無砟軌道路基上拱偏移整治措施

雒慶林

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

隨著高速鐵路在季節性凍土地區的修建，無砟軌道路基受到了較為復雜環境的影響。我國部分無砟軌道鐵路在建設及運營期間陸續出現了持續的路基上拱病害，一些上拱點采取限速運行甚至拆除重建等治理措施，嚴重影響了線路的正常運營。水泥穩定碎石集料被廣泛用作我國高速鐵路的基床填料，部分工點還在地基頂面鋪設水泥卵礫石墊層用于提高路基的整體穩定性。

土壤中的硫酸鹽在合適的條件下，可以與硅酸鹽水泥中的水化鋁酸鈣等水化產物發生反應形成鈣礬石［1-6］。鈣礬石的形成會吸收大量的水分，使得土體體積發生約2倍的膨脹，該反應緩慢且歷時漫長，這對鐵路路基來說是一個十分嚴峻的問題。集料內部鈣礬石的形成是一個長期的過程，文獻［7-8］對水泥穩定碎石集料單獨膨脹過程及鈣礬石進行研究發現，由鈣礬石引起的膨脹持續性較強，會經歷快速增加、緩慢增加及平穩變化3個階段。

我國西北地區一高速鐵路于2015年10月發現軌道結構明顯上拱變形，錯臺引發裂縫，見圖1。對該高速鐵路一工點多期監測發現最大上拱量為33.2 mm，上下行軌道之間存在明顯的偏移，最大為21.3 mm。且隨著季節的變化，上拱變形持續增加，并無明顯的回落。根據現場調查，大部分膨脹段位于路橋過渡帶，路基采用水泥級配碎石。

圖1 一高速鐵路路基上拱引起的病害

本文介紹該高速鐵路無砟軌道路基上拱變形以及路基涵洞過渡段的膨脹情況，并進行了現場調查、變形監測和室內試驗，尋找產生膨脹的原因，提出解決方案。

1 工程概況

本工程位于季節凍土區，上覆地層為上更新統洪積細角礫土，厚0.5～2.0 m，其下為第三系礫巖夾砂巖，厚0～3 m，下伏奧陶系—志留系片麻巖，風化層厚0.5～2.0 m。勘探深度未揭示地下水，表層細角礫土含有石膏土。

該工點位于路基涵洞過渡段，路基高度約7 m，涵洞長度為2 m，路基涵洞過渡段設計如圖2所示。采用剛度較大的倒梯形過渡楔，以保證采用硅酸鹽水泥處理的壓實級配填料與剛性涵洞結構平穩過渡，梯形頂部和底部長度分別為20，5 m。天然地基主要由碎石、礫石和片麻巖組成，施工階段采用強夯處理。基床表層采用級配碎石填筑，底層采用A，B組填料，基床以下采用B組填料。路基與涵洞過渡段基床表層級配碎石摻5%水泥，基床表層以下級配碎石摻3%水泥。

圖2 路基涵洞過渡段設計（單位：m）

2015年10月監測到該區段路基上拱，最大上拱量22 mm，2016年4月10日，現場絕對測量顯示上行線距工點191～276 m段，向外側偏移，最大偏移量17 mm；同時下行線距工點195～267 m段向外側偏移，最大偏移量18 mm。現場調研發現涵洞排水通暢，涵洞內及相鄰路基坡腳無明顯積水痕跡。兩側混凝土路肩與路肩封閉層結合部出現縱向裂縫、向外移位40～50 mm，錯位約20 mm；路肩封閉層與支撐層、線間封閉層與道床板間接縫間隙增大。護道及坡面漿砌片石護坡完整，無開裂、變形現象。路肩混凝土封閉層局部有開裂臌脹破損。

2 上拱變形現場監測

圖3為2017年4月至2018年4月間某工點縱向連續變形及不同深度溫度的變化情況。該工點最高地溫出現在7月，約32℃，最低地溫出現在1月，約-24℃。監測數據顯示每個上拱段中不同監測斷面的上拱部位均不同，但都發生在路基本體填料和墊層部位。

圖3 一工點縱向連續變形隨地溫的變化

由圖3可知，縱向連續變形與基床表層的溫度變化呈現較高的相關性。基本上可以分為3個階段：第1階段整體溫度處于上升階段，為2017年4月至2017年8月，從5℃左右升溫至32℃左右，隨著基床表層溫度的升高，整體上支承層表面的變形逐漸減小；第2階段整體溫度處于下降階段，為2017年8月至2018年1月，從30℃左右升溫至-24℃左右，各斷面的變形都出現顯著增加；第3階段整體溫度處于回升階段，為2018年1月至2018年4月，從-20℃升至10℃左右，支承層頂面的整體變形再次出現回落，且回落后仍存在殘余上拱量。雖然負溫條件下的膨脹和正溫條件下的沉降的變形特點與凍脹變形類似，但是正溫條件下的膨脹不符合凍脹變形規律，升溫過程中的膨脹也不符合鹽脹的變形特點，因此可以說明凍脹和鹽脹不是此上拱工點持續變形的的主要原因。

