川中红层泥岩高速铁路基上拱病害处理设计

司文明 庞永海

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031;2.成都衡泰工程管理有限责任公司， 成都 610094)

红层是一种外观以红色为主色调的陆相碎屑岩沉积地层，在我国西南地区分布较为广泛。其中四川盆地及其周边山地分布的红层泥岩俗称“川中红层”，是一种典型的软质泥岩，具有强度低、易风化剥落、易软化、遇水膨胀崩解、失水收缩开裂等工程特性，工程性质差，普遍存在一定的膨胀性和显著的流变性。近年来，随着高速铁路建设的迅猛发展，川中红层泥岩高铁路基上拱变形病害问题逐渐突显[1-3]。

上拱病害的发生与红层泥岩的工程特性密不可分。王冲[4]等认为遇水后“无膨胀性”的低黏土矿物含量泥岩是引发路基上拱病害的原因。吴沛沛[5]通过数值分析发现红层泥岩的流变性是致使路基出现随时间增长而持续上拱变形的主要原因。敬洪武[6]通过对红层泥岩水理特性的研究分析，认为红层泥岩遇水膨胀是导致无砟轨道路基持续上拱的内在机制。杨吉新[7]等认为红层泥岩的蠕变及卸荷回弹综合造成了路基上拱。钟志彬[8]等研究发现红层泥岩的流变性和膨胀性是引起川中地区多处高速铁路路基长期持续性上拱变形的重要因素。

绵泸高速铁路内江至自贡至泸州段、荣昆高速铁路自贡至宜宾段均位于川中红层广泛分布的区域，路基长度所占比重较大，解决路基上拱的问题较为突出。本文以两线路基设计为依托，为避免出现路基上拱病害，创新勘察设计手段，优化设计理念，在充分吸取既有研究成果的基础上，综合分析研判区域性工程水文地质情况，从工程建设的源头采取针对性措施，为后续的安全施工和运营提供坚强的技术保障。

1 工程地质概况

内江至自贡至泸州段、自贡至宜宾段铁路以低山丘陵地貌单元为主，海拔200～500 m，地形起伏较小。区段内出露地层为中生界白垩系、侏罗系、三叠系地层。其中尤以侏罗系中统上沙溪庙组、下统珍珠冲组为主，占全线总长度的70%左右。岩性以泥岩为主，局部夹砂岩，属典型的川中红层，泥岩为紫红色、红褐色，泥质结构，钙-泥质胶结，岩质较软，易风化剥落，遇水软化崩解、失水收缩开裂。区内属长江水系，地表水较发育；地下水主要有第四系松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水等，沟槽中水位埋深较浅。

路堑开挖揭示挖方段上覆土层较薄，下伏为典型的红层泥岩，开挖后风化较快，局部易出现掉块现象，不过整体稳定性较好。室内试验结果显示，区段内红层泥岩普遍具有一定的膨胀性，自由膨胀率和膨胀力指标普遍较低，多数段落尚未达到规范规定的膨胀岩标准，部分段落达到弱膨胀岩标准。

2 研究思路

首先，搜集分析川中红岩地区既有高速铁路路基上拱的工程案例和相关文献资料，搞清楚专业研究人员对路基上拱问题的认知，弄明白此问题的原因分析和原因分类，总结归纳影响高速铁路路基发生上拱变形的关键因素。其次，充分了解研究工程的工程特点、设计条件、工程地质参数、水文资料、其他各类气象条件等。再次，综合现阶段的相关规范要求、勘察技术水平、设计理念、施工控制、检测手段等各方面因素，吸取经验，总结教训，理清分析思路，采取优化完善设计的针对性方案措施。

影响高速铁路路基上拱的因素可归纳为环境因素和人为因素两大类。环境因素包含地质条件、水的影响、温度条件及其他气象条件等；人为因素主要是指规范要求、勘察技术水平、设计理念、施工过程控制、检测手段等。结合目前对红层泥岩上拱问题的认知水平，对所有影响因素逐条确认,找出主要原因有以下几点：

(1)地质条件

红层泥岩特殊的地质条件是导致路基上拱的内在原因。基于此，需进一步查明区间不同段落红层泥岩物理力学指标的细微差别，特别是不同段落泥岩的膨胀性指标。针对不同的膨胀性指标，采取针对性的设计方案、工程措施，对现场施工提出合理的设计和施工要求。

(2)水的影响

调查清楚原始地表水的下渗影响、地下水的分布与径流区域。施工过程中因局部地形地貌的重大改变，改变了原处于封闭状态的弱风化红层泥岩的赋存环境条件时，需合理推测地表水新的下渗范围及地下水的重新分布与径流区域，采取针对性的防排水设计措施。

