西南某铁路翻浆冒泥机理及病害处置优化分析

徐凤祥，赵培钧，沈苏兴，崔俞，魏博康

（1.四川省铁路建筑有限公司，四川 成都 611130；2.成都卓奥丛山环境科技有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

铁路路基是铁路轨道系统的基础，承担并传递轨道本身的重量及列车荷载，是保证列车安全运行的重要组成部分。翻浆冒泥是指基床土体在降雨或地下水的作用下，自身吸水液化形成泥浆，在列车循环荷载作用下，孔隙水压力不断发生变化，泥浆沿着道砟间空隙上涌，并最终从钢轨接口处喷溅而出，在道床中部集聚的一种路基病害。翻浆冒泥不仅影响铁路行车安全，而且还增加铁路维修量，缩短轨道使用寿命。若发生翻浆冒泥后清理不及时，泥浆中水分挥发后，还会造成道床板结、铁路整体弹性降低等危害。

翻浆冒泥形成机理的现有研究有：①Takatoshi 最早提出了有砟轨道翻浆冒泥形成模型，即翻浆冒泥抽吸驱动模型；②Alobaidi 对路基土上覆粗颗粒层形成的结构（如高速公路及铁路）的翻浆冒泥病害和影响因素以及治理材料均进行了全面的研究；③Cui选择了法国西部一条在运营的早期修建且病害较严重的铁路线路进行钻孔取芯试验研究，并设计了缩尺的物理模型试验，研究了中间夹层（interlayer）和翻浆冒泥的形成机理。

樊永杰[1]针对大巴山隧道翻浆冒泥病害特点，提出了安设水平集水孔、加深侧沟、施设仰拱、翻修加厚道床等方法的综合处置措施；司剑锋[2]在兖石线路基处置修缮工程实践中，采用铺设两布一膜不透水土工布，并在布的上下加设中粗砂保护层的处置措施来处理基床翻浆冒泥病害；段铭钰[3]采用石灰改良基床填料与铺设土工布相结合的办法对浙赣线铁路路基翻浆冒泥进行处理；程博华[4]分析朔黄线路基翻浆冒泥病害，提出对于基床性病害采用自路肩外花管注浆后设置中粗砂+复合排水板封闭层的处置措施；吾望超等[5]以高分子化合物聚氨酯、聚脲和碎石为原料，调配发明了一种新型化学聚合物——碎石结构层，同时施工时采用挖除底浆、铺设聚合物结构层的方式来对翻浆冒泥进行治理。

综上，在已有的翻浆冒泥处置中，基本都是因地制宜，采取最适合当地现场的方法，并没有一种在任意地区都适用的方法。针对本次研究区段，在常规换填路基土、道砟等措施基础上，对排水系统进行优化，在一定程度上预测和缓解翻浆冒泥的产生。

1 工程地质概况

1.1 工程地质条件

1.1.1 地形地貌

研究区域地处四川盆地南部，地貌区域划为川中丘陵。依据地形地貌、海拔高程可细化为两个地貌单元，即丘陵山地区和丘陵区。

①丘陵山地区

丘陵山地区多为砂岩与泥、页岩互层，常形成台阶状的“方山”。山顶一般较平缓，海拔高程500～650m；沟谷深切，呈“V”形，切割深度一般50～100m，最大切割深度达180m。谷坡陡峭，线路起点端一带多见陡立悬崖，至汪洋一带呈变缓的趋势，谷底也逐步变宽，“方山”平台及山顶多辟为耕地，谷坡多为密林。

②丘陵区

丘陵区地层以泥岩为主，夹砂岩，剥蚀后多形成圆缓丘陵，在乐山周边以砂岩为主的地带则较陡。丘顶高程在380～500m 之间，丘间沟槽多呈宽缓的浅“U”形，沟槽与丘顶高差在30～60m 之内。丘坡一般为旱地或林地，沟槽内以水田为主，渔塘散布。

1.1.2 地层岩性

根据翻浆冒泥段路基横断面图所示（图1），其地层由新到老分别为以下两种。

图1 路基横断面图

1.1.2.1 第四系（Q）

沿线第四系成因复杂、种类繁多、分布广泛、厚度变化大，主要有坡积、残积、崩积、冲积、洪积、滑坡堆积等地层。沿既有铁路、高速公路及附近的沟谷中有大量的人工堆积，多为全新统（Q4）地层，局部为上更新统（Q3）地层，其中全新统（Q4）可分为以下两部分。

人工填土（Q4ml）：表面颜色主要为灰黄、褐黄、棕红、棕黄等，为硬塑状粉质黏土夹碎石角砾及稍湿～潮湿状碎石类土，石质为泥岩、砂岩。来源一是废弃老铁矿及城镇建设弃渣，厚2～25m 不等，松散，稍湿～潮湿，稳定性差，属Ⅱ级普通土～Ⅲ级硬土；二是既有铁路、高速公路及城市道路等填筑土，厚2～20m，稍湿～潮湿，稍密～中密。

