罗布泊盐湖岩盐路基设计及施工方法研究

2013-09-04谢德江

铁道标准设计 2013年2期

谢德江

(新疆铁道勘察设计院有限公司，乌鲁木齐 830011)

1 工程概况

新建铁路哈罗线自既有兰新线哈密站引出至线路终点罗布泊镇罗中区，全长383 km，为南疆环线的一部分，设计时速120 km，于2010年开工建设，目前项目处于路基本体施工和铺轨已完成待竣工验收阶段。其中DK298+172～DK383+500段共85 km为岩盐路基，处于罗布泊盐湖湖积平原区(图1)，当地气候干燥，降雨稀少，地表呈现“犁耕地”，无任何植被。工程地层从上到下主要为盐壳、钙芒硝层、含粉质黏土钙芒硝层，地表下10～60 cm存在一层水平状孔洞。地下水埋深为2.0～10.0 m，为饱和状态，水质极差。最高气温48℃，最低气温-22.7℃。年蒸发量达5 070.4 mm，年降雨量38.5 mm。

图1 罗布泊盐湖湖积平原区

2 工程特点与难点

岩盐作为一种特殊的路用材料，无规可循，无据可依，岩盐对铁路工程的主要危害表现为盐溶、盐胀、坍陷、溶蚀和腐蚀性。其工程性质和路用性能的研究，主要集中在20世纪70～80年代，青藏铁路西格段穿越察尔汗盐湖32.4 km取得了成功，这就是著名的“万丈盐桥”，第一条用岩盐填筑的铁路。

罗布泊盐湖岩盐与察尔汗盐湖岩盐有许多相同的地方，诸如岩盐的成因、所在地的气候条件、岩盐强度大等。但也存在较大的区别，察尔汗盐湖岩盐的化学成分中 NaCl含量高达 87.68%，SO42-的含量为0.36%～1.69%，地下潜水浅，产生的危害主要为盐溶;罗布泊盐湖岩盐中 Na2SO4含量为 1.52% ～16.33%，NaCl含量为2.76% ～28.61%，含量均较高，且Na2SO4含量远远超过了2%，地下潜水深，产生的危害主要为盐胀以及地表下的水平状孔洞。因此，哈罗铁路岩盐路基除了考虑岩盐危害的通性外，主要针对盐胀和地基处理的设计。

哈罗铁路的修建，将是我国最长的一条用岩盐进行路基填筑的铁路，是我国第二条用岩盐进行路基填筑的铁路，同时也是我国铁路建设史上第一次尝试以硫酸盐岩盐填筑路基的铁路，其技术难度大，探索性强。

3 岩盐路基的可行性和必要性

3.1 可行性

3.1.1 岩盐路基稳定性的初步分析

岩盐路基的稳定性直接受大气降水的控制，在一般降水量较大的地区要用岩盐作为铁路路基填料是绝对不可能。但罗布泊地区属于典型的大陆干旱性气候，气候干热，蒸发量大，降雨量少，因此，虽然岩盐易溶，但雨水对它的溶解量是极微小的，如果再提出合理的阻隔措施，则大气降水对路基的影响微乎其微。

3.1.2 岩盐的力学性质分析

根据地质特征，地层的最小承载力为200 kPa，承载力满足设计要求。岩盐重塑样28 d龄期无侧限抗压强度为620～1 450 kPa，填筑路基的强度要求也能达到。

3.1.3 场地稳定性、适宜性评价

在勘察和施工期间基底未见深层溶洞现象，且地下水矿化度都大于300 g/L，已成为饱和卤水，不存在溶蚀岩盐的可能，说明地基是安全的。但在地表下10～60 cm存在一层水平状孔洞，高5～20 cm，应对该水平状孔洞进行处理来满足设计要求。

3.1.4 类似工程的成功案例

青藏铁路西格段穿越察尔汗盐湖32.4 km，是著名的“万丈盐桥”，于1979年铺通，1984年投入运营。该段铁路全部以路堤形式通过，表层以下就是利用岩盐填筑，不同的是当地岩盐以氯盐为主，罗布泊的岩盐以硫酸盐为主。2008年，青藏铁路西格段二线也开工建设。在罗布泊地区还有哈罗公路，它是目前罗布泊地区唯一的交通通道，公路等级为三级，于2004年开工建设，2006年竣工，该公路罗布泊盐湖段采用岩盐进行填筑，填筑高度一般为0.5～0.8 m。

3.2 必要性

3.2.1 降低工程造价

由于本线岩盐路基的长度85 km，采用常规处理方法需要大量渗水土填料。而且北侧库鲁克塔格剥蚀丘陵区及线路周边渗水土填料缺乏，须远运，平均运距在40 km以上，投资巨大。如果采用岩盐作填料填筑路堤，就地取材，可节省大量的工程投资降低工程造价。

