蔡雙樂　張道金

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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

CAI Shuangle　ZHANG Daojin

內(nèi)蒙某快速通道過渡段路基沉降特征成因分析

蔡雙樂張道金

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100055)

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

CAI ShuangleZHANG Daojin

摘要根據(jù)該段路基沉降病害隨機分布的特點，采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等綜合勘探手段，探查填料性質(zhì)、壓實密度和基底土質(zhì)情況，結(jié)合設(shè)計文件、施工過程資料和現(xiàn)場調(diào)查資料，分析沉降病害成因特征，提出加固處理措施建議。

關(guān)鍵詞高速鐵路過渡段沉降病害特征成因分析

該線為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路，是我國第一條速度160 km/h預(yù)留200 km/h、開行萬噸列車的重載快速鐵路，于2010年建成通車。通車伊始，部分橋路、涵路過渡段即出現(xiàn)持續(xù)沉降病害。 2012年7月20日15時～7月21日9時，該線普降大到暴雨，最大連續(xù)降雨量達92.2 mm；7月25日1時～8時該地區(qū)再次出現(xiàn)強降雨，最大連續(xù)降雨量達86.4 mm。兩次強降雨導(dǎo)致沿線局部地段的路基邊坡發(fā)生坍塌、排水溝淤堵或被沖毀，在 K50～K140段內(nèi)的部分橋路、涵路過渡段出現(xiàn)較明顯的下沉，嚴(yán)重影響列車安全運營。

1概況

1.1　設(shè)計概況

該段路塹與路堤相間分布，土石方調(diào)配以移挖作填為原則。路堤與橋臺、路堤與橫向結(jié)構(gòu)物(涵洞)連接處設(shè)置過渡段，過渡段為倒梯形(設(shè)計時為梯形，施工時均調(diào)整為倒梯形)，采用級配碎石填筑。過渡段路堤基床表層為級配碎石，壓實標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足K30≥190 MPa/m和孔隙率n<18%；表層以下以級配碎石分層填筑，鄰近橋臺2 m范圍級配碎石摻5%水泥(圖1、圖2)，填筑壓實標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足K30≥150 MPa/m和孔隙率n<28%[1]。路堤工后沉降量應(yīng)滿足以下要求：一般地段不應(yīng)大于15 cm，路橋過渡段不應(yīng)大于10 cm，年沉降速率不應(yīng)大于5 cm/年[2]。

圖1　橋路過渡段

圖2　涵路過渡段

1.2　工程地質(zhì)概況

地貌為高原剝蝕丘陵區(qū)，丘坡與谷地相間，地形起伏大，溝谷縱橫，切割強烈，沖溝發(fā)育；谷地大部為砂層覆蓋，丘坡及沖溝基巖出露較好，基巖巖性以砂巖、砂礫巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖薄層。

沿線為典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃，平均月最低氣溫為-10～13 ℃，7月平均氣溫為21～25 ℃，全年氣溫日差為11～15 ℃，年差為45～50 ℃。降水量為300～400 mm，全年降水集中在7～9月。蒸發(fā)量大，年蒸發(fā)量達2 000～3 000 mm。

2過渡段沉降病害特征

K50+000～K159+000區(qū)間內(nèi)橋路過渡段有76處(38座橋梁)，涵路過渡段有156處，共計232處。截止2012年7月底，根據(jù)工務(wù)部門提供的統(tǒng)計資料，路基與橋梁、路基與涵洞過渡段累計沉降達到100 mm以上的地段約有132處，其中累計沉降達到200 mm以上的地段有24處，見表1。

表1　橋路、涵路過渡段下沉病害情況統(tǒng)計[3]

2.1　沉降病害占比大

從表1可知，路堤與橋梁過渡段下沉嚴(yán)重有45處，占該段總橋梁過渡段個數(shù)(76個)的59.2%；路堤與涵洞過渡段下沉嚴(yán)重有87處，占該段總涵洞過渡段個數(shù)(156個)的55.7%；二者占比均超過50%，可見該段橋路、涵路過渡段下沉病害十分嚴(yán)重，橋路、涵路過渡段病害不存在個數(shù)的系統(tǒng)差異。

2.2　沉降病害分布特征

沉降病害主要發(fā)生在K50～K159段，特別集中在K60～K140段，該段地貌為剝蝕丘陵區(qū)，沖溝、狹窄谷地發(fā)育。線路縱斷面上地面線上下起伏，路塹、路堤頻繁交替，橋路、涵路過渡段眾多。該段路基土石方調(diào)配原則是移挖作填，路塹棄方多為泥質(zhì)砂巖、砂礫巖間夾薄層泥巖，屬B、C組填料。而K60～K140段以外的地段則地形較平坦，路基基床表層以下多采用集中取土場的C組填料。

