高速鐵路路基上拱機理與治理措施研究

王越 杜林 龔懷明 雷占山 李耀宗

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-4295

摘? 要：該文依托于西北地區某高速鐵路路基上拱試驗段，通過現場和室內微觀試驗，著重分析了上拱路段工程地質特點以及膨脹性指標、易溶鹽含量和礦物成分，得出了該高速路基上拱是由于硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成鈣礬石以及硅灰石膏等膨脹性物質導致路基上拱變形的結論，提出了一些防治措施，并通過現場監測評估了該高速鐵路路基樁板結構的整治效果。

關鍵詞：高速鐵路? ?路基上拱? ?硫酸鹽侵蝕? ?治理措施? ?樁板結構

中圖分類號：U238? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（a）-0059-05

Study on Mechanism and Treatment Measures of Subgrade Arching of High-speed Railway

WANG Yue1? ?DU Lin1? ?GONG Huaiming1? ?LEI Zhanshan1? ?LI Yaozong2

（1.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810007 China; 2.School of Civil Engineering， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province， 050043? China）

Abstract： Based on a high-speed railway subgrade arch test section in Northwest China， through field and indoor micro tests， this paper focuses on the engineering geological characteristics， expansibility index， soluble salt content and mineral composition of the arch section. It is concluded that the camber of the high-speed subgrade is caused by the expansive substances such as ettringite and wollastonite produced by sulfate eroding the cement improved soil， and some prevention measures are put forward; Through field monitoring， the regulation effect of the pile slab structure of the high-speed railway foundation is evaluated.

Key Words： High speed railway; Subgrade arching; Sulfate attack; Governance measures; Pile slab structure

中國鐵路近年來發展迅猛，目前已建成高效的鐵路網。預計到2030年，我國高速鐵路運營里程將會達到4.5萬km[1]。以西北地區為研究對象，通過可達性潛力模型和網格化模型分析，發現鐵路建設將會更好地帶動西北地區交通網絡的協調發展，縮小區域之間的差異，為西北地區的經濟繁榮發展提供強有力的交通基礎設施保障[2]。

高速鐵路運行速度高，對線路平順性要求高，所以其路基變形要求更為嚴格。路基上拱一直是困擾交通工程建設的問題，從2015年起到2018年該高速鐵路多個路基段持續發生軌道高程上拱現象，且這些發生上拱現象的路基段膨脹變形仍在發展，其中最為嚴重段道岔上拱量已超過100 mm，嚴重地影響列車的正常運營。

目前很多學者對高速鐵路路基上拱變形原因進行了大量研究。路基上拱可能是由于路基中含有膨脹土，而膨脹土中的膨脹性物質遇水會引起體積的劇烈膨脹[3-4]。有學者指出在溫濕度、鹽分合適條件下，水泥改良土填料與硫酸鹽發生反應生成鈣礬石、硅灰石膏等膨脹性晶體，也會引起路基膨脹[5]。例如美國得克薩斯州82號公路東側路基發生的石灰土與硫酸鹽礦物質反應誘發路基膨脹、馬德里和巴塞羅那之間的某條高速鐵路發生的硫酸鹽侵蝕水泥改良土誘發路基膨脹，通過微觀物質分析二者生成物主要成分為鈣礬石、石膏等膨脹性物質[6-7]。堯俊凱等人發現水泥改良土段路基上拱變形主要原因是硫酸鹽侵蝕路基水泥改良土，并且封閉體系下鈣礬石的生成反而會使體積變小，只有當外界水和硫酸鹽參與反應生成鈣礬石時，才會引起體積的劇烈膨脹[8-10]。

1? 病害機理分析

為了探究該高速鐵路路基上拱的具體原因，通過對路基上拱段較為明顯工段，進行了工程地質勘察、路基填料取樣進行膨脹性指標分析、易溶鹽含量測試和x射線衍射儀礦物質分析等手段，來探究該高速鐵路路基上拱的具體原因。

1.1 上拱路段工程地質

該試驗段地質位于：湟水河一級、二級階地，地形地勢較為平緩開闊;工點范圍內主要分布地層為第四系全新統沖積砂質黃黏土：棕黃色、淺棕紅色、淺黃色，厚2～20 m，具有I～Ⅱ級非自重濕陷，且該段范圍內不良地質不發育;其下為粗、細圓礫土、卵石土，局部夾透砂土、粉質黏土、粉土;下伏第三系泥巖夾砂巖，具有膨脹性;在鐵路、道路路基及坡腳一帶表層為填筑土、素填土;該上拱工點的地下水埋深6.8～8.5 m，地下水位變化幅度大，土壤最大季節性凍結深度為105 cm。