3 室內試驗

3.1 試驗內容

根據TB 10103—2008《鐵路工程巖土化學分析規程》和TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》，對現場取樣進行膨脹性指標測試。

1）膨脹性指標測試

對自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量等膨脹性指標進行測試。根據TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規程》規定，土質符合表1所列任意兩項以上指標時，即判定為該等級。

表1 膨脹潛勢分類標準

2）離子測試

3）微觀測試

通過電鏡掃描（SEM）對現場填料的礦物形貌進行定性分析。采用XRD對樣品的礦物成分進行定性和半定量分析。

3.2 室內試驗結果分析

3.2.1 膨脹性分析

在該工點左、右側封閉層下填料中取樣，基床表層、基床底層各取1組試樣，基床以下每1.5 m取1組試樣，基底取1組試樣。工點土樣膨脹性指標測試結果見表2。

表2 工點土樣膨脹性指標測試結果

結合表1、表2可知，該工點的路基填料及地基土的膨脹性低于弱膨脹性指標相應標準，特別是蒙脫石含量較低，可以判斷膨脹性礦物吸水膨脹不是路基持續性上拱變形的主要原因。

3.2.2 易溶鹽含量分析

通過化學滴定方法對路基填料及地基土的易溶鹽總量及部分易溶鹽含量進行測定，結果見圖4。

圖4 工點易溶鹽含量分布

由圖4可知，各易溶鹽成分沿深度方向的分布規律與易溶鹽總量基本一致，主要分布在基床表層及地基頂面，并隨著深度增加而衰減。其中SO42-遠高于其他易溶鹽，其次為Ca2+，可見水泥級配碎石受SO42-侵蝕是重要原因。

3.2.3 微觀分析

為了進一步確定硫酸鹽侵蝕的可能性，采用電鏡掃描及XRD進行分析，結果見圖5、表3。

圖5 工點基床表層土樣SEM照片

由圖5、表3可知，土樣含有大量針尖狀的鈣礬石晶體，證明了鈣礬石和水化硫鋁酸鈣的存在，這也進一步論證了硫酸鹽侵蝕水泥改良填料膨脹過程的存在，這也是導致路基上拱的主要原因。

表3 土樣XRD分析測試結果 %

4 整治措施

4.1 應力釋放槽

在該段路基面中心處設1道應力釋放槽，以釋放路基內部應力，如圖6所示。

圖6 應力釋放槽示意（單位：m）

利用導向架對鉆機進行精確定位并排跟管和鉆孔，孔徑150 mm，成孔后人工修整成槽。槽寬0.15 m，深2.0 m（含線間填充層），槽內填充聚氨酯泡沫材料。

4.2 混凝土限位墩

在左、右線支承層外側路肩間隔4 m設1對C30鋼筋混凝土限位墩。限位墩尺寸為2.0 m（長）×1.0 m（寬）×0.4 m（高），距離支承層0.4 m。每個限位墩設4排錨桿，靠近路肩側3排每排設10個傾斜錨桿，靠近支撐層側1排間隔設4個傾斜錨桿和8個垂直錨桿。垂直錨桿長2.5 m，傾斜錨桿長3.0 m，采用干鉆成孔，孔徑50 mm，鉆孔深度低于錨桿底部0.5 m，灌漿后插入錨桿，如圖7所示。在每個限位墩中心兩側0.75 m處設置可調節機械支撐，撐于支承層外側的鋼墊板上。選擇1個斷面埋設水平變形自動監測系統，埋設深度為路基頂面下8 m。采用高性能密封膠對偏移段及前后道床板伸縮縫、線間封閉層、路肩封閉層的裂縫進行封閉。

在該段鐵路布設11個側斷面，每個斷面6個觀測樁，分布于左右腳墻、路肩及道床板。現已使用8個月，觀測了5次數據。對比5次數據發現，累計最大沉降為-0.88 mm（距該工點240 m處右側腳墻），最大上拱為3.00 mm（距該工點240 m處右側道床板），治理效果較好。在距該工點190～280 m段上、下行道床板中間布置6個觀測點，每20 m一個，通過拉懸線的方法觀測中間4個點與起始布置點是否有偏移，通過鋼尺測量每個斷面上2個點之間的相對距離來判定上、下行道床板之間是否有位移。觀測后發現：累計位移最大值為4 mm，位移最大值位置與上拱最大值位置基本吻合。

圖7 限位墩斷面布置示意

5 結論

1）通過對易溶鹽含量、礦物成分分析以及電鏡掃描觀測，發現硫酸鹽侵蝕水泥改良填料形成鈣礬石是引起上拱的主要原因。

2）硫酸鹽侵蝕水泥改良填料生成鈣礬石礦物是導致的路基上拱的一種重要原因，其變形持續時間較長，并且受溫度影響較大。1年周期內的上拱變形可分為3個階段：隨地溫升高而略有下降，隨地溫降低而顯著增加，隨地溫升高而明顯減小。

3）采用應力釋放槽和混凝土限位墩的措施可以有效減小路基上拱引起的軌道偏移，整治后的現場監測資料顯示，目前軌道結構上拱和偏移均顯著減小。