高速鐵路路基注漿整治凍害試驗(yàn)研究

鐘寶

摘要 隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展和鐵路建設(shè)理論與技術(shù)的完善，對(duì)于高速鐵路路基的災(zāi)害治理也應(yīng)予以重視。為防止高速鐵路路基凍害，文章以某工程為例，從高速列車的行車安全出發(fā)，探討試驗(yàn)段工程措施的可行性。通過實(shí)踐論證表明：在滿足相關(guān)條件下，通過試驗(yàn)得出了漿液對(duì)路基有影響，為工程提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 高速鐵路;路基;注漿整治

中圖分類號(hào) U216.412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0145-03

0 引言

路基凍害是鐵路運(yùn)營(yíng)過程中的常見病害，隨著我國(guó)高速鐵路建造和運(yùn)營(yíng)技術(shù)的逐漸完善，處理鐵路運(yùn)營(yíng)過程中的路基凍害是目前科研工作者研究的一個(gè)重要方向。注漿技術(shù)由于操作方便、施工難度低、在處理過程中并不會(huì)干擾既有鐵路的行車等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際工程中被廣泛采用。而土體的隱蔽性和復(fù)雜性，又給注漿的研究帶來許多不便，致使注漿的實(shí)際應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論研究。近幾年數(shù)值模擬分析以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在注漿工程方面受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。

1 工程概況

某工程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(zhì)黏土。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)分析，該段路基表層填料孔隙比大，透水性強(qiáng)，基床下部的粉質(zhì)黏土細(xì)顆粒含量高，親水性強(qiáng)，與水結(jié)合后不易失水。線路運(yùn)營(yíng)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[1] 。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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(dá)25 mm，凍脹病害路基長(zhǎng)度總計(jì)2.285 km，凍脹等級(jí)為強(qiáng)凍脹，由此產(chǎn)生的不均勻變形已危及行車安全。為改善該段路基凍脹病害情況，同時(shí)不影響既有線的運(yùn)營(yíng)，采用注漿加固技術(shù)進(jìn)行病害處理，先期試驗(yàn)段開展里程為K1244+700～K1244+800，試驗(yàn)段長(zhǎng)度100 m。

2 注漿加固機(jī)理及方案

2.1 注漿加固機(jī)理

凍脹路基段通過在路基側(cè)部布設(shè)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(kuò)散，漿液與填料完成凝結(jié)反應(yīng)后，形成密實(shí)的固結(jié)體，改善了土體的物理力學(xué)性能。固結(jié)體形成的相對(duì)隔水層阻止或改善了地表水，減輕了水分在底部的匯集，進(jìn)而減弱路基凍脹病害[2] 。

此外，注漿形成的漿脈體有效阻止下部毛細(xì)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

高鐵工程對(duì)沉降要求很高，考慮到有可能發(fā)生后續(xù)隱患等因素，該次施工試驗(yàn)采用袖閥管注漿的方式進(jìn)行地基加固處理。

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(zhì)及注漿方式確定：

[Pe]=βγT+cKλh （1）

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

代入式（1）計(jì)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(jìn)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(kuò)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(kuò)散半徑為：

（2）

式中：r1——擴(kuò)散半徑（cm）;t——理論注漿時(shí)間，取60 s;n——土體孔隙率，取0.5;k——土體滲透系數(shù)，取1×10?4 cm/s;v——漿液運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，取4×10?7 cm2/s;h1——注漿壓力，距離cm水頭，該次為30×102水頭;r0——注漿管半徑，取1.5 cm;de——被注入土體有效粒徑，取5×10?4 cm。

代入式（2）計(jì)算得出，理論袖閥管注漿擴(kuò)散半徑0.95 m，現(xiàn)場(chǎng)試注時(shí)采取挖探檢驗(yàn)，綜合確定實(shí)際有效擴(kuò)散半徑約為0.5 m。

（3）注漿孔間距?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有效擴(kuò)散半徑為0.5 m，漿液在注漿孔深度范圍內(nèi)呈圓球狀擴(kuò)散，注漿孔間距l(xiāng)應(yīng)滿足式（3）：

l≤r1 （3）

式中：l——注漿孔間距;r1——注漿擴(kuò)散半徑。

在保證注漿連續(xù)效果的同時(shí)，按照實(shí)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(yàn)段路基表層換填深度為0.60 m，最大凍結(jié)深度為2.05 m，該項(xiàng)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(yīng)滿足H1>0.60 m，H2>2.05 m。

（1）線路右線左側(cè)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(cuò)落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側(cè)注漿孔角度及長(zhǎng)度為10°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側(cè);遠(yuǎn)側(cè)注漿孔角度及長(zhǎng)度依次為25°/5.5 m、40°/3.8 m和60°/2.8 m，至凍結(jié)深度以下傾向線路一側(cè)[3]。

（2）線路左線右側(cè)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(cuò)落布置，每排注漿孔孔間距0.5 m。近側(cè)注漿孔角度及長(zhǎng)度為12°/6.0 m，至基床換填深度以下，傾向線路一側(cè);遠(yuǎn)側(cè)注漿孔角度及長(zhǎng)度依次為25°/5.7 m、40°/3.9 m和60°/2.9 m，至凍結(jié)深度以下傾向線路一側(cè)。雙線區(qū)域共計(jì)1 600孔，合計(jì)7 320 m。

2.3 主要施工工序

注漿加固整治施工工序?yàn)椋河卜雷o(hù)設(shè)置→注漿孔定位→鉆進(jìn)及注漿施工→注漿孔封堵恢復(fù)→施工完成后拆除硬防護(hù)、恢復(fù)場(chǎng)地平整[4]。