從微地貌角度，橋路過渡段大多數(shù)處于丘坡的斜坡上，而涵路過渡段位于丘坡和谷地區(qū)域的數(shù)量差不多，所以不具有沉降位置同丘坡、谷地的對應(yīng)關(guān)系，沉降病害與過渡段所處位置的微地貌分布無系統(tǒng)聯(lián)系。

2.3　沉降病害沉降量與填高

從對病害路基的高度分析來看，路橋過渡段路基最高約10.0 m，平均高度約4.6 m，相對較低；路涵過渡段路基最高約12.0 m，平均高度約6.0 m，相對較高；橋路過渡段的最大沉降(沉降量300 mm)發(fā)生在填高10 m處，涵路過渡段的最大沉降(沉降量350 mm)發(fā)生在填高6 m處。根據(jù)統(tǒng)計，填高1 m范圍平均沉降量與填高的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖3，填高6～7 m時，沉降量最大，小于6 m時，沉降量隨路基填高的增高而增加，大于7 m后基本處于140～160 mm。統(tǒng)計顯示沉降量大小與填高無線性對應(yīng)關(guān)系，具有隨機性。

圖3　過渡段路基填高-沉降量關(guān)系曲線

3過渡段病害勘察

在全面分析施工圖設(shè)計、竣工資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際和地形地貌特點，計劃采用鉆探、代表性橫斷面托軌架梁開挖，全面探查過渡段路基填料的性質(zhì)(如填料的礫徑、級配、空隙度、密實度、是否存在空洞等)、注漿的效果(漿體的擴散、凝固、膠結(jié)等情況)，并配合使用N10和Evd等原位測試以及灌砂法或灌水法等試驗方法進行路基填料密實度檢測；計劃采用地質(zhì)雷達法[4]全面檢測過渡段道碴厚度及變化情況。

考慮到不能中斷列車的運營，遵循不干擾或少干擾行車的原則，最終采用鉆探、瑞雷面波、N10和Evd等勘察手段，探查路堤基床部分和本體部分的填料性質(zhì)、填筑壓實密度，以及路堤基底的地層分布及特性。

3.1　鉆探

選取填高大、沉降大的典型工點進行鉆探，確定路堤本體部分的填料性質(zhì)，探查和復(fù)核基底地層及特性。分別進行了6處33孔橋路和涵路過渡段邊坡的鉆探工作，6處15孔涵洞處基底鉆探驗證工作。

①基底鉆探揭示，基底地層巖性為稍密—中密的細砂、細園礫土，下伏泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖，未發(fā)現(xiàn)軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區(qū)，細砂、細園礫土地基基本承載力都在150 kPa以上。

②邊坡鉆探揭示，過渡段填料主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖，以及砂類土、圓礫土等，綜合分析屬于B、C組填料，為附近路塹的移挖作填。

3.2　物探-瑞雷面波

采用瑞雷面波進行K60～K140段全部橋路、涵路過渡段檢測，利用面波速度與介質(zhì)密度、地基系數(shù)、路(地)基承載力等之間的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)波速定量評判過渡段路基本體填筑的密實程度及均勻程度。

(1)統(tǒng)計經(jīng)驗公式法

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層195152底層(碎石類)180133底層(礫石類)170120

Vr/(m/s)K30/(MPa/m)表層200150底層(碎石類)180136底層(礫石類)170129

(2)類比法

通過對沒有下沉段的測試，取得各層的平均VR，作為該種填料的壓實質(zhì)量合格臨界值VR0。

VR≥VR0：合格；

VR

根據(jù)本線所做的對比試驗，結(jié)合統(tǒng)計經(jīng)驗公式，建議波速200 m/s作為壓實質(zhì)量合格波速臨界值。過渡段波速在180～200 m/s之間基本穩(wěn)定時，建議進行過渡段沉降監(jiān)測；過渡段波速在180 m/s以下時，建議進行過渡段處理。

(3)面波檢測結(jié)果

過渡段與區(qū)間路基波速無明顯變化，從兩者填料在波速上的反映一致的情況來看，兩者物理性質(zhì)無明顯區(qū)別，基本為一種填料。

部分已注漿段落注漿處理效果較好，但部分段落注漿處理效果不明顯。

根據(jù)檢測資料，把過渡段分三種情況：已穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定(見表2)。

