内蒙某快速通道过渡段路基沉降特征成因分析

2015-03-17蔡双乐张道金

铁道勘察 2015年3期

蔡双乐　张道金

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI Shuangle　ZHANG Daojin

内蒙某快速通道过渡段路基沉降特征成因分析

蔡双乐张道金

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Characteristic and Cause Analysis of Subgrade Sedimentation in Transition Sections of a Inner Mongolia High-Speed Railway

CAI ShuangleZHANG Daojin

摘要根据该段路基沉降病害随机分布的特点，采用钻探、瑞雷面波、N10和Evd等综合勘探手段，探查填料性质、压实密度和基底土质情况，结合设计文件、施工过程资料和现场调查资料，分析沉降病害成因特征，提出加固处理措施建议。

关键词高速铁路过渡段沉降病害特征成因分析

该线为国铁Ⅰ级双线电气化铁路，是我国第一条速度160 km/h预留200 km/h、开行万吨列车的重载快速铁路，于2010年建成通车。通车伊始，部分桥路、涵路过渡段即出现持续沉降病害。 2012年7月20日15时～7月21日9时，该线普降大到暴雨，最大连续降雨量达92.2 mm；7月25日1时～8时该地区再次出现强降雨，最大连续降雨量达86.4 mm。两次强降雨导致沿线局部地段的路基边坡发生坍塌、排水沟淤堵或被冲毁，在 K50～K140段内的部分桥路、涵路过渡段出现较明显的下沉，严重影响列车安全运营。

1概况

1.1　设计概况

该段路堑与路堤相间分布，土石方调配以移挖作填为原则。路堤与桥台、路堤与横向结构物(涵洞)连接处设置过渡段，过渡段为倒梯形(设计时为梯形，施工时均调整为倒梯形)，采用级配碎石填筑。过渡段路堤基床表层为级配碎石，压实标准应满足K30≥190 MPa/m和孔隙率n<18%；表层以下以级配碎石分层填筑，邻近桥台2 m范围级配碎石掺5%水泥(图1、图2)，填筑压实标准应满足K30≥150 MPa/m和孔隙率n<28%[1]。路堤工后沉降量应满足以下要求：一般地段不应大于15 cm，路桥过渡段不应大于10 cm，年沉降速率不应大于5 cm/年[2]。

图1　桥路过渡段

图2　涵路过渡段

1.2　工程地质概况

地貌为高原剥蚀丘陵区，丘坡与谷地相间，地形起伏大，沟谷纵横，切割强烈，冲沟发育；谷地大部为砂层覆盖，丘坡及冲沟基岩出露较好，基岩岩性以砂岩、砂砾岩为主，夹泥质粉砂岩、泥岩薄层。

沿线为典型温带大陆性季风气候，具有低温、寒冷、降水稀少的气候特点，年平均气温在5.3～8.7 ℃，平均月最低气温为-10～13 ℃，7月平均气温为21～25 ℃，全年气温日差为11～15 ℃，年差为45～50 ℃。降水量为300～400 mm，全年降水集中在7～9月。蒸发量大，年蒸发量达2 000～3 000 mm。

2过渡段沉降病害特征

K50+000～K159+000区间内桥路过渡段有76处(38座桥梁)，涵路过渡段有156处，共计232处。截止2012年7月底，根据工务部门提供的统计资料，路基与桥梁、路基与涵洞过渡段累计沉降达到100 mm以上的地段约有132处，其中累计沉降达到200 mm以上的地段有24处，见表1。

表1　桥路、涵路过渡段下沉病害情况统计[3]

2.1　沉降病害占比大

从表1可知，路堤与桥梁过渡段下沉严重有45处，占该段总桥梁过渡段个数(76个)的59.2%；路堤与涵洞过渡段下沉严重有87处，占该段总涵洞过渡段个数(156个)的55.7%；二者占比均超过50%，可见该段桥路、涵路过渡段下沉病害十分严重，桥路、涵路过渡段病害不存在个数的系统差异。

