西南某鐵路翻漿冒泥機(jī)理及病害處置優(yōu)化分析

徐鳳祥，趙培鈞，沈蘇興，崔俞，魏博康

（1.四川省鐵路建筑有限公司，四川 成都 611130；2.成都卓奧叢山環(huán)境科技有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

鐵路路基是鐵路軌道系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔(dān)并傳遞軌道本身的重量及列車(chē)荷載，是保證列車(chē)安全運(yùn)行的重要組成部分。翻漿冒泥是指基床土體在降雨或地下水的作用下，自身吸水液化形成泥漿，在列車(chē)循環(huán)荷載作用下，孔隙水壓力不斷發(fā)生變化，泥漿沿著道砟間空隙上涌，并最終從鋼軌接口處噴濺而出，在道床中部集聚的一種路基病害。翻漿冒泥不僅影響鐵路行車(chē)安全，而且還增加鐵路維修量，縮短軌道使用壽命。若發(fā)生翻漿冒泥后清理不及時(shí)，泥漿中水分揮發(fā)后，還會(huì)造成道床板結(jié)、鐵路整體彈性降低等危害。

翻漿冒泥形成機(jī)理的現(xiàn)有研究有：①Takatoshi 最早提出了有砟軌道翻漿冒泥形成模型，即翻漿冒泥抽吸驅(qū)動(dòng)模型；②Alobaidi 對(duì)路基土上覆粗顆粒層形成的結(jié)構(gòu)（如高速公路及鐵路）的翻漿冒泥病害和影響因素以及治理材料均進(jìn)行了全面的研究；③Cui選擇了法國(guó)西部一條在運(yùn)營(yíng)的早期修建且病害較嚴(yán)重的鐵路線路進(jìn)行鉆孔取芯試驗(yàn)研究，并設(shè)計(jì)了縮尺的物理模型試驗(yàn)，研究了中間夾層（interlayer）和翻漿冒泥的形成機(jī)理。

樊永杰[1]針對(duì)大巴山隧道翻漿冒泥病害特點(diǎn)，提出了安設(shè)水平集水孔、加深側(cè)溝、施設(shè)仰拱、翻修加厚道床等方法的綜合處置措施；司劍鋒[2]在兗石線路基處置修繕工程實(shí)踐中，采用鋪設(shè)兩布一膜不透水土工布，并在布的上下加設(shè)中粗砂保護(hù)層的處置措施來(lái)處理基床翻漿冒泥病害；段銘鈺[3]采用石灰改良基床填料與鋪設(shè)土工布相結(jié)合的辦法對(duì)浙贛線鐵路路基翻漿冒泥進(jìn)行處理；程博華[4]分析朔黃線路基翻漿冒泥病害，提出對(duì)于基床性病害采用自路肩外花管注漿后設(shè)置中粗砂+復(fù)合排水板封閉層的處置措施；吾望超等[5]以高分子化合物聚氨酯、聚脲和碎石為原料，調(diào)配發(fā)明了一種新型化學(xué)聚合物——碎石結(jié)構(gòu)層，同時(shí)施工時(shí)采用挖除底漿、鋪設(shè)聚合物結(jié)構(gòu)層的方式來(lái)對(duì)翻漿冒泥進(jìn)行治理。

綜上，在已有的翻漿冒泥處置中，基本都是因地制宜，采取最適合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)的方法，并沒(méi)有一種在任意地區(qū)都適用的方法。針對(duì)本次研究區(qū)段，在常規(guī)換填路基土、道砟等措施基礎(chǔ)上，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上預(yù)測(cè)和緩解翻漿冒泥的產(chǎn)生。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

研究區(qū)域地處四川盆地南部，地貌區(qū)域劃為川中丘陵。依據(jù)地形地貌、海拔高程可細(xì)化為兩個(gè)地貌單元，即丘陵山地區(qū)和丘陵區(qū)。

①丘陵山地區(qū)

丘陵山地區(qū)多為砂巖與泥、頁(yè)巖互層，常形成臺(tái)階狀的“方山”。山頂一般較平緩，海拔高程500～650m；溝谷深切，呈“V”形，切割深度一般50～100m，最大切割深度達(dá)180m。谷坡陡峭，線路起點(diǎn)端一帶多見(jiàn)陡立懸崖，至汪洋一帶呈變緩的趨勢(shì)，谷底也逐步變寬，“方山”平臺(tái)及山頂多辟為耕地，谷坡多為密林。

②丘陵區(qū)

丘陵區(qū)地層以泥巖為主，夾砂巖，剝蝕后多形成圓緩丘陵，在樂(lè)山周邊以砂巖為主的地帶則較陡。丘頂高程在380～500m 之間，丘間溝槽多呈寬緩的淺“U”形，溝槽與丘頂高差在30～60m 之內(nèi)。丘坡一般為旱地或林地，溝槽內(nèi)以水田為主，漁塘散布。

