某專用鐵路沉陷區(qū)路基整治技術(shù)研究

高 艷

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，山東 濟南 250022)

礦區(qū)鐵路是煤礦企業(yè)地面運輸?shù)拇髣用}，多為企業(yè)自營鐵路，礦區(qū)鐵路一般建設(shè)較早，后續(xù)煤炭工作面開采不可避免的會影響礦區(qū)鐵路。煤層開采過程中，地面不斷的沉陷，受其影響鐵路需要不斷的抬道來維護線路，保障運營安全。有的工作面開采引起地面沉陷多達幾米，從而使得線路維護需要大量的路基填料，而礦區(qū)有著豐富的煤矸石資源，目前許多單位對煤矸石在鐵路路基中的應(yīng)用有一定的實踐經(jīng)驗與理論分析[1-4]，煤矸石幫寬路基既節(jié)省投資，又解決了煤矸石的處置難題[5]。本文以礦區(qū)專用鐵路沉陷區(qū)預(yù)治理為例，介紹抬道、采用煤矸石幫寬路基的技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

本文以兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦某工作面為例，介紹沉陷區(qū)鐵路預(yù)治理技術(shù)。該工作面位于礦區(qū)專用鐵路正下方，該工作面開采后地面將逐步下沉，在沿鐵路方向上沉陷呈盆形發(fā)展，工作面處地面下沉最大達7.2 m，離工作面越遠地面下沉越小，在鐵路方向上地面沉陷長度1.315 km，本文針對上述1.315 km的鐵路線路進行預(yù)治理技術(shù)介紹與研究。

根據(jù)沉陷預(yù)測，該鐵路段地面從開始沉陷到沉陷趨于穩(wěn)定，預(yù)計10個月。地面沉陷過程時間長，下沉量不均勻，鐵路路基抬高幫寬不能采用傳統(tǒng)的中斷行車，拆除線路這種“大揭蓋”的形式抬高幫寬路基。在不中斷行車的條件下，線路沉降治理采用逐步抬道分層填筑路基形式，其施工順序：道床補砟→既有路基邊坡挖臺階→采用煤矸石幫寬既有路基至設(shè)計寬度→人工抬道→采用煤矸石幫填老路基以上部分路基。本次沉陷區(qū)線路預(yù)治理維持既有平面、縱斷面標準不變。

2 軌道設(shè)計

本次預(yù)治理軌道標準維持既有，主要標準：既有鐵路鋼軌采用50 kg/m-25 m標準軌。一般地段采用YⅡ型混凝土枕(2.5 m)，1 600根/km。路基地段采用雙層碎石道床，面砟厚度為20 cm，底砟厚度為15 cm。道床頂面寬度3.1 m，道床邊坡1∶1.75。曲線段按規(guī)定設(shè)超高及加寬。

受到煤層開采后地面沉降的影響，鐵路線路將隨著地表的不斷下沉而多次抬道幫寬路基。該鐵路為企業(yè)自營，起落道采用人工方式，為減少抬道過程的工作量，在抬道前將混凝土枕換為木枕，地面沉陷穩(wěn)定后，再換回混凝土枕，恢復(fù)既有軌道標準。地面沉降速率不均勻，為了避免頻繁的擾動道床，確定一次抬道量為8 cm。

工作面開采期間，需對鐵路軌面和路基標高實時監(jiān)測，影響范圍內(nèi)線路沉降值超過8 cm，影響線路運營安全的情況下，采用道砟抬道，單次抬道高度不超過8 cm。

3 路基幫寬設(shè)計

3.1 路基填料

煤矸石是一種在成煤過程中與煤伴生的炭量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石，是我國排放量最大的工業(yè)廢渣之一。

煤矸石具有一定的強度，但其級配不良，透水性差，顆粒較松散，黏聚力低，易風化，遇水后強度降低。煤矸石作為填料時，控制好級配，采取加寬路基、設(shè)置盲溝等措施，路基流塌、邊坡失穩(wěn)等風險均可以降到低度風險。

3.2 路基幫寬設(shè)計原則

受到煤層開采后地面沉降的影響，鐵路線路將隨著地表的不斷下沉而多次抬道幫寬路基。為了避免頻繁的擾動道床，確定一次抬道量為8 cm。根據(jù)道床厚度0.35 m以及煤矸石填料的相關(guān)施工規(guī)范要求，確定路基一次抬高厚度為35 cm。

