铜川矿业铁路运销分公司 陆新铜

黄土地区既有铁路路基病害整治及加固技术

铜川矿业铁路运销分公司 陆新铜

随着铁路提速范围的扩大及列车高速、快速、重载方向的发展,黄土地区路基暴露出来的问题越来越突出,既有铁路路基加固及病害防治已成为提速改造工程的关键项目。本文分析了黄土地区既有铁路路基基床病害的成因和特性,提出了黄土地区既有铁路基床病害整治加固的基本思路和技术措施,对我国目前大规模进行的既有线路提速路基改造具有一定的指导意义。

黄土既有线路基处理

一、引言

黄土是一种第四纪沉积物,其分布广泛,总面积达1300万km2,世界许多国家都有分布。我国的黄土分布面积约63万km2,主要集中在西北、华北地区。在我国已建成的铁路中通过黄土地区的线路很多,如陇海线郑西段、宝中线、焦柳线、宝兰线、包兰线、朔黄线、咸铜线等,这些既有铁路黄土路基中,基床表层基本上都是用新黄土填筑,属于C组填料,个别地区用老黄土填料,属于D组填料。由于黄土的水稳定性很差,且路基土一般都未经过加固处理,当填土遇水作用时,强度会大幅度降低。随着铁路提速范围的扩大及列车高速、快速、重载方向的发展,黄土地区提速路基暴露出来的问题越来越突出,对既有铁路中存在的病害及隐患如何进行根治,路基如何加固改造满足提速和载重增加的要求,就成为当前迫切需要解决的重大课题。本文结合工程实践,介绍几种路基加固及病害防治技术。

二、黄土路基基床病害类型及成因分析

1.病害类型。黄土地区常见的路基本体、基床病害表现形式有以下几个方面:(1)路基基床翻浆冒泥,道床板结,线路几何尺寸难以保证。基床翻浆冒泥是指基床表层土受水浸泡和列车荷载的反复作用,发生软化或触变,形成泥浆,受列车振动时泥浆向上翻冒的现象。由于翻浆冒泥造成道床板结、轨道几何状态变化频繁,影响线路结构稳定。(2)基床承载力不足,水稳定性低。(3)基床下沉、外挤,基面变形。(4)道碴陷槽、道碴囊现象严重。(5)高寒区冻胀破坏。

2.基床病害形成机理。黄土的特殊工程地质是上述基床病害形成的根本原因。黄土结构疏松,孔隙多且大,孔隙率一般在33%～64%之间,有沿深度逐渐减小的趋势;有肉眼可见的大孔及虫孔、植物根孔及各种空洞;具有柱状或垂直节理,天然条件下,能保持近于垂直的边坡。黄土的特征决定其具有下列工程性质:(1)湿陷性。干密度越小,湿陷性越强;孔隙比越大,湿陷性越强。(2)透水不均匀性。垂直方向透水性大于水平方向透水性,有时可达10余倍。(3)易崩塌性。(4)易触变性。

黄土地区多是大填挖方工程,黄土的特殊工程特性表明,路基在使用期间一旦有水渗入,土颗粒就会崩解、溶蚀和湿陷,导致路基稳定性差,病害频发。由于黄土的湿陷性和易触变性,其对含水量的变化极为敏感,如下表1新黄土地基极限承载力表[1]所示,含水率低时,承载力很高,随着含水率的增加,承载力随之急剧下降。基床土吸水软化后,基床土强度随含水量的增加而大幅下降,在动力作用下泥浆挤入道床空隙中冒出道床表面,形成翻浆冒泥,严重的会造成路基下沉外挤,如不及时治理,道碴会随之下陷,形成道碴囊。

表1 新黄土地基极限承载力表

基床下沉、基面变形和道碴陷槽主要与路基土体的密度有关。路基填料不一致,含有杂质,加上黄土土体松软,密度不均匀,荷载的长期作用及水的共同作用下,引起不均匀压密,受荷部分下沉,道碴侵入,形成道碴陷槽,下沉量大的部位雨水汇集使周围土体软化,降低了这部分的承载力,在列车荷载的扰动下,线路下沉加剧。按照分层总合法的原理,填土越高,沉降量越大,因此高路堤路段路基下沉更为突出。

在季节冻土地区,冻结期水分迁移带动土体中盐分的迁移,水分充足条件下就会引起冻胀、盐冻使土体体积膨胀,融化期又会使土体软化产生沉陷、翻浆病害,透水不均匀性造成路基土产生不均匀沉陷,局部地段路基发生失稳破坏。

三、既有线路病害治理与加固

1.病害治理与加固的一般原则。黄土地区路基病害的发生和发展主要取决于以下三个方面的因素[2]:基床填土的工程性质;水对基床的作用形式和程度;动荷载的性质、大小和分布。基床病害的治理应根据成因对症下药,彻底根治。

我国既有线路基床病害多发生在平均降水量大于500mm的广大地区,且多集中在基床表层50cm范围内,该范围内受动力影响较为剧烈,再向下应力缩减较快,至表层下1m处,动应力影响已很小[3]。可以认为对黄土地区既有铁路路基病害整治和基床加固的基本思路是:改善排水环境,排除基床面积水;强化基床表层土体,提高其强度及水稳定性。

