李彤鈺

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鐵路運輸需求進一步增加，部分既有鐵路由于修建時間較早，受到當(dāng)時技術(shù)的限制，建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)普遍不高，且投資有限造成路基附屬設(shè)施的缺失。鐵路投入運營后隨著時間推移這些問題造成的路基病害可能影響鐵路行車安全[1]。本文以黃土地區(qū)某既有鐵路為例，對既有鐵路路基的提升改造進行分析。

1 工程概況

1.1 線路概況及歷史沿革

既有鐵路原修建于上世紀30 年代，1958 年進行了技術(shù)改造，80 年代后期進行了大規(guī)模的電氣化改造、擴能改造等，目前標(biāo)準(zhǔn)為I 級電氣化雙線鐵路，其中提升改造段為雙線電氣化，一般地段線間距4.0 m。

改造段線路長7.5 km，有框架橋4 座，其余均為路基工程，路基長度占線路總長的97.8%。其中路堤長度約1 050 m，路塹長度約6 288 m，占路基長度的85.7%。最大填土高度約22 m，最大路塹邊坡高度約12 m。雙線線間距4.0～15.0 m，路堤半寬最小3.90 m，路塹半寬最小3.7 m。

1.2 氣象特征

工程區(qū)位于北半球中緯度暖溫帶，屬大陸性氣候。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.9℃，年極端最高氣溫為38.2℃，極端最低氣溫為-25.7℃。年平均降水量441.2 mm，年無霜期164 d，最大凍結(jié)深度77 cm。

1.3 地形地貌

工程區(qū)地形較為平坦，基本為右高左低，地面高程860～895。該段跨越2 個地貌單元：一段為洪積扇區(qū)，地形微傾，整體呈東高西低；一段為黃土臺塬區(qū)，地形起伏，溝坎縱橫。

1.4 地層巖性

沿線地層分區(qū)詳述如下：洪積扇區(qū)主要涉及第四系全新統(tǒng)洪積黃土狀土，沖、洪積粉土和粉質(zhì)黏土等。黃土狀土為淺黃色，廣泛分布于表層，粉粒為主，豎向節(jié)理較發(fā)育，硬塑，Ⅱ級普通土。粉土分布于黃土狀土層下，厚度一般大于10 m，褐灰色，含云母、氧化物，局部夾砂類土，呈稍、中密狀態(tài)，Ⅱ級普通土。

黃土臺塬區(qū)主要涉及第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、殘積古土壤。新黃土以層狀分布于地表，一般有1～2 層，最大厚度可達30 m，灰黃色，成分以粉粒為主，土質(zhì)較均，結(jié)構(gòu)較疏松，具大孔隙和垂直節(jié)理，可見少量白色鈣質(zhì)菌絲條痕，地貌上常形成陡壁、黃土柱和黃土漏斗等，黏性一般，硬塑，Ⅱ級普通土。古土壤常分布上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土中、下部，一般有1～2 層，單層厚0.5～3.0 m，棕紅色，黏粒為主，土質(zhì)較均，結(jié)構(gòu)較致密，土體常呈團粒狀，夾含姜石顆粒，富含白色鈣質(zhì)菌絲，硬塑，Ⅱ級普通土。

不良地質(zhì)為黃土崩塌，主要分布于黃土臺塬區(qū)，由于新黃土結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，易被雨水沖蝕形成黃土崩塌，多發(fā)育于陡坎邊，地形平坦處則形成黃土陷穴。同時，場區(qū)內(nèi)黃土狀土、新黃土均具有濕陷性。黃土狀土的濕陷系數(shù)為0.034～0.062，濕陷性中等，濕陷類型為非自重濕陷性，濕陷等級為Ⅰ～Ⅱ級，濕陷深度約5 m。而新黃土（馬蘭黃土）的濕陷系數(shù)為0.07～0.109，濕陷性強烈，濕陷類型為自重濕陷性，濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級，濕陷深度大于10 m。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，經(jīng)歷了自加里東以來的多次構(gòu)造運動，形成了不同方向的褶皺和斷裂，由于斷裂均距離線路較遠，可不考慮該斷裂錯動對本工程的影響。在Ⅱ類場地條件下，本場地基本地震動峰值加速度分區(qū)為0.10～0.25 g，基本烈度為Ⅵ～Ⅷ度[2]。

