沪宁城际铁路路基翻浆原因分析及整治措施研究

潘振华

(上海铁路局工务处，上海 210075)

1 概述

沪宁城际铁路自2011年12月开始常规的检查以来，共发现有数十公里的路基地段发生了路基翻浆病害，大多数病害发生在混凝土底座板的端部附近，特别是在铺设框架轨道板的地段较为严重。路基翻浆主要表现为:在路肩上流淌着或堆积着由水与碎石垫层中细颗粒混合而成的泥浆渗出物，严重处渗出物厚度达10～50 mm，个别地段泥浆渗出物被抽吸至轨道板表面道心内，见图1。从动检车添乘检查记录也可发现，在路基翻浆的K221+250—K264+900地段，出现多处高低不良，并且垂直加速度达到Ⅱ级甚至Ⅲ级超限，其中K231+600—K231+800尤为明显，波形图显示高低及长波高低不良，其中高低大值达到－7.8 mm，根据标准这已严重影响到列车运行的平稳性和行车的安全性，见图2。

图1 路基翻浆地段渗出物

图2 动检车波形图

2 路基基床表层翻浆成因分析

导致路基基床表层翻浆有多种因素，如基床表层级配碎石层组成、动力荷载的作用、排水系统的工作状况等。本文就已经掌握的影响因素进行分析。

2.1 路基基床表层(级配碎石层)填料不当

高速铁路路基基床表层由级配碎石填筑，根据《高速铁路设计规范》(以下简称《规范》)，基床表层的压实系数应≥0.97，它强调基床表层应具有较密实状态，然而这个规定却忽视了透水性。图3为杭长客专、宁杭高铁、京沪高铁及沪宁城际4条高铁级配碎石的级配曲线，从中可以看出级配碎石层中含有相当比例的细颗粒。

目前各高速铁路在路基基床表层选材时均按《规范》中规定的级配碎石粒径级配曲线制备，且各粒径材料的百分率基本一致，即＜0.1 mm占10%，0.1～1 mm占20%，1～5 mm占10%，5～10 mm占20%，10～20 mm占20%，20～31 mm占20%。此类路基表层(级配碎石层)具有渗透系数低甚至不透水的特点，对于有砟高速铁路(如杭深线)，因路基面设有良好的排水坡，雨水能快速排出基床流入侧沟，因此，杭深线运营4年来，未发生路基翻浆病害。对于Ⅱ型板的无砟轨道(如京沪、沪杭高铁)，因轨道结构的特点，雨水仅从轨道板与两侧封闭层间的裂隙少量地渗入，发生路基翻浆的现象较少。但对于降雨充沛的沪宁城际铁路，级配碎石层细小颗粒含量大不仅使路基表层成为不透水层，而且为路基产生翻浆提供了条件。这是沪宁城际铁路路基翻浆的重要原因之一。

图3 级配碎石粒径级配曲线

2.2 路基防排水系统不完善

沪宁城际轨道的混凝土底座间伸缩缝未进行有效封闭，仅用胶合板进行塞缝。在夏季，混凝土底座板因温度升高而膨胀从而夹紧胶合板，致使雨水难以渗入路基中，因此，多雨的夏季并不是路基翻浆的高发季节，然而从常规检查发现沪宁城际铁路沿线的路基翻浆一般发生于冬季(即11月份至来年的2月份共计4个月，这期间常年累计降雨量达160 mm)，而在来年的3至4月份较为集中显现。出现上述现象的原因:首先，混凝土通常在温度变化下发生缩胀，对于20 m长混凝土底座板因温度下降导致收缩可能要产生约12 mm的缝隙，在降雨时雨水将从缝隙渗入级配碎石层中;其次，在温度下降时，路肩的混凝土封闭层也发生收缩，在封闭层与底座板间产生收缩裂隙，这也为雨水下渗提供了通道。然而在工程实施过程中，级配碎石层透水性较差，造成雨水滞留在级配碎石层的表面，同时设计的路肩上混凝土封闭层又高于级配碎石层3～5 cm，形成了一道自然拦水槽，使集于级配碎石层的雨水无法排出，在级配碎石层表层形成了一个水囊。这是沪宁城际铁路路基发生翻浆的最重要的内在原因之一。

2.3 高速列车高频振动

级配碎石层中的自由水在高速列车振动作用下产生较高的瞬时动水压力，瞬时承压水同时进行着水压力消散过程，一方面对基床表层中大粒径碎石间填充物——细颗粒产生劈裂破坏作用，使细颗粒脱离级配碎石骨架而溶入承压水中;另一方面，瞬时承压水从底座板间的伸缩缝以及封闭层与底座板间的裂隙消散时，也带走了细颗粒。随着消散作用的加剧，级配碎石层中粒径达5 mm的颗粒也发生了流失。一般情况下，底座板伸缩缝处级配碎石层的翻浆最为严重，并逐步发展延伸至距伸缩缝5 m范围内。如果级配碎石层的翻浆进一步发展，将相继发生底座板空吊和底座板下沉两种结果。随着级配碎石层部分小颗粒的流失，底座板形成板下空吊。通过观测，底座板在列车作用下产生的上下振动幅度可达3 mm。随着翻浆冒泥加剧，当空吊发展到一定程度时，底座板发生下沉并产生横向裂纹。据调查，沪宁城际的底座板最大下沉达30 mm。下沉严重时，极易造成轨道板产生裂纹。

