铁路重载线路病害及其整治施工管理

项敏

摘 要：随着我国铁路重载化的发展与走向成熟，重载列车在既有线上的开行为线路、桥梁、隧道等铁路固定基础设施带来了一系列的影响及病害。本文重点阐述了包括道碴陷槽、线路翻浆冒泥、隧道裂缝渗水、桥涵过载等各类常见病害发生及发展致因，并提出了针对不同病害的具体整治施工内容及工程管理原则，以保障重载铁路的安全、高效运营。

关键词：重载铁路；线路病害；整治措施；施工管理

中图分类号：U216.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0088-03

当今世界铁路运输，主要向着客运的高速化及货运的重载化两大方向的发展，实现货运重载列车高效安全开行已成为铁路大国的一个重要标志[1]。重载铁路也被普遍运用于大宗黑货的运输过程中，并具有较高的经济性。然而，重载列车相较于普通货物列车，有着轴重大、开行频率高、速度提升等特点，普通重载铁路单列运量超过5000t。例如，我国干线级重载铁路大秦线，早在2010年就已实现2万吨级组合列车开行并达到4亿吨级年运输量，随着我国产业结构调整政策，其年运量依然保持在3.7亿吨级。另一条主要重载铁路朔黄线，线路大部位于我国煤炭重要产地山西省，自2000年通车以来，仅煤炭运输就已超过20亿吨，年运量超过2亿吨[2]。然而，较大的轴重、较大的频率，使得重载铁路病害的判断与整治成为一个难题。重载列车在运行过程中不可避免地将对铁路轨道和路基、铁路隧道、铁路桥梁等设施造成损害，线路路基沉降、隧道结构破坏及列车动载冲击隧道软弱围岩、大轴重挤压桥墩等问题需要得到重视并重点整治。本文综述研究国内关于重载列车开行对铁路带来的影响以及其整治措施，结合部分数据，分析了其作用于不同固定设施的具体病害内容、病害现状、病害致因及具体整治工程措施和方法，为综合考量重载线路的重点病害预防提供了有力支撑和依据。

1 重载铁路路基及钢轨主要病害类型及致因

我国现在仍在投入使用的重载铁路，基本都已使用多年。列车运行过程中，应力传导遵循货物-车体-转向架-轮对-钢轨及轨枕-道床-路基的顺序[3]。在长期的雨水洪涝侵害和大轴重列车往复动荷载应力作用下，钢轨本体、路基特别是地面铁路与桥梁之间的过度路段[4]路基极易产生并逐渐发展出病害。

1.1 钢轨病害情况

铁路轨道的钢轨部分直接承受着由轮对传递的下来的动荷载应力，由于这一应力方向不止平行于重力方向，还会存在部分水平方向分应力[5]。这一部分水平分应力，将会使得钢轨本体及其联结扣件发生损害，这一点在重载铁路上表现得尤为明显。

根据相关研究结论，重载铁路钢轨损伤的主要类型包括钢轨侧方磨损（这一点在曲线处尤为明显）及剥离掉块、钢轨疲劳核损和轨缝焊接处的接头损毁[6]。统计数据显示，这三种类型的钢轨病害数目占据钢轨重伤类型的97%，其中仅核损一项就占据90%以上，且随着重载通道货运量的不断上升而呈现逐年增加的趋势[7]。

1.2 路基病害情况

路基承受着钢轨及道床传递而来的列车运行荷载，路基本体及其附属设备极易发生并发展病害[8]。据资料统计及文献研究，路基面临的病害主要包括：边坡溜滑或坍塌、道床及路基沉降、道碴陷槽（甚至产生道碴囊）、翻浆冒泥等等。仅2008年一年，朔黄铁路就产生道碴陷槽、翻浆冒泥及路基沉降超过3000处[9]。以道碴陷槽和翻浆冒泥为例，描述病害产生并说明其主要致因。

道碴陷槽是指货车动荷载将原本位于道床层的石碴碎屑挤压进入了路基基面之中，使得原本坚固、稳定且不易渗水的路基基体遭到破坏，道碴囊逐渐形成，从而出现线路沉降、翻浆冒泥等情况，甚至导致路肩出现坍塌，严重威胁列车的安全和高效运行。道碴陷槽及道碴囊见图1所示。

导致发生道碴陷槽的原因主要包括以下几点：（1）路基修建时进行的填土工序中，使用了粘性土，这种类型的填土容易变形，特别是在湿润条件下极易变软，从而导致容易被道碴侵入；（2）路基压实流程不到位，路基基面强度不足；（3）道床较薄，由于道床石碴起到缓冲并分散动荷载应力的作用，其厚度不足会导致路基基床承受的荷载过大；（4）季节变化导致的热胀冷缩，容易造成路基膨胀变软。

道碴陷槽形成的过程主要是先在轨道轨枕下产生断裂的凹槽，凹槽不断加深并在路面形成纵向锯齿。这些道碴槽加剧了雨水等液体对基床填土的侵蚀，填土在长期的湿润条件下开始软化。在列车特别是重载列车的应力挤压下，道碴陷入填土的情况不断加剧，又更进一步导致地表水侵蚀，产生恶性循环。