3.2.2 保护环境

该段取土量较大，取土时不可避免地对自然地表进行挖填，改变了原来自然地形地貌，减少地表植被，甚至造成局部水土流失，破坏山体自然平衡，影响地下资源的开发利用。如采用就地取土，取土分散，取土后岩盐重新胶结，对地表基本无影响。

3.2.3 为将来哈罗铁路延伸至若羌积累必要的技术储备

哈罗铁路修通以后，根据我国的铁路规划，从罗中至若羌的铁路修建必将提上议事日程，罗中到若羌段几乎全部穿越岩盐地段，外运填料变得更为不现实，通过该项目的设计研究，为哈罗延伸至若羌铁路修建提供必要的技术积累和人才储备。

4 工程设计

4.1 路基本体设计

路基横断面设计见图2。

图2 路基横断面设计(单位:m)

4.1.1 工程措施

路基基床表层0.6 m采用B组填料，坡率为1∶1.5。基床表层0.6 m以下利用当地岩盐填筑。路肩以下0.6 m处设置0.5 m宽的平台，填岩盐部分边坡坡率为1∶1.75。

坡脚处设置1.0 m宽，0.5 m高的防护护道。

路肩以下0.6 m处铺设复合土工膜隔断层，并在复合土工膜上、下各设置0.10 m厚的中粗砂保护层。

路肩0.8 m宽、基床表层坡面和路肩以下0.5 m处0.5 m宽的平台平铺0.10 m厚的小卵石。

4.1.2 路基结构的选择

(1)主要以如下3个方案进行研究比较。

方案一:横断面全断面填筑渗水土方案，边坡坡率1∶1.5;

方案二:路基结构分为表层和底层，表层厚0.6 m，其下为底层。表层采用B组填料，底层利用当地岩盐填筑，边坡坡率1∶1.75;

方案三:横断面全断面填筑岩盐方案，边坡坡率1 ∶1.75。

路基填筑及成形照片见图3、图4。

图3 路基填筑

图4 成形路基

(2)各方案经济比较(表1)

表1 DK298+172～DK383+500段方案经济比较

(3)各方案比较分析

方案一为路基处理盐渍土地区的成熟方法，但是工程造价高。

方案三工程造价低，但大气降水、运营中列车用水以及车站用水直接溶蚀了路基面，对雨水无隔断作用，对路基造成破坏，且岩盐的特性能不能保证路基基床表层的各项指标要求尚不明确。

方案二结合经济和技术为推荐方案，但也需要进一步研究试验。诸如其他表层0.3 m厚填B组填料，底层填岩盐的方案;表层1.0 m厚填B组填料，底层填岩盐的方案等也可作适当的研究。

4.1.3 路基边坡的研究

(1)一般路基稳定的路堤边坡坡率:土质及易风化的软块石土为1∶1.5，硬块石土为1∶1.3。岩盐岩石等级大多为Ⅲ级硬土，个别达到Ⅳ级软石的标准，但其具有膨胀性等特殊性质，坡率只能为1∶1.5或者更缓，所以设计为1∶1.75。

(2)防止雨水对路基的侵蚀。边坡坡率放缓主要起到了加宽作用，使大气降水只对路基加宽部分的坡面有影响，真正起稳定作用的路基部分未受影响。

(3)抑制盐胀，减少外界温度、风对路基的影响。目前初步测试的外界温度对路堤本体盐胀变形敏感区域为外表2 m范围(图5)，通过路基加宽和放缓坡率来增加路基加宽部分坡面和稳定作用坡面的距离，使敏感区域尽量在稳定作用坡面以外，从而增加路基的稳定性。

图5 温度影响路基盐胀变形敏感区域示意(单位:m)

4.1.4 防水材料选择

岩盐是一种溶解性和腐蚀性都强的特殊介质，选择防氯盐、硫酸盐腐蚀材料来加强路基防水是关键，而复合土工膜在这方面有成熟的使用方法和应用经验，根据其材料的合成性能，选择抗老化、抗拉、抗顶破、抗撕裂、寿命长、耐腐蚀、抗冻及抗高温性能好的材料。

复合土工膜设置于路肩以下0.6 m处，能有效地将路基本体填筑的岩盐和基床表层B组填料隔离开来，阻断了自然降水和人为因素造成的淡水对岩盐填料的溶蚀，中粗砂则是在岩盐与基床表层之间对土工膜形成了保护，防止土工膜被大粒径岩盐和基床内的碎石损坏，确保了土工膜的完整。

4.2 地基处理

由于地表下10～60 cm存在一层水平状孔洞，对路基基底进行重型机械碾压处理。经过现场施工DK298+172～DK331+200、DK354+600～DK383+500段重型碾压能处理，但 DK331+200～DK354+600段孔洞依然存在，对这一现象，单独选取了DK347+700～DK348+200段进行试验，分别采用了冲击碾压法、重型碾压、重锤夯实法以及破碎压实法的方法进行处理，下面就几种方法分别详述如下。

