祝建農(nóng)

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海200070）

寧啟鐵路是國(guó)家“八縱八橫”鐵路路網(wǎng)中的重要組成部分，位于江蘇省中部，長(zhǎng)江北岸，線路基本與長(zhǎng)江平行，呈東西走向，為一級(jí)單線鐵路。線路西起南京鐵路樞紐林場(chǎng)站，途經(jīng)六合、儀征、揚(yáng)州、江都、泰州、姜堰至海安，與新長(zhǎng)鐵路相連，過(guò)海安經(jīng)如皋至南通，全長(zhǎng)約268.2 km，其中含特大橋19座，大橋12座，中橋103座，全線橋長(zhǎng)約占全線總長(zhǎng)的16%。由于運(yùn)力不足，現(xiàn)正進(jìn)行200 km·h-1提速改造。

寧啟線全線路基大部分為填方段，修建時(shí)路基基本上為直接挖方或就近移挖作填形成，未進(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)的路橋、路涵過(guò)渡段處理，部分過(guò)渡段產(chǎn)生了較大的沉降和錐坡破壞（如圖1所示）。提速時(shí)由于路基的剛度不足和沉降量過(guò)大，造成線路剛度與幾何不平順[1]，易引起行車(chē)事故和影響乘客舒適性，需要進(jìn)行加固處理。

圖1 馮官圩橋路基相對(duì)橋臺(tái)的沉降與錐坡開(kāi)裂Fig.1 Settlement and conical slope crack of roadbed and abutment in Feng-Guanwei Bridge

過(guò)渡段剛度漸變一直是過(guò)渡段研究的一個(gè)熱點(diǎn)，過(guò)渡段的控制標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)應(yīng)力影響因素許多學(xué)者提出了不同的看法。趙國(guó)祝[2]認(rèn)為隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，特別是對(duì)高速鐵路，其主要由剛度控制，而不是強(qiáng)度控制。雷曉燕[3]研究軌道剛度突變對(duì)軌道振動(dòng)的影響，分析單輪對(duì)和TGV高速列車(chē)在3種軌道剛度比時(shí)的軌道動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明，軌道剛度突變對(duì)軌道振動(dòng)影響較大，軌道動(dòng)力響應(yīng)隨著剛度比和列車(chē)速度的增加而增加。尹成斐[4]結(jié)合朔黃鐵路170號(hào)橋附近路橋過(guò)渡段特點(diǎn)，開(kāi)展了軌道支撐剛度及路基K30現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了剛度變化特點(diǎn)；結(jié)合路橋過(guò)渡段有限元模型，分析了扣件剛度、基床表層剛度、填料剛度對(duì)線路動(dòng)力響應(yīng)的影響。研究結(jié)果顯示，為減小基床表層動(dòng)位移和加速度，基床表層剛度應(yīng)高于150 MPa，填料剛度應(yīng)高于150 MPa。童發(fā)明[5]采用激振法（強(qiáng)迫振動(dòng)）對(duì)武漢試驗(yàn)段涵－涵過(guò)渡段和路－橋過(guò)渡段路基的不同位置進(jìn)行了激振試驗(yàn)，成功地獲得了過(guò)渡段路基不同位置的武廣客運(yùn)專(zhuān)線過(guò)渡段路基的整體剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，不僅為過(guò)渡段路基的強(qiáng)度、變形分析和仿真試驗(yàn)提供了必要的動(dòng)力參數(shù)，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了過(guò)渡段路基設(shè)計(jì)和施工的可靠性。

既有鐵路過(guò)渡段路基檢測(cè)與評(píng)價(jià)是過(guò)渡段加固的基礎(chǔ)，但在既有鐵路仍在運(yùn)營(yíng)狀況下進(jìn)行檢測(cè)存在較多困難，本文結(jié)合寧啟既有鐵路路橋過(guò)渡段處理工程，提出了適用于既有線路基的探測(cè)與評(píng)價(jià)方法。

1 既有鐵路過(guò)渡段路基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

1.1 檢測(cè)方案

因?yàn)榧扔需F路經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，路肩遭受長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化剝蝕，而軌道下方的路基或經(jīng)過(guò)列車(chē)動(dòng)荷載作用漸變密實(shí)，或出現(xiàn)了道砟囊而出現(xiàn)了病害，兩者有關(guān)指標(biāo)可能有較大差別，所以過(guò)渡段的檢測(cè)不僅要獲得路肩有關(guān)指標(biāo)，更需要軌道下方道床的有關(guān)指標(biāo)，這就需要扒道砟在軌道下方進(jìn)行檢測(cè)。扒道砟進(jìn)行測(cè)試時(shí)，勢(shì)必會(huì)影響道床道砟層原有的密實(shí)程度，如果恢復(fù)道砟時(shí)不能達(dá)到先前的密實(shí)度，輕則引起晃車(chē)，嚴(yán)重時(shí)可能引起列車(chē)出軌。

