川中紅層泥巖高速鐵路基上拱病害處理設計

司文明 龐永海

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031;2.成都衡泰工程管理有限責任公司， 成都 610094)

紅層是一種外觀以紅色為主色調的陸相碎屑巖沉積地層，在我國西南地區分布較為廣泛。其中四川盆地及其周邊山地分布的紅層泥巖俗稱“川中紅層”，是一種典型的軟質泥巖，具有強度低、易風化剝落、易軟化、遇水膨脹崩解、失水收縮開裂等工程特性，工程性質差，普遍存在一定的膨脹性和顯著的流變性。近年來，隨著高速鐵路建設的迅猛發展，川中紅層泥巖高鐵路基上拱變形病害問題逐漸突顯[1-3]。

上拱病害的發生與紅層泥巖的工程特性密不可分。王沖[4]等認為遇水后“無膨脹性”的低黏土礦物含量泥巖是引發路基上拱病害的原因。吳沛沛[5]通過數值分析發現紅層泥巖的流變性是致使路基出現隨時間增長而持續上拱變形的主要原因。敬洪武[6]通過對紅層泥巖水理特性的研究分析，認為紅層泥巖遇水膨脹是導致無砟軌道路基持續上拱的內在機制。楊吉新[7]等認為紅層泥巖的蠕變及卸荷回彈綜合造成了路基上拱。鐘志彬[8]等研究發現紅層泥巖的流變性和膨脹性是引起川中地區多處高速鐵路路基長期持續性上拱變形的重要因素。

綿瀘高速鐵路內江至自貢至瀘州段、榮昆高速鐵路自貢至宜賓段均位于川中紅層廣泛分布的區域，路基長度所占比重較大，解決路基上拱的問題較為突出。本文以兩線路基設計為依托，為避免出現路基上拱病害，創新勘察設計手段，優化設計理念，在充分吸取既有研究成果的基礎上，綜合分析研判區域性工程水文地質情況，從工程建設的源頭采取針對性措施，為后續的安全施工和運營提供堅強的技術保障。

1 工程地質概況

內江至自貢至瀘州段、自貢至宜賓段鐵路以低山丘陵地貌單元為主，海拔200～500 m，地形起伏較小。區段內出露地層為中生界白堊系、侏羅系、三疊系地層。其中尤以侏羅系中統上沙溪廟組、下統珍珠沖組為主，占全線總長度的70%左右。巖性以泥巖為主，局部夾砂巖，屬典型的川中紅層，泥巖為紫紅色、紅褐色，泥質結構，鈣-泥質膠結，巖質較軟，易風化剝落，遇水軟化崩解、失水收縮開裂。區內屬長江水系，地表水較發育；地下水主要有第四系松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水等，溝槽中水位埋深較淺。

路塹開挖揭示挖方段上覆土層較薄，下伏為典型的紅層泥巖，開挖后風化較快，局部易出現掉塊現象，不過整體穩定性較好。室內試驗結果顯示，區段內紅層泥巖普遍具有一定的膨脹性，自由膨脹率和膨脹力指標普遍較低，多數段落尚未達到規范規定的膨脹巖標準，部分段落達到弱膨脹巖標準。

2 研究思路

首先，搜集分析川中紅巖地區既有高速鐵路路基上拱的工程案例和相關文獻資料，搞清楚專業研究人員對路基上拱問題的認知，弄明白此問題的原因分析和原因分類，總結歸納影響高速鐵路路基發生上拱變形的關鍵因素。其次，充分了解研究工程的工程特點、設計條件、工程地質參數、水文資料、其他各類氣象條件等。再次，綜合現階段的相關規范要求、勘察技術水平、設計理念、施工控制、檢測手段等各方面因素，吸取經驗，總結教訓，理清分析思路，采取優化完善設計的針對性方案措施。

影響高速鐵路路基上拱的因素可歸納為環境因素和人為因素兩大類。環境因素包含地質條件、水的影響、溫度條件及其他氣象條件等；人為因素主要是指規范要求、勘察技術水平、設計理念、施工過程控制、檢測手段等。結合目前對紅層泥巖上拱問題的認知水平，對所有影響因素逐條確認,找出主要原因有以下幾點：

(1)地質條件

紅層泥巖特殊的地質條件是導致路基上拱的內在原因。基于此，需進一步查明區間不同段落紅層泥巖物理力學指標的細微差別，特別是不同段落泥巖的膨脹性指標。針對不同的膨脹性指標，采取針對性的設計方案、工程措施，對現場施工提出合理的設計和施工要求。