1.1.2 地層巖性

根據(jù)翻漿冒泥段路基橫斷面圖所示（圖1），其地層由新到老分別為以下兩種。

圖1 路基橫斷面圖

1.1.2.1 第四系（Q）

沿線第四系成因復(fù)雜、種類(lèi)繁多、分布廣泛、厚度變化大，主要有坡積、殘積、崩積、沖積、洪積、滑坡堆積等地層。沿既有鐵路、高速公路及附近的溝谷中有大量的人工堆積，多為全新統(tǒng)（Q4）地層，局部為上更新統(tǒng)（Q3）地層，其中全新統(tǒng)（Q4）可分為以下兩部分。

人工填土（Q4ml）：表面顏色主要為灰黃、褐黃、棕紅、棕黃等，為硬塑狀粉質(zhì)黏土夾碎石角礫及稍濕～潮濕狀碎石類(lèi)土，石質(zhì)為泥巖、砂巖。來(lái)源一是廢棄老鐵礦及城鎮(zhèn)建設(shè)棄渣，厚2～25m 不等，松散，稍濕～潮濕，穩(wěn)定性差，屬Ⅱ級(jí)普通土～Ⅲ級(jí)硬土；二是既有鐵路、高速公路及城市道路等填筑土，厚2～20m，稍濕～潮濕，稍密～中密。

坡殘積層（Q4dl+el）：褐黃、淺黃、紫紅色硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土，含碎石角礫。一般厚0～2m，局部達(dá)5～8m，廣泛分布于緩坡及坡腳。

1.1.2.2 侏羅系（J）

下統(tǒng)（J1）中的珍珠沖組（J1z）：紫紅或雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾黃綠色泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖和薄至中厚層狀粉——細(xì)粒石英砂巖，泥巖一般具有弱膨脹性。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地層的儲(chǔ)水介質(zhì)及富水程度判斷，研究區(qū)域地下水主要為第四系孔隙潛水。

研究區(qū)域內(nèi)大部分地段的第四系覆蓋層以黏性土為主，水量匱乏，第四系孔隙潛水主要賦存于河流及沖洪積松散土層中，地下水埋深約1～3m，為飽水層，由大氣降雨及河水補(bǔ)給，受季節(jié)變化影響較大。

2 西南某鐵路翻漿冒泥病害概況

西南某鐵路經(jīng)過(guò)四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣、眉山市仁壽縣和樂(lè)山市境內(nèi)，線路全長(zhǎng)90.775km，參照國(guó)鐵Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。東側(cè)成自瀘高速?gòu)墓こ虆^(qū)穿過(guò)，西側(cè)有多條高速連接樂(lè)山市，國(guó)道G213 從中段通過(guò)北區(qū)，有多條省道連接，途經(jīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，村與村之間有鄉(xiāng)間道路相連，線路交通條件較好。

該鐵路自2010 年通車(chē)，經(jīng)過(guò)12 年運(yùn)行，多段出現(xiàn)翻漿冒泥病害，特別是圖2 附近翻漿冒泥較為嚴(yán)重，根據(jù)道床表面的表現(xiàn)形式，將其分為三個(gè)區(qū)域，即集聚區(qū)、包裹區(qū)和影響區(qū)。并按時(shí)空域進(jìn)行排序（見(jiàn)圖3），即①泥漿在道心處積聚、②泥膜將道砟完全包裹約（1mm）、③道砟表面附著泥點(diǎn)。

圖2 翻漿冒泥現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖3 翻漿冒泥在道床表面的三種表現(xiàn)形式

通過(guò)對(duì)該道床翻漿冒泥產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行觀察，將其分為四個(gè)階段，見(jiàn)表1。

表1 道床翻漿冒泥發(fā)展階段

3 翻漿冒泥病害機(jī)理分析

3.1 影響翻漿冒泥的主要因素

鐵路路基在修建完成后，起初為一個(gè)健康體系，隨著時(shí)間的推移，其排水系統(tǒng)開(kāi)始堵塞或失效，地表水或地下水開(kāi)始入侵路基土，隨著運(yùn)載列車(chē)的反復(fù)行駛，產(chǎn)生的循環(huán)荷載不斷沖擊鐵路系統(tǒng)，道砟彼此碰撞破碎劣化，并產(chǎn)生細(xì)顆粒下陷，使孔隙水壓力不斷發(fā)生變化，土體液化，泥水?dāng)y帶細(xì)顆粒不斷上涌，發(fā)生翻漿冒泥。因此翻漿冒泥是多種因素共同作用下發(fā)生的一種病害，路基土性質(zhì)、水、道砟條件、列車(chē)循環(huán)荷載都是發(fā)生路基翻漿冒泥的主要因素。