為了獲得軌下路基的有關(guān)指標(biāo)，原測(cè)試方案的測(cè)試位置中心點(diǎn)離軌道30～40 cm，位于軌枕中間，如圖2（a）中虛線圓圈所示。

圖2 測(cè)試位置布置平面圖與測(cè)試點(diǎn)扒方量計(jì)算圖Fig.2 Location layout plan and volume calculation chart of test points

寧啟既有鐵路經(jīng)過(guò)多次抬道后，道床高度一般為70～100 cm。根據(jù)計(jì)算，若要按照原方案扒道砟進(jìn)行測(cè)試，則需要扒道砟方量達(dá)1.0～2.4 m3，影響半徑達(dá)1.0～1.4 m（如圖2（b）所示）。因此，為保證既有線運(yùn)營(yíng)安全，須改變測(cè)試點(diǎn)位置，以減少道砟受影響范圍。修改后的測(cè)試點(diǎn)在軌枕頭外側(cè)約20 cm（如圖2（a）中的實(shí)線圓圈所示）。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法與測(cè)試步驟

1）在天窗時(shí)間點(diǎn)之前，首先在路肩上測(cè)定剖面上的N10與Evd，獲得路肩的路基承載力與動(dòng)態(tài)變形模量；

2）天窗點(diǎn)開(kāi)始時(shí)扒道砟，扒道砟以軌枕頭為界，并保留10～20 cm的距離，防止因?yàn)榘琼亩绊戃壪碌理牡拿軐?shí)度，從而影響軌下道床的密實(shí)度；

3）當(dāng)?shù)理陌堑铰坊斆鏁r(shí)，先測(cè)Evd值，然后用輕型動(dòng)力觸探儀測(cè)試N10值；

4）恢復(fù)道床，恢復(fù)時(shí)適當(dāng)用鎬搗固。

實(shí)踐表明，當(dāng)?shù)来驳理拈_(kāi)挖至軌枕端頭，并留有10～20 cm的余地時(shí)，恢復(fù)道砟后可以保證列車(chē)運(yùn)行的安全，且在3小時(shí)的天窗時(shí)間內(nèi)可以完成路基密實(shí)度、動(dòng)態(tài)變形模量和承載力測(cè)試。

2 過(guò)渡段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀的工作原理是利用落錘自由落體產(chǎn)生沖擊力作用于直徑300 mm的圓形平板上，通過(guò)載荷板將動(dòng)荷載傳遞給路基面使得路基產(chǎn)生沉降S，并由Evd=22.5/S計(jì)算動(dòng)態(tài)彈性模量Evd[6]。Evd動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)彌補(bǔ)了K30平板載荷試驗(yàn)用靜力加載不能真實(shí)反映列車(chē)高速行駛時(shí)動(dòng)載荷對(duì)路基影響的不足，同時(shí)從某種程度上反映路基的剛度。

輕型動(dòng)力觸探通過(guò)擊入土中30 cm所需要的錘擊數(shù)來(lái)計(jì)算路基的承載力，對(duì)于一般粘性土，一定錘擊數(shù)范圍內(nèi)可以通過(guò)式（1）獲得路基的承載力[7]。

2.1 路肩與軌枕頭的動(dòng)態(tài)變形模量關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)過(guò)渡段的20 m范圍內(nèi)進(jìn)行了Evd測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)離橋臺(tái)的距離分別是5.8 m，9.8 m，13.6 m，17.5 m，20.4 m，測(cè)試點(diǎn)分別位于相應(yīng)位置的軌枕端頭與路肩上，小里程過(guò)渡段記作過(guò)渡段1，大里程端過(guò)渡段記作過(guò)渡段2，其測(cè)試結(jié)果如圖3（a～d）所示。

圖3 馮官圩橋與赤練港橋過(guò)渡段Evd與N10對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of Evdand N10in transition section of Feng-Guanwei and Chi-Liangang Bridge

