川中紅層泥巖高速鐵路基上拱病害處理設(shè)計(jì)

司文明 龐永海

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031;2.成都衡泰工程管理有限責(zé)任公司， 成都 610094)

紅層是一種外觀以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑巖沉積地層，在我國西南地區(qū)分布較為廣泛。其中四川盆地及其周邊山地分布的紅層泥巖俗稱“川中紅層”，是一種典型的軟質(zhì)泥巖，具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化剝落、易軟化、遇水膨脹崩解、失水收縮開裂等工程特性，工程性質(zhì)差，普遍存在一定的膨脹性和顯著的流變性。近年來，隨著高速鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，川中紅層泥巖高鐵路基上拱變形病害問題逐漸突顯[1-3]。

上拱病害的發(fā)生與紅層泥巖的工程特性密不可分。王沖[4]等認(rèn)為遇水后“無膨脹性”的低黏土礦物含量泥巖是引發(fā)路基上拱病害的原因。吳沛沛[5]通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)紅層泥巖的流變性是致使路基出現(xiàn)隨時(shí)間增長而持續(xù)上拱變形的主要原因。敬洪武[6]通過對紅層泥巖水理特性的研究分析，認(rèn)為紅層泥巖遇水膨脹是導(dǎo)致無砟軌道路基持續(xù)上拱的內(nèi)在機(jī)制。楊吉新[7]等認(rèn)為紅層泥巖的蠕變及卸荷回彈綜合造成了路基上拱。鐘志彬[8]等研究發(fā)現(xiàn)紅層泥巖的流變性和膨脹性是引起川中地區(qū)多處高速鐵路路基長期持續(xù)性上拱變形的重要因素。

綿瀘高速鐵路內(nèi)江至自貢至瀘州段、榮昆高速鐵路自貢至宜賓段均位于川中紅層廣泛分布的區(qū)域，路基長度所占比重較大，解決路基上拱的問題較為突出。本文以兩線路基設(shè)計(jì)為依托，為避免出現(xiàn)路基上拱病害，創(chuàng)新勘察設(shè)計(jì)手段，優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，在充分吸取既有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合分析研判區(qū)域性工程水文地質(zhì)情況，從工程建設(shè)的源頭采取針對性措施，為后續(xù)的安全施工和運(yùn)營提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。

1 工程地質(zhì)概況

內(nèi)江至自貢至瀘州段、自貢至宜賓段鐵路以低山丘陵地貌單元為主，海拔200～500 m，地形起伏較小。區(qū)段內(nèi)出露地層為中生界白堊系、侏羅系、三疊系地層。其中尤以侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組、下統(tǒng)珍珠沖組為主，占全線總長度的70%左右。巖性以泥巖為主，局部夾砂巖，屬典型的川中紅層，泥巖為紫紅色、紅褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，鈣-泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，遇水軟化崩解、失水收縮開裂。區(qū)內(nèi)屬長江水系，地表水較發(fā)育；地下水主要有第四系松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水等，溝槽中水位埋深較淺。

路塹開挖揭示挖方段上覆土層較薄，下伏為典型的紅層泥巖，開挖后風(fēng)化較快，局部易出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，不過整體穩(wěn)定性較好。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)段內(nèi)紅層泥巖普遍具有一定的膨脹性，自由膨脹率和膨脹力指標(biāo)普遍較低，多數(shù)段落尚未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的膨脹巖標(biāo)準(zhǔn)，部分段落達(dá)到弱膨脹巖標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究思路

首先，搜集分析川中紅巖地區(qū)既有高速鐵路路基上拱的工程案例和相關(guān)文獻(xiàn)資料，搞清楚專業(yè)研究人員對路基上拱問題的認(rèn)知，弄明白此問題的原因分析和原因分類，總結(jié)歸納影響高速鐵路路基發(fā)生上拱變形的關(guān)鍵因素。其次，充分了解研究工程的工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)條件、工程地質(zhì)參數(shù)、水文資料、其他各類氣象條件等。再次，綜合現(xiàn)階段的相關(guān)規(guī)范要求、勘察技術(shù)水平、設(shè)計(jì)理念、施工控制、檢測手段等各方面因素，吸取經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)教訓(xùn)，理清分析思路，采取優(yōu)化完善設(shè)計(jì)的針對性方案措施。

影響高速鐵路路基上拱的因素可歸納為環(huán)境因素和人為因素兩大類。環(huán)境因素包含地質(zhì)條件、水的影響、溫度條件及其他氣象條件等；人為因素主要是指規(guī)范要求、勘察技術(shù)水平、設(shè)計(jì)理念、施工過程控制、檢測手段等。結(jié)合目前對紅層泥巖上拱問題的認(rèn)知水平，對所有影響因素逐條確認(rèn),找出主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)地質(zhì)條件

紅層泥巖特殊的地質(zhì)條件是導(dǎo)致路基上拱的內(nèi)在原因。基于此，需進(jìn)一步查明區(qū)間不同段落紅層泥巖物理力學(xué)指標(biāo)的細(xì)微差別，特別是不同段落泥巖的膨脹性指標(biāo)。針對不同的膨脹性指標(biāo)，采取針對性的設(shè)計(jì)方案、工程措施，對現(xiàn)場施工提出合理的設(shè)計(jì)和施工要求。

(2)水的影響

調(diào)查清楚原始地表水的下滲影響、地下水的分布與徑流區(qū)域。施工過程中因局部地形地貌的重大改變，改變了原處于封閉狀態(tài)的弱風(fēng)化紅層泥巖的賦存環(huán)境條件時(shí)，需合理推測地表水新的下滲范圍及地下水的重新分布與徑流區(qū)域，采取針對性的防排水設(shè)計(jì)措施。