2.黄土地区铁路路基基病害的整治与加固。水不仅降低路基强度,还会引起翻浆冒泥、路基沉陷及冻胀破坏等其他路基病害。所以,对提速路基而言,采取整治加固措施前必须首先考虑如何疏干路基,保证路基表面及基床浅层排水畅通。改善排水环境,主要靠修筑碴底盲沟来实现。可以采用在路基两侧坡脚及堑顶和线间设置的排水沟,也可以在路基土体内设置横向、纵向排水盲沟,保证路基稳定。

路基病害的整治加固技术措施可以选择下列措施中的一种或几种综合进行。

(1)铺设砂垫床。在碎石道床下部,用符合一定材质要求的中砂或级配良好的粗砂,铺设一定断面的砂层,其作用是使碎石与基面隔离,扩散上部传来的荷载使基面受力均匀,并增加基床刚度、减少基床所受动荷载时的弹性变形,避免基面因积水造成翻浆冒泥。提速工程中,抬道处理是最简单易行、经济可靠的方法。该法可用于防治无地下水的基面翻浆。

(2)设置封闭层与换填。对局部路段或铺设砂垫床有困难的路基,可采用封闭层法(如土工纤维封闭法),隔离地表水,使之不致下渗,降低基床含水量,提高基面承载能力,阻隔泥浆上冒。适用于防治基面翻浆和道碴沉陷,病害水源主要为降水的路段。

换填是指将不良基床土更换(如换砂壤土、中粗砂等)或改良(如换掺石灰)使其满足使用标准。换填厚度视软弱厚度而定,一般为50～60cm,地下水丰富的地段要同时采取降低地下水位的措施,换砂法也可用于防治翻浆冒泥。适用于土质不良、承载能力不足而引起的下沉与外挤等基床变形病害。换填法也是最普遍、采用最多的一种整治冻胀破坏的措施。

采用封闭层、换填整治措施时最好也同时铺砂砂垫床,避免形成道碴囊。

(3)铺设土工材料加固。在道碴的底层或基面结合基床换填,铺设土工材料如土工格室、土工格栅或EPS等,与其上下的砂层构成一复合结构加固基床。土工格栅与土体的作用机理是:土工格栅与土体颗粒的摩擦啮合作用,增加了剪应力,约束了土体的侧向变形;土工格栅或土工格室受荷变形后产生的张力使土体中的垂直应力降低,起到分散应力的作用,减小了基面直接承受的动应力,提高了土体的稳定性和承载能力。

土工合成材料强度高、韧性好、质轻、耐腐蚀、施工简易,在路基病害整治应用中逐渐发展为一种行之有效的整治方法[3]。这种方法分散应力有限适用于地下水位较低或地下水位高但排水条件较好路段路基。

(4)成孔回填桩与搅拌桩加固处理。回填桩与搅拌桩加固法就是按复合地基加固原理对路基基床以提高路基静承载力为目的进行加固处理。

成孔回填桩利用列车间隙时间施工,在路基上按一定间距成孔,再分层装填石灰或水泥等材料的改良土,经橄榄锤分层击实。其主要作用为:通过填装材料吸水和离子交换作用,使桩周土体固结和改良,增强土体强度;桩身起骨架作用,加上成桩过程中对周围土体产生的挤压作用,使桩与桩间土形成复合地基,从而提高承载能力。

搅拌桩是近年来用于处理软弱地基发展比较快的技术,它主要是利用专用设备在路基或基床上钻孔,然后将加固材料(水泥或石灰)在粉喷或注浆的同时进行原位搅拌,使加固材料与土体混合成桩,并与土体产生离子交换作用、凝聚作用、化学结合等一系列物理化学作用,使土体固结和改良,并使其与一定强度的桩体共同作用,从而形成具有整体性、水稳性较好,具有一定强度的复合地基,从而达到提高地基承载力、减少地基变形的目的[4,5]。

成孔回填桩与搅拌桩加固法具有施工简单、费用低、不封锁线路等优点,因而被越来越广泛地应用于较深层的黄土地基加固。该技术适用于防治路基及基床强度不足造成的下沉或外挤等路基病害和既有线路基床土体的加固。

(5)注浆或高压旋喷原位固定。通过钻孔或插入花管,将改良浆液压入路基及基床,压密土体,使凝固体和土体复合受力,提高路基的承载力。适用于高路堤中由于填料不良及强度不足引起的基床下沉和外挤病害。

四、结语

在黄土地区既有铁路基床病害中,大多是由于基床填料不良或排水不畅而导致土体含水量增加,基床承载力大幅降低,形成基床病害。因此在路基病害防治和加固处理时要抓住填料本身的改良和排水环境的改善两个重要因素,根据不同自然条件和工况下黄土路基的自身特点,本着“因地制宜、经济合理”的原则,采取相应措施对黄土地区提速路基进行处理。

[1]楚华栋,裴章勤等.黄土的工程特性、筑路技术和病害处理[J].铁道工程学报,2005(12)

[2]周锡九.铁路路基基床病害及产生机理分析[J].北方交通大学学报,1994,18(1)

[3]羊关怀,王炳龙,方卫民.土工格室整治浙赣线路基基床病害的试验研究报告[R].杭州铁路分局工务段,同济大学沪西校区岩土工程研究所,1999

[4]杨有海,苏在朝,夏琼.黄土地区既有铁路基床病害整治加固技术研究[J].路基工程,2006(4)

[5]韩自力.既有线提速路基的对策研究[J].中国铁道科学,2002,4(23)