1.6 水文地質(zhì)特征

洪積扇區(qū)地下水位埋深15～30 m，主要為潛水，賦存于下部粉土及砂類土層中，水質(zhì)對混凝土具微腐蝕性；黃土臺塬區(qū)地下水不發(fā)育。

2 路基設(shè)施存在的問題

2.1 路塹邊坡防護缺失或失效

工程段路基邊坡主要為路塹。較為直立的黃土路塹邊坡在降雨沖刷和風(fēng)化作用下，坡腳易崩塌、堆積剝落土體[3]，既容易造成側(cè)溝的淤積，剝落土體堆在路肩上也造成路肩的寬度減少，更可能有邊坡坍塌的安全隱患。現(xiàn)場調(diào)查可見，既有路塹邊坡大部分未防護，邊坡坡率約為1∶0.2～0.5，植被覆蓋率差，坡面沖刷嚴重，部分坡面已發(fā)生坍塌，沿線邊坡平臺、坡腳堆積物較多。部分地段路塹邊坡在運營維護中采取了漿砌片石護墻、護腳、混凝土掛板護坡和復(fù)合材料毯護坡等防護措施，但防護工程多已變形、損壞，達不到防護效果。

2.2 路基排水不暢

既有路基兩側(cè)主要有3 種側(cè)溝形式，分別為軌枕碼砌溝、漿砌片石鋪砌溝和土溝。排水設(shè)施存在過水?dāng)嗝鏈p小、淤堵失效等現(xiàn)象，其中，漿砌片石側(cè)溝相對完好，但部分地段淤積嚴重、側(cè)溝壁高于路基面導(dǎo)致路基面水無法排入；而軌枕碼砌溝由于存在縫隙且局部垮塌，過水?dāng)嗝娓叨葍H有0.1～0.2 m；土溝內(nèi)雜草叢生，排水效果極差。同時，部分段落側(cè)溝未連通，排水沒有出路。此外還存在塹頂無天溝導(dǎo)致匯水沖刷邊坡嚴重，局部地下水較高、基床冬季結(jié)冰等問題。黃土地區(qū)路基排水設(shè)施尤為重要，以上問題都會對鐵路的安全運營帶來不利影響。

2.3 路肩寬度不足

既有線修建年代久遠，經(jīng)長時間運營路基存在不同程度的下沉[4]，歷次改造中的抬坡整道導(dǎo)致道砟厚度較大，局部道砟可近2 m，砟腳已進入側(cè)溝，道砟占壓了路肩及作業(yè)通道。目前部分地段砟腳碼砌有軌枕、土工網(wǎng)袋，側(cè)溝增加了蓋板，但依然有路肩寬度不足現(xiàn)象，嚴重影響維修養(yǎng)護人員及機具的通行。

2.4 防護柵欄

既有線路防護柵欄主要存在兩類問題：一是部分地段防護柵欄為金屬網(wǎng)片，無獨立基礎(chǔ)，穩(wěn)定性差，易破壞；二是部分低路塹地段無防護柵欄，達不到封閉線路的目的。該段線路緊鄰縣城，隨著縣城的不斷發(fā)展，城市道路、公共設(shè)施和居民區(qū)等離線路越來越近，提升防護柵欄防護效力，保障線路運營安全迫在眉睫。

3 提升改造措施

3.1 路塹邊坡防護改造措施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，路塹邊坡存在的問題主要為：與市政道路距離較近的部分段落，由于防護缺失部分邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)問題；邊坡沒有防護的地段風(fēng)化、剝蝕較為嚴重，肉眼可見邊坡沖刷嚴重、裂隙發(fā)育；邊坡存在防護的地段其部分防護工程已失效，坡腳堆積現(xiàn)象明顯。根據(jù)路塹邊坡現(xiàn)狀、問題嚴重程度、邊坡高度和外部環(huán)境等不同情況，以及后續(xù)運營維護的工務(wù)段提出的要求，本段路塹升級改造的原則如下：（1）先急后緩，將重點放到已存在崩塌失穩(wěn)現(xiàn)象的、對運營安全影響大的部位；（2）盡量減少對既有防護工程及線上其他設(shè)備如電纜槽、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)等的破壞，并盡量使新、舊工程共同發(fā)揮作用；（3）邊坡存在安全隱患、危害較大處采用較強的改造方案，確保其一勞永逸；（4）有條件放坡的地段，盡量放坡，減少改造費用；（5）無條件放坡的地段，充分利用黃土直立性較強的特點，增加防護，提高邊坡的安全性和耐久性。