2.2　沉降病害分布特征

沉降病害主要发生在K50～K159段，特别集中在K60～K140段，该段地貌为剥蚀丘陵区，冲沟、狭窄谷地发育。线路纵断面上地面线上下起伏，路堑、路堤频繁交替，桥路、涵路过渡段众多。该段路基土石方调配原则是移挖作填，路堑弃方多为泥质砂岩、砂砾岩间夹薄层泥岩，属B、C组填料。而K60～K140段以外的地段则地形较平坦，路基基床表层以下多采用集中取土场的C组填料。

从微地貌角度，桥路过渡段大多数处于丘坡的斜坡上，而涵路过渡段位于丘坡和谷地区域的数量差不多，所以不具有沉降位置同丘坡、谷地的对应关系，沉降病害与过渡段所处位置的微地貌分布无系统联系。

2.3　沉降病害沉降量与填高

从对病害路基的高度分析来看，路桥过渡段路基最高约10.0 m，平均高度约4.6 m，相对较低；路涵过渡段路基最高约12.0 m，平均高度约6.0 m，相对较高；桥路过渡段的最大沉降(沉降量300 mm)发生在填高10 m处，涵路过渡段的最大沉降(沉降量350 mm)发生在填高6 m处。根据统计，填高1 m范围平均沉降量与填高的对应关系曲线如图3，填高6～7 m时，沉降量最大，小于6 m时，沉降量随路基填高的增高而增加，大于7 m后基本处于140～160 mm。统计显示沉降量大小与填高无线性对应关系，具有随机性。

图3　过渡段路基填高-沉降量关系曲线

3过渡段病害勘察

在全面分析施工图设计、竣工资料的基础上，结合现场实际和地形地貌特点，计划采用钻探、代表性横断面托轨架梁开挖，全面探查过渡段路基填料的性质(如填料的砾径、级配、空隙度、密实度、是否存在空洞等)、注浆的效果(浆体的扩散、凝固、胶结等情况)，并配合使用N10和Evd等原位测试以及灌砂法或灌水法等试验方法进行路基填料密实度检测；计划采用地质雷达法[4]全面检测过渡段道碴厚度及变化情况。

考虑到不能中断列车的运营，遵循不干扰或少干扰行车的原则，最终采用钻探、瑞雷面波、N10和Evd等勘察手段，探查路堤基床部分和本体部分的填料性质、填筑压实密度，以及路堤基底的地层分布及特性。

3.1　钻探

选取填高大、沉降大的典型工点进行钻探，确定路堤本体部分的填料性质，探查和复核基底地层及特性。分别进行了6处33孔桥路和涵路过渡段边坡的钻探工作，6处15孔涵洞处基底钻探验证工作。

①基底钻探揭示，基底地层岩性为稍密—中密的细砂、细园砾土，下伏泥质砂岩、含砾砂岩，未发现软土或软弱夹层、岩溶空洞和采空区，细砂、细园砾土地基基本承载力都在150 kPa以上。

②边坡钻探揭示，过渡段填料主要为泥质砂岩、砂岩、砾岩，以及砂类土、圆砾土等，综合分析属于B、C组填料，为附近路堑的移挖作填。

3.2　物探-瑞雷面波

采用瑞雷面波进行K60～K140段全部桥路、涵路过渡段检测，利用面波速度与介质密度、地基系数、路(地)基承载力等之间的相关关系，根据波速定量评判过渡段路基本体填筑的密实程度及均匀程度。

(1)统计经验公式法

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表层195152底层(碎石类)180133底层(砾石类)170120

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表层200150底层(碎石类)180136底层(砾石类)170129

(2)类比法

通过对没有下沉段的测试，取得各层的平均VR，作为该种填料的压实质量合格临界值VR0。

VR≥VR0：合格；

根据本线所做的对比试验，结合统计经验公式，建议波速200 m/s作为压实质量合格波速临界值。过渡段波速在180～200 m/s之间基本稳定时，建议进行过渡段沉降监测；过渡段波速在180 m/s以下时，建议进行过渡段处理。