3.3 路基面形式、寬度

路基面形狀設(shè)計為三角形路拱，由路基中心線向兩側(cè)設(shè)4%的人字排水坡。

考慮到不中斷運營抬道，路基幫寬、線路抬道均需要有施工通道，一般路肩寬度0.6 m已經(jīng)不能滿足施工要求，因此需要加寬路基，在路基面設(shè)置施工便道，施工便道寬7.0 m，滿足車輛雙向通行條件。 路基幫寬標準橫斷面如圖1所示。

根據(jù)TB—2016鐵路路基設(shè)計規(guī)范3.2.4條規(guī)定，計算設(shè)置有施工便道的路基面寬度B。

B=A+2x+2c

(1)

(2)

其中，A為單線地段道床頂面寬度，m，取3.1 m；m為道床邊坡坡率，取1∶1.75；h為鋼軌中心的軌枕底以下的道床厚度，m，取0.35 m；e為軌枕埋入道砟的深度，m，本文為YⅡ型混凝土枕，取0.165 m；g為軌頭寬度，m，本文為50 kg/m軌，取0.07 m；c為路肩寬帶，m，取0.6 m；x為砟肩至砟腳的水平距離，m。

根據(jù)上述公式，計算出路基面寬度為6.4 m。道砟砟腳之間水平寬度5.2 m。施工車輛不能過軌通行，因此在路基兩側(cè)各設(shè)置7 m寬施工便道，路基面寬度19.2 m。

3.4 路基幫寬方式

根據(jù)預(yù)計沉降量計算出路基坡腳幫寬的寬度，既有路基面以下的路基加寬一次加寬完成，后續(xù)的路基幫寬在上一次加寬的基礎(chǔ)上逐次加高。

3.5 碎石盲溝

由于抬道，軌枕以下材料全部為碎石，為防止形成碴囊，煤矸石幫寬段每隔50 m路基兩側(cè)對稱設(shè)置一處寬2 m的碎石盲溝，最底層碎石盲溝需在既有路基面上鋪設(shè)防滲土工布。為養(yǎng)護維修方便，在幫寬完成的碎石盲溝處，路基面以下0.5 m范圍內(nèi)鋪設(shè)煤矸石。碎石盲溝的設(shè)置如圖2所示，盲溝剖面圖如圖3所示。

3.6 煤矸石填料及壓實標準

路基填料應(yīng)具有良好的強度及穩(wěn)定性，紅色煤矸石具有較高的強度及穩(wěn)定性，因紅色煤矸石是自燃過的，故其路用性能較穩(wěn)定。路基幫寬填料采用的煤矸石，應(yīng)優(yōu)先選用紅色煤矸石作路基材料，其次是灰褐色煤矸石?；脖韺?.5 m范圍內(nèi)，應(yīng)采用燒失量低于8%且粒徑在100 mm以下的紅色煤矸石填筑，其壓實標系數(shù)不小于0.96?；驳讓蛹奥坊惨韵虏课惶盍喜捎脽Я康陀?5%，顆粒粒徑不得大于150 mm的煤矸石填筑，其壓實標系數(shù)不小于0.93。

3.7 路基邊坡形式及坡率

礦區(qū)開采煤層后，會在地面形成大面積的塌陷區(qū)，部分塌陷區(qū)由于地下水位較高而常年積水，在地面下沉穩(wěn)定后，部分路基會常年浸泡在水中，根據(jù)煤矸石路基邊坡穩(wěn)定的相關(guān)文獻的結(jié)論[6-8]，當坡度為1∶1.5時，路基的填筑高度可以達到1.25 m～15 m。本文路基基底情況良好，路基最大抬高量為7.2 m，對應(yīng)路基高度7.8 m，路基邊坡采用直線型，邊坡坡率采用1∶1.5。

3.8 路基坡面防護

路基抬高后，邊坡高度在0.8 m～7.8 m之間，結(jié)合本項目路基填料、氣候特點、邊沉降邊幫寬抬高的特點以及類似項目的經(jīng)驗等因素，本工程不做坡面防護。

