膠濟客專路基下沉原因分析與整治

朱俊勛，邢介東，孟陸波，朱明磊

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.中鐵濟南工程技術(shù)有限公司，山東濟南 250022)

路基作為軌道的基礎(chǔ)，它的高平順性、高穩(wěn)定性是確保軌道高平順性的前提條件［1］。只有嚴(yán)格控制路基的沉降，才能保證客運專線軌道的高平順性。路基沉降變形主要包括路基面的彈性變形、基床累積下沉(塑性變形)、路基本體填土及地基的壓縮下沉［2］。路基下沉是我國鐵路路基主要病害形式之一，也是客運專線路基工程重點研究的內(nèi)容。造成路基下沉的因素很多，李景安［3］通過對某鐵路線高路基下沉和溜塌現(xiàn)象進行研究發(fā)現(xiàn)降雨因素、路基填料、地形地貌和人為因素是造成該路基下沉的主要原因;李東俠等［4］分析某區(qū)段鐵路路基下沉等路基病害的形成原因及影響因素，指出土質(zhì)不良是產(chǎn)生病害的關(guān)鍵因素。

本文針對膠濟客運專線K135區(qū)段路基下沉病害，以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，研究了該區(qū)段路基下沉病害的形成機制，并提出了相應(yīng)的工程整治方案，最后通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析驗證整治效果。

1 工程概況

膠濟客運專線東起青島，西經(jīng)濰坊、淄博至濟南，設(shè)計客運專線正線長度362.5 km，較之現(xiàn)有鐵路線縮短了21.5 km。其中新建客運專線173 km，利用膠濟鐵路電氣化工程改造后的線路149 km。本研究區(qū)段范圍內(nèi)的線路自2011年9月份開始，發(fā)生較嚴(yán)重沉降，且變形速率加劇。下行線線路右側(cè)為一廢棄采石坑，長160 m，寬120 m，深約20～30 m，已蓄滿水，水坑距線路右側(cè)護欄最小距離僅為1.5 m。受列車振動及水的浸泡影響，臨近鐵路側(cè)水坑岸坡不斷向水坑內(nèi)坍塌(見圖1)，同時該區(qū)段路基發(fā)生下沉，軌道幾何尺寸變形嚴(yán)重，右側(cè)路肩發(fā)生明顯下沉，已嚴(yán)重危及鐵路行車安全，必須及時整治。

圖1 線路右側(cè)廢棄采石坑

該區(qū)段屬于丘陵地區(qū)，地勢東南高西北低。據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露顯示:表層為第四系全新統(tǒng)人工素填土(Qml4)、殘坡積粉質(zhì)黏土(Qel+dl4)，下伏元古界荊山群片麻巖(Pt1j)。地下水主要為基巖裂隙水，含水層為片麻巖風(fēng)化層，鉆孔水位埋深1.7～2.0 m，高程45.09～45.16 m，地下水自東南向西北徑流。2011年雨季由于降水量大幅增加，當(dāng)?shù)氐叵滤患暗乇硭惠^往年急劇升高。該區(qū)段下行線路右側(cè)采石坑基本無外部匯水，因此坑內(nèi)的水位可以代表地下水位。

2 路基下沉病害成因分析

1)人工填土結(jié)構(gòu)松散

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探資料，該段鐵路為2005修建的半路塹地段，左側(cè)路塹基巖裸露，右側(cè)為采石坑。區(qū)段K135+270—K135+340路基下及右側(cè)水坑邊分布人工填土，厚度7.5～9.6 m，主要為采石坑棄渣填土以及風(fēng)化的片麻巖碎屑、碎塊，多呈中粗砂狀，結(jié)構(gòu)松散，密實度差且不均勻。水的浸泡軟化改變了土體結(jié)構(gòu)的流塑性質(zhì)，導(dǎo)致土體力學(xué)指標(biāo)和地基承載力降低，在火車頻繁動荷載的作用下易導(dǎo)致路基填土不斷下沉。

2)降雨的影響

據(jù)鄰近監(jiān)測點的資料顯示:2009～2011年雨季(6～9月)月平均降雨量為454.7 mm，其中2011年雨季月平均降雨量最大，達到1 063.1 mm，為2009—2011年雨季月平均降雨量的2.34倍。自2011年9月份以來，水坑內(nèi)水較往年同期約抬高了2.14 m。路基土體被水浸泡軟化，含水量增加，土體顆粒間的膠結(jié)作用隨浸泡時間延長而不斷降低，土體抗剪強度和黏聚力降低，從而使地基承載力下降，最終導(dǎo)致路基下沉速率加快。

