胶济客专路基下沉原因分析与整治

2014-05-04朱俊勋邢介东孟陆波朱明磊

铁道建筑 2014年5期

朱俊勋，邢介东，孟陆波，朱明磊

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.中铁济南工程技术有限公司，山东济南 250022)

路基作为轨道的基础，它的高平顺性、高稳定性是确保轨道高平顺性的前提条件［1］。只有严格控制路基的沉降，才能保证客运专线轨道的高平顺性。路基沉降变形主要包括路基面的弹性变形、基床累积下沉(塑性变形)、路基本体填土及地基的压缩下沉［2］。路基下沉是我国铁路路基主要病害形式之一，也是客运专线路基工程重点研究的内容。造成路基下沉的因素很多，李景安［3］通过对某铁路线高路基下沉和溜塌现象进行研究发现降雨因素、路基填料、地形地貌和人为因素是造成该路基下沉的主要原因;李东侠等［4］分析某区段铁路路基下沉等路基病害的形成原因及影响因素，指出土质不良是产生病害的关键因素。

本文针对胶济客运专线K135区段路基下沉病害，以地质分析为基础，研究了该区段路基下沉病害的形成机制，并提出了相应的工程整治方案，最后通过监测数据分析验证整治效果。

1 工程概况

胶济客运专线东起青岛，西经潍坊、淄博至济南，设计客运专线正线长度362.5 km，较之现有铁路线缩短了21.5 km。其中新建客运专线173 km，利用胶济铁路电气化工程改造后的线路149 km。本研究区段范围内的线路自2011年9月份开始，发生较严重沉降，且变形速率加剧。下行线线路右侧为一废弃采石坑，长160 m，宽120 m，深约20～30 m，已蓄满水，水坑距线路右侧护栏最小距离仅为1.5 m。受列车振动及水的浸泡影响，临近铁路侧水坑岸坡不断向水坑内坍塌(见图1)，同时该区段路基发生下沉，轨道几何尺寸变形严重，右侧路肩发生明显下沉，已严重危及铁路行车安全，必须及时整治。

图1 线路右侧废弃采石坑

该区段属于丘陵地区，地势东南高西北低。据地面地质调查及钻探揭露显示:表层为第四系全新统人工素填土(Qml4)、残坡积粉质黏土(Qel+dl4)，下伏元古界荆山群片麻岩(Pt1j)。地下水主要为基岩裂隙水，含水层为片麻岩风化层，钻孔水位埋深1.7～2.0 m，高程45.09～45.16 m，地下水自东南向西北径流。2011年雨季由于降水量大幅增加，当地地下水位及地表水位较往年急剧升高。该区段下行线路右侧采石坑基本无外部汇水，因此坑内的水位可以代表地下水位。

2 路基下沉病害成因分析

1)人工填土结构松散

据现场调查及钻探资料，该段铁路为2005修建的半路堑地段，左侧路堑基岩裸露，右侧为采石坑。区段K135+270—K135+340路基下及右侧水坑边分布人工填土，厚度7.5～9.6 m，主要为采石坑弃渣填土以及风化的片麻岩碎屑、碎块，多呈中粗砂状，结构松散，密实度差且不均匀。水的浸泡软化改变了土体结构的流塑性质，导致土体力学指标和地基承载力降低，在火车频繁动荷载的作用下易导致路基填土不断下沉。

2)降雨的影响

据邻近监测点的资料显示:2009～2011年雨季(6～9月)月平均降雨量为454.7 mm，其中2011年雨季月平均降雨量最大，达到1 063.1 mm，为2009—2011年雨季月平均降雨量的2.34倍。自2011年9月份以来，水坑内水较往年同期约抬高了2.14 m。路基土体被水浸泡软化，含水量增加，土体颗粒间的胶结作用随浸泡时间延长而不断降低，土体抗剪强度和黏聚力降低，从而使地基承载力下降，最终导致路基下沉速率加快。

3)水的渗流影响

一方面，本区段路基右侧水位高程45.03 m，左侧水位高程45.69 m，左侧水向右侧渗流;另一方面当地农户在春季抽水浇地时，右侧水坑内水位可在短时间内急剧下降达8 m左右。水位升降变化产生渗透动水压力，而且水位下降越快，水力坡降越大，渗透流速越大。水的渗流不仅降低了填土路基的稳定性，同时还将路基下填土层内的粉粒、砂粒等细小颗粒挟带走，使路基填土密实度下降，沉降变形加速，并逐渐导致水坑岸坡的坍塌，破坏路基的稳定性。

4)坍岸影响

本区段的地形地貌、地层岩性、雨水冲刷以及水坑内水位涨落为坍岸形成提供了基本条件，水坑内水位涨落导致坍落土体被搬运，由于土体重力作用，上部土体在下部土体被搬运后，将顺着风化界面推移，并容易带动岸坡土体后缘拉裂，形成坍岸。坍岸造成水坑岸坡发生剧烈变形，土体侧向应力释放，路基土层地基承载力降低，破坏了既有坑岸的稳定性，进一步加速了路基下沉变形。