根據(jù)基本原則，工程段的路塹邊坡按以下5 類劃分，進行不同程度的升級改造。

3.1.1 無放坡條件的重點地段

工程段共有近300 m 路塹頂部靠近市政道路，路塹邊坡高度4～6 m，邊坡坡率約1∶0.2～0.5。坡腳有光纜設(shè)施，部分邊坡未防護，部分邊坡采用漿砌片石護腳或生態(tài)袋碼砌防護，護腳頂上部坡面沖刷嚴重，邊坡坡腳及平臺堆積大量散落土體及植物，目前邊坡已變形，有失穩(wěn)現(xiàn)象，局部已經(jīng)發(fā)生了坍塌。對于這種無放坡條件且塹頂外側(cè)邊緣鄰近市政道路的地段，為確保邊坡安全穩(wěn)定，路塹右側(cè)設(shè)樁板式擋土墻支擋工程。樁截面尺寸為2.0 m×2.5 m，樁間距6.0 m，樁前兩側(cè)設(shè)置翼緣，采用C35 鋼筋混凝土現(xiàn)澆。開挖樁孔時應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土護壁，護壁分節(jié)處應(yīng)盡量避開土石分界和滑動面等軟弱帶。錨固樁孔口應(yīng)設(shè)置鎖口，采用C20 鋼筋混凝土；鎖口頂面高出地面0.2 m，護壁每米一節(jié)，厚度采用0.25 m。開挖面以上樁間設(shè)擋土板，采用C35 鋼筋混凝土預(yù)制。擋土板后，找平層以上平臺以下部分通長設(shè)厚0.3 m 袋裝砂夾礫石層+一層復(fù)合波形排水墊反濾層。樁板墻的錨固樁應(yīng)盡量安排在旱季施工，樁孔應(yīng)隔樁開挖，護壁及時跟進。樁身混凝土應(yīng)及時連續(xù)澆灌，避免形成相對軟弱截面。

3.1.2 無放坡條件的一般地段

工程段有一段路塹外為當(dāng)?shù)乜h城，路塹邊坡受人為活動影響較大，因此坡面支離破碎，沖刷相對嚴重，邊坡變形影響面也較大，因此右側(cè)邊坡防護加固是本段提升改造研究的重點。目前該段路塹邊坡坡率1∶0.2～0.5，高約5～12 m。

對于無放坡條件、與市政道路無影響關(guān)系的未設(shè)防護或設(shè)有生態(tài)袋防護的邊坡，全坡面增加C25 混凝土實體變截面護墻，護墻胸坡坡率不陡于1∶0.5，背坡坡率不陡于1∶0.45，基礎(chǔ)埋深1.0～1.2 m。有條件地段側(cè)溝外設(shè)置1.0 m 寬側(cè)溝平臺，困難地段不設(shè)側(cè)溝平臺或?qū)F(xiàn)有梯形溝改為半矩形、矩形溝并增加蓋板。護墻背臨空部位采用混凝土嵌補，生態(tài)袋在滿足護墻設(shè)置位置時不拆除。

對于無放坡條件、與市政道路無影響關(guān)系的下部已設(shè)有漿砌片石護腳或護墻未防護到頂?shù)囟危瑢ι喜柯懵哆吰略黾覥25 混凝土實體變截面護墻。在既有防護工程上部設(shè)置不小于1.0 m 寬平臺，并采用C25 混凝土防護。護墻胸坡坡率不陡于1∶0.5，背坡坡率不陡于1∶0.45。同時既有防護工程上部不具備設(shè)置平臺的空間時，為避免新、舊工程相互的不利影響，拆除下部既有防護工程，重新施做全坡面防護工程。

3.1.3 有放坡條件的地段

部分路塹的塹頂外側(cè)多為耕地及荒地，相對來說人類活動較少，邊坡高度較低，病害程度較輕，原防護措施和防護范圍都較輕和較小。邊坡坡率約為1∶0.2～0.5，高約3～12 m。既有邊坡部分地段采用軌枕、生態(tài)袋或漿砌片石加固坡腳及部分坡面。路塹塹頂外用地界相對較寬，控制性建筑物較少，具有適當(dāng)放坡的條件，為減少投資，具備條件的路塹地段以放坡為主要措施。

有放坡條件且邊坡未防護的地段，高度H≤5 m 時，側(cè)溝外留1.0 m 平臺，放緩邊坡坡率至1∶1，坡腳設(shè)置C25 混凝土護腳，高度2.5 m，護腳以上坡面采用種植草灌或碼砌生態(tài)袋；高度H＞5 m 時，若放坡寬度不受限制，則在側(cè)溝外留1.0 m 平臺，邊坡按照1∶1 坡率放坡，全坡面采用C25 混凝土拱形骨架護坡，厚度0.4 m，骨架內(nèi)植草并種植灌木；高度H＞5 m 時，若放坡寬度受到限制，則在側(cè)溝外留1.0 m 的平臺，邊坡按照1∶0.5 的坡率放坡，坡面采用全斷面或部分斷面混凝土實體護墻防護。護墻頂寬0.4 m，基礎(chǔ)埋深1.0 m。

