高原冻土区既有线路基病害防治技术

2014-05-04李昌斌

铁道建筑 2014年10期

李昌斌

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

在我国早期建成的高原铁路中，部分铁路已不能满足日渐增长的交通需要。然而高原地区条件恶劣，地质情况复杂，新建铁路成本较高，工期较长，同时由于沿线主要为高寒草甸、高寒草原、沼泽湿地等高原生态系统，自然生态环境十分脆弱，一旦遭到扰动破坏，其恢复将十分困难，有的甚至是不可逆的。环境质量的好坏将直接影响到高原冻土区人民的生产和生活。对既有线进行扩能改造既能最大化节省工程投资，满足铁路运输的要求，又能最大程度地保护生态环境。因此，在“低投资，低污染，高要求，高质量”的原则下研究既有铁路的改造技术十分必要。

在既有线路基病害防治中，由于既有填料和新填料在含水率、粒径级配等物理性质上存在差异，导致冻胀和融沉的速率存在差异。如果不采取必要的措施会使治理后的路基出现大量纵向裂缝，这些裂缝不仅规模巨大、数量繁多，而且发展迅速、难以养护，危及行驶安全［1］。为此，本文结合柴达尔支线路基病害，在对多年冻土区路基纵向裂缝形成机理进行研究的基础上，通过全线普查和典型路段详查，从工程实际出发，研究经济合理、技术可行的处治对策。

1 高原冻土区铁路路基病害防治原则

路基病害的整治遵循“以防为主，防治结合，彻底整治，不留后患”的思路，采取主动保护和被动保护相结合的措施，充分考虑既有线新旧填土性质的不同和渗水对路基的影响。综合分析，比选出最合理经济的工程措施。

2 高原冻土区路基病害防治措施

2.1 换填既有基床填料防止冻融

在位于青海省的柴达尔支线扩能改造路基设计工程中，既有线路基土质不良，路基内含草皮，渗水性差，冬季冻害严重，分布比较广泛，冻起高度以25 mm较为普遍，最大为50 mm，对行车安全构成隐患。本线在早期设计过程中，对冻害路基基床顶面至地面的最小距离考虑不足。

通过下式可以计算出路基基床顶面至地面的最小距离Hmin

式中:Hc为毛细水强烈上升高度，m。根据本线地层情况，Hc=0.290+0.056 7wm+1.545为最大分子吸水率，%;d10为有效粒径，μm;d50为平均粒径，μm。Δh为安全高度，一般取0.5 m。hf为有害冻胀深度，m;一般取最大冻结深度的60%～95%。hw为冻胀期地下水埋深或地面积水深度，m;当为地下水时取负号。

路基冻害根据冻起高度和最大冻结深度的不同而采取不同措施。对于不能满足冻土区路基基床顶面至地面的最小距离的一般冻害路段，挖除基床1.8 m，依次换填0.6 m厚渗水土和1.2 m厚B组填料，对既有填料进行改良。为防止毛细水上升，在基床表层底部铺设土工膜，土工膜上下各铺0.1 m厚中粗砂垫层。对于严重冻害路段，基床填料优先选择矿渣、炉渣、粉煤灰、砂、砂砾石及碎石等抗冻稳定性较好的材料。挖除基床2.5 m，依次换填0.6 m厚渗水土和1.9 m厚B组填料，基床表层底部铺设土工膜，土工膜上下各铺0.1 m厚中粗砂垫层。同时为了有效降低水位，加强基床的排水作用，在中粗砂垫层以上设置横向盲沟，最后再填筑渗水土。横向盲沟每10 m设一处。尺寸为0.4 m ×0.6 m，见图1。

图1 横向盲沟示意

2.2 修筑保温护道降低冻土的破坏作用

保温护道是指在多年冻土区路堤两侧用保温材料填筑的具有一定宽度和厚度的护道。其高度一般为1.5～2.0 m，宽度为2.0～3.0 m。其作用是防止自然或人为因素改变地面温度，造成冻土融化而影响路基的稳定。

修筑保温护道在一定程度上恢复了在以往修筑过程中就地取土所破坏的路基两侧冻土环境，对防止融化盘的扩大，减缓路基病害的发生与发展起到了十分积极的作用［2］。

柴达尔支线地处人类活动较为频繁的藏区，藏民常年在沿线以放牧为生;既有线全线未设排水系统且阴阳侧差别明显。全线在向阳侧路堤段设置的保温护道在保护冻土的同时，降低了边坡高度，提高了路堤的稳定性;在防止水对路基本体作用的同时发挥了便道的作用。

2.3 帮填土中设土工格栅防止不均匀沉降

在对填料进行改良做好隔排水的基础上，为更有效防止不均匀沉降对路基的破坏作用，在研究其机理的同时基于现场勘察资料，按照纵向裂缝发育性状和形成原因的相似性及工程整治的方便性，将纵向裂缝分为直线型和边坡弧型两种类型［3］。对于直线型采取的工程措施主要是在帮宽新填土部分设单层土工格栅，针对边坡弧型一般采用土工格栅分层加筋。但是不论那种裂缝，在施工中都要求加大帮填路基及新旧路基接触部位的压实度。

