驗段的注漿效果，測試加固后路基基床承載力及土體改善情況，現(xiàn)場采用原位測試、室內(nèi)試驗和物探測試3種手段進行綜合測試，以提高評價效果的準確性。

3.1 原位測試

原位測試可以測定難于取得不擾動土樣的有關工程力學性質，具有測試快捷、代表性強的優(yōu)點，在現(xiàn)場既有線的場地條件下比較適用。

3.1.1 技術規(guī)范

技術規(guī)范采用TB 10018—2018《鐵路工程地質原位測試規(guī)程》、TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》。

3.1.2 方案布置

現(xiàn)場在試驗段路基上下兩側對應里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置進行原位測試，測試深度范圍為0～2.5 m，通過與未處理段落橫向比較，驗證本次注漿處理效果。

每個位置均在2.5 m 深度內(nèi)進行分層挖探取樣及動力觸探貫入，測試情況及對比結果見表2、圖3。

圖3 動力觸探測試承載力對比

表2 原位測試擊數(shù)及承載力

3.1.3 效果評價

在最大凍深2.05 m深度內(nèi)，未處理段落K1244+830里程的基床承載力一般在160～200 kPa，注漿處理段落K1244+720—K1244+770 里程基床承載力普遍在200～360 kPa，較未處理段落提升約40%。本次注漿處理后，注漿影響深度范圍內(nèi)土體與漿液結合，形成改良土體，既有路基密實程度得到提高，承載力整體提升。

3.2 室內(nèi)試驗

本次室內(nèi)試驗主要進行含水率測定，土體中水分占比可以直觀反映出土體孔隙與水之間的關系，進而反映出本次注漿后土體孔隙比變化以及親水性的改善情況［9］。

現(xiàn)場對K1244+720—K1244+850 段路基上下行兩側里程K1244+720、K1244+770 和K1244+830 位置進行分層挖探取樣，所得樣品送遞至試驗室進行室內(nèi)含水量測試，測試結果及對比見表3、圖4。

由表3、圖4 可以看出，經(jīng)過注漿處理后，已處理段落雙線K1244+720 里程位置的樣品含水率低于未處理段落K1244+830 位置的樣品含水率，且受取樣前降雨及降雪影響，未處理位置的表層含水率已經(jīng)提高（36%～37%），但處理段落表層含水率相對穩(wěn)定，基本保持在30%以下。說明經(jīng)過注漿處理后，凍深范圍內(nèi)土體的孔隙受漿液填充，孔隙比下降，親水性下降，土體性質得到改良，形成相對隔水層，整體含水率下降，起到減弱凍脹的作用。

圖4 不同位置樣品含水量對比

表3 不同位置樣品含水率

3.3 物探檢測

瑞雷面波（微動）法作為一種新的淺層地球物理勘探方法具有操作方便、快速、成果直觀等特點，十分適用于既有線施工檢測。K1244+680—K1244+850 段路基注漿工程進行工后工程物探檢測，采用微動面波探測法主要目的是對場地內(nèi)路基基床注漿效果進行檢測。

3.3.1 技術規(guī)范

本次物探檢測工作執(zhí)行的主要標準及有關規(guī)范為：（1）TB 10013—2019/J 340—2019《鐵路工程物理勘探規(guī)程》；（2）DZ/T 0153—2014《物化探工程測量規(guī)范》。

3.3.2 方案布置及判譯原則

根據(jù)現(xiàn)場注漿里程位置情況，本次采用美國Geometric 公司生產(chǎn)的NZ-XP 型地震儀進行勘探，28 磅落重震源激發(fā)，4 Hz檢波器24通道接收，道間距1 m，測點間距5 m。對地震面波數(shù)據(jù)采用SurfSeis2.0 進行頻散曲線的拾取和反演處理，并最后在CAD 中成圖解釋?，F(xiàn)場共布置測線2 條，分別位于K1244+680—K1244+850段上下行兩側。

瑞雷波速度主要受土體的礦物成分、結構、密度及孔隙率的影響，因此同一介質不同狀態(tài)的波速不同，同一狀態(tài)不同介質的波速也不同。土層、巖層的礦物成分、結構及孔隙率有明顯差別，注漿前波速大小相差甚大，正常狀態(tài)下注漿之后波速都有提高，但波速提高值和提高后的波速也有明顯差異。

注漿處理后，隨著漿液在基床范圍內(nèi)擴散，充填凝固膠結后，形成較為密實的固結體，改善基床表層的滲透性和凍脹性，提高基床承載能力，同時使得土體的瑞雷波速度有所提高。瑞雷波速度與地基承載力有很好的相關性，即波速越高反映的介質層密實度或固結程度越高，相應承載力越強。

3.3.3 效果評價

SW-1、SW-2 兩條測線的解釋結果顯示見圖5。本次注漿處理段落土體瑞雷波波速分布在220～360 m/s，兩側未處理段落瑞雷波波速分布在180～210 m/s，注漿處理段落波速提高30%。說明試驗段注漿處理后，隨著漿液對擴散范圍內(nèi)土體孔隙的充填凝固膠結，形成水泥改良土密實度提高，土體性質得到改良，承載力增強。

圖5 K1244+680—K1244+850物探瑞雷波速分布

4 結論

為有效處理路基凍脹病害，保證高速列車的行車安全，分析京哈高鐵發(fā)生凍害的關鍵因素，測試注漿后基床本體效果，評價試驗段工程措施的可靠性和合理性。

（1）漿液對擴散范圍內(nèi)土體孔隙的充填凝固膠結較為充分，注漿加固后凍深范圍內(nèi)土體狀態(tài)得到改善，承載力提高。

（2）通過現(xiàn)場動力觸探檢測，未處理段落的基床承載力一般在160～200 kPa，注漿處理段落內(nèi)基床承載力普遍在200～360 kPa，較未處理段落提升約40%。經(jīng)過本次注漿處理后，注漿影響深度范圍內(nèi)土體與漿液結合，形成改良土體，既有路基密實程度得到提高，承載力整體提升。

（3）通過現(xiàn)場取樣試驗檢測，未處理段落表層含水率未受近期降雨及降雪影響，已經(jīng)提高至36%～37%，而注漿處理段落地層含水率仍穩(wěn)定在26%～29%，較未處理段落下降近30%。凍深范圍內(nèi)地層經(jīng)過漿液擴散填充后密實度提高，孔隙比減小，土體性質得到改良，同時漿液在基床表層形成致密層、親水性下降，有效防止表層水分下滲。

（4）京哈高鐵雙線K1244+700—K1244+800 段路基注漿試驗段處理后，基床及以下土體與漿液結合，形成水泥改良土，基床狀態(tài)得到提高。檢測后形成的地質斷面反映，注漿影響深度基本在2.5～3.0 m，大于哈爾濱地區(qū)最大凍結深度2.05 m，達到預期目的。處理后的基床整體狀態(tài)良好，密實度及承載力均得到提高，經(jīng)過2個冬季的運行對路基翻漿冒泥等病害起到了預防作用。