(3)面波检测结果

过渡段与区间路基波速无明显变化，从两者填料在波速上的反映一致的情况来看，两者物理性质无明显区别，基本为一种填料。

部分已注浆段落注浆处理效果较好，但部分段落注浆处理效果不明显。

根据检测资料，把过渡段分三种情况：已稳定、基本稳定、不稳定(见表2)。

表2　K60～K140段桥路、涵路过渡段沉降统计汇总

3.3　N10与Evd

对于路基面以下1.2 m范围内基床表层及基床底层瑞雷面波易失真范围，采用N10和Evd原位测试手段探测填料的密实度，先后在K71～K95段分别进行了200点/20处的N10、182点/20处的Evd探测。

(1)轻型圆锥动力触探

利用一定的锤击能量(锤重10 kg)，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据贯入锤击数判别土层的类别，确定土的工程性质，对地基土做出综合评价。

N10测试结果表明，表层0.6 m填料击数一般在32击，0.6～0.9 m处击数一般在30击，0.9～1.2 m处击数一般在30击。按照铁道部动力触探技术规定(TBJ18—87)将N10值转换为承载力σ0(表3)[5]，则σ0可达220 kPa，所以路基0.3～1.2 m深度密实度一般能够达到要求。

表3　N10与σ0 值转换

(2)动态变形模量Evd资料整理

Evd主要是对部分累计沉降值较大的桥路和涵路过渡段路堤表层进行测试，测试值在20～40 MPa之间，根据公式(1)计算得出相应的K30值为84.2～154 MPa/m，表明某些沉降段落基床表层密实度较低。

(1)

3.4　检测结果综合评价

经过现场调查及测试结果，对过渡段进行综合分析可得结论如下：

(1)过渡段路基基底地层部分地段为风化岩层，部分地段上覆稍密—中密的细砂层，下伏风化岩层，不存在软土或软弱夹层、岩溶空洞和采空区等，岩土体工程性质较好。

(2)过渡段路基填料主要为泥质砂岩、砂岩、砾岩以及砂类土、圆砾土等，属于B、C组填料。

(3)路基0.3～1.2 m深度填土密实度一般能够达到要求，部分沉降严重地段表层级配碎石层密实度欠佳。

(4)根据面波检测成果和沉降观测等综合评价，过渡段沉降按不稳定、基本稳定、已稳定三类情况进行分类(见表2)，便于有针对性地采取加固处理措施。

4过渡段病害成因分析

通常认为路基是柔性结构，与桥梁、涵洞等刚性结构相比，自重、强度、沉降控制标准具有较大差异，受到动荷载作用时，桥梁、涵洞与相邻的路基一般均产生差异沉降，导致轨面不平顺。当列车高速通过时，必然会增加列车与线路的振动，引起列车与线路结构相互作用力的增加，影响线路结构的稳定。在路基与桥梁、路基与涵洞之间设置一定长度的过渡段，可使轨道的刚度逐渐变化，并最大限度地减少相互之间的沉降差，达到降低列车与线路的振动，减缓线路结构的变形，保证列车安全、平稳、舒适运行的目的[7]。

路堤的沉降分为填料本身的沉降和基底附加应力引起的地基沉降两部分。K50～K159段为剥蚀丘陵区，纵断面上下起伏，路堑、路堤相间，桥路、涵路过渡段较多。大多数桥路、涵路过渡段落位于山坡斜坡上，基底为风化基岩，谷地地层为上砂下岩结构，现场补充勘探检测、测试结果与定测勘察资料一致，不存在软弱土层、空洞和采空区等，所以发生超过设计控制标准的下沉病害主要是由路基本体的沉降引发的。

