黄土地区宝兰二线路基病害分析及整治措施

耿 煊

陇海铁路宝鸡—兰州段增建第二线工程,修建基本与既有线走向相同,大部分经过地形起伏、山势陡峻、河流弯曲的渭河峡谷谷地,一般宽度100 m～120 m,局部地段宽度300 m～400 m。一边是既有线,一边是公路,中间是河床,使宝兰二线修建遇到了很多困难。宝兰二线为国家一级干线最初铺设60 kg/m普通钢轨,一次建成电气化,2002年6月30日开通运营后,至2003年初铺设60 kg/m无缝线路。2002年宝兰二线所经地区除了部分区段外,全线所经的大部分地区降雨量较小,线路路基相对比较稳定,变形量较小,基本上能满足铁路正常运营及行车速度的要求。

1 病害基本状况

2003年甘肃大部分地区在夏、秋季降雨量比往年多,降雨次数频繁,降雨时间比往年同期长,而在8月～10月份初,通常连续几天处于阴雨天气,使宝兰二线路基填料经常处于高含水量状态。而宝兰二线绝大部分经过黄土地区,路堤等土工构筑物基本上都是用黄土填筑。黄土怕水,一旦受到雨水的浸湿,无论是新黄土还是老黄土的强度都会大幅度降低,对路基等土工构筑物来说,会造成承载力不足,路基刚度降低,发生明显的沉降变形,使线路结构的几何尺寸难以保证,线路结构失稳。尤其是使用黄土填筑的路堤基床部分,直接受到雨水的浸湿作用,使基床表层软化,造成道床下陷,形成道渣槽、道渣囊等路基病害,在很大的程度上影响了铁路运输的正常进行,甚至对行车安全构成了一定的威胁。

2 病害原因分析

为了探明宝兰二线线路路基状况,对宝兰二线路基填土的状况及工程性质选取7个断面进行现场实测研究,路基基床压实系数测试结果[1]见表1。

表1 路基基床压实系数测试结果(平均值)

通过现场调查和试验分析可知,该线路的路基病害产生的主要原因为:

1)填料选取的问题。宝兰二线路基绝大多数是用黄土填筑。本次现场测试主要是针对路基基床部分进行,所测试的7个断面中,基床部分基本上都是用C组填料填筑且未进行土质改良,直接用以粉土颗粒含量较高且塑性指数IP和液限IL均较高的黄土填筑基床等部分。

2)路基填筑压实质量未达到要求。规范[2]规定,基床表层压实系数Kh达到0.91,底层Kh达到0.89。从表1可知:本次现场调查测试的7个断面,路堤基床表层、底层压实系数都未达到规范[2]的要求。

3)雨水的浸湿。2003年8月～10月份,通常连续几天处于阴雨天气,使该线路基填料经常处于高含水率状态,使黄土路基发生较大变形,出现较多病害现象。同时,由于路基边坡防护不力,边坡土体密实度低,易发生边坡土体被冲蚀、边坡浅层土体溜坍等病害现象。

4)人为因素。人为因素主要包括设计和施工方面。设计方面,部分断面尺寸不合理,边坡取值不当,排水、防护与加固不妥,未对高填路堤进行稳定性验算,且施工工艺、填料未作特别要求说明;施工方面,填筑顺序不当,未在全宽范围内分层填筑,填筑厚度不符合规定,填料质量不符合要求,水稳定性差;不同性质的填料混填,因不同土类的可压缩性差异,形成不均匀沉降,路基填料含水量控制不严,又无大型整平和碾压设备,使压实达不到要求;施工过程中未注意排水,遇雨天时,路基积水严重,无法自行排水,有的积水浸入路基内部,形成水囊,晴天施工时也未排除积水、未控制含水量就继续填筑,以致造成隐患,施工单位责任心不强,自检控制不到位[3]。

3 病害整治措施

3.1 路基填料改良

根据规范[2]规定,C组填料应进行土质改良后才可以作为基床填料。黄土的水稳定性很差。结合宝中铁路开展的科研结果表明,即使在压实度很高,达到了规范[2]所规定的数值时,填土等遇水作用时,强度会大幅度降低,刚度也会降低很多。因此,即使填料压实度达到了设计要求,但在雨季,路基会发生不同程度变形,为了保证安全,列车要限速运行。

