運(yùn)營高速鐵路路基基底加固抬升一體化技術(shù)

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(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司 工程管理中心,北京 100844)

高速鐵路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，且路基受施工質(zhì)量、高頻列車荷載反復(fù)作用以及復(fù)雜多變的自然環(huán)境影響，個別工點工后沉降超過軌道扣件可調(diào)整的限值，尤其是特殊地質(zhì)段的土質(zhì)路基，沉降更為嚴(yán)重。當(dāng)高速鐵路路基沉降超過扣件的調(diào)整限值時，通常分2步進(jìn)行處理：先進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)加固，穩(wěn)定后再進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)抬升。加固一般采用花管、袖閥管注漿、高壓旋噴等方式[1]。抬升方式主要有注漿抬升[2]和機(jī)械抬升[3]，均對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行抬升。

本文提出一種通過對高速鐵路路基基底進(jìn)行注漿，再調(diào)整軌面高程的加固抬升一體化整治技術(shù)。該技術(shù)無須改變施工配置，具有工期短、軌道平順性影響小、不破壞軌道結(jié)構(gòu)的特點，能夠顯著提高我國高速鐵路路基沉降的整治技術(shù)水平。

1 注漿加固抬升一體化機(jī)理

一般而言，漿液進(jìn)入地層是一種綜合作用的體現(xiàn)，包含滲透、填充、擠密等方式[4]。當(dāng)漿液達(dá)到一定量時，土體被漿液填充密實，此時若繼續(xù)以一定的壓力進(jìn)行注漿，漿液進(jìn)入地層的方式則主要以擠密為主。同時，在土體中產(chǎn)生了抬升作用力，該力作用在既有高速鐵路路基結(jié)構(gòu)上。當(dāng)該作用力增大到一定程度時既有線路將被抬升。注漿加固抬升一體化機(jī)理見圖1。

圖1 注漿加固抬升一體化機(jī)理

1)土體加固

對軟弱土體進(jìn)行加固，一方面是工程所需，提高承載力，另一方面是形成抬升所必要的持力層。由于漿液對土體的壓力是面向各個方向的，即使徑向受到約束后，在豎直方向上力的作用也是上下等值的。因此，要達(dá)到抬升作用，底部必須形成一定范圍和一定厚度且具有足夠承載力的持力層。

2)土體壓密

形成具有足夠承載能力的持力層后，漿液在壓力的作用下擠向土層，形成球狀或圓柱狀的漿體。這一過程是漿液在土體中擴(kuò)張，對土體產(chǎn)生徑向擠密作用，并使土體發(fā)生徑向彈塑性變形的過程[5]。此時注漿材料一般為稠度大、流動性差的漿液。

3)土體抬升

隨著注漿的持續(xù)進(jìn)行，漿泡體積不斷增大，漿泡側(cè)壁和下方受土體反作用力的約束從而形成漿柱。漿柱體積增大到一定程度后，即可對土體產(chǎn)生抬升作用。

2 技術(shù)實施

2.1 工程概況

京沈高速鐵路DK534+775—DK534+956段路基位于阜新站站內(nèi)，以填方形式通過，最大填方高度8 m。該段地基表面覆蓋結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土，厚2.2～3.4 m，遇水可能產(chǎn)生較大附加變形。由于相鄰地段發(fā)生沉降，為消除隱患需進(jìn)行注漿加固處理。

注漿過程中必然產(chǎn)生一定沉降，本次抬升主要消除此部分影響。注漿處理后累計最大沉降為11 mm，抬升后最大沉降為3 mm，軌面高程滿足運(yùn)營要求。

2.2 實施流程

在開始抬升前，采用袖閥管注漿對軟弱土體進(jìn)行加固。加固后收集線路的沉降情況，分析需要抬升的區(qū)段和抬升量以確定注漿參數(shù)。注漿過程中通過信息化監(jiān)測系統(tǒng)實時掌握線路的變化情況，如有異常及時停止作業(yè)，待查明原因后調(diào)整參數(shù)方可繼續(xù)施工。基底注漿加固抬升一體化技術(shù)實施流程如圖2所示。