(2)水的影響

調查清楚原始地表水的下滲影響、地下水的分布與徑流區域。施工過程中因局部地形地貌的重大改變，改變了原處于封閉狀態的弱風化紅層泥巖的賦存環境條件時，需合理推測地表水新的下滲范圍及地下水的重新分布與徑流區域，采取針對性的防排水設計措施。

(3)勘察技術水平

受技術、設備條件的制約，地質勘察不夠詳盡。對紅層泥巖的勘察水平有待進一步提高，尤其是對其膨脹性和流變性的進一步勘察判別。

(4)設計理念

進一步提高設計理念，采取動態化設計，采取專門的方案和措施。

3 勘察設計處理方案

3.1 針對性設計措施

合理、有效、準確地判別區域內紅層泥巖的膨脹性，根據類型采用針對性的設計措施。

依據專項膨脹性試驗結果，段內紅層泥巖可分為具有一定膨脹性的非膨脹巖、弱膨脹巖和中～強膨脹巖。

(1)對于具有一定膨脹性的非膨脹巖挖方路基段落，采取路堤式路塹的形式，基床底層挖除1.5 m厚度的紅層泥巖，換填合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為0.6 m。相較于非紅層泥巖，段路基床底層挖除換填深度提高了2倍[9]。

(2)對于弱膨脹巖挖方路基段落，也采取路堤式路塹的形式，基床底層2.3 m厚度內的紅層泥巖應全部挖除，換填成合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為3.0 m，使整個基床表層和基床底層全部外露。

(3)對于中～強膨脹巖挖方路基段落，同樣采取路堤式路塹的形式，基床底層2.3 m厚度內的紅層泥巖全部挖除換填成合格的A、B組填料，路堤式路塹的高度為3.0 m，使整個基床表層和基床底層全部外露。在此基礎上，基床以下增設樁板結構，進一步消除紅層泥巖膨脹性的不利影響。

3.2 有效消除基床結構內水的影響

廣泛收集和分析沿線歷年水文資料，在掌握準確水文情況的基礎上，采取針對性的設計思路，盡可能消除水對紅層泥巖挖方段落內路基基床結構本身的影響，嚴格控制地表水下滲，合理降低基床結構內地下水的水位。

(1)紅層泥巖全線路基挖方段落均采用路堤式路塹的形式，在路堤式路塹兩側設置側溝。使基床表層和基床底層全部外露，基床底層的水自然順流流入側溝，側溝底部再設置縱向排水盲溝，達到完全排出基床范圍內的殘留水及進一步降低地下水水位的效果。

(2)路基基床表層排水系統應確保雨水自然流入旁側的溝槽中，排出基床外，同時基床表層頂部采用0.1 m厚的C25細石纖維混凝土封閉，進一步阻止雨水下滲。

(3)路基基床底層換填底面鋪設一層0.1 m厚的中粗砂加一層復合防排水板，防排水板能有效阻擋基床以下水的毛細上升作用，也能有組織地排出基床范圍內的水，起到較好的隔離和排水作用。

3.3 提高紅層泥巖的勘察設計水平

針對紅層泥巖的特殊性，在勘察設計階段，應采用先進的、多種多樣的勘察手段，詳細準確分析紅層泥巖的各類物理力學指標、調查出地下水的發育情況及徑流路徑，采用準確合理的試驗手段，準確判別紅層泥巖的膨脹類別和膨脹等級，為針對性的設計措施提供堅實充分的設計依據。

3.4 采取精細化動態設計理念

在高速鐵路紅層泥巖路基設計過程中，為加強對無砟軌道路基上拱問題的防范，需采用精細化、動態的設計理念，根據物理力學指標，進行詳細的專題設計。并在施工現場嚴格把控設計方案的落實。在現場施工開挖后再次開展地質核查和進一步的試驗測試工作，驗證物理力學參數和膨脹性指標；進一步核查地下水的分布和徑流情況，確保截排水措施的施作質量。

紅層泥巖挖方路基段落設置路基變形自動監測系統，實時判別路基段落變形情況，根據自動變形監測數據評估后期膨脹變形及應采取的工程措施。

4 結束語

本文通過對高速鐵路紅層泥巖路基的設計探討，明確了設計過程中需要重點控制的4個重要因素。在高速鐵路紅層泥巖路基設計過程中，應采用多樣性的勘察及試驗手段，詳細查明紅層泥巖的物理力學參數，高度重視膨脹巖的判別，查明地下水的分布和徑流情況，在路基基床范圍內采取針對性的措施，挖除既有紅層泥巖換填合格的級配砂石填料，嚴格控制水的影響，運用動態化設計理念，加強設計與現場施工過程中的正向反饋。采用針對性的處理方式，既能有效地降低工程投資，又能系統防控路基上拱病害的產生，能更好地確保高速鐵路的安全運營。