无砟轨道路基上拱偏移整治措施

雒庆林

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

随着高速铁路在季节性冻土地区的修建，无砟轨道路基受到了较为复杂环境的影响。我国部分无砟轨道铁路在建设及运营期间陆续出现了持续的路基上拱病害，一些上拱点采取限速运行甚至拆除重建等治理措施，严重影响了线路的正常运营。水泥稳定碎石集料被广泛用作我国高速铁路的基床填料，部分工点还在地基顶面铺设水泥卵砾石垫层用于提高路基的整体稳定性。

土壤中的硫酸盐在合适的条件下，可以与硅酸盐水泥中的水化铝酸钙等水化产物发生反应形成钙矾石［1-6］。钙矾石的形成会吸收大量的水分，使得土体体积发生约2倍的膨胀，该反应缓慢且历时漫长，这对铁路路基来说是一个十分严峻的问题。集料内部钙矾石的形成是一个长期的过程，文献［7-8］对水泥稳定碎石集料单独膨胀过程及钙矾石进行研究发现，由钙矾石引起的膨胀持续性较强，会经历快速增加、缓慢增加及平稳变化3个阶段。

我国西北地区一高速铁路于2015年10月发现轨道结构明显上拱变形，错台引发裂缝，见图1。对该高速铁路一工点多期监测发现最大上拱量为33.2 mm，上下行轨道之间存在明显的偏移，最大为21.3 mm。且随着季节的变化，上拱变形持续增加，并无明显的回落。根据现场调查，大部分膨胀段位于路桥过渡带，路基采用水泥级配碎石。

图1 一高速铁路路基上拱引起的病害

本文介绍该高速铁路无砟轨道路基上拱变形以及路基涵洞过渡段的膨胀情况，并进行了现场调查、变形监测和室内试验，寻找产生膨胀的原因，提出解决方案。

1 工程概况

本工程位于季节冻土区，上覆地层为上更新统洪积细角砾土，厚0.5～2.0 m，其下为第三系砾岩夹砂岩，厚0～3 m，下伏奥陶系—志留系片麻岩，风化层厚0.5～2.0 m。勘探深度未揭示地下水，表层细角砾土含有石膏土。

该工点位于路基涵洞过渡段，路基高度约7 m，涵洞长度为2 m，路基涵洞过渡段设计如图2所示。采用刚度较大的倒梯形过渡楔，以保证采用硅酸盐水泥处理的压实级配填料与刚性涵洞结构平稳过渡，梯形顶部和底部长度分别为20，5 m。天然地基主要由碎石、砾石和片麻岩组成，施工阶段采用强夯处理。基床表层采用级配碎石填筑，底层采用A，B组填料，基床以下采用B组填料。路基与涵洞过渡段基床表层级配碎石掺5%水泥，基床表层以下级配碎石掺3%水泥。

图2 路基涵洞过渡段设计（单位：m）

2015年10月监测到该区段路基上拱，最大上拱量22 mm，2016年4月10日，现场绝对测量显示上行线距工点191～276 m段，向外侧偏移，最大偏移量17 mm；同时下行线距工点195～267 m段向外侧偏移，最大偏移量18 mm。现场调研发现涵洞排水通畅，涵洞内及相邻路基坡脚无明显积水痕迹。两侧混凝土路肩与路肩封闭层结合部出现纵向裂缝、向外移位40～50 mm，错位约20 mm；路肩封闭层与支撑层、线间封闭层与道床板间接缝间隙增大。护道及坡面浆砌片石护坡完整，无开裂、变形现象。路肩混凝土封闭层局部有开裂臌胀破损。

2 上拱变形现场监测

图3为2017年4月至2018年4月间某工点纵向连续变形及不同深度温度的变化情况。该工点最高地温出现在7月，约32℃，最低地温出现在1月，约-24℃。监测数据显示每个上拱段中不同监测断面的上拱部位均不同，但都发生在路基本体填料和垫层部位。

图3 一工点纵向连续变形随地温的变化

由图3可知，纵向连续变形与基床表层的温度变化呈现较高的相关性。基本上可以分为3个阶段：第1阶段整体温度处于上升阶段，为2017年4月至2017年8月，从5℃左右升温至32℃左右，随着基床表层温度的升高，整体上支承层表面的变形逐渐减小；第2阶段整体温度处于下降阶段，为2017年8月至2018年1月，从30℃左右升温至-24℃左右，各断面的变形都出现显著增加；第3阶段整体温度处于回升阶段，为2018年1月至2018年4月，从-20℃升至10℃左右，支承层顶面的整体变形再次出现回落，且回落后仍存在残余上拱量。虽然负温条件下的膨胀和正温条件下的沉降的变形特点与冻胀变形类似，但是正温条件下的膨胀不符合冻胀变形规律，升温过程中的膨胀也不符合盐胀的变形特点，因此可以说明冻胀和盐胀不是此上拱工点持续变形的的主要原因。

