高铁无砟轨道水泥土路基上拱成因及整治技术研究

李金良

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

近年来，高速铁路路基上拱变形问题十分突出，多条铁路先后发现了路基上拱变形问题，上拱变形引起了轨道抬高、轨道板及垫层开裂、路肩变形、线路缆槽开裂、边坡开裂等工程安全问题，严重影响线路的正常运营[1]。路基上拱变形往往缓慢发生，上拱发生的位置也难以确定，经常在营业线或在建工程后期、运营初期阶段发现，造成工程整治非常困难。因此，高铁无砟轨道下部结构上拱问题防治也是高铁运营维护及拟建项目的建设中面对必要课题。目前，也有同仁在路基上拱变形病害及成因进行了有益探索。

崔晓宁等[2]对高速铁路路基填料及地基土的膨胀性进行了大量的室内试验并提出新的分级标准。研究发现，水泥改良填料在适当的温度、湿度条件下与硫酸盐发生化学反应生成结晶体(如钙矾石晶体)也会引起路基膨胀上拱，上拱持续时间较长。王鹏程等[3]在无砟轨道路基上拱原因试验研究中发现:路基填料和地基土中均含有不同程度易溶盐，易溶盐含量与上拱变形呈正相关性，含少量盐分的地基土或填料的膨胀也会严重影响线路的平顺性；掺水泥级配碎石和水泥卵砾石的垫层中含有钙矾石和硅灰石膏等成分，其形成过程中产生膨胀变形也可引起上拱变形。

兰新高铁部分段落水泥土路基在运营过程中出现了路基上拱病害，最大上拱量达22.8 mm，给行车安全造成了威胁。本文以此工程为例，分析其路基各种可能引起上拱的因素及其可能性，确定了主要的上拱原因，并提出针对性的整治措施[4]和建议，可为相似工程设计实践提供参考。

2 工程概况

兰新高铁的设计标准为时速350 km，双线，无砟轨道的高速铁路。本研究的路基段以路堤为主，填土高度1～3 m，路基与隧道连接处为半填半挖的浅路堑。线路走行于山梁坡脚。

2.1 地质概况

本段线路位于河流二级阶地后缘，地形有所起伏，冲沟发育，线路右侧10～20 m为三级阶地前缘斜坡，左侧为水浇地。

地层主要为第四系全新统冲积的砂质黄土、细砂、上更新统冲积的粗圆砾土、卵石土、细砂。表层砂质黄土，厚度8～15 m，淡黄色，土质不均，具有孔隙大和粉粒含量高的特点，稍密—中密，稍湿—潮湿，Ⅱ级普通土，σ0＝120 kPa。土样试验天然含水率8.6%～17.7%，塑性指数8.5～8.9，具Ⅲ级自重湿陷性，湿陷性土层厚8～15 m。

地下水位埋深约30 m，最大季节性冻结深度1.05 m，地震基本烈度七度。

2.2 路基填料及地基处理情况

兰新高铁青海地区部分段落由于合格路基填料缺乏，路基填料采用水泥改良土。具体情况如下:基床表层采用级配碎石填筑；基床底层采用水泥改良土，水泥掺量5%～7%；基床以下采用水泥改良土，水泥掺量3%～5%，基床底层铺设一层复合土工膜。路基两侧设宽2.0 m、高1.5 m护道；两侧设侧沟、排水沟，侧沟平台采用0.3 m厚浆砌片石封闭。地基处理采用CFG桩＋水泥土挤密桩，CFG桩正方形布置，孔径0.4 m；水泥土挤密桩，正方形布置，孔径0.4 m。地表下设1.0 m厚水泥改良土加筋垫层。