從圖3（a～d）中可以得出，軌枕端頭處的Evd平均值高于路肩，單點(diǎn)測(cè)值也高于路肩。這是因?yàn)轳T官圩和赤練港兩座橋過(guò)渡段路基填土均進(jìn)行了改良。經(jīng)過(guò)近6年的運(yùn)營(yíng)，由于路肩改良土遭受風(fēng)化剝蝕，基床表層的改良土厚度變薄，而改良層下面的地層軟弱，故其Evd值較小。而軌枕端頭處的基床表層上面有道床的保護(hù)，特別是下層粗砂的保護(hù)，厚度沒(méi)有縮減，故改良層厚度較路肩處大，測(cè)得的Evd值較路肩大。赤練港路肩和軌枕端頭改良層實(shí)測(cè)厚度如圖4所示。

圖4 赤練港道床和路基橫斷面圖Fig.4 Cross section diagram of ballast and subgrade in Chi-Liangang Bridge

2.2 Evd值與N10值的相關(guān)關(guān)系

1）N10實(shí)測(cè)30 cm的錘擊數(shù)時(shí)與Evd值的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于馮官圩過(guò)渡段2，所有測(cè)得的錘擊數(shù)均為通過(guò)錘擊入30 cm所獲得的錘擊數(shù)。從圖5（a，c）容易得出Evd值越高N10越高的趨勢(shì)，Evd與N10對(duì)應(yīng)的相關(guān)關(guān)系如圖5（b，d）所示，相關(guān)系數(shù)的平方R2分別達(dá)到了0.976 6與0.973 3，可見(jiàn)Evd與N10具有顯著的線性相關(guān)性。

圖5 Evd與N10的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between Evdand N10

2）N10通過(guò)換算獲得的錘擊數(shù)與Evd值的相關(guān)關(guān)系。由于馮官圩過(guò)渡段1與赤練港過(guò)渡2的改良層較厚，當(dāng)N10達(dá)到45擊時(shí)，僅擊入7～15 cm，強(qiáng)行擊入30 cm不但會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，導(dǎo)致天窗內(nèi)無(wú)法完成測(cè)試，而且會(huì)損壞觸探儀。根據(jù)規(guī)范[8]規(guī)定，此時(shí)可以停止實(shí)驗(yàn)，其錘擊數(shù)通過(guò)式（2）換算獲得

將同一個(gè)過(guò)渡段換算獲得的錘擊數(shù)與Evd值相關(guān)關(guān)系圖繪制如圖6所示。

圖6 馮官圩過(guò)渡段1軌枕頭與赤練港2路肩處Evd值與N10相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between Evdand N10in Feng-guanwei transiton 1 and Chi-Liangang transition 2

由于N10是通過(guò)換算獲得的，部分測(cè)點(diǎn)45擊僅擊入9 cm，與30 cm相差較大。從圖6可以看出，此時(shí)N10與Evd的線性擬合對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的平方R2僅為0.650 4和0.031 5，線性相關(guān)不顯著，或者認(rèn)為沒(méi)有線性相關(guān)關(guān)系。

3）N10與Evd值相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。N10值主要通過(guò)換算獲得路基的承載力，Evd值主要為了獲得路基的剛度值。當(dāng)Evd值超過(guò)50 MPa時(shí)，輕型動(dòng)力觸探錘擊時(shí)錐頭經(jīng)常發(fā)生回彈，無(wú)法完成30 cm的擊入深度，故無(wú)法完成N10測(cè)試。Evd值滿足要求并不能代表過(guò)渡段就不需要加固，以馮官圩過(guò)渡段1為例，其對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)與Evd值如表1所示。

表1 馮官圩過(guò)渡段Evd值和N10值Tab.1 Value of Evdand N10in Feng-guanwei transiton

表1中的數(shù)據(jù)表明，盡管各點(diǎn)的Evd值均大于40 MPa，甚至大于55 MPa的高速鐵路控制標(biāo)準(zhǔn)，其基床表層0～30cm的N10均大于控制擊數(shù)25擊，該過(guò)渡段可以評(píng)價(jià)為可以滿足要求。但是當(dāng)穿過(guò)改良層后，路基的N10錘擊數(shù)小于25擊，且90～120 cm的錘擊數(shù)僅有8～10擊，對(duì)應(yīng)的承載力為44～60 kPa，用洛陽(yáng)鏟探測(cè)可知該層為松軟土土，含水量高，并沒(méi)有完成固結(jié)。因此應(yīng)結(jié)合Evd值和N10值雙指標(biāo)對(duì)過(guò)渡段是否加固改造作出評(píng)價(jià)。