3)水的滲流影響

一方面，本區(qū)段路基右側(cè)水位高程45.03 m，左側(cè)水位高程45.69 m，左側(cè)水向右側(cè)滲流;另一方面當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶在春季抽水澆地時，右側(cè)水坑內(nèi)水位可在短時間內(nèi)急劇下降達8 m左右。水位升降變化產(chǎn)生滲透動水壓力，而且水位下降越快，水力坡降越大，滲透流速越大。水的滲流不僅降低了填土路基的穩(wěn)定性，同時還將路基下填土層內(nèi)的粉粒、砂粒等細小顆粒挾帶走，使路基填土密實度下降，沉降變形加速，并逐漸導(dǎo)致水坑岸坡的坍塌，破壞路基的穩(wěn)定性。

4)坍岸影響

本區(qū)段的地形地貌、地層巖性、雨水沖刷以及水坑內(nèi)水位漲落為坍岸形成提供了基本條件，水坑內(nèi)水位漲落導(dǎo)致坍落土體被搬運，由于土體重力作用，上部土體在下部土體被搬運后，將順著風(fēng)化界面推移，并容易帶動岸坡土體后緣拉裂，形成坍岸。坍岸造成水坑岸坡發(fā)生劇烈變形，土體側(cè)向應(yīng)力釋放，路基土層地基承載力降低，破壞了既有坑岸的穩(wěn)定性，進一步加速了路基下沉變形。

由上可知，降雨是該區(qū)段路基下沉失穩(wěn)的主要誘因，而路基土體結(jié)構(gòu)及其所處的地質(zhì)環(huán)境是導(dǎo)致其下沉的根本原因。

3 穩(wěn)定性評價

經(jīng)現(xiàn)場勘探及調(diào)查，在區(qū)段K135+270—K135+340路基下及右側(cè)水坑邊主要為人工填土，主要成分為風(fēng)化的片麻巖碎屑及殘塊，對該層進行動力觸探測試，并選取其中具有代表性的2#孔測試數(shù)據(jù)繪制N63.5～h關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 N63.5～h曲線

分析圖2可知:在1.0～2.8 m深度范圍，修正擊數(shù)N63.5為1.5～9.0擊，平均為3.2擊;但在地下水位以下，貫入深度＞3.4 m時，N63.5大多為0.5～3.0擊。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10018—2003)，按中粗砂類土查表可知該深度范圍地基承載力＜120 kPa時(3.0擊對應(yīng)的地基承載力值為120 kPa)，不能滿足高速鐵路對地基承載力的要求，因此路基不穩(wěn)定。

此外，水坑內(nèi)水位的升降變化也影響病害發(fā)育程度。一方面，春季澆地抽水等引起水坑水位驟然下降，岸坡土體的有效應(yīng)力急劇增大，會使路基產(chǎn)生附加沉降。另一方面，當(dāng)豐水期水位上升時，土體受水浸泡變軟，力學(xué)指標(biāo)降低，地基承載力下降，同樣不利于路基的穩(wěn)固。而水坑內(nèi)的水位升降變化是不可避免的，因此應(yīng)加強對該段路基的沉降監(jiān)測，并盡快整治。

4 治理方案

4.1 治理原則

①提高路基填土強度;②防止水坑坍岸繼續(xù)坍塌和采石坑的水繼續(xù)浸泡軟化路基;③治理方案應(yīng)充分考慮既有線的場地條件，合理布局，方便施工。

4.2 整治措施

K135+260—K135+343段路基下人工填土結(jié)構(gòu)松散，強度不足，應(yīng)對該段路基進行注漿加固處理［5-6］。對下行線右側(cè)水坑坍岸范圍進行加固處理，且需形成防水帷幕以阻止水繼續(xù)浸泡，軟化路基。如果采用傳統(tǒng)的注漿+拋片石幫寬防護，雖然工程造價相對較低，但片石方量很大，且水坑現(xiàn)已成為魚塘，水下拋片石不可控因素太多，量的估算與實際也可能差別很大，因此，通過綜合考慮經(jīng)濟、場地條件、技術(shù)可行性等因素，最終采用注漿+鉆孔灌注樁擋墻［7］的整治方案。

4.2.1 注漿

注漿包括限界外注漿和基床探測注漿兩部分，注漿孔平面布置見圖3。K135+328處注漿孔斷面形式見圖4。

圖3 注漿孔平面布置(單位:m)

