寒區鐵路路基凍害微型盾構靶向置換整治技術

閆宏業

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

寒區鐵路路基凍害問題始終困擾著鐵路的安全運營，具有普遍性且根治難度極大。根據2013—2014年統計數據，僅沈陽鐵路局普速鐵路每年凍害總計1.6～2.0萬處，總長度達150 km；沈陽、哈爾濱鐵路局僅凍脹量15 mm及以上的凍害約3萬處，最大凍脹量甚至超過100 mm。目前，有砟軌道凍害整治維護方法主要有設置預墊板、高抬道、大揭蓋換填、挖側溝、鋪設保溫層、疏排水、注鹽等[1-7]。但這些方法普遍存在整治深度較淺、整治效果維持短、不適合短天窗作業、治標不治本等問題，導致雖然每年投入大量人力、物力但整治效率和效果并不理想，凍害依舊年復一年地發生。以沈陽鐵路局為例，每年凍害整修投入70%～80%的人力，占據冬季50%的天窗時間，每年平均投入整修費用超過 3 000 萬元,但并未從根本上解決凍害問題。因此，亟待提出安全高效、治標治本的鐵路路基凍害整治技術。

本文針對秦沈客運專線路基凍害工點，提出路基凍害微型盾構靶向置換整治技術，達到根除凍害的目的，對寒區鐵路路基凍害的整治具有借鑒意義。

1 路基凍害微型盾構靶向置換整治技術

寒區鐵路路基凍害微型盾構靶向置換整治技術原理是：針對凍害層位，首先用鋼護管作為穩定護壁結構，然后采用液壓頂進系統提供動力，以特制螺旋合金鉆頭作為掘進裝置，邊掘進邊出土直至設計位置，最后在鋼護管內澆筑非凍脹的混凝土或砂漿，從而達到根除路基凍害的目的。

微型盾構靶向置換整治技術主要特點為：①根據勘察取樣結果確定置換層位與厚度，針對性強，有效性高。②以非凍脹填料置換路基不良填料，可達到根除凍害目的。③采用微型盾構掘進出土技術，能夠保證施工過程路基的穩定性。④采用基于變形實時監測的信息化動態施工技術，可保障線路的平順性。

2 凍害工點情況

秦沈客運專線是我國第一條客運專線，設計時速為250 km，自開通以來常年出現季節性凍害問題，每年發現的凍害均在300處以上。以2017—2018年冬季為例，全線共發生凍害368處，其中292處位于涵洞頂部。選取沈陽鐵路局管轄范圍內17處典型凍害位置進行整治，共計長285 m，見表1。

表1 秦沈客運專線涵洞頂凍害整治工點情況

3 整治方案與步驟

3.1 整治方案

針對秦沈客運專線凍害產生部位、凍害范圍及發展特性，制定了“強置換+強排水”凍害綜合整治方案。在凍害位置涵洞頂凍害層位通過微型盾構掘進技術設置一排或多排置換孔，孔徑不小于主要凍結層厚度，將不良填料置換成非凍脹的混凝土或砂漿，實現靶向精準置換。同時，在緊貼涵洞頂面、置換孔之間設置密集的排水孔，使涵洞頂具備較強的排水能力，使涵洞頂填料始終保持干燥狀態。通過“強置換+強排水”的綜合整治方案，可達到根治凍害的目的，整治方案見圖1。

圖1 微型盾構靶向換填方案

3.2 施工步驟

圖2為秦沈客運專線凍害整治施工步驟。

圖2 秦沈客運專線凍害整治施工步驟

1)勘察取樣

整治實施前針對凍害位置進行勘察取樣，開展相關的土工試驗，以確定填料級配特性、含水率情況及其凍脹特性。根據試驗結果，結合該工點凍脹量、凍脹范圍等信息確定凍害位置填料置換層位、厚度及范圍。

2)場地清理

根據凍害處理范圍設置金屬隔離網，安裝長度為治理范圍往兩側各延伸3 m，并與現有隔離網連接，形成封閉的施工區域。清除凍害位置周邊灌木、雜草、浮土等雜物。對地下電纜等軌旁設備進行確認、標記和保護，如影響施工則按相關規定進行遷移固定。

挖掘清除道砟外側基床填料，清除厚度根據凍害處理層位及厚度而定，從而為微型盾構作業機械提供足夠作業空間(如圖3所示)。

圖3 鉆孔施工垂直面清理示意

3)測量放線

測量放線應足夠精確，一方面確保置換孔之間的殘留填料盡量少，另一方面要確保有足夠的置換孔作業空間，不能干擾交叉。應嚴格按照設計圖紙要求，結合置換孔孔徑和機械高度對孔位進行精確放樣，同時測量出施工平臺標高。

4)搭建平臺

施工作業平臺為機械與人員提供平穩的作業空間，并為盾構機的掘進提供足夠反力，保障了施工作業的穩步推進，其設計與搭建至關重要。施工平臺寬度為4 m，其長度和高度由處理范圍和現場涵洞施工條件確定。路堤地段施工平臺采用厚3 mm外徑48 mm鋼管搭設，橫跨、縱跨、步距均為1 m；涵洞位置則采用H型鋼進行搭設。平臺上部滿鋪木腳手板。施工平臺通過邊坡錨桿抗拉、鋼管斜撐、型鋼深插、與涵洞墻身錨固聯接等方式，為微型盾構掘進提供足夠反力。

