寒区铁路路基冻害微型盾构靶向置换整治技术

2019-07-25闫宏业

铁道建筑 2019年6期

闫宏业

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

寒区铁路路基冻害问题始终困扰着铁路的安全运营，具有普遍性且根治难度极大。根据2013—2014年统计数据，仅沈阳铁路局普速铁路每年冻害总计1.6～2.0万处，总长度达150 km；沈阳、哈尔滨铁路局仅冻胀量15 mm及以上的冻害约3万处，最大冻胀量甚至超过100 mm。目前，有砟轨道冻害整治维护方法主要有设置预垫板、高抬道、大揭盖换填、挖侧沟、铺设保温层、疏排水、注盐等[1-7]。但这些方法普遍存在整治深度较浅、整治效果维持短、不适合短天窗作业、治标不治本等问题，导致虽然每年投入大量人力、物力但整治效率和效果并不理想，冻害依旧年复一年地发生。以沈阳铁路局为例，每年冻害整修投入70%～80%的人力，占据冬季50%的天窗时间，每年平均投入整修费用超过 3 000 万元,但并未从根本上解决冻害问题。因此，亟待提出安全高效、治标治本的铁路路基冻害整治技术。

本文针对秦沈客运专线路基冻害工点，提出路基冻害微型盾构靶向置换整治技术，达到根除冻害的目的，对寒区铁路路基冻害的整治具有借鉴意义。

1 路基冻害微型盾构靶向置换整治技术

寒区铁路路基冻害微型盾构靶向置换整治技术原理是：针对冻害层位，首先用钢护管作为稳定护壁结构，然后采用液压顶进系统提供动力，以特制螺旋合金钻头作为掘进装置，边掘进边出土直至设计位置，最后在钢护管内浇筑非冻胀的混凝土或砂浆，从而达到根除路基冻害的目的。

微型盾构靶向置换整治技术主要特点为：①根据勘察取样结果确定置换层位与厚度，针对性强，有效性高。②以非冻胀填料置换路基不良填料，可达到根除冻害目的。③采用微型盾构掘进出土技术，能够保证施工过程路基的稳定性。④采用基于变形实时监测的信息化动态施工技术，可保障线路的平顺性。

2 冻害工点情况

秦沈客运专线是我国第一条客运专线，设计时速为250 km，自开通以来常年出现季节性冻害问题，每年发现的冻害均在300处以上。以2017—2018年冬季为例，全线共发生冻害368处，其中292处位于涵洞顶部。选取沈阳铁路局管辖范围内17处典型冻害位置进行整治，共计长285 m，见表1。

表1 秦沈客运专线涵洞顶冻害整治工点情况

3 整治方案与步骤

3.1 整治方案

针对秦沈客运专线冻害产生部位、冻害范围及发展特性，制定了“强置换+强排水”冻害综合整治方案。在冻害位置涵洞顶冻害层位通过微型盾构掘进技术设置一排或多排置换孔，孔径不小于主要冻结层厚度，将不良填料置换成非冻胀的混凝土或砂浆，实现靶向精准置换。同时，在紧贴涵洞顶面、置换孔之间设置密集的排水孔，使涵洞顶具备较强的排水能力，使涵洞顶填料始终保持干燥状态。通过“强置换+强排水”的综合整治方案，可达到根治冻害的目的，整治方案见图1。

图1 微型盾构靶向换填方案

3.2 施工步骤

图2为秦沈客运专线冻害整治施工步骤。

图2 秦沈客运专线冻害整治施工步骤

1)勘察取样

整治实施前针对冻害位置进行勘察取样，开展相关的土工试验，以确定填料级配特性、含水率情况及其冻胀特性。根据试验结果，结合该工点冻胀量、冻胀范围等信息确定冻害位置填料置换层位、厚度及范围。

2)场地清理

根据冻害处理范围设置金属隔离网，安装长度为治理范围往两侧各延伸3 m，并与现有隔离网连接，形成封闭的施工区域。清除冻害位置周边灌木、杂草、浮土等杂物。对地下电缆等轨旁设备进行确认、标记和保护，如影响施工则按相关规定进行迁移固定。

挖掘清除道砟外侧基床填料，清除厚度根据冻害处理层位及厚度而定，从而为微型盾构作业机械提供足够作业空间(如图3所示)。

图3 钻孔施工垂直面清理示意

3)测量放线

测量放线应足够精确，一方面确保置换孔之间的残留填料尽量少，另一方面要确保有足够的置换孔作业空间，不能干扰交叉。应严格按照设计图纸要求，结合置换孔孔径和机械高度对孔位进行精确放样，同时测量出施工平台标高。

