马拉维Marka-Bangula铁路重建工程水害路基恢复设计研究

2023-03-10秦其辉

交通科技与管理 2023年3期

关键词：马拉维路堑结构层

秦其辉

（中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070）

0 引言

马拉维Marka-Bangula铁路是马拉维南部塞纳铁路走廊的一个区段，是马拉维南北铁路骨干线的组成部分。马拉维作为内陆国，通过恢复铁路基础设施功能与南部非洲发展共同体（SADC）国家实现互联互通是其促进经济发展和贸易往来的重要保障。

1 工程概况

Marka-Bangula铁路重建工程全长71.66 km，路基总长70.56 km，占线路总长的98.46%。区间路基长度65.50 km，占线路全长的91.40%，车站路基长度5.06 km。目前大部分轨道缺失，路堤植被茂盛，大部分桥涵结构被洪水冲毁。

1.1 地形地貌

该项目位于马拉维东南部，沿线地貌单元主要为山前平原和丘陵山地。山前平原包括冲湖积平原及山前倾斜平原。冲湖积平原地形平坦开阔，地面植被发育，河流湖泊分布其中，地面高程20～50 m。山前倾斜平原地形较开阔，地势总体由线路左侧向右侧倾斜，略有起伏，地面高程30～80 m。丘陵山地地形起伏较大，植被较发育，地面高程60～480 m，地势总体呈南低北高。

1.2 地质条件

1.2.1 地层岩性

沿线地层主要为第四系全新统冲湖积（Qhal+l）粉土、砂类土、碎石类土；第四系更新统坡洪积（Qpdl+pl）黏性土、砂类土、含砾砂类土等；元古代（X）片麻岩、花岗岩、石英岩等。

1.2.2 地质构造

马拉维地质构造情况复杂，沿Shire河分布一系列北西向、北东向断裂，属于东非裂谷构造的南支部分，这些断层构造控制了主要河谷的走向。该项目深路堑规模小，因此构造对项目的影响较小。

1.3 气象、水文条件

1.3.1 气象

马拉维属热带草原气候，年平均气温在20 ℃左右。雨季从11月一直持续到次年4月，95%的年降水量发生在此期间。年平均降雨量从725 mm到2 500 mm不等。

1.3.2 水文

铁路沿线地表主要有Shire河、Rou河水系，局部分布细小支流，水位随季节变化大，雨季河水暴涨漫过河岸，旱季水量较小。2015年1月铁路项目所在的恩桑杰地区遭受了百年一遇的洪水。

2 既有路基情况

马拉维铁路路基缺少必要的防护设备，汛期路堤和路堑频繁发生滑塌[1]。沿线既有路基大部分被毁，少量保留基本形状路基以低矮路提为主，路堑地段较少，全线有8～10 km左右为半填半挖路基，部分高边坡坡面防护圬工脱落，也无明显排水设施，未被洪水淹没区域路堤基本保持完好，未发现下沉开裂溜塌等现象。

路基面宽度基本维持在3.5～5.0 m之间；路肩宽度0～1.0 m之间；土质已完全侵入道碴；基床表层厚度0.3～0.5 m，基床底层与路基本体填料一致。路堤边坡坡率基本维持在1∶1.5～1∶2.5之间，路堑岩质边坡坡率基本维持在1∶0.3～1∶1.0之间，未发现土质路堑边坡，路堤边坡防护类型均为植草绿化防护，路堑边坡多无防护，偶有落石段浆砌片石防护，未发现任何支挡类型。路堤、路堑两侧均未发现排水沟等排水系统。

2.1 既有路基主要病害分析

水是威胁铁路路基稳定的最大危险源，是引发铁路路基和桥梁病害的根源。

2.1.1 临河路基病害

部分临河路基的水害严重，部分路基汛期被冲毁，路基填料基本被掏空，基岩出露，钢轨悬空无防护，岩质为花岗片麻岩，表面风化破碎严重，多有落石发生。

2.1.2 泛滥平原路基病害

部分位于河流冲积平原的路基标高较低，洪水期间淹没严重，局部洪水位高过现有轨面5 m以上，洪水过后，多数路基被洪水淹没、冲毁或者白沙掩埋。

2.1.3 路基排水不畅病害

铁路路基填方段多为低填情况，甚至多处出现钢轨与地面等高情况，造成填方段路基面积水，排水困难等情况。路堑地段铁路两侧未设置水沟和截水沟，造成雨季水流冲刷路基。

2.1.4 河流改道

2015年马拉维恩桑杰地区暴发洪水，Ruo河自然改道为东西流向，形成了新的河道，冲走大部分路基和钢轨。

2.2 既有路基病害整治设计措施

项目所在地区雨季降雨集中，降雨量大，持续时间长，应考虑其对路基工程的影响。对于既有线路基，原则上以原位病害整治或重建为主，部分洪水位较高地段，可采用原位抬高纵断面进行处理，同时设置排水沟并合理布设过水管、涵，预留足够的过水通道，对水害地段加强路基边坡防护和排水设计。