5)機械就位

采用中國鐵道科學研究院集團有限公司TKHT500微型盾構機進行路基填料置換和套管頂進。該設備主體由調速電機、減速器、液壓油缸、導軌和機架組成。套管為鋼管，其直徑根據具體凍害工點的整治方案而定。套管每節1 m，采用公母絲扣連接，確保套管連接平直。鋼管外壁采用防腐潤滑油脂處理，以減少掘進摩擦力。

工作平臺安裝完成后，將微型盾構機放置在平臺上，將鉆頭鉆桿連接到鉆機，同時將套管套在鉆桿上。校正鉆機和套管的軸線、高程、坡度，鉆進前將鉆機固定在施工作業平臺上。

6)出土作業

采用特制螺旋合金鉆頭作為掘進出土的關鍵設備，其鉆頭直徑具有自適應調整能力。未進行作業時，鉆頭直徑略小于套管直徑，以方便鉆頭與鉆桿輸送與撤出；當開展前端作業時，鉆頭直徑會自動變大，變得略大于鋼管外徑，以降低套管推進摩擦力。鉆桿螺旋葉片起排除土渣作用，螺旋葉片直徑略小于鋪設鋼管內徑。

微型盾構掘進時根據土質情況調整掘進速度，不宜過快。同時注意觀察鉆進阻力變化，以免土質不均或遇到較大石塊時發生偏移。掘進過程中套管要同時跟進，以防止塌孔引起路基沉降。

每完成一節套管鉆進，盾構退后足夠距離，并將鉆桿拆下，安裝下一節鉆桿和套管，盾構繼續推進。掘進至設計深度后，將鉆桿和鉆頭依次從套管中抽出，套管留在路基中作為永久防護措施。

移動鉆機至下一孔位，重復上述步驟，直至完成全部處理范圍。相鄰置換孔套管管壁盡量緊貼，管口高程與設計高程誤差不應超過10 mm。

7)支模回填

清掃管口外部渣土，在距管口300 mm處支模。模板應牢靠穩固，縫隙處用發泡膠密封。選用C30自密實混凝土和速凝砂漿分層回填。澆筑時將混凝土泵車的泵管伸入到鋼管底部，從內往外進行澆筑。澆筑過程中不斷振搗，以確保混凝土和砂漿填滿鋼套管。

8)設排水管

采用潛孔鉆機在相鄰套管下方鉆排水孔，孔徑為90 mm，鉆孔深度和鋼套管相同。成孔后放入HDPE(High Density Polyethylene，高密度聚乙烯)排水管，排水坡度不小于0.5%。排水管上半部鉆10 mm小孔，梅花狀布置，排水管外壁包裹一層透水土工布。

9)場地恢復

施工作業完成后，進行場地清理，恢復原狀。

4 施工監控

秦沈客運專線是我國鐵路網干線，是進出關的“咽喉要道”，其行車密度非常大。雖然本次凍害整治采用的是單側天窗作業，但整個整治過程中另一側并未限行。施工過程路基穩定狀態的實時監測至關重要。因此，本項目采用了陣列式沉降自動監測系統對路基沉降進行了監測，有效指導了施工過程，確保了秦沈客運專線的行車安全。

圖4 陣列位移傳感系統現場安裝情況

陣列式沉降自動監測系統精度為1.5 mm/30 m，采集頻率為1次/10 min，能夠滿足施工過程變形精度與實時性控制要求。沿線路方向每隔0.50 m(即每個軌枕位置)設置1個監測點，對整個處理區段進行了全覆蓋監測，見圖4。結合工務部門要求，沉降5 mm為報警值，當超過報警值時立即通知相關單位，采取相應軌道維護措施。

由施工過程典型沉降情況可知，施工過程中沉降未超過4 mm，說明該技術對路基穩定性的影響是完全可控的。

5 整治效果

整治工程從2018年5月開始，至11月底全部完成。整治結束后立即對凍害整治位置進行了凍脹量觀測，表2為凍害整治位置2018—2019年冬季最大凍脹量統計情況。可知，17處工點除K644+825—K644+840區段外，其他16處凍脹量均未超過5 mm，凍害治愈率達到94%，充分說明了該技術的有效性。

表2 秦沈客運專線凍害整治位置最大凍脹量統計

注：10 m弦測量凍脹量超過5 mm即為凍害。

6 結語

1)微型盾構靶向置換整治技術針對性強、安全可靠，以非凍脹填料置換路基不良填料，是治標治本的凍害整治技術。

2)施工過程采用變形實時監控技術進行信息化動態施工，能夠保障線路平順性與路基穩定性。

3)秦沈客運專線凍害整治效果說明，凍害治愈率達到94%，基本根除凍害，充分說明了該技術的有效性，可進一步推廣應用。