4)搭建平台

施工作业平台为机械与人员提供平稳的作业空间，并为盾构机的掘进提供足够反力，保障了施工作业的稳步推进，其设计与搭建至关重要。施工平台宽度为4 m，其长度和高度由处理范围和现场涵洞施工条件确定。路堤地段施工平台采用厚3 mm外径48 mm钢管搭设，横跨、纵跨、步距均为1 m；涵洞位置则采用H型钢进行搭设。平台上部满铺木脚手板。施工平台通过边坡锚杆抗拉、钢管斜撑、型钢深插、与涵洞墙身锚固联接等方式，为微型盾构掘进提供足够反力。

5)机械就位

采用中国铁道科学研究院集团有限公司TKHT500微型盾构机进行路基填料置换和套管顶进。该设备主体由调速电机、减速器、液压油缸、导轨和机架组成。套管为钢管，其直径根据具体冻害工点的整治方案而定。套管每节1 m，采用公母丝扣连接，确保套管连接平直。钢管外壁采用防腐润滑油脂处理，以减少掘进摩擦力。

工作平台安装完成后，将微型盾构机放置在平台上，将钻头钻杆连接到钻机，同时将套管套在钻杆上。校正钻机和套管的轴线、高程、坡度，钻进前将钻机固定在施工作业平台上。

6)出土作业

采用特制螺旋合金钻头作为掘进出土的关键设备，其钻头直径具有自适应调整能力。未进行作业时，钻头直径略小于套管直径，以方便钻头与钻杆输送与撤出；当开展前端作业时，钻头直径会自动变大，变得略大于钢管外径，以降低套管推进摩擦力。钻杆螺旋叶片起排除土渣作用，螺旋叶片直径略小于铺设钢管内径。

微型盾构掘进时根据土质情况调整掘进速度，不宜过快。同时注意观察钻进阻力变化，以免土质不均或遇到较大石块时发生偏移。掘进过程中套管要同时跟进，以防止塌孔引起路基沉降。

每完成一节套管钻进，盾构退后足够距离，并将钻杆拆下，安装下一节钻杆和套管，盾构继续推进。掘进至设计深度后，将钻杆和钻头依次从套管中抽出，套管留在路基中作为永久防护措施。

移动钻机至下一孔位，重复上述步骤，直至完成全部处理范围。相邻置换孔套管管壁尽量紧贴，管口高程与设计高程误差不应超过10 mm。

7)支模回填

清扫管口外部渣土，在距管口300 mm处支模。模板应牢靠稳固，缝隙处用发泡胶密封。选用C30自密实混凝土和速凝砂浆分层回填。浇筑时将混凝土泵车的泵管伸入到钢管底部，从内往外进行浇筑。浇筑过程中不断振捣，以确保混凝土和砂浆填满钢套管。

8)设排水管

采用潜孔钻机在相邻套管下方钻排水孔，孔径为90 mm，钻孔深度和钢套管相同。成孔后放入HDPE(High Density Polyethylene，高密度聚乙烯)排水管，排水坡度不小于0.5%。排水管上半部钻10 mm小孔，梅花状布置，排水管外壁包裹一层透水土工布。

9)场地恢复

施工作业完成后，进行场地清理，恢复原状。

4 施工监控

秦沈客运专线是我国铁路网干线，是进出关的“咽喉要道”，其行车密度非常大。虽然本次冻害整治采用的是单侧天窗作业，但整个整治过程中另一侧并未限行。施工过程路基稳定状态的实时监测至关重要。因此，本项目采用了阵列式沉降自动监测系统对路基沉降进行了监测，有效指导了施工过程，确保了秦沈客运专线的行车安全。

图4 阵列位移传感系统现场安装情况

阵列式沉降自动监测系统精度为1.5 mm/30 m，采集频率为1次/10 min，能够满足施工过程变形精度与实时性控制要求。沿线路方向每隔0.50 m(即每个轨枕位置)设置1个监测点，对整个处理区段进行了全覆盖监测，见图4。结合工务部门要求，沉降5 mm为报警值，当超过报警值时立即通知相关单位，采取相应轨道维护措施。

由施工过程典型沉降情况可知，施工过程中沉降未超过4 mm，说明该技术对路基稳定性的影响是完全可控的。

5 整治效果

整治工程从2018年5月开始，至11月底全部完成。整治结束后立即对冻害整治位置进行了冻胀量观测，表2为冻害整治位置2018—2019年冬季最大冻胀量统计情况。可知，17处工点除K644+825—K644+840区段外，其他16处冻胀量均未超过5 mm，冻害治愈率达到94%，充分说明了该技术的有效性。