鐵路重載線路病害及其整治施工管理

項敏

摘 要：隨著我國鐵路重載化的發展與走向成熟，重載列車在既有線上的開行為線路、橋梁、隧道等鐵路固定基礎設施帶來了一系列的影響及病害。本文重點闡述了包括道碴陷槽、線路翻漿冒泥、隧道裂縫滲水、橋涵過載等各類常見病害發生及發展致因，并提出了針對不同病害的具體整治施工內容及工程管理原則，以保障重載鐵路的安全、高效運營。

關鍵詞：重載鐵路；線路病害；整治措施；施工管理

中圖分類號：U216.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0088-03

當今世界鐵路運輸，主要向著客運的高速化及貨運的重載化兩大方向的發展，實現貨運重載列車高效安全開行已成為鐵路大國的一個重要標志[1]。重載鐵路也被普遍運用于大宗黑貨的運輸過程中，并具有較高的經濟性。然而，重載列車相較于普通貨物列車，有著軸重大、開行頻率高、速度提升等特點，普通重載鐵路單列運量超過5000t。例如，我國干線級重載鐵路大秦線，早在2010年就已實現2萬噸級組合列車開行并達到4億噸級年運輸量，隨著我國產業結構調整政策，其年運量依然保持在3.7億噸級。另一條主要重載鐵路朔黃線，線路大部位于我國煤炭重要產地山西省，自2000年通車以來，僅煤炭運輸就已超過20億噸，年運量超過2億噸[2]。然而，較大的軸重、較大的頻率，使得重載鐵路病害的判斷與整治成為一個難題。重載列車在運行過程中不可避免地將對鐵路軌道和路基、鐵路隧道、鐵路橋梁等設施造成損害，線路路基沉降、隧道結構破壞及列車動載沖擊隧道軟弱圍巖、大軸重擠壓橋墩等問題需要得到重視并重點整治。本文綜述研究國內關于重載列車開行對鐵路帶來的影響以及其整治措施，結合部分數據，分析了其作用于不同固定設施的具體病害內容、病害現狀、病害致因及具體整治工程措施和方法，為綜合考量重載線路的重點病害預防提供了有力支撐和依據。

1 重載鐵路路基及鋼軌主要病害類型及致因

我國現在仍在投入使用的重載鐵路，基本都已使用多年。列車運行過程中，應力傳導遵循貨物-車體-轉向架-輪對-鋼軌及軌枕-道床-路基的順序[3]。在長期的雨水洪澇侵害和大軸重列車往復動荷載應力作用下，鋼軌本體、路基特別是地面鐵路與橋梁之間的過度路段[4]路基極易產生并逐漸發展出病害。

1.1 鋼軌病害情況

鐵路軌道的鋼軌部分直接承受著由輪對傳遞的下來的動荷載應力，由于這一應力方向不止平行于重力方向，還會存在部分水平方向分應力[5]。這一部分水平分應力，將會使得鋼軌本體及其聯結扣件發生損害，這一點在重載鐵路上表現得尤為明顯。

根據相關研究結論，重載鐵路鋼軌損傷的主要類型包括鋼軌側方磨損（這一點在曲線處尤為明顯）及剝離掉塊、鋼軌疲勞核損和軌縫焊接處的接頭損毀[6]。統計數據顯示，這三種類型的鋼軌病害數目占據鋼軌重傷類型的97%，其中僅核損一項就占據90%以上，且隨著重載通道貨運量的不斷上升而呈現逐年增加的趨勢[7]。

1.2 路基病害情況

路基承受著鋼軌及道床傳遞而來的列車運行荷載，路基本體及其附屬設備極易發生并發展病害[8]。據資料統計及文獻研究，路基面臨的病害主要包括：邊坡溜滑或坍塌、道床及路基沉降、道碴陷槽（甚至產生道碴囊）、翻漿冒泥等等。僅2008年一年，朔黃鐵路就產生道碴陷槽、翻漿冒泥及路基沉降超過3000處[9]。以道碴陷槽和翻漿冒泥為例，描述病害產生并說明其主要致因。

道碴陷槽是指貨車動荷載將原本位于道床層的石碴碎屑擠壓進入了路基基面之中，使得原本堅固、穩定且不易滲水的路基基體遭到破壞，道碴囊逐漸形成，從而出現線路沉降、翻漿冒泥等情況，甚至導致路肩出現坍塌，嚴重威脅列車的安全和高效運行。道碴陷槽及道碴囊見圖1所示。