圖2 基底注漿加固抬升一體化技術(shù)實施流程

2.3 技術(shù)參數(shù)

1)漿液制備

項目采用硫鋁酸鹽快硬水泥單液注漿，與普通水泥相比，其具有初凝時間短、早期強(qiáng)度高的特點。前期注漿以加固土體為主，漿液需要有一定的流動性，水灰比為1∶1。抬升階段則需要濃度較大的漿液，考慮施工機(jī)具的適應(yīng)性，現(xiàn)場采用0.7∶1的水灰比。

2)注漿層位

根據(jù)實際路基結(jié)構(gòu)參數(shù)，注漿層位宜選在不同土體的上下界面，易于形成水平狀分布的漿泡，有利于均勻抬升。當(dāng)填筑高度較小時注漿層位選取地基與填料的交界面；當(dāng)填筑高度較大時注漿層位選取路基填料中的某個層位。對于京沈高速鐵路結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土注漿處理試驗，選取地基與填料的交界面層位，其上填筑高度為8 m。

3)注漿壓力

注漿壓力是抬升過程的關(guān)鍵控制參數(shù)。為使?jié){液輸送到指定范圍的地層里并產(chǎn)生一定的抬升作用力，必須通過注漿設(shè)備給予漿液適宜的注漿壓力。注漿壓力決定了注漿抬升的速度和難易程度。注漿壓力必須根據(jù)注漿層位、地層條件、漿液情況等因素來確定。對于京沈高速鐵路注漿壓力控制在1.2～1.5 MPa[6]。

4)孔位布置

抬升作業(yè)時，上下行的豎向變形應(yīng)均勻變化，注漿孔應(yīng)沿著線路中心左右對稱布置，以防止產(chǎn)生橫向偏移量。本次注漿沿縱向每1.5 m為1個單元，每單元布置20個注漿孔，最外側(cè)4排孔為止?jié){孔，內(nèi)側(cè)6排孔為抬升孔，其余孔為加固孔，孔位布置如圖3所示。由于注漿工程本身的不確定性，可基于實時監(jiān)測結(jié)果動態(tài)調(diào)整注漿孔的數(shù)量。

圖3 加固抬升一體化孔位布置

5)注漿順序

為保證本次注漿抬升順利實施，先進(jìn)行外側(cè)止?jié){孔注漿，形成止?jié){墻，確保漿液無法擴(kuò)散至加固抬升區(qū)以外[7];再進(jìn)行加固孔注漿;最后進(jìn)行注漿抬升。抬升時必須嚴(yán)格保證對稱注漿。

2.4 信息化監(jiān)測系統(tǒng)

圖4 線路高程狀態(tài)

加固抬升的順利開展有賴于對軌道結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)的實時掌握。監(jiān)測參數(shù)主要為豎向、橫向變形。豎向變形監(jiān)測采用秒級響應(yīng)的高精度(±0.5 mm)、全覆蓋的物位計自動監(jiān)測系統(tǒng)，可實時顯示線路的高程狀態(tài)，如圖4所示。橫向變形一般采用全站儀進(jìn)行測量，但本項目白天開展作業(yè)較多，受溫度影響，全站儀測量結(jié)果誤差較大。因此，自行研發(fā)了光學(xué)照準(zhǔn)+固定水平尺的技術(shù)方案(見圖5)，可達(dá)到±0.6 mm的精度，實現(xiàn)了對軌道結(jié)構(gòu)橫向變形的實時反饋。

圖5 橫向變形監(jiān)測系統(tǒng)

3 結(jié)語

本文介紹的高速鐵路路基注漿加固抬升一體化技術(shù)，無須改變施工配置，具有施工周期短、工藝簡單、不破壞軌道結(jié)構(gòu)的特點。加固抬升中通過自行研發(fā)的信息化監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了線路狀態(tài)的實時掌握，有力保障了實施過程的安全高效。該技術(shù)在京沈高速鐵路結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土注漿處理試驗中成功恢復(fù)了軌面標(biāo)高，滿足運(yùn)營條件，豐富了我國運(yùn)營高速鐵路路基沉降整治體系，具有廣闊的應(yīng)用前景。