坡残积层（Q4dl+el）：褐黄、浅黄、紫红色硬塑～坚硬状粉质黏土，含碎石角砾。一般厚0～2m，局部达5～8m，广泛分布于缓坡及坡脚。

1.1.2.2 侏罗系（J）

下统（J1）中的珍珠冲组（J1z）：紫红或杂色泥岩、砂质泥岩夹黄绿色泥页岩、泥质粉砂岩和薄至中厚层状粉——细粒石英砂岩，泥岩一般具有弱膨胀性。

1.2 水文地质条件

根据地层的储水介质及富水程度判断，研究区域地下水主要为第四系孔隙潜水。

研究区域内大部分地段的第四系覆盖层以黏性土为主，水量匮乏，第四系孔隙潜水主要赋存于河流及冲洪积松散土层中，地下水埋深约1～3m，为饱水层，由大气降雨及河水补给，受季节变化影响较大。

2 西南某铁路翻浆冒泥病害概况

西南某铁路经过四川省内江市威远县、眉山市仁寿县和乐山市境内，线路全长90.775km，参照国铁Ⅱ级标准设计。东侧成自泸高速从工程区穿过，西侧有多条高速连接乐山市，国道G213 从中段通过北区，有多条省道连接，途经乡镇，村与村之间有乡间道路相连，线路交通条件较好。

该铁路自2010 年通车，经过12 年运行，多段出现翻浆冒泥病害，特别是图2 附近翻浆冒泥较为严重，根据道床表面的表现形式，将其分为三个区域，即集聚区、包裹区和影响区。并按时空域进行排序（见图3），即①泥浆在道心处积聚、②泥膜将道砟完全包裹约（1mm）、③道砟表面附着泥点。

图2 翻浆冒泥现场图片

图3 翻浆冒泥在道床表面的三种表现形式

通过对该道床翻浆冒泥产生过程进行观察，将其分为四个阶段，见表1。

表1 道床翻浆冒泥发展阶段

3 翻浆冒泥病害机理分析

3.1 影响翻浆冒泥的主要因素

铁路路基在修建完成后，起初为一个健康体系，随着时间的推移，其排水系统开始堵塞或失效，地表水或地下水开始入侵路基土，随着运载列车的反复行驶，产生的循环荷载不断冲击铁路系统，道砟彼此碰撞破碎劣化，并产生细颗粒下陷，使孔隙水压力不断发生变化，土体液化，泥水携带细颗粒不断上涌，发生翻浆冒泥。因此翻浆冒泥是多种因素共同作用下发生的一种病害，路基土性质、水、道砟条件、列车循环荷载都是发生路基翻浆冒泥的主要因素。

①路基土性质

路基土性质的优劣[6]是基床产生翻浆冒泥的前提条件。根据以往的研究，基床翻浆冒泥的土质中，若含有易软化的物质，如蒙托石、绿泥石等，由于其强烈的亲水性，容易吸收水分并软化，为翻浆冒泥的产生提供前提条件。

该铁路路基土为强风化粉砂岩（图4），含有一定的透水性。随着风化作用，土中细颗粒的占比逐渐上升，遇水软化路基，为翻浆冒泥的产生提供前提。

图4 现场路基土

②水

路基的翻浆冒泥过程，实质就是水裹挟细颗粒在路基中迁移、上涌的过程[7]，因此水是发生翻浆冒泥的重要条件之一。

该铁路所在区域属于中亚热带湿润气候带，其降雨特点是突发性强、历时短、雨量大、时空分布不均。这种气候条件决定了铁路会面临短期内路基土体含水率突然变化的情况，汛期降雨量增大，再加上基床排水设施的缺失导致排水不畅，使得路基土易吸水膨胀，显著降低了土体的临界动应力和动强度，使得土体发生软化，并在列车的振动荷载作用下使得道砟压入基床形成道砟囊，被道砟挤压的土体形成泥浆上涌至道床。

③列车荷载

列车行驶过程中，车轮冲击铁轨带来的振动荷载会通过枕轨和道砟传递到路基中，列车振动[8]荷载一方面会使基床土体发生塑性变形，经过长时间累积最终造成路基的不均匀下沉，从而使得基床面局部产生积水；另一方面又会不断上下抽吸翻浆冒泥过程中产生的泥浆，使得基床土体内部发生循环上升下降的渗流，渗流产生的动水头将土体颗粒冲刷推挤至基床面上，最终形成表观上的翻浆冒泥病害。

研究区段铁路由于为货运铁路，需承受荷载较大，且至今已运行12 年，路基质量严重下降，道砟劣化越发加剧，排水系统日益老化。因此，列车荷载是导致该铁路发生翻浆冒泥的重要外因。

④道砟情况

有砟道床由具有一定级配的碎石组成。由于列车轮轨粗糙以及棘轮，或者当列车通过刚度不均的位置，如桥头、道路交叉口、有砟-无砟轨道过渡段等，会产生瞬时的高冲击力荷载，在钢轨焊接处，由于不良的焊缝，也会产生冲击荷载[9]。