①路基土性質(zhì)

路基土性質(zhì)的優(yōu)劣[6]是基床產(chǎn)生翻漿冒泥的前提條件。根據(jù)以往的研究，基床翻漿冒泥的土質(zhì)中，若含有易軟化的物質(zhì)，如蒙托石、綠泥石等，由于其強(qiáng)烈的親水性，容易吸收水分并軟化，為翻漿冒泥的產(chǎn)生提供前提條件。

該鐵路路基土為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖（圖4），含有一定的透水性。隨著風(fēng)化作用，土中細(xì)顆粒的占比逐漸上升，遇水軟化路基，為翻漿冒泥的產(chǎn)生提供前提。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)路基土

②水

路基的翻漿冒泥過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是水裹挾細(xì)顆粒在路基中遷移、上涌的過(guò)程[7]，因此水是發(fā)生翻漿冒泥的重要條件之一。

該鐵路所在區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒駶?rùn)氣候帶，其降雨特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、歷時(shí)短、雨量大、時(shí)空分布不均。這種氣候條件決定了鐵路會(huì)面臨短期內(nèi)路基土體含水率突然變化的情況，汛期降雨量增大，再加上基床排水設(shè)施的缺失導(dǎo)致排水不暢，使得路基土易吸水膨脹，顯著降低了土體的臨界動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度，使得土體發(fā)生軟化，并在列車(chē)的振動(dòng)荷載作用下使得道砟壓入基床形成道砟囊，被道砟擠壓的土體形成泥漿上涌至道床。

③列車(chē)荷載

列車(chē)行駛過(guò)程中，車(chē)輪沖擊鐵軌帶來(lái)的振動(dòng)荷載會(huì)通過(guò)枕軌和道砟傳遞到路基中，列車(chē)振動(dòng)[8]荷載一方面會(huì)使基床土體發(fā)生塑性變形，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累積最終造成路基的不均勻下沉，從而使得基床面局部產(chǎn)生積水；另一方面又會(huì)不斷上下抽吸翻漿冒泥過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿，使得基床土體內(nèi)部發(fā)生循環(huán)上升下降的滲流，滲流產(chǎn)生的動(dòng)水頭將土體顆粒沖刷推擠至基床面上，最終形成表觀上的翻漿冒泥病害。

研究區(qū)段鐵路由于為貨運(yùn)鐵路，需承受荷載較大，且至今已運(yùn)行12 年，路基質(zhì)量嚴(yán)重下降，道砟劣化越發(fā)加劇，排水系統(tǒng)日益老化。因此，列車(chē)荷載是導(dǎo)致該鐵路發(fā)生翻漿冒泥的重要外因。

④道砟情況

有砟道床由具有一定級(jí)配的碎石組成。由于列車(chē)輪軌粗糙以及棘輪，或者當(dāng)列車(chē)通過(guò)剛度不均的位置，如橋頭、道路交叉口、有砟-無(wú)砟軌道過(guò)渡段等，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高沖擊力荷載，在鋼軌焊接處，由于不良的焊縫，也會(huì)產(chǎn)生沖擊荷載[9]。

在該鐵路翻漿冒泥區(qū)段，根據(jù)道砟劣化情況（圖5），可以明顯看出其在列車(chē)荷載等外部應(yīng)力下，道砟與道砟之間相互碰撞、磨損，其外形、強(qiáng)度、整體對(duì)于鐵路穩(wěn)定受力的性質(zhì)都已嚴(yán)重下降。其在磨損中所產(chǎn)生的細(xì)小顆粒，隨著縫隙下沉，在外部應(yīng)力作用下，與水相遇成為泥漿，甚至發(fā)生翻漿冒泥。

圖5 道砟劣化現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.2 翻漿冒泥病害機(jī)理

通過(guò)對(duì)上述主要影響因素進(jìn)行分析，再綜合已有的研究成果及經(jīng)驗(yàn)，將該鐵路翻漿冒泥的過(guò)程總結(jié)如下[10-15]。

①初始裂隙形成階段

這一階段一般是鐵路線路竣工或經(jīng)過(guò)較大處置以后，路基土結(jié)構(gòu)比較完整、路基面平整、道砟潔凈。而隨后由于路基土在干濕循環(huán)的作用下逐漸產(chǎn)生細(xì)微裂隙，這些細(xì)微裂隙在列車(chē)振動(dòng)荷載以及水的滲透侵蝕下相繼連通，進(jìn)而形成較大裂隙，為水提供了良好的運(yùn)移和儲(chǔ)存通道，為后續(xù)的翻漿冒泥病害的發(fā)生提供了條件（見(jiàn)圖6）。