2.2.1 临河水害路基

既有路基被洪水严重损毁，洪水位较高，无法利用既有通道，需要对线路进行改线处理。改线路基按新建路基标准进行设计，其余线路均利用既有线位，冲毁路基均采用原位重建处理，如图1所示。洪水位较高时，既有线纵断面进行抬高；对洪水位以下路基边坡加强防护，采取适当的防水、防冲刷措施，在迎水面侧防护标高以下路基坡面可采用浆砌片石、石笼等圬工措施防护，坡脚设置防冲刷基础。

图1 冲毁段路基设计图

2.2.2 泛滥平原路基病害

泛滥平原线路纵断面抬至洪水位以上，路基按照浸水路基设计，洪水位以下路基边坡采用浆砌片石、石笼等圬工措施防护。如图2所示。

图2 泛滥平原区路基设计图

2.2.3 路基排水不畅病害

针对低矮路堤和路堑区间，在路基两侧增加排水沟、截水沟等排水设施，并提高填方段线路纵断面标高，适当增设排水涵等排水设施。

2.2.4 其他病害

路肩宽度不足地段，采用护肩墙加宽或对既有路基进行帮宽处理，有条件时尽量采用单侧帮宽。为使帮填部分与既有路基本体新老土体衔接紧密，应沿既有路堤坡面挖成宽度不小于1 m的台阶，加铺土工格栅，加强路基整体作用。

3 路基恢复设计要点

3.1 路基横断面设计

路基冲毁严重，且洪水位较高，原位重建困难，对线路进行改线，改线路基按新建路基标准设计。新建路基面形状应设计为三角形，两侧横向排水坡不宜小于4%[2]。在曲线加宽时，路基面仍保持三角形。区间直线地段路基面宽度采用5.5 m。曲线地段，由于轨道结构物超高引起道砟层底面宽度增大，导致路基面宽度需在曲线外侧加宽，曲线外侧加宽可按表1取值[3]。路基结构层中各层填料的顶面及底面均应设不小于4%的人字排水横坡，可将聚集在结构层内的水较快地排出，有利于保持路基结构层的强度和稳定性。

表1 曲线地段路基面加宽值

3.2 路基结构设计

3.2.1 路基结构层及厚度

路基结构层是路基上部受列车动力作用和水文气候变化影响较大的土层，其状态直接影响列车运行的平稳和速度的提高[4]。因此应对结构层厚度、填料等做出优化设计，合理选用路基结构层厚度及填料类型。在满足20 t轴载的前提下路基结构层可分为基床面层、上基层和下基层。其中基床面层SB组填料厚度为0.2 m，上基层A组填料厚度为0.25 m，下基层B组填料厚度为0.45 m。

3.2.2 填料类型设计原则

一般地段填方采用普通土填料填筑。浸水地段路基，路堤位于设计水位以下的填料会经常或间歇受水浸泡，导致填料软化、强度降低，因此防护标高以下可采用渗水性较高的石质填料填筑。桥路过渡地段路基，由于路堤与桥梁刚度差异较大而引起轨道刚度的突变，同时路堤与桥台的沉降不一致，而导致轨面不平顺，影响列车运行时的安全及稳定，因此可在桥梁20～30 m范围内设置桥路过渡段。过渡段内路基填方采用石质填料填筑，通过过渡段将突变差异调整为渐变差异，从而保证线路轨道的平顺。

3.2.3 填料性质及压实标准

该项目路基设计方案采用南部非洲标准，路基结构层填料性能及压实要求如表2所示，所采用填料必须符合不同部位所要求的填料材质及压实要求。

表2 结构层填料性能表

3.3 路基边坡防护

3.3.1 一般地段路基边坡防护形式。

为确保路基边坡免受冲刷，减轻坡面风化以及边坡绿化的需要，边坡防护加固宜以圬工防护与绿化相结合，根据边坡高度采用撒草籽、种灌木防护或骨架内撒草籽、种灌木防护。

3.3.2 平原内涝及河道两侧地段路基防护

平原内涝地段及河道两侧受水流冲刷地段路基长期受水流浸泡冲刷，洪水防护标高以下应采用渗水性较好的石质填料填筑。路基边坡防护形式可采用浆砌片石护坡，避免洪水与泥沙对边坡的冲刷侵蚀，保证路基稳定性。

3.4 排水系统设计

3.4.1 路堤排水结构

路堤地段应在坡脚外设置梯形排水沟以汇集并排泄坡面水和路基面上的表面水，为避免排水沟水流冲刷沟壁和由于水的浸润作用而影响路堤的稳定性，应在路堤坡脚外要设有不小于2 m宽的天然护道。排水沟形式可采用土质排水沟、混凝土排水沟或浆砌片石排水沟。

3.4.2 路堑排水结构

一般路堑地段路肩两侧设矩形侧沟，以汇集并排泄坡面和路基面上的表面水，侧沟采用浆砌片石铺砌，避免路堑坡面汇水对侧沟的冲刷。

3.5 地基处理

保证地基稳定，有足够的安全储备，同时地基的变形要满足上部建筑物正常使用要求[5]。在一些洪泛平原和沼泽地段，如果基底有软土或淤泥，应尽可能降低路基填土高度，并对软土地基采取浅层置换、抛石挤淤等地基加固措施。软土的承载力极低，严重危及路基结构的稳定性，影响行车安全，当路基通过软土地段时，需根据不同地层条件及软土层厚度，选取不同地基处理措施，同时应尽量降低路基填高，合理控制填筑速率。