3.9 地表處理

本工程路基基地無特殊巖土，路基基底進行平整場地，清除地表草皮。

4 施工便道

地面不斷的沉陷，路基抬道幫寬頻繁，需要有多臺車輛來保障施工，沉陷區(qū)地面道路已不能使用，路基面成為車輛通行的必選方案，通過加寬路基面設(shè)置施工便道是節(jié)省投資，簡單快捷的方式。地面施工便道6 m即可保障車輛雙向通行，本工程施工便道設(shè)置在路基面上，最大填高7.8 m，填筑高度較大，煤矸石較松散、易風化，且施工周期長達10個月，因此外側(cè)設(shè)置1 m寬安全距離，施工便道寬度7 m。

地面沉陷穩(wěn)定后，作為施工便道的此部分路基成為保證路基邊坡穩(wěn)定的有利加固措施，尤其在浸水路基部分，加寬的路基，是保證邊坡穩(wěn)定及提高路基抗沖刷性的最有效的措施。同時加寬的路基便于養(yǎng)護維修作業(yè)。

5 煤矸石技術(shù)指標設(shè)計

5.1 填料要求

煤矸石路基填筑應(yīng)選用自然級配較好的煤矸石；自然級配差，大顆粒所占比例較大的煤矸石不宜直接作為路基填料，需經(jīng)過破碎處理后使用。

煤矸石遇水后強度降低，應(yīng)按規(guī)范嚴格控制煤矸石的吸水率。吸水率大的煤矸石不作為路基填料。

煤矸石易風化，風化后容易導(dǎo)致路基邊坡溜塌，路基沉降等路基病害，應(yīng)優(yōu)先選用未風化和微風化的煤矸石作為路基填料。

5.2 力學(xué)指標要求

煤矸石路基填筑時必須具有良好的承載力及較高的穩(wěn)定性，應(yīng)使用硬質(zhì)煤矸石。

煤矸石填料的粒徑應(yīng)滿足規(guī)范要求，最大粒徑不宜超過150 mm，最大粒徑不得大于層厚的2/3。

為保證路基填料的穩(wěn)定性，煤矸石礦物中的氧化物總含量、燒失量應(yīng)滿足規(guī)范要求，并且不能含有有害物質(zhì)。

6 環(huán)境保護與水土保持措施

隨著煤層的開采，地表不斷下沉，因此路基幫寬也要多次加高幫寬，直至地表沉降穩(wěn)定。自地表開始沉降至沉降穩(wěn)定時間約為10個月，在沉降過程中路基需要不斷的加高幫寬，施工工期長，現(xiàn)場物料堆積時間長，對環(huán)境、人民生產(chǎn)有一定影響，為降低施工對環(huán)境及人民生產(chǎn)的影響，采取施工圍擋、防塵網(wǎng)、灑水等措施。

6.1 施工圍擋

為隔離施工場地，減少施工給村民的生產(chǎn)生活帶來的影響，在路基幫寬的坡腳外設(shè)置施工圍擋，圍擋設(shè)置范圍為從地面開始幫寬的路基幫寬地段。

施工圍擋高度2.5 m，采用鋼管支架，彩鋼板結(jié)構(gòu)。圍擋的技術(shù)要求如下：

1)圍擋材料。采用高度為2.5 m的彩鋼板，板厚度0.8 mm；立柱采用φ48 mm鋼管。彩鋼板與鋼管通過16號鐵絲綁扎牢固，立柱與立柱之間設(shè)置兩道橫梁，橫梁采用φ48 mm鋼管，橫梁與立柱之間采用鋼管扣件連接。

2)設(shè)置位置。立柱橫向間距2 m/根，彩鋼板安裝在立柱的施工側(cè)。

3)下部基礎(chǔ)。立柱鋼管全長為2.9 m，埋深0.4 m，外露2.5 m?；A(chǔ)尺寸0.3 m(長)× 0.3 m(寬)× 0.4 m(高)，基礎(chǔ)上部0.25 m范圍內(nèi)采用C20混凝土澆筑加固。立柱基礎(chǔ)采用人工開挖，施工前先經(jīng)由設(shè)備管理單位現(xiàn)場說明有無電纜后，再進行施工圍擋的施工。

6.2 防塵網(wǎng)

對路基幫寬過程中暫不施工的路基裸土、現(xiàn)場堆積的物料采用防塵網(wǎng)覆蓋，防塵網(wǎng)標準要求如下：材質(zhì)為耐老化的聚乙烯(HPPE)，網(wǎng)目數(shù)不低于2 000目/100 cm2，密目網(wǎng)針數(shù)為六針，顏色為綠色。