在该铁路翻浆冒泥区段，根据道砟劣化情况（图5），可以明显看出其在列车荷载等外部应力下，道砟与道砟之间相互碰撞、磨损，其外形、强度、整体对于铁路稳定受力的性质都已严重下降。其在磨损中所产生的细小颗粒，随着缝隙下沉，在外部应力作用下，与水相遇成为泥浆，甚至发生翻浆冒泥。

图5 道砟劣化现场图片

3.2 翻浆冒泥病害机理

通过对上述主要影响因素进行分析，再综合已有的研究成果及经验，将该铁路翻浆冒泥的过程总结如下[10-15]。

①初始裂隙形成阶段

这一阶段一般是铁路线路竣工或经过较大处置以后，路基土结构比较完整、路基面平整、道砟洁净。而随后由于路基土在干湿循环的作用下逐渐产生细微裂隙，这些细微裂隙在列车振动荷载以及水的渗透侵蚀下相继连通，进而形成较大裂隙，为水提供了良好的运移和储存通道，为后续的翻浆冒泥病害的发生提供了条件（见图6）。

图6 初始裂隙形成阶段

②路基软化下沉阶段

汛期降雨量增大，由于干湿循环产生的裂隙使路基土在降水作用后含水率增大，继续吸水膨胀导致土体强度降低，特别是在土体达到饱和状态以后，其抗压强度远低于正常干燥情况下的土体强度，此时土体在动荷载的作用下，不仅仅表现为较大的累计变形，更有可能是整个骨架的失稳破坏。饱和失稳的路基土由于变形量过大而产生沉降，形成凹坑，积水难以排除，在列车振动荷载的作用下，道砟与失稳的土体反复相互作用，使得道砟被动荷载挤压进入软化后的路基中，导致路基土体整体渗透系数增大，而道床也由于荷载的作用发生了不均匀沉降，道砟持续下挤进入路基，这使得水分更易聚集在路基的局部区域，加剧了翻浆冒泥病害的产生（图7）。

图7 路基软化下沉阶段

③翻浆冒泥形成阶段

道砟被列车动荷载挤入软化的土体后，路基土体被道砟取代形成道砟囊，使得饱和状态的土体以泥浆的形式在动荷载的作用下挤压上升至道床中。上涌的泥浆充填了道砟的缝隙，在经过蒸发作用后其水分逐渐散失，泥浆使原本分散的道砟胶结成为整体，道砟面板结成块，使道床和路基之间形成一个相对封闭的空间。在经过列车反复上下振动形成的动荷载作用下，这一封闭空间便形成一个真空带发生抽吸作用，使得下部的泥浆继续上升至道床表面，并在干湿循环作用下发生软化-泥浆上涌-板结-软化的恶性循环。道砟上的泥浆越来越多，板结后的胶结物越来越密实，局部的翻浆冒泥由点连接成片，最终表现成整段路基的翻浆冒泥病害现象，见图8。

图8 翻浆冒泥形成阶段

4 病害处置方案优化

4.1 病害处置方案

现场对翻浆冒泥不同阶段的处置方法如表2所示。

表2 翻浆冒泥发展不同阶段地处置方法

4.2 病害处置方案优化

研究区域地下水主要为第四系孔隙型水，受季节性影响较大，且沿线铁路两边有大量水田，汛期雨水不能完全从铁路系统中排出，所以对排水系统进行优化至关重要。

在上述措施的基础上，对排水系统进行优化：①0.1m 中粗砂+两布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 带孔排水管放置于两布一膜中上层透水土工布和不透水土工膜之间，以便上部道砟层中积水能顺利从PVC 带孔排水管中排出，不会渗透入基床中[16-19]，两布一膜材料选取时的主要性能指标见表3。

图9 道床断面图

5 结语

本文通过现场病害调研、研究区域工程地质、水文地质、现场施工等情况，观察道床翻浆冒泥的发生过程，对翻浆冒泥道床表面三种表现形式、主要影响因素、病害形成机理进行研究，提出了有针对性的排水系统处置优化措施。主要得出以下结论。

通过观察道床翻浆冒泥产生的具体过程，将翻浆冒泥在道床表面的表现形式分为以下三个区域，即集聚区、包裹区和影响区。并按时空域进行排序，即①泥浆在道心处积聚、②泥膜将道砟完全包裹（约1mm）、③道砟表面附着泥点。

分析了在路基土性质、水、道砟等内因作用下，为翻浆冒泥的产生提供了物料等必要条件，进而在外因列车荷载的作用下，土体液化形成泥浆，窜出道床形成翻浆冒泥的具体过程。

在以往的病害处置方案基础上，结合实际情况，对排水系统进行优化：①0.1m 中粗砂+两布一膜+0.1m 中粗砂；②添加PVC 带孔排水管，并放置于两布一膜中上层透水土工布和不透水土工膜之间，以便上部积水从PVC 带孔排水管中排出，不会软化下部基床，维持铁路系统正常运行，成功减少了翻浆冒泥的产生，取得了良好的处置效果。