導致發生道碴陷槽的原因主要包括以下幾點：（1）路基修建時進行的填土工序中，使用了粘性土，這種類型的填土容易變形，特別是在濕潤條件下極易變軟，從而導致容易被道碴侵入；（2）路基壓實流程不到位，路基基面強度不足；（3）道床較薄，由于道床石碴起到緩沖并分散動荷載應力的作用，其厚度不足會導致路基基床承受的荷載過大；（4）季節變化導致的熱脹冷縮，容易造成路基膨脹變軟。

道碴陷槽形成的過程主要是先在軌道軌枕下產生斷裂的凹槽，凹槽不斷加深并在路面形成縱向鋸齒。這些道碴槽加劇了雨水等液體對基床填土的侵蝕，填土在長期的濕潤條件下開始軟化。在列車特別是重載列車的應力擠壓下，道碴陷入填土的情況不斷加劇，又更進一步導致地表水侵蝕，產生惡性循環。

翻漿冒泥也是重載鐵路線路甚至是常規鐵路運行線路上非常常見的一種路基病害。該病害一旦發生，會使得翻冒起的泥漿混入道碴，并使得出現道床各處強度不一，軌面不平，軌枕受力不均或直接失效，鋼軌磨耗嚴重等問題。

翻漿冒泥病害的出現，一般是多個因素共同作用導致的，主要分為以下兩種類型[10]：（1）基床性翻漿冒泥，是因為基床采用了吸水性好的粘性土（土質性）或石質基面風化軟化（石質性），這類粘性土或石質軟化后的基面在吸水膨脹后，再受到周期性振蕩應力[11]，內部土質結構遭到破壞從而容易形成泥漿，這些泥漿被充滿空隙的道床道碴層抽吸上升，產生翻漿冒泥；同時，道碴也被擠壓下沉并填補被抽吸的泥漿，產生道碴陷槽和道碴囊，形成惡性循環。這也是翻漿冒泥病害最主要情形，將使基床發生不可逆的永久形變。（2）道床性翻漿冒泥，是由于排水不良而形成道床積水，在列車動荷載作用下形成泥漿并冒出，如果道床性翻漿冒泥長期得不到處理，道碴被污染并在應力擠壓下磨成粉狀，造成道床透水差，并進一步發展為基床性翻漿冒泥。

2 橋隧涵主要病害類型及致因

2.1 重載鐵路隧道病害

重載鐵路列車頻繁的發車頻率、過大的軸重和速度，使得其在通過隧道時產生高頻率振動，而使隧道受到不定程度的襯砌裂縫、基底裂損（這一點與非隧道處病害相似，但因其發生在隧道中，更不易檢查和維護）、隧道滲漏等損害，嚴重危害行車安全。而在隧道占比較大的重載線路上，其較大的檢查維修難度和較高的維護成本更是容易發生和發展隧道病害。

以朔黃鐵路為例，全線目前共有77座仍在投入使用，總長超過6萬6千雙延米，占線路總長的11.3%[12]。通過現場調查統計，其主要病害類型及成因主要包括以下幾種，朔黃線某年各類病害頻數及比例如圖2所示[12]。（1）隧道裂縫。成因為隧道施工質量控制不佳或限界不足導致的長期側向應力擠壓而在隧道中產生環向施工縫、襯砌裂縫（如拱部裂縫、邊墻開裂）、不同模塊拼合處接縫等張開裂縫。施工質量問題主要包括止水帶/條固定不牢或安放不規范，混凝土振搗不到位、質地不均或搗固不密實，拱腳浮碴清理不到位[13]等等。（2）隧道滲水。由于存在上述裂縫而導致的地下水沿裂縫流入隧道。（3）隧道腐蝕。成因為隧道混凝土集料中混入石膏等具侵蝕性的物質，在一定溫度和濕度條件下與水發生的腐蝕性化學反應。如果混凝土完全處于水環境中，屬于純化學反應，其侵蝕速度較慢，但若處于干濕交替的環境下，則會呈現物理和化學雙重反應的溶蝕，而且物質腐蝕比化學腐蝕更快。（4）基底下沉、翻漿冒泥。成因與非隧道路基該類問題成因基本一致。

2.2 重載橋涵影響

鐵路貨物運輸過程中，橋梁和涵洞的承載能力也是制約列車載重量的一個關鍵因素。重載列車的運行，可能使得線路橋涵長期處于運營活載等于甚至于大于設計活載的運行條件之下，這在一定程度上會縮短橋涵使用壽命，降低通行能力并威脅運營安全[14]。目前，重載列車開行對橋涵部分的影響包括：