4.1　填料性质不能满足相关要求

本线桥路、涵路过渡段按照《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》的要求设计，采用倒体形结构，填筑级配碎石。根据边坡钻探资料揭示和瑞雷面波波速反映，过渡段填料与邻近路堤填料一致，主要采用路堑弃方的移挖作填，为全风化—强风化泥质砂岩、泥质砂砾岩夹薄层泥岩和砂类土的混合物，属于B、C组填料。过渡段未能按照设计要求采用级配碎石填筑，填料也未能达到《铁路路基设计规范》最低要求的A组标准。

4.2　压实度和孔隙率不能满足相关要求

本标段桥路、涵路过渡段的填土碾压工作安排在施工工期的尾部，赶工严重，部分段落还存在冬季施工，没有能够很好地根据填料性质控制填土的分层摊铺厚度、碾压机械、碾压遍数等施工工艺参数，没有严格执行过程监控和质量检验程序，使得压实度、孔隙率达不到设计要求，导致填土本身在列车动荷载作用下震动压密，出现持续的沉降变形。

4.3　持续集中降雨的影响

气象资料表明，2012年包西线工程区域连续降雨，7月份出现持续强暴雨，比往年明显增多。在大量降雨的条件下，雨水沿沉降裂缝、台背等处下渗，低密实度、含黏粒较多的泥质砂岩，砂砾岩填料自身含水率大大增加，其承载能力降低，在上部车辆震动载荷作用下，产生较大变形，产生蠕变、外挤、边坡侧向下溜；同时，雨水外渗带走部分细颗粒，使填筑土体更加松散，形成震密效应。汛期集中降雨后雨水下渗是引起路基下沉等病害的外界客观原因。

4.4　易风化泥质填料性质的影响

该段桥路、涵路过渡段填料以泥质砂岩，砂砾岩为主，该类填料在我国北方雨水稀少时其性质能够得到一定的保障，但雨水丰足时性质迅速恶化，尤其经过一定时间的环境温度、雨水等的作用后，物理风化加剧，导致岩块的软化和强度降低[8]，处于饱和状态时在列车动荷载作用下可能突然加速下沉。

5结束语

针对既有线桥路过渡段的沉降病害，目前主要采用注浆加、高压旋喷桩、基床挤密桩加固等，均不同程度取得一定的成效。为了不影响行车安全，工务部门采取了三种措施：对沉降较小的地段采用垫片找平；对沉降中等严重的地段采用补碴调整；对沉降严重的地段采用注浆加固。根据检测结果分析，大部分的过渡段沉降注浆后效果较好，少部分沉降仍然有发展。综合既有线过渡段沉降加固处理经验，结合本线特点，建议采取如下措施：

(1)在沉降不太严重的地段在两侧路肩及路基边坡采用注水泥浆的方式进行加固，但应根据现场试验确定具体注浆方式及详细参数，并结合检测报告确定加固长度范围。

(2)在沉降严重并相对持续发展的地段，建议在路基边坡斜向(5°～15°)打入高压旋喷桩。

(3)应根据过渡段填料现状加强基床表层的防水措施，利用天窗时间消除道碴陷槽，增设二布一膜土工布，防止地表雨水的下渗。

参考文献

[1]铁建设函[2005]285号新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定[S]

[2]TB 10001—2005铁路路基设计规范[S]

[3]中铁工程设计咨询集团有限公司.包西线(内蒙段)路基沉降检测报告[R].北京：中铁咨询，2013

[4]中国铁路工程总公司.京广线提速路基检测报告[R].北京：中国中铁，1998

[5]王成亮，白明洲，杜衍庆，等.重载铁路既有线路基病害探地雷达无损检测方法[J].北京交通大学学报，2013，37(4)：35-39

[6]王从贵.动态变形模量Evd与地基系数K30的相关性研究[J].路基工程,2004(2)：4-7

[7]易明伟.高速铁路路桥过渡段线路结构变形的原因及处理[J].科技创新导报 2012(8)：121

[8]刘新喜，夏元友，刘祖德，等.复杂应力下强风化软岩湿化变形试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006(5)：925-930