表2　K60～K140段橋路、涵路過渡段沉降統(tǒng)計匯總

3.3　N10與Evd

對于路基面以下1.2 m范圍內(nèi)基床表層及基床底層瑞雷面波易失真范圍，采用N10和Evd原位測試手段探測填料的密實度，先后在K71～K95段分別進行了200點/20處的N10、182點/20處的Evd探測。

(1)輕型圓錐動力觸探

利用一定的錘擊能量(錘重10 kg)，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)貫入錘擊數(shù)判別土層的類別，確定土的工程性質(zhì)，對地基土做出綜合評價。

N10測試結(jié)果表明，表層0.6 m填料擊數(shù)一般在32擊，0.6～0.9 m處擊數(shù)一般在30擊，0.9～1.2 m處擊數(shù)一般在30擊。按照鐵道部動力觸探技術(shù)規(guī)定(TBJ18—87)將N10值轉(zhuǎn)換為承載力σ0(表3)[5]，則σ0可達220 kPa，所以路基0.3～1.2 m深度密實度一般能夠達到要求。

表3　N10與σ0 值轉(zhuǎn)換

(2)動態(tài)變形模量Evd資料整理

Evd主要是對部分累計沉降值較大的橋路和涵路過渡段路堤表層進行測試，測試值在20～40 MPa之間，根據(jù)公式(1)計算得出相應(yīng)的K30值為84.2～154 MPa/m，表明某些沉降段落基床表層密實度較低。

(1)

3.4　檢測結(jié)果綜合評價

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及測試結(jié)果，對過渡段進行綜合分析可得結(jié)論如下：

(1)過渡段路基基底地層部分地段為風(fēng)化巖層，部分地段上覆稍密—中密的細砂層，下伏風(fēng)化巖層，不存在軟土或軟弱夾層、巖溶空洞和采空區(qū)等，巖土體工程性質(zhì)較好。

(2)過渡段路基填料主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖以及砂類土、圓礫土等，屬于B、C組填料。

(3)路基0.3～1.2 m深度填土密實度一般能夠達到要求，部分沉降嚴(yán)重地段表層級配碎石層密實度欠佳。

(4)根據(jù)面波檢測成果和沉降觀測等綜合評價，過渡段沉降按不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、已穩(wěn)定三類情況進行分類(見表2)，便于有針對性地采取加固處理措施。

4過渡段病害成因分析

通常認(rèn)為路基是柔性結(jié)構(gòu)，與橋梁、涵洞等剛性結(jié)構(gòu)相比，自重、強度、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)具有較大差異，受到動荷載作用時，橋梁、涵洞與相鄰的路基一般均產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致軌面不平順。當(dāng)列車高速通過時，必然會增加列車與線路的振動，引起列車與線路結(jié)構(gòu)相互作用力的增加，影響線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在路基與橋梁、路基與涵洞之間設(shè)置一定長度的過渡段，可使軌道的剛度逐漸變化，并最大限度地減少相互之間的沉降差，達到降低列車與線路的振動，減緩線路結(jié)構(gòu)的變形，保證列車安全、平穩(wěn)、舒適運行的目的[7]。

路堤的沉降分為填料本身的沉降和基底附加應(yīng)力引起的地基沉降兩部分。K50～K159段為剝蝕丘陵區(qū)，縱斷面上下起伏，路塹、路堤相間，橋路、涵路過渡段較多。大多數(shù)橋路、涵路過渡段落位于山坡斜坡上，基底為風(fēng)化基巖，谷地地層為上砂下巖結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場補充勘探檢測、測試結(jié)果與定測勘察資料一致，不存在軟弱土層、空洞和采空區(qū)等，所以發(fā)生超過設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)的下沉病害主要是由路基本體的沉降引發(fā)的。

4.1　填料性質(zhì)不能滿足相關(guān)要求

本線橋路、涵路過渡段按照《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》的要求設(shè)計，采用倒體形結(jié)構(gòu)，填筑級配碎石。根據(jù)邊坡鉆探資料揭示和瑞雷面波波速反映，過渡段填料與鄰近路堤填料一致，主要采用路塹棄方的移挖作填，為全風(fēng)化—強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂礫巖夾薄層泥巖和砂類土的混合物，屬于B、C組填料。過渡段未能按照設(shè)計要求采用級配碎石填筑，填料也未能達到《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》最低要求的A組標(biāo)準(zhǔn)。