3.2 提高线路设计标准

宝兰二线是国家Ⅰ级铁路干线,列车行车速度与铁路几次提速之前相比有较大提高,因而对线路路基等势必提出了更高的要求,尤其是线路几何尺寸一定要保证。而要达到这一点,除了线路结构本身外,作为线路基础的路基来说,要有足够的强度,尤其是要有足够的稳定性。路基变形一方面要从总量上进行控制,另外其短期内所发生的变形更不能超限。

由于黄土具有许多特殊的物理力学性能,尤其是其水稳定性比较差这个客观事实,这就要求在设计、修建行车速度比较高、行车密度比较大、列车荷载也比较大的铁路干线来说,从技术标准的确定到施工质量、运营管理等方面要进一步提高。

3.3 加强路基防排水

1)若路基下沉量相对较小,但降雨时路基表面填料软化严重,并伴有翻浆冒泥现象时,可以使用复合土工膜封闭路基基床表面的方法处理,此种措施可以结合路基中修或大修时进行。

2)若路基下沉量平均在200 mm左右,可以在路基基床部分设置灰土桩、双灰桩等加固、加强路基,提高路基承载性能。

3)若路基沉降量过大(超过400 mm),路基渣囊较严重,可以在清除渣囊后,整平现有路基面,设置灰土桩、双灰桩后,再用三七灰土填筑路基基床表层,恢复路拱利于今后路基面排水。也可以利用土工格栅加筋垫层法处理基床表层部分;路基填土高度大,下沉严重者,还可以同时采用复合土工膜封闭路基表面,防止雨水等进一步浸湿路基。

4)做好路基周围排水。尽量减小或防止地面积水等长时间浸泡铁路路基。

5)对路基边坡填土密度较低者,可以采用浆砌片石骨架护坡、种植紫穗槐等措施防护、加固。

6)在雨季加强运营维护。

7)对个别病害严重工点,单独、专门进行研究,确定合理加固措施。

3.4 采用土工合成材料

在黄土路基半填半挖路段,由于在填挖结合部沉降量不同,产生一定的沉降差值,由此导致道路产生纵向裂缝。在路基填筑过程中,分层加入土工格栅,就可以减少填挖结合部位的沉降差;同时加强填挖路基的衔接,并保证路基的填筑质量,避免填挖路基性质差异所产生的危害。

3.5 减压

减压就是降低列车荷载对路基的作用,主要是通过改变路基和轨道的结构来实现,方法主要有:加长轨枕长度和缩小轨枕的间距、使用重型钢轨、加厚道床和设置垫层等[4]。

3.6 综合治理

采用综合方法,彻底根治病害。路基病害往往是多方面不利因素造成的,治理时要对症下药,不同的治理方法综合使用,对病害彻底治理。

4 结语

随着更高标准铁路(如客运专线)建设的大规模开展,路基工程设计也由强度控制设计变为以变形控制设计。控制和防止湿陷性黄土路基可能发生过大的不均匀变形,对路基病害的产生有着十分重要的作用[5]。在深厚湿陷性黄土区建设对沉降控制极为严格(在建的郑西客运专线为15 mm(30 mm))的高标准客运专线缺乏实践经验,如何合理确定湿陷性黄土路基的设计原则和处理措施,提出可靠的设计参数、质量检测方法和检验指标,确保工后沉降满足铺设无碴轨道的要求,是湿陷性黄土地区客运专线建设面临的严峻考验[6]。

[1] 兰州铁路局,兰州交通大学.西北地区湿陷性黄土路基变形特点及加固措施研究(2004G029)[R].兰州:兰州铁路局,兰州交通大学,2007.

[2] TB 10001-2005,铁路路基设计规范[S].

[3] 吴小红.路基病害的成因及处治措施[J].山西建筑,2008,34(12):284-285.

[4] 黄书华,谢达文.铁路路基病害整治技术[J].铁道建筑,2008(9):64-66.

[5] 贾文君.湿陷性黄土地区水泥土挤密桩复合地基的承载力和变形特性研究[D].兰州:兰州交通大学硕士论文,2008.

[6] 钱征宇.湿陷性黄土地区铁路的主要技术问题及其工程措施[J].中国铁路,2006(2):28-32.