4.2.1 冲击碾压(图6)

选择在DK347+700～DK347+900段，对原地面使用破碎锤配合挖掘机进行大致平整后，喷洒一定量的卤水，静止一段时间，进行20遍冲击碾压，对基底进行检测。

4.2.2 重型碾压(图7)

选择在DK347+900～DK348+000段，对原地面使用破碎锤配合挖掘机进行大致平整后，喷洒一定量的卤水，静止一段时间，进行5遍重型碾压，对基底进行检测。

图6 冲击压实机现场

图7 重型碾压施工

4.2.3 重锤夯实法(图8、图9)

选择在DK348+000～DK348+100段，对原地面使用破碎锤配合挖掘机进行大致平整后，使用夯锤直径为2.4 m，自重260 kN，按1 000 kN·m的夯击能试夯后发现表层坚硬盐壳根本没有任何变化，然后逐步增加夯锤的起吊高度，直到起吊高度达到15.5 m即夯击能为4 030 kN·m时才达到击破盐壳，单点夯击数达到5击时最后两击的下沉量已小于10 cm。

图8 重锤夯实施工

图9 重锤夯实后的基底处理效果

4.2.4 破碎压实法

选择在DK348+100～DK348+200段，对原地面采用破碎锤配合460型以上大功率挖掘机进行破碎，破碎后撒卤水压实方案进行处理。

从表2可以看出，冲击碾压法和重型碾压法达不到要求，重锤夯实和破碎压实法可以满足要求。虽然重锤夯实方法处理的效果较好，但施工机械挪动较慢导致施工速度缓慢，而且造价较高，而破碎压实法也能满足要求，相对重锤夯实施工速度要快，也经济合理，最后在施工时推荐破碎压实法。

表2 DK347+700～DK348+200段原地面处理后数据统计

4.3 排水系统设计

4.3.1 平纵断面设计

大部分铁路选线在东台地上走行，只在最后10 km在盆地里，东台地比盆地一般高5～10 m;线路纵断面设计也大多以大于2.5 m的路堤形式通过，只有极少数穿越雅丹地貌为浅挖方，这都有利于雨水自然排出。

4.3.2 路基设计

路堤设置0.5 m高、1.0 m宽的护道，对本体以外的雨水起到了阻隔作用;路堑设置侧沟汇集坡面水，将汇集的雨水引至排水沟或者路基以外，侧沟和排水沟的水引至路基坡脚以外15 m，以确保排出的雨水对岩盐侵蚀不影响路基的稳定性。

4.3.3 排水沟形式

一般的排水沟都采用浆砌片石或者浆砌混凝土块板，在该地区片石缺乏、而且对混凝土的腐蚀性特别大，为此采用复合土工膜铺砌排水沟的方法，并在复合土工膜的上下各铺中粗砂保护。

5 结语

哈罗铁路在罗布泊湖段采用硫酸盐岩盐作为填料，大大减少了工程投资和对环境的污染。目前路基填筑成形，钢轨铺架也基本完成，经现场观测，路基沉降和路基变形均满足规范要求，说明采用的路基设计措施是有效的。当然，由于硫酸盐岩盐具有特殊性质，对路基有较大危害性，上述设计还需要经受考验，也需要继续研究，来更好地完善设计。通过哈罗铁路岩盐路基的设计，对岩盐有了更深的认识，对岩盐路基设计和施工具有一定的建设性意见，促进了地区的经济发展。

［1］龙锦永，金世泽.青藏线察尔汗盐湖路基设计简介［J］.路基工程，1985(5):76-84.

［2］铁道第一勘察设计院.盐渍土地区铁路工程［M］.北京:中国铁道出版社，1988.

［3］铁道第一勘察设计院.铁路工程设计技术手册路基［M］.北京:中国铁道出版社，1992.

［4］铁道第一勘察设计院.TB10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］铁道第四勘察设计院.TB10035—2006 铁路特殊路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［6］铁道第四勘察设计院.TB10118—2006 铁路路基土工合成材料应用设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［7］李锁平.青藏铁路察尔汗盐湖岩盐路基的防护［J］.资源环境与工程，2009(9):66-68.

［8］白家风，龙珍.青藏铁路岩盐路基填筑施工技术［J］.施工技术，2010(2):58-60.

［9］肖军华，刘建坤.岩盐用作路基填料的力学性质试验［J］.工程地质学报，2007(15):119-123.

［10］铁道第一勘察设计院.TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［11］王弭力，刘成林.罗布泊盐湖钾盐资源［M］.北京:地质出版社，2001.

［12］刘贺业，李凯崇，程建军，刘卫红.哈罗铁路硫酸岩盐路基填筑施工技术［J］.铁道标准设计，2012(9):1-3.