翻浆冒泥也是重载铁路线路甚至是常规铁路运行线路上非常常见的一种路基病害。该病害一旦发生，会使得翻冒起的泥浆混入道碴，并使得出现道床各处强度不一，轨面不平，轨枕受力不均或直接失效，钢轨磨耗严重等问题。

翻浆冒泥病害的出现，一般是多个因素共同作用导致的，主要分为以下两种类型[10]：（1）基床性翻浆冒泥，是因为基床采用了吸水性好的粘性土（土质性）或石质基面风化软化（石质性），这类粘性土或石质软化后的基面在吸水膨胀后，再受到周期性振荡应力[11]，内部土质结构遭到破坏从而容易形成泥浆，这些泥浆被充满空隙的道床道碴层抽吸上升，产生翻浆冒泥；同时，道碴也被挤压下沉并填补被抽吸的泥浆，产生道碴陷槽和道碴囊，形成恶性循环。这也是翻浆冒泥病害最主要情形，将使基床发生不可逆的永久形变。（2）道床性翻浆冒泥，是由于排水不良而形成道床积水，在列车动荷载作用下形成泥浆并冒出，如果道床性翻浆冒泥长期得不到处理，道碴被污染并在应力挤压下磨成粉状，造成道床透水差，并进一步发展为基床性翻浆冒泥。

2 桥隧涵主要病害类型及致因

2.1 重载铁路隧道病害

重載铁路列车频繁的发车频率、过大的轴重和速度，使得其在通过隧道时产生高频率振动，而使隧道受到不定程度的衬砌裂缝、基底裂损（这一点与非隧道处病害相似，但因其发生在隧道中，更不易检查和维护）、隧道渗漏等损害，严重危害行车安全。而在隧道占比较大的重载线路上，其较大的检查维修难度和较高的维护成本更是容易发生和发展隧道病害。

以朔黄铁路为例，全线目前共有77座仍在投入使用，总长超过6万6千双延米，占线路总长的11.3%[12]。通过现场调查统计，其主要病害类型及成因主要包括以下几种，朔黄线某年各类病害频数及比例如图2所示[12]。（1）隧道裂缝。成因为隧道施工质量控制不佳或限界不足导致的长期侧向应力挤压而在隧道中产生环向施工缝、衬砌裂缝（如拱部裂缝、边墙开裂）、不同模块拼合处接缝等张开裂缝。施工质量问题主要包括止水带/条固定不牢或安放不规范，混凝土振捣不到位、质地不均或捣固不密实，拱脚浮碴清理不到位[13]等等。（2）隧道渗水。由于存在上述裂缝而导致的地下水沿裂缝流入隧道。（3）隧道腐蚀。成因为隧道混凝土集料中混入石膏等具侵蚀性的物质，在一定温度和湿度条件下与水发生的腐蚀性化学反应。如果混凝土完全处于水环境中，属于纯化学反应，其侵蚀速度较慢，但若处于干湿交替的环境下，则会呈现物理和化学双重反应的溶蚀，而且物质腐蚀比化学腐蚀更快。（4）基底下沉、翻浆冒泥。成因与非隧道路基该类问题成因基本一致。

2.2 重载桥涵影响

铁路货物运输过程中，桥梁和涵洞的承载能力也是制约列车载重量的一个关键因素。重载列车的运行，可能使得线路桥涵长期处于运营活载等于甚至于大于设计活载的运行条件之下，这在一定程度上会缩短桥涵使用寿命，降低通行能力并威胁运营安全[14]。目前，重载列车开行对桥涵部分的影响包括：

（1）活载储备不足或者超设计活载运行。部分研究表明[15]，随着货车轴重的进一步提升，尤其是轴重大等于25t之后，桥涵的活载系数将达到0.9以上[16]，在面对25t以上轴重重载列车时，桥涵结构平均活载储备量不足10%。其中，小跨度桥涵（例如<16m）在高轴重货车作用下，运营活载甚至将超过设计活载五分之一以上，这将严重威胁运营安全。（2）涵洞结构的疲劳破坏。对于钢筋混凝土材质的小跨度涵洞，特别是跨度小于车厢长度的涵洞，当重载列车通过时，每节车辆都将对涵洞造成一次加载卸载过程，极易造成涵洞结构的疲劳破坏，使得出现裂缝频繁且增宽等问题[15]。（3）桥墩振幅超限、支座变形。重载列车通过桥梁时，桥墩墩顶振幅可能超限，同时桥梁支座受到纵向力产生位移甚至爬行[15]。

3 部分病害整治施工内容及工程管理方法

针对诸多轨道本体、路基及桥隧涵病害，最关键的是在有限的护理、整治条件下，分清重要程度地对其进行整治和养护，已有诸多学者和文献对病害状态预测及重要度排序问题进行了梳理[7]，本章在此基础上主要阐述两种发生频率最高的病害的整治措施及具体施工过程的管理原则。