(3)勘察技術(shù)水平

受技術(shù)、設(shè)備條件的制約，地質(zhì)勘察不夠詳盡。對紅層泥巖的勘察水平有待進(jìn)一步提高，尤其是對其膨脹性和流變性的進(jìn)一步勘察判別。

(4)設(shè)計(jì)理念

進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)理念，采取動態(tài)化設(shè)計(jì)，采取專門的方案和措施。

3 勘察設(shè)計(jì)處理方案

3.1 針對性設(shè)計(jì)措施

合理、有效、準(zhǔn)確地判別區(qū)域內(nèi)紅層泥巖的膨脹性，根據(jù)類型采用針對性的設(shè)計(jì)措施。

依據(jù)專項(xiàng)膨脹性試驗(yàn)結(jié)果，段內(nèi)紅層泥巖可分為具有一定膨脹性的非膨脹巖、弱膨脹巖和中～強(qiáng)膨脹巖。

(1)對于具有一定膨脹性的非膨脹巖挖方路基段落，采取路堤式路塹的形式，基床底層挖除1.5 m厚度的紅層泥巖，換填合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為0.6 m。相較于非紅層泥巖，段路基床底層挖除換填深度提高了2倍[9]。

(2)對于弱膨脹巖挖方路基段落，也采取路堤式路塹的形式，基床底層2.3 m厚度內(nèi)的紅層泥巖應(yīng)全部挖除，換填成合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為3.0 m，使整個(gè)基床表層和基床底層全部外露。

(3)對于中～強(qiáng)膨脹巖挖方路基段落，同樣采取路堤式路塹的形式，基床底層2.3 m厚度內(nèi)的紅層泥巖全部挖除換填成合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為3.0 m，使整個(gè)基床表層和基床底層全部外露。在此基礎(chǔ)上，基床以下增設(shè)樁板結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步消除紅層泥巖膨脹性的不利影響。

3.2 有效消除基床結(jié)構(gòu)內(nèi)水的影響

廣泛收集和分析沿線歷年水文資料，在掌握準(zhǔn)確水文情況的基礎(chǔ)上，采取針對性的設(shè)計(jì)思路，盡可能消除水對紅層泥巖挖方段落內(nèi)路基基床結(jié)構(gòu)本身的影響，嚴(yán)格控制地表水下滲，合理降低基床結(jié)構(gòu)內(nèi)地下水的水位。

(1)紅層泥巖全線路基挖方段落均采用路堤式路塹的形式，在路堤式路塹兩側(cè)設(shè)置側(cè)溝。使基床表層和基床底層全部外露，基床底層的水自然順流流入側(cè)溝，側(cè)溝底部再設(shè)置縱向排水盲溝，達(dá)到完全排出基床范圍內(nèi)的殘留水及進(jìn)一步降低地下水水位的效果。

(2)路基基床表層排水系統(tǒng)應(yīng)確保雨水自然流入旁側(cè)的溝槽中，排出基床外，同時(shí)基床表層頂部采用0.1 m厚的C25細(xì)石纖維混凝土封閉，進(jìn)一步阻止雨水下滲。

(3)路基基床底層換填底面鋪設(shè)一層0.1 m厚的中粗砂加一層復(fù)合防排水板，防排水板能有效阻擋基床以下水的毛細(xì)上升作用，也能有組織地排出基床范圍內(nèi)的水，起到較好的隔離和排水作用。

3.3 提高紅層泥巖的勘察設(shè)計(jì)水平

針對紅層泥巖的特殊性，在勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用先進(jìn)的、多種多樣的勘察手段，詳細(xì)準(zhǔn)確分析紅層泥巖的各類物理力學(xué)指標(biāo)、調(diào)查出地下水的發(fā)育情況及徑流路徑，采用準(zhǔn)確合理的試驗(yàn)手段，準(zhǔn)確判別紅層泥巖的膨脹類別和膨脹等級，為針對性的設(shè)計(jì)措施提供堅(jiān)實(shí)充分的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.4 采取精細(xì)化動態(tài)設(shè)計(jì)理念

在高速鐵路紅層泥巖路基設(shè)計(jì)過程中，為加強(qiáng)對無砟軌道路基上拱問題的防范，需采用精細(xì)化、動態(tài)的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)行詳細(xì)的專題設(shè)計(jì)。并在施工現(xiàn)場嚴(yán)格把控設(shè)計(jì)方案的落實(shí)。在現(xiàn)場施工開挖后再次開展地質(zhì)核查和進(jìn)一步的試驗(yàn)測試工作，驗(yàn)證物理力學(xué)參數(shù)和膨脹性指標(biāo)；進(jìn)一步核查地下水的分布和徑流情況，確保截排水措施的施作質(zhì)量。

紅層泥巖挖方路基段落設(shè)置路基變形自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)判別路基段落變形情況，根據(jù)自動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)評估后期膨脹變形及應(yīng)采取的工程措施。

4 結(jié)束語

本文通過對高速鐵路紅層泥巖路基的設(shè)計(jì)探討，明確了設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)控制的4個(gè)重要因素。在高速鐵路紅層泥巖路基設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采用多樣性的勘察及試驗(yàn)手段，詳細(xì)查明紅層泥巖的物理力學(xué)參數(shù)，高度重視膨脹巖的判別，查明地下水的分布和徑流情況，在路基基床范圍內(nèi)采取針對性的措施，挖除既有紅層泥巖換填合格的級配砂石填料，嚴(yán)格控制水的影響，運(yùn)用動態(tài)化設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工過程中的正向反饋。采用針對性的處理方式，既能有效地降低工程投資，又能系統(tǒng)防控路基上拱病害的產(chǎn)生，能更好地確保高速鐵路的安全運(yùn)營。