由上可知，降雨是该区段路基下沉失稳的主要诱因，而路基土体结构及其所处的地质环境是导致其下沉的根本原因。

3 稳定性评价

经现场勘探及调查，在区段K135+270—K135+340路基下及右侧水坑边主要为人工填土，主要成分为风化的片麻岩碎屑及残块，对该层进行动力触探测试，并选取其中具有代表性的2#孔测试数据绘制N63.5～h关系曲线，见图2。

图2 N63.5～h曲线

分析图2可知:在1.0～2.8 m深度范围，修正击数N63.5为1.5～9.0击，平均为3.2击;但在地下水位以下，贯入深度＞3.4 m时，N63.5大多为0.5～3.0击。根据《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018—2003)，按中粗砂类土查表可知该深度范围地基承载力＜120 kPa时(3.0击对应的地基承载力值为120 kPa)，不能满足高速铁路对地基承载力的要求，因此路基不稳定。

此外，水坑内水位的升降变化也影响病害发育程度。一方面，春季浇地抽水等引起水坑水位骤然下降，岸坡土体的有效应力急剧增大，会使路基产生附加沉降。另一方面，当丰水期水位上升时，土体受水浸泡变软，力学指标降低，地基承载力下降，同样不利于路基的稳固。而水坑内的水位升降变化是不可避免的，因此应加强对该段路基的沉降监测，并尽快整治。

4 治理方案

4.1 治理原则

①提高路基填土强度;②防止水坑坍岸继续坍塌和采石坑的水继续浸泡软化路基;③治理方案应充分考虑既有线的场地条件，合理布局，方便施工。

4.2 整治措施

K135+260—K135+343段路基下人工填土结构松散，强度不足，应对该段路基进行注浆加固处理［5-6］。对下行线右侧水坑坍岸范围进行加固处理，且需形成防水帷幕以阻止水继续浸泡，软化路基。如果采用传统的注浆+抛片石帮宽防护，虽然工程造价相对较低，但片石方量很大，且水坑现已成为鱼塘，水下抛片石不可控因素太多，量的估算与实际也可能差别很大，因此，通过综合考虑经济、场地条件、技术可行性等因素，最终采用注浆+钻孔灌注桩挡墙［7］的整治方案。

4.2.1 注浆

注浆包括限界外注浆和基床探测注浆两部分，注浆孔平面布置见图3。K135+328处注浆孔断面形式见图4。

图3 注浆孔平面布置(单位:m)

图4 K135+328处注浆孔断面

1)限界外注浆。处理范围为K135+270—K135+343段。下行线右侧7.8 m布第1排孔，为竖直孔，与竖直方向成20°和40°交替布置斜孔，倾向铁路侧，孔距1.5 m;K135+270—K135+310范围第1排孔往外1.0 m布第2排孔，为竖直孔，孔距4.5 m，与第1排竖直孔呈梅花形布置。孔深至进入强风化岩不小于1.0 m。注浆材料采用水泥浆，水灰比为0.6∶1～1∶1，注浆压力采用0～0.2 MPa。注浆压力达到0.2 MPa后持续10 min，持续注浆量不大于5 L/min时方可终止注浆。

2)基床探测注浆。处理范围为 K135+260—K135+340段。在距下行线左侧6.70 m、右侧2.68 m的基床范围内打注浆管，注浆管呈梅花形布置，纵向间距(顺线路方向)2.50 m、横向间距2.68 m，探测管径25 mm，打入深度不小于5 m。注浆材料及参数同上。

4.2.2 钻孔灌注桩挡墙

在钻孔灌注桩间布置旋喷桩形成帷幕挡墙，可有效防止采石坑内水对该段路基的浸泡软化。平面布置见图5，断面布置见图6。

图5 钻孔灌注桩挡墙平面布置(单位:m)

图6 K135+328处钻孔灌注桩挡墙

1)在线路右侧9.0～10.0 m折线形布置1排钻孔灌注桩做挡墙，桩长进入弱风化岩不小于3.0 m，桩径1.5 m，桩间距1.8 m。处理范围为K135+270—K135+343段。

2)钢筋混凝土灌注桩的配筋:纵筋采用φ24螺纹钢;箍筋采用φ14圆钢，间距0.2 m;加强筋采用φ16圆钢，间距2.0 m;定位筋采用φ14圆钢，间距2.0 m。混凝土等级为C40。

3)钻孔灌注桩间布置旋喷桩。旋喷桩的主要材料为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比取0.8～1.5，水泥掺入量每米不小于250 kg。

4)先施工钻孔灌注桩，待桩身混凝土强度达到设计要求的70%后，再施工旋喷桩。钻孔灌注桩施工时应跳桩进行，桩身混凝土应及时连续不间断浇灌，避免形成相对软弱界面。

5)按照《铁路路基工程施工质量验收规范》的相关规定进行质量检测。

5 治理效果

路基下沉治理工程施工时间为2012年5月20日～10月30日。施工完成后进行沉降观测，选择其中4个代表性断面的观测数据，绘制沉降曲线如图7。由图7可知，沉降观测前60 d的路基沉降量最大，其中K135+320断面处60 d的沉降量最大，为1.7 mm，即10.2 mm/年(0.85 mm/月)，小于20 mm/年，达到了客运专线的标准要求。观测90 d后，路基下沉已达到稳定，因此，该段路基的下沉趋势得到了良好控制。