3 上拱病害特征

3.1 轨道的纵断面高程及平面水平位移的变形

2015年5月份发现该段上拱；2017年10月开始上拱发展较快，最大上拱量20 mm。上行线高程扣件最大调整到25 mm；平面扣件最大调整到8 mm；下行线高程扣件最大调整到26 mm，平面扣件最大调整到8 mm；该段继续上拱，2019年5月发现上行线(左侧)，最大上拱22.8 mm；下行线最大上拱22.0 mm；上行线轨向右发生偏移，最大13.9 mm；下行线轨向右发生偏移，最大10.3 mm。具体见图1～图2。

图1 上下行线高程精测图

图2 上下行线平面精测图

3.2 裂缝情况

轨道的轨面高程及平面水平位移出现异常后，进行了现场调查。从现场调查情况来看，无砟轨道底座凹槽四角出现开裂现象[5]，道床板道床板混凝土本体发现横向裂缝，伸缩缝明显扩大，嵌缝胶处裂缝十分明显，支持垫层假缝出现明显扩大，护肩下部裂缝明显。路肩电缆槽也出现了明显裂缝，道床板与支承层混凝土联结处出现了裂缝，支承层与级配碎石连接处和路肩封闭层与级配碎石联结也出现横向裂缝(见图3)。伸缩缝、嵌缝胶处等这些裂缝超过了《高速铁路无砟轨道线路维修规则》[6]的要求。裂缝发育左侧大于右侧，裂缝宽度变化左侧大于右侧，轨道上拱大部分的裂缝变化幅度也大，左侧大于右侧。右侧排水沟也出现了局部裂缝及破损。裂缝和裂纹的单位宽度裂缝(纹)数量、宽度、长度及变化幅度从上拱最大处向未发现上拱处，渐次变少变窄变短变弱，同样情况下，左侧甚于右侧。

图3 轨道板横向裂缝

3.3 路基填料膨胀性、分层易溶盐成分及含量、填料含水率的情况

为了查明其上拱原因，进行了补勘。补勘发现路基填料膨胀性、分层易溶盐成分及含量、填料含水率的存在异常情况，具体情况如下:

(1)膨胀性:基床表层、底层和垫层土样均为非膨胀土，上拱段蒙脱石平均含量7.71%，未上拱段5.93%。

(2)分层易溶盐:上拱段0.103 mol/kg，硫酸盐含量0.018 mol/kg；未上拱段0.053 mol/kg，硫酸盐含量0.009 mol/kg。上拱最大点含盐量相对较高。

(3)土常规:基床表层以下部位土样平均含水率:上拱段21.0%，其中左侧为22.0%，右侧为20.0%，未上拱段17.3%，其中左侧为18.3%，右侧为16.3%。总体上含水率明显偏高。均为非冻胀土。

(4)基床底层填料:上拱段，硅灰石膏含量左侧为14%～20%，右侧为16%～23%；石膏含量左侧为6%～11%，右侧为3%～9%；含水率左侧为23%～25%，右侧为22%～23%。未上拱段，硅灰石膏含量左侧为11%～18%，右侧为10%～18%；石膏含量左侧为3%～8%，右侧为1%～3%；含水率左侧为17%～21%，右侧为16%～20%。

(5)本体填料:上拱段，硅灰石膏含量左侧为13%～19%，右侧为10%～12%；石膏含量左侧为5%～9%，右侧为3%～6%；含水率左侧为21%～23%，右侧为18%～20%。未上拱段，硅灰石膏含量左侧为11%～16%，右侧为8%～10%；石膏含量左侧为2%～4%，右侧为1%～4%；含水率左侧为15%～20%，右侧为14%～18%。

(6)基底以下填料、地基:硅灰石膏含量为10%～15%，石膏含量为2%～8%，含水率为17%～21%。

(7)对桩顶高程开挖监测，桩顶高程有3～16 mm的上升。左侧甚于右侧。

4 上拱成因分析、整治方案与效果

4.1 上拱成因分析

根据现场调查及补充勘察情况，结合其他工程案例的无砟轨道上拱变形病害及上拱成因等综合分析，主要由于气候条件及水文地质条件、周边排水条件、路基填料及地层岩性的含水率、路基填料地层岩性矿物成分等因素综合作用的结果。其具体成因如下:

(1)2015年发现路基上拱，冬季上拱速率快，春季明显回落。变形曲线显示:两处明显上拱点位于填方高度最低处和路堑处。本段为低路堤，左侧坡脚为水浇地，地基含水率较高，线路右侧山体地方绿化后灌溉水进入山体形成裂缝和落水洞，平台局部排水不畅，表水下渗致使路基含水率升高，并且表现出右侧含水率低于左侧。路基高含水率成为其反应的诱因。

(2)依据综合取样试验、现场调查和变形特征发现，填料及地基中含盐量普遍偏高，石膏和硅灰石膏含量均较高，含水率异常，尤其在基床底层中的这些参数更为异常。并发现如下规律:轨道向右侧偏移较大，左侧上拱大于右侧，轨道支承层及封闭层、路肩、排水沟的裂缝幅度左侧大于右侧，硅灰石膏和石膏含量、含水率左侧大于右侧。自上而下，硅灰石膏、石膏含量、含水率渐次降低。经比较发现，轨道偏移和上拱、构筑物裂缝的发育情况与路基填料中的硅灰石膏、石膏含量、含水率具有正相关性。路基填料中的硅灰石膏、石膏含量与路基填料改良土水泥土掺入量有正相关性。结合崔晓宁等和王鹏程等对无砟轨道路基上拱原因试验研究，水泥改良土填料与硫酸根产生反应生成结晶体，产出了膨胀变形，引起了上拱。这与前路基和地基中硅灰石膏和石膏的含量及裂缝发育特征相一致，这也说明填料和地基中高含量水泥及硫酸盐为其上拱提供物质基础。由于填料中的硫酸盐含量、含水率不同致使硫酸盐遇到水泥生成新的物质多少不同，路基产生上拱程度也不同；左侧填料中的硫酸盐含量、含水率比右侧高，导致左侧酸盐遇到水泥生成新的物质较多，产生差异性膨胀力，致使轨道向右偏移。这是引起路基轨道变形主要原因。

(3)填料含有蒙脱石，虽然达不到膨胀土标准，遇水会产生少量膨胀；也引起路基上拱。

(4)路基位于山体阴坡，气温相对较低，靠山侧为半路堑形式，路基左侧冻胀深度和冻胀量大于右侧。路基中间段局部沉降，两端上拱，不均匀冻胀和差异变形也可能加剧了轨道右偏。

综上所述，本工点的路基上拱成因是局部地段防排水措施不足引起表水下渗，致使路基含水率升高为其提供产生反应条件，水泥土填料和地基加固桩体材料有含量较高水泥与硫酸根为路基上拱提供物质基础，它们产生反应生成结晶体(如钙矾石晶体等)，产生膨胀变形，是导致路基上拱主要原因；填料中的硫酸盐含量、含水率等左侧比右侧高，导致硫酸盐遇到水泥生成新物质左侧比右侧多，产生差异性膨胀力，引起轨道向右发生偏移，这是路基轨道变形主要原因。此外，填料含有蒙脱石遇水膨胀及差异性冻胀也加剧路基上拱及轨道变形。

4.2 整治方案

整治工作是一项复杂的系统工程，方案需要综合考虑施工环境[7]、列车运营、病害原因等因素。针对防排水措施不足、无砟轨道下面路基未预留充足变形缓存层、路基和轨道变形缓等方面提出了补强防排水措施、整治无砟轨道下部路基、加强路基监测的综合治理方案。

(1)防排水措施

针对局部地段防排水和基床排水措施不足问题，采取补强措施:防止表水沿山体的裂缝和落水洞下渗，采用灰土对其封闭；防止右侧绿化和左侧坡脚为水浇地的灌溉水进入路基基底，设置3m加深明沟；为保证平台部位排水顺畅和防止表水下渗，加设平台排水沟和封闭层；防止基床排水不畅引起含水率变高，基床范围内设置了深孔排水管和通风管。