综上所述，级配碎石层中细颗粒含量大和路基表层排水不畅是产生翻浆冒泥的内因，而高速列车的高频振动是造成翻浆冒泥的外因。

3 路基翻浆病害整治

3.1 整治原则

从路基级配碎石层翻浆成因分析可知，要彻底根治病害，首先应进行轨道结构的封闭，在底座板间设置止水带，防止雨水渗入路基级配碎石层中，同时，完善路基排水系统，排出路基残余水;其次，对产生空隙的级配碎石层进行注浆填空充实，确保轨道动态平稳。

3.2 材料的选择

由于高铁施工具有施工天窗时间短(一般为00:00—4:00)的特点。选择合适的充填和封闭材料是整治翻浆病害的基础。注浆充填材料应具有初凝时间短、流动性好、易与路基级配碎石层中颗粒粘结的特点。在选择混凝土底座板间的封闭材料时，要考虑到混凝土底座板受温度影响产生的热胀冷缩，应具有防水隔水、较高延伸率、抗老化及与混凝土间粘结强度高等特点，经反复比选，采用ZTRW-G-202(205)高聚物化学胶，该胶由A，B双组分构成，在凝结0.5 h后，其抗压强度达35 MPa，见图4。力学参数见表1。

图4 高聚物化学胶凝结时间与强度关系

表1 ZTRW-G-202(205)高聚物化学胶力学参数

路基表层中注浆材料采用205胶，底座板间伸缩缝采用202胶，在施工结束后，即可恢复常速运行。在沪宁城际K235处已利用该材料进行了试验性的路基翻浆整治施工。

由于底座板间伸缩缝采用202胶封闭，胶体与左右底座板是刚性联结，见图5。在列车125万次振动作用后产生了疲劳，伸缩缝间的封闭体出现了裂缝，见图6。

图5 采用202胶封闭

图6 202胶因疲劳产生裂纹

从现场使用情况看，虽然高聚物化学胶具有较好的性质，但是由于它不满足抗疲劳的要求，因此不适合于作封闭材料。

经研究，采用非刚性联结的橡胶止水带封闭(图7)可有效解决高聚物化学胶抗疲劳性能不足的缺陷。考虑到底座板收缩，橡胶止水带局部采用膨胀橡胶，雨水沿橡胶止水带内排水槽排出。同时对橡胶止水带采取了在底座板上植筋锁定措施，防止橡胶止水带外窜而威胁行车安全，见图8。

图7 采用橡胶止水带封闭

图8 橡胶止水带锁定

4 施工工艺

基床注浆填空处理流程:首先，封闭底座板与级配碎石层间的缝隙(预留少量排气孔)。其次，在底座板上钻孔安设注胶嘴，沿混凝土底座板的两侧，顺线路方向每隔500 mm钻一个注胶孔，孔深约300 mm，以钻透底座板为准。孔径8 mm，距结构边缘100 mm。然后，用高压风清理注胶孔及底座板下裂缝中孔隙水。最后，用不大于0.4 MPa压力进行注胶，205号胶体注入底座板与级配碎石层间缝隙后，与残余水发生化学反应，形成泡沫，泡沫在注胶压力作用下通过排气孔排出级配碎石层，直至205号胶体将底座板下级配碎石层中缝隙填充饱满。注胶及排水系统如图9所示。

图9 注胶及排水系统示意

底座板间伸缩缝封闭基本流程:首先对伸缩缝钻孔(钻孔要保持一定坡度，使橡胶带排水通畅)，高压风管清孔;其次，塞入橡胶止水带并锁定;最后清理现场。

由于底座板外侧的级配碎石层不透水，为排出从伸缩缝下渗的雨水，在伸缩缝处沿线路方向在两侧设置长0.5 m的排水盲沟，在两线间设置明沟，参见图9。

5 整治效果分析

对路基翻浆最严重的沪宁城际K264+830地段，采用桥梁HFFKY-Ⅱ裂纹测量系统对底座板层端部进行测量，发现注浆后底座板在列车通过时上下振动起伏幅度只有0.10 mm，可见该区段上下行空吊板整治效果明显。同时，动检车的峰值高低及长波数值明显减小，高速状态下列车的平稳性得到极大改善。注胶整治前后轨道高低幅值对比见表2。

表2 注胶整治前后轨道高低幅值对比

6 结论与建议

1)对沪宁城际K264前后2 km翻浆地段整治一年后的效果进行统计，整治有效率达86%。无砟轨道级配碎石层翻浆采取排水、注胶和封闭相结合的方案，具有较好的整治效果。路基翻浆一旦出现应及时整治，否则，端部底座板变形下沉甚至断裂，不仅严重影响轨道结构安全，而且增加整治难度。

2)由于Ⅰ型无砟轨道板地段的路基级配碎石层采用压实系数、地基系数及动态变形模量对土的压实状态、强度进行控制。在施工时，一般采用高百分率细颗粒(＜5 mm)，才能满足三项指标要求上限。

为从源头防止产生级配碎石层翻浆，提出两种建议方案。方案1(适当降低压实系数的要求):对多雨的长江中下游地区，级配碎石层的粒径级配宜采用《规范》级配曲线下限，将级配碎石层作为透水层设计，以便及时排出雨水，防止翻浆的产生。方案2(不降低压实系数的要求):用不大于3%的水泥干粉替代0.1 mm的小粒径颗粒，既可充填大粒径颗粒孔隙，以满足压实系数指标要求，又可固化级配碎石层，防止细颗粒流失而产生翻浆。同时，降低路肩封闭层高度，使路肩硬化面低于轨道底座板底面，使通过轨道底座板间裂缝下渗的雨水能排出路基。

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