3.1.4 其他情況

對于既有漿砌片石或軌枕護腳已坍塌、變形的地段，將既有的漿砌片石護坡拆除后，改造措施同未防護地段；對于既有漿砌片石護墻、護腳或軌枕護腳設(shè)施完好的，只對上部裸露邊坡進行升級改造，改造時在既有護墻、護腳頂部設(shè)置不小于1.0 m 的寬平臺，平臺采用C25 混凝土防護，上部裸露邊坡根據(jù)邊坡高度和是否具備放坡條件，同前述原則進行處理。改造中的生態(tài)袋均利用本次工程拆換下來的，重復(fù)使用不再新增，數(shù)量不足時再采用植草、灌木等措施，防止裸露的黃土邊坡受到?jīng)_刷。

3.2 路基排水系統(tǒng)改造措施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，排水主要存在的問題有設(shè)施不全、不能完全發(fā)揮作用以及失效。對于設(shè)施不全的，未產(chǎn)生積水和集中沖刷的痕跡，沒有對路基構(gòu)成影響的，不再增加排水設(shè)施；有影響地段增加與現(xiàn)場環(huán)境和需求相適應(yīng)的排水工程；對不能完全發(fā)揮作用以及失效的排水工程，全面進行改造。對排水系統(tǒng)的改造按以上3 個原則進行。

3.2.1 天溝

工程段的線路標(biāo)高普遍較低，長大段落的路塹導(dǎo)致區(qū)段的排水條件十分困難。若在塹頂兩側(cè)增設(shè)天溝截排地表水，由于地形原因天溝匯水找不到合適的出路，兩側(cè)天溝匯水依然需要吊入側(cè)溝排出，側(cè)溝的過水需求大大增加，若重新改造側(cè)溝使其滿足天溝匯水所需的過水能力，則又需同步對路肩進行施工，影響線路運營的可能性較大。同時，區(qū)域的地勢基本為單面坡，較高側(cè)多為道路和縣城居民區(qū)，具備較完善的市政排水系統(tǒng)，形成了天然的截水屏障，減少了高側(cè)來水，現(xiàn)場調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)匯入線路的集中水流。因此，只對地勢高側(cè)距離市政道路及居民區(qū)較遠、有匯水的塹頂增加天溝。天溝設(shè)置為矩形或梯形，采用C25 混凝土澆筑。

3.2.2 側(cè)溝

對側(cè)溝溝壁高于路基面的地段，沿縱向間隔5.0 m，自砟腳開挖0.1 m 寬、0.1 m 深的溝槽，用砂礫石充填，并在側(cè)溝壁對應(yīng)位置鉆孔，將路基面水分段引入側(cè)溝，形成橫向排水通道。

對砂漿脫落的漿砌片石溝，應(yīng)予以拆除并重新設(shè)置C25 混凝土梯形排水溝，底寬0.4 m，深度0.6 m。

對淤積嚴重、產(chǎn)生變性的軌枕溝，根據(jù)路肩寬度和電纜位置，在原溝位置或路肩位置重新開挖設(shè)置C25 混凝土矩形蓋板溝，寬度0.4 m，深度不小于0.4 m，并與相鄰上下游側(cè)溝順接，確保排水通暢。

對無側(cè)溝地段，增設(shè)C25 混凝土梯形溝，深0.6 m，底寬0.4 m 的矩形蓋板溝，與相鄰兩側(cè)側(cè)溝順接。

對跨線立交橋臺距離線路過近導(dǎo)致的無排水出路地段進行改造挖開道砟，通過在橋臺基礎(chǔ)外側(cè)埋設(shè)φ0.6 m的鋼筋混凝土管，連通上下游排水。

3.2.3 線間溝

線間溝的長度共計約700 m，基本都是土溝，無任何防護。主要的問題是雜草叢生，淤堵嚴重。處理措施為清理雜草及淤積物，重新設(shè)置C25 混凝土梯形排水溝。

3.2.4 盲溝

對地下水位較高地段，為及時引排地下水、疏干基床，減少基床出現(xiàn)如路肩冬季結(jié)冰等病害，于該段增設(shè)截水盲溝，截水盲溝大里程端與既有盲溝順接，盲溝類型及埋置深度參照已有盲溝設(shè)置。