3 試驗(yàn)檢測(cè)及效果評(píng)價(jià)

為檢驗(yàn)該試驗(yàn)段的注漿效果，測(cè)試加固后路基基床承載力及土體改善情況，現(xiàn)場(chǎng)采用原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)和物探測(cè)試3種手段進(jìn)行綜合測(cè)試，以提高評(píng)價(jià)效果的準(zhǔn)確性。

3.1 原位測(cè)試

原位測(cè)試可以測(cè)定難取得不擾動(dòng)土樣的有關(guān)工程力學(xué)性質(zhì)，具有測(cè)試快捷、代表性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)既有線的場(chǎng)地條件下比較適用。

3.1.1 技術(shù)規(guī)范

技術(shù)規(guī)范采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》（TB 10018—2018）、《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10102—2010）。

3.1.2 方案布置

現(xiàn)場(chǎng)在試驗(yàn)段路基上下兩側(cè)對(duì)應(yīng)里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置進(jìn)行原位測(cè)試，測(cè)試深度范圍為0～2.5 m，通過與未處理段落橫向比較，驗(yàn)證注漿處理效果。

每個(gè)位置均在2.5 m深度內(nèi)進(jìn)行分層挖探取樣及動(dòng)力觸探貫入。

3.1.3 效果評(píng)價(jià)

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%。注漿處理后，注漿影響深度范圍內(nèi)土體與漿液結(jié)合，形成改良土體，既有路基密實(shí)程度得到提高，承載力整體提升[5]。

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)主要進(jìn)行含水率測(cè)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(guān)系，進(jìn)而反映出注漿后土體孔隙比變化以及親水性的改善情況。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)K1244+720～K1244+850段路基上下行兩側(cè)里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置進(jìn)行分層挖探取樣，所得樣品送到試驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)含水量測(cè)試。

由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，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(duì)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(zhì)得到改良，形成相對(duì)隔水層，整體含水率下降，起到減弱凍脹的作用[6]。

3.3 物探檢測(cè)

瑞雷面波（微動(dòng)）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(diǎn)，十分適用于既有線施工檢測(cè)。K1244+680～K1244+850段路基注漿工程進(jìn)行工后工程物探檢測(cè)，采用微動(dòng)面波探測(cè)法主要目的是對(duì)場(chǎng)地內(nèi)路基基床注漿效果進(jìn)行檢測(cè)。

3.3.1 技術(shù)規(guī)范

物探檢測(cè)工作執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)范為：

（1）《鐵路工程物理勘探規(guī)程》（TB 10013—2019/J 340—2019）。

（2）《物化探工程測(cè)量規(guī)范》（DZ/T 0153—2014）。

3.3.2 方案布置及判譯原則

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿里程位置情況，采用美國(guó)Geometric公司生產(chǎn)的NZ-XP型地震儀進(jìn)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(cè)點(diǎn)間距5 m。對(duì)地震面波數(shù)據(jù)采用Surf Seis2.0進(jìn)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(chǎng)共布置測(cè)線2條，分別位于K1244+680～K1244+850段上下行兩側(cè)。

瑞雷波速度主要受土體的礦物成分、結(jié)構(gòu)、密度及孔隙率的影響，因此同一介質(zhì)不同狀態(tài)的波速不同，同一狀態(tài)不同介質(zhì)的波速也不同。土層、巖層的礦物成分、結(jié)構(gòu)及孔隙率有明顯差別，注漿前波速相差甚大，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[7]。

注漿處理后，隨著漿液在基床范圍內(nèi)擴(kuò)散，充填凝固膠結(jié)后，形成較為密實(shí)的固結(jié)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(shí)使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(guān)性，即波速越高反映介質(zhì)層密實(shí)度或固結(jié)程度越高，相應(yīng)承載力越強(qiáng)。

3.3.3 效果評(píng)價(jià)

注漿處理段落土體瑞雷波波速分布在220～360 m/s，兩側(cè)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(yàn)段注漿處理后，隨著漿液對(duì)擴(kuò)散范圍內(nèi)土體孔隙的充填凝固膠結(jié)，形成水泥改良土密實(shí)度提高，土體性質(zhì)得到改良，承載力增強(qiáng)。

4 結(jié)論

為有效處理路基凍脹病害，保證高速列車的行車安全，分析發(fā)生凍害的關(guān)鍵因素，測(cè)試注漿后基床本體效果，評(píng)價(jià)試驗(yàn)段工程措施的可靠性和合理性。

（1）漿液對(duì)擴(kuò)散范圍內(nèi)土體孔隙的充填凝固膠結(jié)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(chǎng)動(dòng)力觸探檢測(cè)，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%[8]。經(jīng)過注漿處理后，注漿影響深度范圍內(nèi)土體與漿液結(jié)合，形成改良土體，既有路基密實(shí)程度得到提高，承載力整體提升。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)檢測(cè)，未處理段落表層含水率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(kuò)散填充后密實(shí)度提高，孔隙比減小，土體性質(zhì)得到改良，同時(shí)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[9]。

（4）某工程K1244+700～K1244+800段路基注漿試驗(yàn)段處理后，基床及以下土體與漿液結(jié)合，形成水泥改良土，基床狀態(tài)得到提高。檢測(cè)后形成的地質(zhì)斷面反映，注漿影響深度基本在2.5～3.0 m，大于該地區(qū)最大凍結(jié)深度2.05 m，達(dá)到預(yù)期目的。處理后的基床整體狀態(tài)良好，密實(shí)度及承載力均得到提高，經(jīng)過2個(gè)冬季的運(yùn)行對(duì)路基翻漿冒泥等病害起到了預(yù)防作用。

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