京九线膨胀土路基病害整治措施

2012-06-19史忠贵上海铁路局阜阳工务段

上海铁道增刊 2012年3期

史忠贵上海铁路局阜阳工务段

1 概况

阜阳工务段管内京九正线延长357.835 km，站线215.531 km ，正线路堤长度为330.391 km，站线路堤长度为215.226 km，膨胀土填筑路堤长度106.465 km。路基填土沉落较快，主要是在施工时路基压实度不足造成的。加之当时设计施工时对膨胀土的特性认识不足，造成该线通车运营后，连年整治边坡坍塌，翻浆冒泥等路基病害。膨胀土（又称裂隙粘土）在管内分布广泛，因这种土具有明显的胀缩性，超固结性和多裂隙性，在工程上主要表现为失水收缩开裂，吸水膨胀软化，反复变形和强度大幅度衰减等特征。

2 病害表现形式

2.1 翻浆冒泥

发生于基床土质不符合要求的部位，如粘粒含量过高的填土和泥质软岩的路堑，其表层遇水软化成泥浆，因列车的振动而挤入道碴空隙，使道床脏污，减小弹性。通常表现在雨季，雨季后延缓一段时间，至旱季道床形成干硬的泥结碎石，其上翻浆基本来自基面，扒开道床，一般可发现深度不大于50 cm的碴囊，轨面有较频繁的轻微变化，主要集中表现在地下水发育或长期积水地段，陷槽深度一般在0.25～0.5 m之间。春雪及夏雨后，陷槽处所频繁出现。

2.2 基床下沉外挤

基床软化下沉引起基床土及底砂从道床坡角挤出，路肩上拱外挤，侧沟倾斜开裂。由于基床软化下沉及路基本体压密下沉而引起轨面下沉，工务部门只能采取垫碴捣固维持轨面日常养护。路基内有道碴囊及软卧层，随着地表水的不断渗入，下沉产生的道碴越来越多（一般都大于50 cm），当软卧层较薄时，能很快地发展为路基外挤。造成路肩隆起或侧沟被挤。

由于内外侧所受侧压力不均，通常在轨下表现为非对称的马鞍型道碴囊、黄砂挤出、路基变形，导致线路水平、高低、方向有较频繁、较大的变化。

2.3 路基坡面病害

主要集中在中等膨胀土地段，主要是因为膨胀干燥时易崩裂，降雨季节地表水沿裂隙下渗，土体含水量饱和，土体的结构强度随之下降甚至丧失，造成边坡溜塌。

冲蚀是伴随着剥落而发生的。膨胀土由于表层由于晴雨交替，反复干缩湿化碎裂成松散土粒，在重力及地表泾流冲刷的作用下，一方面松散土粒从上坡下落后堆积于下坡及平台，另一方面沿坡面形成沟状冲蚀现象。发生弱膨胀性土区段较多。严重时枕头处路肩冲空，严重的造成既有片石路肩破损和路肩边坡坍塌。

3 原因分析

3.1 膨胀土的特性

通过对路基病害进行成因分析，了解到本段路基病害发生的本质原因是土质问题，由于膨胀土特殊的性质，吸水膨胀、失水收缩性能。反复胀缩后的土体会使裂隙发育、结构破坏，强度衰减，膨胀性加大，对既有线铁路运营工程造成巨大的危害。

3.2 大气降水

京九线我段管内气候温和，四季分明，属季风暖温带半湿润气候，年平均降水量800～1500 mm，雨量多集中在5～9月份，约占全年降雨量的百分之八十，降雨特点是突发性强，历时长，雨量大，时空分布不均，破坏性强。

3.3 排水条件

京九线我段管内的线路，虽属淮河水系，但铁路沿线并没有与之平行的河流，且由于管内线路在路基修筑时在铁路两侧就地取土筑路，路基两侧因取土形成的取土坑既深又长，目前已经成为当地居民的养鱼塘，雨季取土坑内积水因无河流与之相连无法排泄，只能靠自然挥发和渗入地下来消耗积水，两侧积水使路基长期处于水的浸泡之下。

4 路基病害整治

4.1 整治依据

选用土工格室和土工布（排水板）进行综合整治的依据：

（1）土工格室工作原理。因为路基基床土在列车动荷载作用下沉降的同时向两侧扩张，并伴有路肩的隆起，因此在基床面下方存在着一个拉伸变形区域，如果将土工格室布置在这个区域，将产生拉力，提高基础的承载力，格室底部再加上排水板，可以增强基面的排水性能，格室两侧依次设置碎石反滤层，确保置换层的排水通畅。