（1）活載儲備不足或者超設計活載運行。部分研究表明[15]，隨著貨車軸重的進一步提升，尤其是軸重大等于25t之后，橋涵的活載系數將達到0.9以上[16]，在面對25t以上軸重重載列車時，橋涵結構平均活載儲備量不足10%。其中，小跨度橋涵（例如<16m）在高軸重貨車作用下，運營活載甚至將超過設計活載五分之一以上，這將嚴重威脅運營安全。（2）涵洞結構的疲勞破壞。對于鋼筋混凝土材質的小跨度涵洞，特別是跨度小于車廂長度的涵洞，當重載列車通過時，每節車輛都將對涵洞造成一次加載卸載過程，極易造成涵洞結構的疲勞破壞，使得出現裂縫頻繁且增寬等問題[15]。（3）橋墩振幅超限、支座變形。重載列車通過橋梁時，橋墩墩頂振幅可能超限，同時橋梁支座受到縱向力產生位移甚至爬行[15]。

3 部分病害整治施工內容及工程管理方法

針對諸多軌道本體、路基及橋隧涵病害，最關鍵的是在有限的護理、整治條件下，分清重要程度地對其進行整治和養護，已有諸多學者和文獻對病害狀態預測及重要度排序問題進行了梳理[7]，本章在此基礎上主要闡述兩種發生頻率最高的病害的整治措施及具體施工過程的管理原則。

3.1 隧道襯砌結構劣化裂縫整治及工程管理原則

在采取措施及整治之前必須搜集地質環境和水環境的詳實資料，掌握襯砌劣化破損程度及致使破損的內外因，本著充分利用既有設施徹底根治，不留后患的原則提出方案并經專家論證后實施，同時制定風險預案，實施中要遵循不擾動和少擾動圍巖的原則。針對不同的病害程度，引入不同的施工工程內容，具體闡述如下：（1）局部襯砌劣化破損。要在改建段前后加強內支護，分段鑿除二襯和初支后，打設錨桿、掛網及噴射早強微纖維混凝土，并做防水層及二襯，并注意前后段的連接和密貼及控制限界的要求。（2）大段和全隧道的劣化破損，則應依此及如上原則分段加固后實施，最終貫通，確保初支及二襯質量。（3）凡是有水環境而引起初支和二襯的劣化破損，在摸清侵蝕源的基礎上，合理選定防腐初支與二襯材料，控制好初支與二襯的混凝土級配與防腐料的選定。（4）在地質環境和水環境作用下襯砌的裂縫處理。在處理前必須對既有襯砌質量作出評定，用混凝土回彈線或地質雷達對混凝土襯砌可否繼續服務作出判斷。

3.2 基床病害整治措施及工程管理措施

針對這一病害，其施工工程組織原則主要為，施工單位針對具體問題制定總體作業指導書，其中應詳細列出施工流程、人員-設備-材料的資源配置情況，組織監理方熟悉工藝及施工流程，制定施工中需要重點關注和監督的環節要點，所有參與設計、建設的相關單位部門均需要制定實施方案并提交匯總。而針對路基陷槽、滲水等問題，一般的整治措施為視其嚴重程度進行基床加固處理，主要整治方法包括：（1）在進行既有線重載化改造的過程中，進行路基加固時，要選用合適的填料，不使用軟性土等填料，壓實路基基床時確保填筑密度，并嚴格設計并合理安排排水系統；（2）為防止泥漿化的軟土上升，在路基面鋪設砂墊層以阻止泥漿、土粒升入道床層；（3）設置封閉層，以避免地面水滲入基床，做好基面、特別是路塹形式時的排水工作；（4）針對病害頻發的鐵路路段，將其基床填料更換為透水性更加的相應材料；具體實施時，可采用土工織布、復合土工膜等鋪設于路基面上[17]，形成隔水滲水層，以防止路基病害的發生。

4 結論及展望

本文從重載列車開行后，對線路、隧道、橋涵等多個鐵路重要固定基礎設施設備造成的影響及容易產生的病害出發，闡述了包括道碴陷槽、線路翻漿冒泥、隧道裂縫滲水、橋涵過載等各類常見病害發生及發展致因，結合朔黃線等主要重載線路數據情況，進行了相關說明。最后，闡明了基床病害及隧道襯砌結構劣化裂縫病害的整治工程設置原則和措施方法，以保障重載鐵路的安全、高效運營。同時，重載列車的開行病害，與多種致因相關，包括具體的地質情形、實際載重軸重及開行頻率、現場維護條件、運營條件、天文水文條件等等，要完成具體的整治施工工程管理，需要根據具體線路建立具體的病害分析報告，才能為好地為維護施工及其工程管理服務。

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