圖6 初始裂隙形成階段

②路基軟化下沉階段

汛期降雨量增大，由于干濕循環(huán)產(chǎn)生的裂隙使路基土在降水作用后含水率增大，繼續(xù)吸水膨脹導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，特別是在土體達(dá)到飽和狀態(tài)以后，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正常干燥情況下的土體強(qiáng)度，此時(shí)土體在動(dòng)荷載的作用下，不僅僅表現(xiàn)為較大的累計(jì)變形，更有可能是整個(gè)骨架的失穩(wěn)破壞。飽和失穩(wěn)的路基土由于變形量過(guò)大而產(chǎn)生沉降，形成凹坑，積水難以排除，在列車(chē)振動(dòng)荷載的作用下，道砟與失穩(wěn)的土體反復(fù)相互作用，使得道砟被動(dòng)荷載擠壓進(jìn)入軟化后的路基中，導(dǎo)致路基土體整體滲透系數(shù)增大，而道床也由于荷載的作用發(fā)生了不均勻沉降，道砟持續(xù)下擠進(jìn)入路基，這使得水分更易聚集在路基的局部區(qū)域，加劇了翻漿冒泥病害的產(chǎn)生（圖7）。

圖7 路基軟化下沉階段

③翻漿冒泥形成階段

道砟被列車(chē)動(dòng)荷載擠入軟化的土體后，路基土體被道砟取代形成道砟囊，使得飽和狀態(tài)的土體以泥漿的形式在動(dòng)荷載的作用下擠壓上升至道床中。上涌的泥漿充填了道砟的縫隙，在經(jīng)過(guò)蒸發(fā)作用后其水分逐漸散失，泥漿使原本分散的道砟膠結(jié)成為整體，道砟面板結(jié)成塊，使道床和路基之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的空間。在經(jīng)過(guò)列車(chē)反復(fù)上下振動(dòng)形成的動(dòng)荷載作用下，這一封閉空間便形成一個(gè)真空帶發(fā)生抽吸作用，使得下部的泥漿繼續(xù)上升至道床表面，并在干濕循環(huán)作用下發(fā)生軟化-泥漿上涌-板結(jié)-軟化的惡性循環(huán)。道砟上的泥漿越來(lái)越多，板結(jié)后的膠結(jié)物越來(lái)越密實(shí)，局部的翻漿冒泥由點(diǎn)連接成片，最終表現(xiàn)成整段路基的翻漿冒泥病害現(xiàn)象，見(jiàn)圖8。

圖8 翻漿冒泥形成階段

4 病害處置方案優(yōu)化

4.1 病害處置方案

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)翻漿冒泥不同階段的處置方法如表2所示。

表2 翻漿冒泥發(fā)展不同階段地處置方法

4.2 病害處置方案優(yōu)化

研究區(qū)域地下水主要為第四系孔隙型水，受季節(jié)性影響較大，且沿線鐵路兩邊有大量水田，汛期雨水不能完全從鐵路系統(tǒng)中排出，所以對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。

在上述措施的基礎(chǔ)上，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：①0.1m 中粗砂+兩布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 帶孔排水管放置于兩布一膜中上層透水土工布和不透水土工膜之間，以便上部道砟層中積水能順利從PVC 帶孔排水管中排出，不會(huì)滲透入基床中[16-19]，兩布一膜材料選取時(shí)的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖9 道床斷面圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)研、研究區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工等情況，觀察道床翻漿冒泥的發(fā)生過(guò)程，對(duì)翻漿冒泥道床表面三種表現(xiàn)形式、主要影響因素、病害形成機(jī)理進(jìn)行研究，提出了有針對(duì)性的排水系統(tǒng)處置優(yōu)化措施。主要得出以下結(jié)論。

通過(guò)觀察道床翻漿冒泥產(chǎn)生的具體過(guò)程，將翻漿冒泥在道床表面的表現(xiàn)形式分為以下三個(gè)區(qū)域，即集聚區(qū)、包裹區(qū)和影響區(qū)。并按時(shí)空域進(jìn)行排序，即①泥漿在道心處積聚、②泥膜將道砟完全包裹（約1mm）、③道砟表面附著泥點(diǎn)。

分析了在路基土性質(zhì)、水、道砟等內(nèi)因作用下，為翻漿冒泥的產(chǎn)生提供了物料等必要條件，進(jìn)而在外因列車(chē)荷載的作用下，土體液化形成泥漿，竄出道床形成翻漿冒泥的具體過(guò)程。

在以往的病害處置方案基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：①0.1m 中粗砂+兩布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 帶孔排水管，并放置于兩布一膜中上層透水土工布和不透水土工膜之間，以便上部積水從PVC 帶孔排水管中排出，不會(huì)軟化下部基床，維持鐵路系統(tǒng)正常運(yùn)行，成功減少了翻漿冒泥的產(chǎn)生，取得了良好的處置效果。