3.3 路肩改造措施

道砟厚度較大地段研究采用擋砟板對既有道床坡腳進行收坡。擋砟板為一直角形狀，采用C30 鋼筋混凝土預(yù)制，板底寬和板高相等，厚10 cm，單塊擋砟板沿線路方向的長度為0.6 m，埋設(shè)時插入砟腳，每塊之間預(yù)留1～2 cm 空隙以便排水。

3.4 防護柵欄改造措施

對于已損壞的或無獨立基礎(chǔ)的金屬網(wǎng)片防護柵欄，拆除更換為1.8 m 高度鋼筋混凝土立柱金屬網(wǎng)片防護柵欄，柵欄頂0.5 m 外折；對路塹邊坡較低的無防護柵欄地段，增設(shè)1.8 m 高度鋼筋混凝土立柱金屬網(wǎng)片防護柵欄；路塹邊坡較高的無防護柵欄地段可不增設(shè)。

3.5 既有線改造中的臨時防護措施

該路基、排水等設(shè)施升級改造的工程位于既有鐵路內(nèi)，路塹兩側(cè)需實施的工程主要有樁板式擋土墻、路塹刷坡、混凝土坡面防護、側(cè)溝及直角型擋砟板等項目，施工場地和條件有限，運營線不能停車，且行車密度大，需要采取特殊的工程結(jié)構(gòu)或臨時防護設(shè)施，才能在滿足施工需求的前提下，最小程度降低對既有線運營和安全的影響。

鄰近既有線施工方法、技術(shù)和防護措施，一般情況按以下原則進行設(shè)計：不調(diào)整、中斷既有線正常行車；局部在限界內(nèi)的施工點在天窗點進行；加強施工防護和隔離措施。鄰近既有線土方開挖施工需執(zhí)行鐵總及各路局的法規(guī)、規(guī)范。為保障既有線正常運行，在既有線路肩內(nèi)側(cè)設(shè)置施工安全隔離排架，排架為鋼管防護網(wǎng)：網(wǎng)高2 m，鋼管縱向間距5.0 m，長3.0 m，打入地下不小于1.0 m。同時，對于靠既有線側(cè)溝、擋墻和護坡等基坑臨時開挖邊坡采用鋼板樁連接支護，鋼板樁錨固長度不小于懸臂長度。

4 結(jié)束語

除了以上路塹邊坡沖刷嚴重、失穩(wěn)，排水系統(tǒng)不暢、路肩寬度不足和防護柵欄失效等問題外，長期運行的既有線還存在沉陷、陷穴等黃土地區(qū)常見的病害。濕陷性黃土地區(qū)的路基在受到水流浸潤后，在重力或其他附加荷載的影響下，由于原修建年代早，填料標(biāo)準(zhǔn)較低、地基處理技術(shù)手段受限，使得土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致了路基的沉陷和失穩(wěn)。而黃土天然含有可溶鹽的成分且節(jié)理垂直發(fā)育，地表匯流易沿垂直節(jié)理下滲，黃土中的可溶鹽遇水溶解進而導(dǎo)致土體崩解，不斷坍塌，形成或擴大了陷穴，對路基造成影響。

黃土地區(qū)的路基病害多基于黃土的土體性質(zhì)，黃土濕陷性的發(fā)生需要有水流的參與，因而黃土地區(qū)修建鐵路工程需要尤其重視排水系統(tǒng)的設(shè)計，減少水流對黃土的干擾，這可以從設(shè)計、施工、運營三方面進行優(yōu)化，設(shè)計中重視排水系統(tǒng)的合理規(guī)劃，施工中保證排水系統(tǒng)與主體工程的銜接并隨現(xiàn)場地形變化提出合理建議，建成運營后要及時養(yǎng)護，避免淤堵不暢。對既有線路的改造升級中可以總結(jié)出，黃土地區(qū)既有鐵路路基設(shè)施提升改造應(yīng)注重三點，一是提高邊坡的防沖刷能力、耐久性和安全性；二是提高路基排水的系統(tǒng)性，避免水流浸潤路基引起病害；三是保證路肩寬度，提供維修養(yǎng)護作業(yè)通道。

對既有鐵路的提升改造，可以提高運力、節(jié)約用地，與新建線路相比投資小、見效快，避免了國土資源的浪費。隨著時間推移，目前我國的運營線路都將逐步進入修整改造階段，既有線提升改造技術(shù)的研究具有重要意義。