（2）土工格室的作用。土工格室是20世纪90年代出现的一种高密度聚氯乙烯土工合成材料，它具有三维的结构特点。由于网状方格中强化的PE条通过强力焊接后产生的横向限制力以及土工格室壁的摩擦力，使得格室内填方共同形成一弹性结构桥，使格室上部的荷载通过这一结构层时进行应力扩散，从而改善了下部地基的受力状态，减少了变形。

（3）土工布的作用。土工布是一种新型的岩土工程材料。由于它具有突出的高抗拉强度，高抗腐蚀性、良好的整体性和水理性等工程特性，因而置于土体内部，路基基床面层100 mm砂垫层上，能够加强和保护路基基床士体的作用。

4.2 土工格室性能

整治采用的土工格室为北京燕山石化公司树脂应用研究所研制开发的G100型。格室可折叠，展开后为呈蜂窝状的三维结构。

土工格室厚度为100 mm，由改性共聚丙稀制成，接缝用超声波焊接，材料横载面为矩形，均质，230C时的抗拉强度为25.6 MPa，焊缝剥离强度≥117.4 N/cm。排水板纵向10%延伸率时的抗拉强度≥100 kN/m，横向≥120 kN/m。

5 土工格室组合体整治膨胀土路基病害

5.1 路基病害概况

京九下行线K800+000-K801+000段经调查，轨下基床下沉外挤，形成陷槽，深度均在300 mm以上，软卧层厚约150 mm，线路外侧有一段为土质平台，基面长期积水，无法排除，又引起基床翻浆冒泥，轨面月下沉量为60-90 mm，线路养护工区劳力难以养护维修。为此，我们确定选用土工格室组合体进行整治，土工格室组合体的设计见图1。

图1 土工格室组合体的设计

5.2 施工要求

施工本着保证效果、节约成本的原则，根据病害实际情况，并根据开挖后路基断面实际情况，对上述地段采用土工格室组合体（即：垫砂、铺排水板、铺土工格室）的方法，对基床病害进行综合整治。

5.3 基床整治

挖开道床及部分基床至设计深度（以内侧钢轨枕底为准）不少于700 mm，铲平基面，并向外预留不小于4%的横向排水坡；回填中粗砂，厚度100 mm，并做夯拍处理，设好排水坡；铺设排水板，然后其上再回填100 mm厚的中粗砂。排水板在铺设时要展平，板上下不得留有弃碴等硬物，并做好板之间的接口搭接，要求搭接不得少于50 cm。

铺土工格室，厚度100 mm，并做夯拍处理，设好排水坡。土工格栅铺设时要用人工摊开拉伸、铺平，幅与幅之间纵向连接，采取密贴排放。铺好后不能留有褶皱，在每幅的接头处用“U”型钉固定。等全部整平后才回填黄砂，并夯拍密实（见图2）。回填中粗砂，厚度100 mm，并做夯拍处理，设好排水坡；最后回填道碴，厚度300 mm，恢复道床，并捣固密实。

图2 土工格室铺设后的实景图片

5.4 增设片石路肩及侧沟

格室两侧依次设置碎石反滤层，确保置换层的排水通畅。土质平台地段增设片石侧沟，其流水面高程在格室下排水板面出口处0.2 m以下。开挖后的地段，同步恢复干砌片石路肩（顶面标高为轨顶下 0.85 m，边坡坡率 1：1.0），每 15 m设一沉将缝，缝宽20-30 mm，砌体尺寸符合要求，顶面用100#水泥砂浆抹面，砂浆配合比正确，并确保养生周期。

5.5 整治效果

京九线下行K800+000-K801+000段路基病害整治完成后，经过半年多的运营，月下沉量减少90%，同时轨面沉降量较为均匀；对于该地段的劳力投入减少60%。通过采用土工格室组合体方法，路基病害不但得到了很好的整治，而且也提高了该段路基的承载力，同时因为排水板的作用使加固砂垫层下的基床土的动应力得到改善，这样基床软弱层只需挖去相当于格室深度的部分和增加其下排水砂垫层，与传统的换填法相比，置换厚度减少，而且土工格室质量轻，运输方便，强度高，特别是能在狭小的空间里操作，减少了换填法置换深度大、劳动强度大、施工难度大的问题。