1.2 上拱路段各項指標分析

1.2.1 膨脹性指標

由分析可知，該工點蒙脫石含量為7%～14%、自由膨脹率為40%～90%、陽離子交換量為170～260mmol/kg，得出該斷面的填料和地基土均達不到膨脹土的標準。

1.2.2 易溶鹽含量

該斷面易溶鹽偏高，除基床表層以外其他土樣，易溶鹽總量為0.8%～1.3%，硫酸根離子高0.4%～0.9%。根據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》（TB 10038-2012）中對于鹽漬土的判定標準（易溶鹽總量大于0.3%），得出該斷面路基填料和地基土達到鹽漬土標準。

1.3 高速鐵路路基上拱原因分析

通過對該上拱斷面的檢測可知水泥改良土和水泥墊層位置處含有大量石膏粉末，由于硅灰石膏具有膨脹性，所以其是造成路基上拱變形的主要物質。因此，該工點路基的上拱變形，只要是由于硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成硅灰石膏、鈣礬石等膨脹性物質引起的。

2? 病害治理措施

通過第二節分析可知該高速鐵路路基上拱的主要原因為硫酸鹽侵蝕水泥改良土引起的。封閉體系下鈣礬石的生成反而會使體積變小，只有當外界水和硫酸鹽參與反應生成鈣礬石時，才會引起體積的劇烈膨脹，所以尋找合理的外界水分、鹽分的阻斷措施便勢在必行。

2.1 水鹽運移的防治措施

目前關于水鹽運移防治措施主要有提高路基高度、鋪設隔斷層、改進路基結構形式、防排水措施等。

（1）提高路基高度：路基高度的提高有利于增加毛細水上升時的重力勢，進而減少毛細水對路基的影響作用，該措施主要針對于新建鐵路。

（2）鋪設隔斷層：雖然路基高度的增加能夠減少毛細水對路基的影響作用，但是同樣也會使路基施工的成本增加，并且如果路基高度過高會對行車安全造成一定的影響。當路基高度受限時，需要在路基內部設置隔斷層來降低毛細作用，減少路基內部水分和鹽分的運移。

（3）改進路基結構形式：樁板結構路基是高速鐵路無砟軌道的一種新型路基結構形式，它由上部鋼筋混凝土承載板、鋼筋混凝土樁基和路基本體構成。下部樁對土的擠密作用，可以使地基與路基土的密實度增加，進而減少地基內部水分攜帶鹽分的向上運移。

（4）防排水措施：目前主要有加強路基邊坡防護，截、排地表水，降低地下水。

2.2 該高速鐵路具體治理措施

目前高速鐵路針對路基上拱點的整治措施多為樁板結構。為了檢測路基樁板結構整治效果，該文以樁板結構治理后的上拱試驗段進行變形實時監測。采用TZT-D1型振弦式多點位移計測量結構物體內部的深層部位的位移、沉降。TZT-D1型振弦式多點位移分別布設在路基左右兩側1 m、3 m、5 m、7 m處。

對整修后的K1808+060試驗段左右兩側1 m、3 m、5 m、7 m處進行了長達10個月路基變形監測。路基兩側測點變形位移如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可知，路基左右兩側變形整體表現為先增大后減少趨勢。各測點在鋪設初期略有上拱現象，并且右側比左側上拱變形稍大，左側路基測點最大變形量約為0.5 mm;右側測點最大變形量約為1 mm。進入冬季尤其12月份以后，路基開始劇烈上拱，2月中旬變形最大，右側高達6.5 mm，左側約為1.95 mm。入春后天氣變暖，凍脹變形開始減少，2月中下旬至3月初變形迅速減少，3月至7月初變形緩慢減小至入冬初期的路基變形。目前路基變形均小于2 mm，在路基變形可控范圍內。整體上看變形呈現先增大后減少現象，而硫酸鹽入侵水泥土一旦形成了鈣礬石等膨脹性晶體后，膨脹變形會持續增大，故整治后的變形不是硫酸鹽入侵水泥發生的侵蝕膨脹，說明該高速鐵路上拱試驗段樁板治理效果目前看來是有一定治理效果的。

3? 結論

（1）通過上拱段工程地質的調研，分析膨脹性指標、易溶鹽含量和礦物質成分，得出西北某高速鐵路路基上拱變形機理是硫酸鹽侵蝕水泥改良土生成鈣礬石、硅灰石膏等膨脹性物質引起的。

（2）目前關于水鹽運移防治措施主要有提高路基高度、鋪設隔斷層、改進路基結構形式、防排水措施。

（3）該高速鐵路路基樁板結構的整治措施對于治理硫酸鹽入侵水泥改良土引起路基上拱變形有積極作用。

參考文獻

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