3.1 隧道衬砌结构劣化裂缝整治及工程管理原则

在采取措施及整治之前必须搜集地质环境和水环境的详实资料，掌握衬砌劣化破损程度及致使破损的内外因，本着充分利用既有设施彻底根治，不留后患的原则提出方案并经专家论证后实施，同时制定风险预案，实施中要遵循不扰动和少扰动围岩的原则。针对不同的病害程度，引入不同的施工工程内容，具体阐述如下：（1）局部衬砌劣化破损。要在改建段前后加强内支护，分段凿除二衬和初支后，打设锚杆、挂网及喷射早强微纤维混凝土，并做防水层及二衬，并注意前后段的连接和密贴及控制限界的要求。（2）大段和全隧道的劣化破损，则应依此及如上原则分段加固后实施，最终贯通，确保初支及二衬质量。（3）凡是有水环境而引起初支和二衬的劣化破损，在摸清侵蚀源的基础上，合理选定防腐初支与二衬材料，控制好初支与二衬的混凝土级配与防腐料的选定。（4）在地质环境和水环境作用下衬砌的裂缝处理。在处理前必须对既有衬砌质量作出评定，用混凝土回弹线或地质雷达对混凝土衬砌可否继续服务作出判断。

3.2 基床病害整治措施及工程管理措施

针对这一病害，其施工工程组织原则主要为，施工单位针对具体问题制定总体作业指导书，其中应详细列出施工流程、人员-设备-材料的资源配置情况，组织监理方熟悉工艺及施工流程，制定施工中需要重点关注和监督的环节要点，所有参与设计、建设的相关单位部门均需要制定实施方案并提交汇总。而针对路基陷槽、渗水等问题，一般的整治措施为视其严重程度进行基床加固处理，主要整治方法包括：（1）在进行既有线重载化改造的过程中，进行路基加固时，要选用合适的填料，不使用软性土等填料，压实路基基床时确保填筑密度，并严格设计并合理安排排水系统；（2）为防止泥浆化的软土上升，在路基面铺设砂垫层以阻止泥浆、土粒升入道床层；（3）设置封闭层，以避免地面水渗入基床，做好基面、特别是路堑形式时的排水工作；（4）针对病害频发的铁路路段，将其基床填料更换为透水性更加的相应材料；具体实施时，可采用土工织布、复合土工膜等铺设于路基面上[17]，形成隔水渗水层，以防止路基病害的发生。

4 结论及展望

本文从重载列车开行后，对线路、隧道、桥涵等多个铁路重要固定基础设施设备造成的影响及容易产生的病害出发，阐述了包括道碴陷槽、线路翻浆冒泥、隧道裂缝渗水、桥涵过载等各类常见病害发生及发展致因，结合朔黄线等主要重载线路数据情况，进行了相关说明。最后，阐明了基床病害及隧道衬砌结构劣化裂缝病害的整治工程设置原则和措施方法，以保障重载铁路的安全、高效运营。同时，重载列车的开行病害，与多种致因相关，包括具体的地质情形、实际载重轴重及开行频率、现场维护条件、运营条件、天文水文条件等等，要完成具体的整治施工工程管理，需要根据具体线路建立具体的病害分析报告，才能为好地为维护施工及其工程管理服务。

参考文献

[1]彭其渊，王慈光.铁路行车组织[M].中国铁道出版社，2015.

[2]Remy M.Wikipedia： The Free Encyclopedia[J].Reference Reviews，2002，26（16）：5.

[3]佟立本，祝静如，魏世隆.铁道概论[M].中国铁道出版社，1999.

[4]刘升传.既有线重载铁路路桥过渡段路基变形与加强措施研究[D].北京交通大学，2009.

[5]佟立本.铁道概论[M].中国铁道出版社，2012.

[6]周清跃，习年生，王卫东.大秦重载铁路钢轨的伤损及对策研究[R].中国铁道科学研究院研究报告，2007.

[7]周清跃，张建峰，郭战伟，等.重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究[J].中国铁道科学，2010， 31（1）：27-31.

[8]薛继连.盐渍土、软土地区重载铁路路基修建技术[M].科学出版社，2009.

[9]肖尊群.重载铁路路基状态评估系统研究[D].中南大学，2011.

[10]杨新安.论铁路路基翻浆冒泥病害与发生机理[J].湘潭矿业学院学报，2002，17（4）： 60-63.

[11]许尔虎.铁路翻浆冒泥病害分析与整治[J].南钢科技与管理，2014，54（3）.

[12]牛亚彬.重载铁路隧道病害机理及整治技术研究[D].中国铁道科学研究院，2013.

[13]魏连峰.隧道渗漏水的原因及整治方法[J].铁道勘察，2006，32（6）：57-59.

[14]宗雪梅.重载道路橋梁安全性评定与管理研究[D].西安：长安大学，2003.

[15]孟宪洪.朔黄铁路桥涵结构对开行大轴重重载货物列车适应性研究[J].铁道建筑， 2013，（4）：9-12.

[16]朱耀斌，魏庆朝.重载列车运输安全问题分析[J].中国安全科学学报，2005，15（3）：6-9.

[17]刘放民，薄长顺.朔黄铁路重载路基基床加固技术研究[J].铁道建筑技术，2006，1：1-3.