(2)无砟轨道下部路基整治措施

结合路基上拱和轨道变形特征、现场实际情况等因素，对上拱量大且变形未收敛段，存在继续上拱的风险，为保证整治后路基不在上拱，上下行线采用桩板结构处理，并对挖除板底0.5 m路基填土，桩板下部预留变形空间，设置褥垫层，更换已破损的轨道结构；对上拱量不大且变形已收敛和轨道结构未出现病害地段，上拱基本完成，存在继续上拱的风险较小，不破坏轨道结构，降低工程投资，采用暗挖切割基床表层级配碎石方案整治。见图4。

图4 暗挖落道示意

(3)路基监测措施

针对这种病害的路基和轨道变形缓慢，难以发现特点，提出了加强路基的变形的监测。具体为:采用人工监测和自动监测相结合方式[8]，增设沉降监测点，加强沉降观测频率，根据监测数据建立安全风险预警机制。

4.3 整治后效果

路基整治工作按照《高速铁路工程动态验收技术规范》[9]和《高速铁路路基工程施工质量验收标准》[10]等相关规范进行验收。路基整治后，进行轨道恢复工作，静态小车测量轨面恢复设计高程[11]。到目前运营近一年，路基和轨面均未出现上拱现象，整治效果较为良好，达到了恢复线路平顺性的目的[12]。

5 结论与建议

通过对本段既有线路基上拱变形，从路基上拱病害发现、现场调查及补充勘探、上拱成因分析、整治方案、整治效果进行综合分析研究，可得出如下结论:

(1)路基上拱病害采用从轨道的轨面高程及平面水平位移的变形、裂缝情况、路基填料膨胀性、分层易溶盐成分及含量、填料含水率等方面的现场调查分析方法，从本次工程实践来看，这些调查分析方法是有效可行的。

(2)地基或路基填料中高含量的硫酸盐和改良土、CFG桩及挤密桩中的高含量的水泥是此类路基上拱的物质基础。

(3)路基上拱、构筑物裂缝与路基填料中的硫酸盐含量、硅灰石膏、石膏含量、含水率具有正相关性。路基上拱幅度与路基填料中的硫酸盐和石膏的含量、含水率等有正相关性。

(4)局部地段防排水措施不足，致使地表水下渗，是路基上拱重要诱因，地基和填料高含量的水泥和硫酸根产生反应生成结晶体，产生了膨胀变形，是路基上拱主要原因。

(5)从路基上拱整治效果看，暗挖切割基床表层级配碎石方案适用于上拱量不大且变形已收敛和轨道结构未出现病害地段使用；桩板结构方案可适用于上拱量大且变形未收敛地段使用。

结合该项目实践，为避免此类路基上拱发生，提出几点初浅的建议:

(1)为消除此类路基上拱发生，需要重点关注填料和地基中水泥和硫酸盐的含量。建议在勘察设计阶段需要重视对含有膨胀性物质成分、可溶岩含量或地层的微膨胀分析，采用水泥土改良或含水泥地基加固措施中应加强填料或地基中硫酸盐含量分析研判。

(2)本文仅从路基填料中硫酸盐含量、产生上拱后产生新物质含量检测角度定性分析其上拱原因，尚需进一步从定量角度研究不同含量硫酸盐遇到水泥产生了不同量新物质，产生不同大小膨胀力的具体作用机理。

(3)此类路基上拱变形往往发生缓慢，上拱发生的位置也难以确定，为便于及早发现和保证施工运营安全，建议在从施工初期至运维期建立全周期的监测和预警机制。

(4)无砟轨道、扣件对变形的调整能力过低，建议进行新型扣件、可调节轨道板等进行研发；此外，目前既有无砟轨道线下整治措施有限，效率较低，建议进一步研究高效、安全、经济的整治工法。这样也可以拓展解决路基上拱病害的途径。