圖4 K135+328處注漿孔斷面

1)限界外注漿。處理范圍為K135+270—K135+343段。下行線右側(cè)7.8 m布第1排孔，為豎直孔，與豎直方向成20°和40°交替布置斜孔，傾向鐵路側(cè)，孔距1.5 m;K135+270—K135+310范圍第1排孔往外1.0 m布第2排孔，為豎直孔，孔距4.5 m，與第1排豎直孔呈梅花形布置。孔深至進入強風(fēng)化巖不小于1.0 m。注漿材料采用水泥漿，水灰比為0.6∶1～1∶1，注漿壓力采用0～0.2 MPa。注漿壓力達到0.2 MPa后持續(xù)10 min，持續(xù)注漿量不大于5 L/min時方可終止注漿。

2)基床探測注漿。處理范圍為 K135+260—K135+340段。在距下行線左側(cè)6.70 m、右側(cè)2.68 m的基床范圍內(nèi)打注漿管，注漿管呈梅花形布置，縱向間距(順線路方向)2.50 m、橫向間距2.68 m，探測管徑25 mm，打入深度不小于5 m。注漿材料及參數(shù)同上。

4.2.2 鉆孔灌注樁擋墻

在鉆孔灌注樁間布置旋噴樁形成帷幕擋墻，可有效防止采石坑內(nèi)水對該段路基的浸泡軟化。平面布置見圖5，斷面布置見圖6。

圖5 鉆孔灌注樁擋墻平面布置(單位:m)

圖6 K135+328處鉆孔灌注樁擋墻

1)在線路右側(cè)9.0～10.0 m折線形布置1排鉆孔灌注樁做擋墻，樁長進入弱風(fēng)化巖不小于3.0 m，樁徑1.5 m，樁間距1.8 m。處理范圍為K135+270—K135+343段。

2)鋼筋混凝土灌注樁的配筋:縱筋采用φ24螺紋鋼;箍筋采用φ14圓鋼，間距0.2 m;加強筋采用φ16圓鋼，間距2.0 m;定位筋采用φ14圓鋼，間距2.0 m。混凝土等級為C40。

3)鉆孔灌注樁間布置旋噴樁。旋噴樁的主要材料為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比取0.8～1.5，水泥摻入量每米不小于250 kg。

4)先施工鉆孔灌注樁，待樁身混凝土強度達到設(shè)計要求的70%后，再施工旋噴樁。鉆孔灌注樁施工時應(yīng)跳樁進行，樁身混凝土應(yīng)及時連續(xù)不間斷澆灌，避免形成相對軟弱界面。

5)按照《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進行質(zhì)量檢測。

5 治理效果

路基下沉治理工程施工時間為2012年5月20日～10月30日。施工完成后進行沉降觀測，選擇其中4個代表性斷面的觀測數(shù)據(jù)，繪制沉降曲線如圖7。由圖7可知，沉降觀測前60 d的路基沉降量最大，其中K135+320斷面處60 d的沉降量最大，為1.7 mm，即10.2 mm/年(0.85 mm/月)，小于20 mm/年，達到了客運專線的標(biāo)準(zhǔn)要求。觀測90 d后，路基下沉已達到穩(wěn)定，因此，該段路基的下沉趨勢得到了良好控制。

圖7 4個斷面測點的沉降曲線

6 結(jié)語

1)該區(qū)段路基下沉失穩(wěn)的主要誘因是降雨，而路基土體結(jié)構(gòu)及其所處的地質(zhì)環(huán)境是導(dǎo)致其下沉的根本原因。

2)采用注漿+鉆孔灌注樁，并在鉆孔灌注樁間布置旋噴樁的整治方案。該方案結(jié)合了鉆孔灌注樁和旋噴樁的特點，具有沉降量小、穩(wěn)定性高、受地下水位影響較小等優(yōu)點。實踐證明該方案效果顯著，值得在類似工程中推廣。

［1］周秋華.石太鐵路客運專線路基工后沉降的施工控制與監(jiān)測［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(4):113-117.

［2］趙勇，陳占，徐紅星.高速鐵路無砟軌道路基沉降監(jiān)測和研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012(6):45-49.

［3］李景安.注漿處理鐵路高路基下沉和溜坍施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(2):83-85.

［4］李東俠，于劍青.吉圖鐵路路基病害原因分析及治理措施［J］.鐵道建筑，2012(12):72-74.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10106—2010 鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［6］中華人民共和國鐵道部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB 10025—2006 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.