1)覆蓋標準。對路基裸土、散狀物料進行覆蓋時，防塵網(wǎng)必須拼接嚴密、覆蓋完整，采用搭接方式，長邊搭接不少于50 cm，短邊搭接不少于10 cm，采用可靠固定方式進行固定，壓實壓牢，能夠在一定時間段內(nèi)起到良好的防風防塵效果；防塵網(wǎng)管理要明確專人負責，廢棄、破損的防塵網(wǎng)要及時回收入庫，嚴禁現(xiàn)場填埋、現(xiàn)場焚燒和隨意丟棄，避免造成二次污染。

2)覆蓋要求。施工現(xiàn)場臨時堆放的砂石、煤矸石等建筑材料采用揚塵防治網(wǎng)進行覆蓋。路基幫寬作業(yè)時，要盡可能減少土石方裸露面積和時間。

3)灑水降塵。為防止揚塵，采取人工灑水降塵的辦法減小施工作業(yè)面的揚塵，灑水作業(yè)頻次根據(jù)季節(jié)、天氣、施工等情況進行調(diào)整。灑水車灑水作業(yè)中應(yīng)保證安全第一，灑水速度不大于5 km/h。本工程在施工現(xiàn)場配備2臺灑水車進行灑水降塵，灑水司機應(yīng)聽從現(xiàn)場負責人指揮。

7 施工注意事項

7.1 煤矸石路基施工

1)施工主要流程。平整場地→煤矸石裝運、網(wǎng)格布料→剔除雜物和超粒徑材料→壓路機初壓→平地機整平→壓路機輾壓→檢查驗收。

2)施工前準備。煤矸石路基施工前應(yīng)進行控制測量、導(dǎo)線與水準點復(fù)測、中線與路基放樣等，每項測量必須滿足規(guī)范要求，并進行復(fù)核，原始記錄應(yīng)存檔。

3)路基施工前，應(yīng)按照規(guī)定對基底土進行相關(guān)試驗。

4)對用地范圍內(nèi)原有構(gòu)造物和路基基底范圍內(nèi)的表層腐殖土、樹根、草皮等進行清理，并按設(shè)計要求整平壓實。

7.2 材料選擇

填筑路基的煤矸石不得含有樹根、生活與建筑垃圾等其他雜質(zhì)，且應(yīng)符合技術(shù)要求。當煤矸石的含水量(質(zhì)量分數(shù))高于最佳含水量(質(zhì)量分數(shù))2%以上時應(yīng)晾曬，低于最佳含水量2%以下時應(yīng)灑水燜料，將含水量控制在最佳含水量(質(zhì)量分數(shù))±2%以內(nèi)。應(yīng)優(yōu)先選用紅色煤矸石作路基材料，其次是灰褐色煤矸石；黑色煤矸石含炭量高，燒失量偏大，使用前應(yīng)嚴格進行性能檢測試驗，符合技術(shù)要求方可使用。

7.3 儲運

路基填料應(yīng)選用堆放時間較長，強風化且大塊不宜過多的煤矸石；若大塊太多，需進行破碎。含水量調(diào)節(jié)宜在堆料場中進行，減少現(xiàn)場灑水。當氣溫較高時，應(yīng)對煤矸石灑水冷卻后再進行裝運。煤矸石運輸宜采用機械裝車，大噸位自卸汽車拉運,為防止運輸途中揚塵污染。

7.4 拌和、攤鋪

煤矸石路基填筑應(yīng)采用水平分層填筑法。輾壓前應(yīng)將粒徑大于15 cm的煤矸石撿出或人工破碎，確保輾壓質(zhì)量；大顆粒煤矸石集中的地方，應(yīng)用細粒料填充處理，以確保壓實密實。

7.5 輾壓

煤矸石路基壓實的原則是：“先靜后動，先輕后重，先慢后快，先邊后中”。輾壓順序應(yīng)遵循先低后高的原則，直線地段由邊坡向路基中心輾壓，曲線段由曲線內(nèi)側(cè)向外側(cè)碟壓。穩(wěn)壓時輾壓輪跡橫向應(yīng)相互搭接，縱向后輪必須超過相鄰段的接縫。

8 結(jié)語

本文以煤礦區(qū)專用鐵路地面沉陷預(yù)處理為例，簡述抬道、煤矸石幫寬抬高路基、碎石盲溝、施工便道、煤矸石技術(shù)要求、環(huán)境保護與水土保持措施、施工注意事項等技術(shù)概況，為類似工程提供參考。