(3)勘察技术水平

受技术、设备条件的制约，地质勘察不够详尽。对红层泥岩的勘察水平有待进一步提高，尤其是对其膨胀性和流变性的进一步勘察判别。

(4)设计理念

进一步提高设计理念，采取动态化设计，采取专门的方案和措施。

3 勘察设计处理方案

3.1 针对性设计措施

合理、有效、准确地判别区域内红层泥岩的膨胀性，根据类型采用针对性的设计措施。

依据专项膨胀性试验结果，段内红层泥岩可分为具有一定膨胀性的非膨胀岩、弱膨胀岩和中～强膨胀岩。

(1)对于具有一定膨胀性的非膨胀岩挖方路基段落，采取路堤式路堑的形式，基床底层挖除1.5 m厚度的红层泥岩，换填合格的A、B组填料，路堤式路堑的高度为0.6 m。相较于非红层泥岩，段路基床底层挖除换填深度提高了2倍[9]。

(2)对于弱膨胀岩挖方路基段落，也采取路堤式路堑的形式，基床底层2.3 m厚度内的红层泥岩应全部挖除，换填成合格的A、B组填料，路堤式路堑的高度为3.0 m，使整个基床表层和基床底层全部外露。

(3)对于中～强膨胀岩挖方路基段落，同样采取路堤式路堑的形式，基床底层2.3 m厚度内的红层泥岩全部挖除换填成合格的A、B组填料，路堤式路堑的高度为3.0 m，使整个基床表层和基床底层全部外露。在此基础上，基床以下增设桩板结构，进一步消除红层泥岩膨胀性的不利影响。

3.2 有效消除基床结构内水的影响

广泛收集和分析沿线历年水文资料，在掌握准确水文情况的基础上，采取针对性的设计思路，尽可能消除水对红层泥岩挖方段落内路基基床结构本身的影响，严格控制地表水下渗，合理降低基床结构内地下水的水位。

(1)红层泥岩全线路基挖方段落均采用路堤式路堑的形式，在路堤式路堑两侧设置侧沟。使基床表层和基床底层全部外露，基床底层的水自然顺流流入侧沟，侧沟底部再设置纵向排水盲沟，达到完全排出基床范围内的残留水及进一步降低地下水水位的效果。

(2)路基基床表层排水系统应确保雨水自然流入旁侧的沟槽中，排出基床外，同时基床表层顶部采用0.1 m厚的C25细石纤维混凝土封闭，进一步阻止雨水下渗。

(3)路基基床底层换填底面铺设一层0.1 m厚的中粗砂加一层复合防排水板，防排水板能有效阻挡基床以下水的毛细上升作用，也能有组织地排出基床范围内的水，起到较好的隔离和排水作用。

3.3 提高红层泥岩的勘察设计水平

针对红层泥岩的特殊性，在勘察设计阶段，应采用先进的、多种多样的勘察手段，详细准确分析红层泥岩的各类物理力学指标、调查出地下水的发育情况及径流路径，采用准确合理的试验手段，准确判别红层泥岩的膨胀类别和膨胀等级，为针对性的设计措施提供坚实充分的设计依据。

3.4 采取精细化动态设计理念

在高速铁路红层泥岩路基设计过程中，为加强对无砟轨道路基上拱问题的防范，需采用精细化、动态的设计理念，根据物理力学指标，进行详细的专题设计。并在施工现场严格把控设计方案的落实。在现场施工开挖后再次开展地质核查和进一步的试验测试工作，验证物理力学参数和膨胀性指标；进一步核查地下水的分布和径流情况，确保截排水措施的施作质量。

红层泥岩挖方路基段落设置路基变形自动监测系统，实时判别路基段落变形情况，根据自动变形监测数据评估后期膨胀变形及应采取的工程措施。

4 结束语

本文通过对高速铁路红层泥岩路基的设计探讨，明确了设计过程中需要重点控制的4个重要因素。在高速铁路红层泥岩路基设计过程中，应采用多样性的勘察及试验手段，详细查明红层泥岩的物理力学参数，高度重视膨胀岩的判别，查明地下水的分布和径流情况，在路基基床范围内采取针对性的措施，挖除既有红层泥岩换填合格的级配砂石填料，严格控制水的影响，运用动态化设计理念，加强设计与现场施工过程中的正向反馈。采用针对性的处理方式，既能有效地降低工程投资，又能系统防控路基上拱病害的产生，能更好地确保高速铁路的安全运营。