3 室内试验

3.1 试验内容

根据TB 10103—2008《铁路工程岩土化学分析规程》和TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》，对现场取样进行膨胀性指标测试。

1）膨胀性指标测试

对自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量等膨胀性指标进行测试。根据TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》规定，土质符合表1所列任意两项以上指标时，即判定为该等级。

表1 膨胀潜势分类标准

2）离子测试

3）微观测试

通过电镜扫描（SEM）对现场填料的矿物形貌进行定性分析。采用XRD对样品的矿物成分进行定性和半定量分析。

3.2 室内试验结果分析

3.2.1 膨胀性分析

在该工点左、右侧封闭层下填料中取样，基床表层、基床底层各取1组试样，基床以下每1.5 m取1组试样，基底取1组试样。工点土样膨胀性指标测试结果见表2。

表2 工点土样膨胀性指标测试结果

结合表1、表2可知，该工点的路基填料及地基土的膨胀性低于弱膨胀性指标相应标准，特别是蒙脱石含量较低，可以判断膨胀性矿物吸水膨胀不是路基持续性上拱变形的主要原因。

3.2.2 易溶盐含量分析

通过化学滴定方法对路基填料及地基土的易溶盐总量及部分易溶盐含量进行测定，结果见图4。

图4 工点易溶盐含量分布

由图4可知，各易溶盐成分沿深度方向的分布规律与易溶盐总量基本一致，主要分布在基床表层及地基顶面，并随着深度增加而衰减。其中SO42-远高于其他易溶盐，其次为Ca2+，可见水泥级配碎石受SO42-侵蚀是重要原因。

3.2.3 微观分析

为了进一步确定硫酸盐侵蚀的可能性，采用电镜扫描及XRD进行分析，结果见图5、表3。

图5 工点基床表层土样SEM照片

由图5、表3可知，土样含有大量针尖状的钙矾石晶体，证明了钙矾石和水化硫铝酸钙的存在，这也进一步论证了硫酸盐侵蚀水泥改良填料膨胀过程的存在，这也是导致路基上拱的主要原因。

表3 土样XRD分析测试结果 %

4 整治措施

4.1 应力释放槽

在该段路基面中心处设1道应力释放槽，以释放路基内部应力，如图6所示。

图6 应力释放槽示意（单位：m）

利用导向架对钻机进行精确定位并排跟管和钻孔，孔径150 mm，成孔后人工修整成槽。槽宽0.15 m，深2.0 m（含线间填充层），槽内填充聚氨酯泡沫材料。

4.2 混凝土限位墩

在左、右线支承层外侧路肩间隔4 m设1对C30钢筋混凝土限位墩。限位墩尺寸为2.0 m（长）×1.0 m（宽）×0.4 m（高），距离支承层0.4 m。每个限位墩设4排锚杆，靠近路肩侧3排每排设10个倾斜锚杆，靠近支撑层侧1排间隔设4个倾斜锚杆和8个垂直锚杆。垂直锚杆长2.5 m，倾斜锚杆长3.0 m，采用干钻成孔，孔径50 mm，钻孔深度低于锚杆底部0.5 m，灌浆后插入锚杆，如图7所示。在每个限位墩中心两侧0.75 m处设置可调节机械支撑，撑于支承层外侧的钢垫板上。选择1个断面埋设水平变形自动监测系统，埋设深度为路基顶面下8 m。采用高性能密封胶对偏移段及前后道床板伸缩缝、线间封闭层、路肩封闭层的裂缝进行封闭。

在该段铁路布设11个侧断面，每个断面6个观测桩，分布于左右脚墙、路肩及道床板。现已使用8个月，观测了5次数据。对比5次数据发现，累计最大沉降为-0.88 mm（距该工点240 m处右侧脚墙），最大上拱为3.00 mm（距该工点240 m处右侧道床板），治理效果较好。在距该工点190～280 m段上、下行道床板中间布置6个观测点，每20 m一个，通过拉悬线的方法观测中间4个点与起始布置点是否有偏移，通过钢尺测量每个断面上2个点之间的相对距离来判定上、下行道床板之间是否有位移。观测后发现：累计位移最大值为4 mm，位移最大值位置与上拱最大值位置基本吻合。

图7 限位墩断面布置示意

5 结论

1）通过对易溶盐含量、矿物成分分析以及电镜扫描观测，发现硫酸盐侵蚀水泥改良填料形成钙矾石是引起上拱的主要原因。

2）硫酸盐侵蚀水泥改良填料生成钙矾石矿物是导致的路基上拱的一种重要原因，其变形持续时间较长，并且受温度影响较大。1年周期内的上拱变形可分为3个阶段：随地温升高而略有下降，随地温降低而显著增加，随地温升高而明显减小。

3）采用应力释放槽和混凝土限位墩的措施可以有效减小路基上拱引起的轨道偏移，整治后的现场监测资料显示，目前轨道结构上拱和偏移均显著减小。