4.2　壓實度和孔隙率不能滿足相關(guān)要求

本標(biāo)段橋路、涵路過渡段的填土碾壓工作安排在施工工期的尾部，趕工嚴(yán)重，部分段落還存在冬季施工，沒有能夠很好地根據(jù)填料性質(zhì)控制填土的分層攤鋪厚度、碾壓機械、碾壓遍數(shù)等施工工藝參數(shù)，沒有嚴(yán)格執(zhí)行過程監(jiān)控和質(zhì)量檢驗程序，使得壓實度、孔隙率達不到設(shè)計要求，導(dǎo)致填土本身在列車動荷載作用下震動壓密，出現(xiàn)持續(xù)的沉降變形。

4.3　持續(xù)集中降雨的影響

氣象資料表明，2012年包西線工程區(qū)域連續(xù)降雨，7月份出現(xiàn)持續(xù)強暴雨，比往年明顯增多。在大量降雨的條件下，雨水沿沉降裂縫、臺背等處下滲，低密實度、含黏粒較多的泥質(zhì)砂巖，砂礫巖填料自身含水率大大增加，其承載能力降低，在上部車輛震動載荷作用下，產(chǎn)生較大變形，產(chǎn)生蠕變、外擠、邊坡側(cè)向下溜；同時，雨水外滲帶走部分細顆粒，使填筑土體更加松散，形成震密效應(yīng)。汛期集中降雨后雨水下滲是引起路基下沉等病害的外界客觀原因。

4.4　易風(fēng)化泥質(zhì)填料性質(zhì)的影響

該段橋路、涵路過渡段填料以泥質(zhì)砂巖，砂礫巖為主，該類填料在我國北方雨水稀少時其性質(zhì)能夠得到一定的保障，但雨水豐足時性質(zhì)迅速惡化，尤其經(jīng)過一定時間的環(huán)境溫度、雨水等的作用后，物理風(fēng)化加劇，導(dǎo)致巖塊的軟化和強度降低[8]，處于飽和狀態(tài)時在列車動荷載作用下可能突然加速下沉。

5結(jié)束語

針對既有線橋路過渡段的沉降病害，目前主要采用注漿加、高壓旋噴樁、基床擠密樁加固等，均不同程度取得一定的成效。為了不影響行車安全，工務(wù)部門采取了三種措施：對沉降較小的地段采用墊片找平；對沉降中等嚴(yán)重的地段采用補碴調(diào)整；對沉降嚴(yán)重的地段采用注漿加固。根據(jù)檢測結(jié)果分析，大部分的過渡段沉降注漿后效果較好，少部分沉降仍然有發(fā)展。綜合既有線過渡段沉降加固處理經(jīng)驗，結(jié)合本線特點，建議采取如下措施：

(1)在沉降不太嚴(yán)重的地段在兩側(cè)路肩及路基邊坡采用注水泥漿的方式進行加固，但應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定具體注漿方式及詳細參數(shù)，并結(jié)合檢測報告確定加固長度范圍。

(2)在沉降嚴(yán)重并相對持續(xù)發(fā)展的地段，建議在路基邊坡斜向(5°～15°)打入高壓旋噴樁。

(3)應(yīng)根據(jù)過渡段填料現(xiàn)狀加強基床表層的防水措施，利用天窗時間消除道碴陷槽，增設(shè)二布一膜土工布，防止地表雨水的下滲。

參考文獻

[1]鐵建設(shè)函[2005]285號新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[2]TB 10001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S]

[3]中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司.包西線(內(nèi)蒙段)路基沉降檢測報告[R].北京：中鐵咨詢，2013

[4]中國鐵路工程總公司.京廣線提速路基檢測報告[R].北京：中國中鐵，1998

[5]王成亮，白明洲，杜衍慶，等.重載鐵路既有線路基病害探地雷達無損檢測方法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2013，37(4)：35-39

[6]王從貴.動態(tài)變形模量Evd與地基系數(shù)K30的相關(guān)性研究[J].路基工程,2004(2)：4-7

[7]易明偉.高速鐵路路橋過渡段線路結(jié)構(gòu)變形的原因及處理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2012(8)：121

[8]劉新喜，夏元友，劉祖德，等.復(fù)雜應(yīng)力下強風(fēng)化軟巖濕化變形試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(5)：925-930

[9]王建,等.高速鐵路CFG樁-帽-網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基沉降控制的現(xiàn)場試驗研究[J].鐵道勘察，2012(4)

中圖分類號：U216.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0067-04

作者簡介：第一蔡雙樂(1981—)，男，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土木工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-03-05