2.4 双向挖台阶保证新旧路基充分衔接

在对既有线路基帮填土加宽改造时，采取了双向挖台阶的施工工艺，即在帮填土时沿既有边坡横向和纵向同时挖台阶(见图2和图3)，台阶宽度均不应小于1 m。在因冻害换填基床路段，垂直线路走向挖横向台阶，分层填筑，分层碾压。双向挖台阶法可保证新旧填料更好地衔接，避免由于帮填土的强渗水性，在新旧路基连接面处形成汇水面，产生软化层，导致帮填土路基发生沉陷;同时可弥补新填土宽度较小，防止新旧两层皮发生边坡溜坍。在柴达尔支线改造中，全线采用了这种措施，最大程度地减小了新旧路基结合处不均匀沉降，消除了边坡压实度不足的弊病，加强了新旧路基的结合程度。

图2 横向台阶和土工格栅示意(单位:m)

图3 纵向台阶示意(单位:m)

2.5 采取加宽措施解决帮宽路基填土宽度不足问题

和现行规范要求的路基面宽度相比，既有铁路路基面宽度一般都较小。如修筑于1975年的柴达尔支线既有路堤宽一般为5.5 m，路堑宽为5.6 m，部分地段甚至达不到这个宽度，这和目标设计宽度7.0 m差别很大。在设计中如采取双侧加宽，则单侧帮宽值为0.75 m(一般要求单侧加宽值必须＞0.5 m)。但是在实际施工过程中，路基填土加宽值没有达到设计要求。根据规范要求，结合对既有线原始形态的勘测调查，对柴达尔支线加宽措施作了如下统一规定:

1)在既有线的改造设计中，只要条件许可，一般宜采用单侧加宽，这样加宽部分和既有路基的衔接面积更小更利用施工，也最大程度上减少了工程量。

2)当单侧路肩加宽值＞0.5 m时，采用填土帮宽路堤，应沿既有路堤坡面挖成宽度不小于1 m的台阶，扒松既有坡面，扒松厚度不应小于0.2 m。在帮宽路堤边坡中铺设土工格栅，每层间距0.5 m，幅宽1.5～2.5 m。帮填土顶部宽度不应小于0.5 m，底部不应小于顶部帮宽值。

3)当单侧路肩加宽值≤0.5 m时，采用干砌片石垛帮宽路基。

4)在不宜刷方扩宽路堑地段，可采用改变侧沟形式、削减侧沟平台、设置侧沟盖板等措施加宽路基。削减后的侧沟平台不宜小于1.0 m。扩宽路堑开挖造成对既有防护工程的拆除，为保证边坡的稳定，根据地层及边坡高度，采用浆砌片石护坡防护或设挡土墙。

2.6 基床翻浆冒泥及下沉外挤的整治

既有线填料性质较差，加之高原地区气候变化较大，雨水集中，部分路基周期性积水导致基床翻浆冒泥或下沉外挤。一般发生在基床为黏土类的路基地段，排水不良的路堑和站场比较多见。翻浆冒泥和下沉外挤是基床变形不同阶段的不同表现特征，翻浆冒泥导致基床陷槽或出现渣囊引起下沉，陷槽或渣囊的发展使基床抗剪强度下降，导致路肩隆起或边坡外挤［4-9］。基床翻浆冒泥引起的轨道不平顺，恶化了列车运行条件，但变形发展缓慢，对行车安全影响不大。而基床下沉外挤，则可能造成行车中断甚至列车颠覆，严重危及行车安全。

在针对路基本体整治基床翻浆冒泥及下沉外挤的的同时，应视病害性质、产生原因、地段长短及施工条件等情况，合理选择施工工艺综合整治，做好排水工程，尤其是路堑和站场，应疏通或修建防渗侧沟、天沟、排水沟等地表排水系统;同时应根据综合情况采取修建盲沟、截水沟、侧沟下渗沟等措施，消除或减小地表水和地下水对路基基床的侵害，使基床土经常保持疏干状态。

2.7 路基排水系统的改造和完善

水对路基安全有很大影响，在水的作用下路基可能出现下沉，边坡开裂、塌陷等问题。早期铁路路堤地段排水沟和路堑地段侧沟一般为土质沟，且断面尺寸不够，侧沟平台不足，由于雨季冲刷，破损比较严重，造成路基病害。因此，应按照因地制宜的原则对排水沟和侧沟进行加固设计。排水工程应根据不同地质条件及环境状况选择多种形式，如采用浆砌片石水沟、草皮水沟、护道及挡水埝等。特别在多年冻土地段，设计挡水埝可抬升多年冻土上限，阻止冻结层上水和地面水进入路基基底，消除侧向水诱发多年冻土地基融化下沉的隐患，对路基下多年冻土起到了重要的侧向保护作用。

为实现少病害、少维修、绿色环保的高原地方铁路建设目标，在勘察、设计及后期运营过程中，应充分做好对地面横坡、汇水面积、地表水流方向、桥涵及天然沟渠分布情况、排水沟平面位置等与排水系统相关的现场调查工作，做好排水设施的系统设计及相互衔接，对排水设施不合理地段应及时发现并修正完善，确保防排水设计能够满足实际需要，从而保证路基安全稳定。

排水工程设计各专业接口要保持顺畅。路基与隧道、桥梁、涵洞分界处的不同排水措施接口的衔接设计要在细致调查的基础上详细优化，避免降雨对路基边坡、桥梁锥体、桥墩基础及农田造成破坏。