3 加固控制標(biāo)準(zhǔn)討論

根據(jù)基床動(dòng)應(yīng)力的分析，從荷載的傳遞規(guī)律上看，道床和基床應(yīng)該作為一個(gè)相互聯(lián)系的整體。道床較厚時(shí)，實(shí)際的基床可以減小，基床范圍應(yīng)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)道床以下2.5 m。也就是說(shuō)，當(dāng)實(shí)際道床厚度大于設(shè)計(jì)道床厚度時(shí)，超出的道床部分可以認(rèn)為屬于基床范圍。根據(jù)京廣線道床的情況，參考國(guó)內(nèi)既有線路基加固的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際道床厚度的增加可以使路基面承受的動(dòng)荷載自然減少。部分路段道床較厚時(shí)，底砟部分落入基床范圍或?qū)嶋H道床的下部，形成承載力較高的結(jié)構(gòu)層，對(duì)路基承載力的提高起到一定的積極作用[9]。根據(jù)京廣線提速經(jīng)驗(yàn)，將縱斷面調(diào)整與路基加固工程相結(jié)合，在滿足建筑限界的情況下，線路盡量進(jìn)行抬道，使道床與原路基面之間厚度增加，從而增加基床剛度，減少基床所受動(dòng)荷載時(shí)的彈性變形，對(duì)既有路基起到加強(qiáng)和改善的作用。

根據(jù)《鐵路200～250 km·h-1既有線技術(shù)管理辦法》對(duì)線路縱坡的要求，結(jié)合寧啟既有線的現(xiàn)狀，如果以實(shí)際道床高度控制加固過(guò)渡段，了解每個(gè)過(guò)渡段的道床厚度需要很大的測(cè)量工作量。因此可結(jié)合抬道資料和設(shè)計(jì)縱斷面制定是否加固的標(biāo)準(zhǔn)。

1）根據(jù)寧啟線初步設(shè)計(jì)審查意見(jiàn)，既有線過(guò)渡段范圍基床表層基本承載力控制標(biāo)準(zhǔn)為σ0≥150 kPa，且Evd值大于55 MPa[10]。當(dāng)滿足此標(biāo)準(zhǔn)，且既有線路基穩(wěn)定、土質(zhì)良好、無(wú)病害時(shí)，可暫不做基床加固處理。對(duì)于特大橋或過(guò)渡段路堤高度大于10 m的情況，過(guò)渡段是否加固處理仍需要進(jìn)一步研究。

2）當(dāng)既有線過(guò)渡段基床表層基本承載力不能滿足σ0≥150kPa要求，但大于120 kPa，且Evd≥40 MPa時(shí)[11]，如果既有線過(guò)渡段抬道量≥20 cm，可認(rèn)為至少有20 cm厚的道砟進(jìn)入基床范圍，或基床范圍的實(shí)際道床形成了承載力較高的結(jié)構(gòu)層，同時(shí)滿足路基穩(wěn)定、土質(zhì)良好、無(wú)病害，可不做基床加固處理。

3）當(dāng)既有線過(guò)渡段基床表層基本承載力與道床厚度不滿足以上兩點(diǎn)時(shí)，應(yīng)結(jié)合路堤填料類(lèi)型考慮進(jìn)行淺層置換、水泥土擠密樁或注漿進(jìn)行方案比選研究加固方案。

4 結(jié)論

1）在距軌枕端頭外10～20 cm處進(jìn)行N10與Evd測(cè)試，基本不影響軌枕下道砟的密實(shí)性，回填后列車(chē)通過(guò)是安全的；

2）由于軌枕端頭處路基表層的改良土受道砟底層粗砂的保護(hù)，路肩處遭受剝蝕風(fēng)化改良層變薄，軌枕端頭處的路基剛度與承載力大于路肩上的測(cè)試值；

3）當(dāng)N10擊數(shù)是通過(guò)正常擊入30 cm測(cè)得時(shí)，承載力對(duì)應(yīng)的輕型動(dòng)力錘擊數(shù)（N10）與該處的Evd值具有顯著的相關(guān)性，當(dāng)無(wú)法擊入30 cm，通過(guò)換算錘擊數(shù)時(shí)，N10與Evd線性相關(guān)性不顯著；

4）Evd值可以代替基床表層的承載力與路基表層的0～60 cm處的路基剛度，而N10通過(guò)換算可以獲得更深處60～250 m基床層的承載力狀況，評(píng)價(jià)路基狀態(tài)時(shí)須綜合考慮兩種測(cè)試結(jié)果；

5）可根據(jù)前述3點(diǎn)情況，確定過(guò)渡段是否需要加固。

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