鐵路路基下方泉眼處治方案與案例

李奕達，馮力馳，孫 曉，鐘亞偉，李隆云

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引言

國內鐵路多以路基形式設計,路基病害多發生于地表水浸泡和地下水侵蝕[1],在多雨富水區域,特別是西南山區,車站路基下方偶有出水泉眼,正確處治出水泉眼對保證路基安全穩定性具有重要作用。

1 常見處治方案存在的問題

根據現有文獻資料,泉眼處治方案主要應用于高速公路或國省道路路基下方,公路路基泉眼處治主要采用路基邊坡坡腳處開挖降水溝,換填粗顆粒填料增加路基下部排水性能,路基下方設置盲溝等方案,這些處治方案在公路建設領域具有一定的指導性和操作性。

但由于高速公路和國省道路設計年限最高為20 a～30 a,路基工后沉降要求一般路段小于30 cm;而鐵路設計年限為100 a,路基工后沉降要求客貨共線鐵路一般小于15 cm,無砟高速鐵路小于1.5 cm,上述公路建設泉眼處治方案應用在鐵路建設領域則存在一定的不足和缺陷。其一,路基坡腳開挖降水溝無法保證地下水能完全匯入降水溝內,當地下水位較深,該方案實際效果不明顯,泉眼位置仍有泉水外溢[2];其二,換填粗顆粒土石可以一定程度增強路基基底排水性能,但是泉水會以散排的形式緩慢排水,路基基底長期處于浸泡狀態將造成換填粗顆粒石料軟化和天然地基基本承載力降低[3];其三,盲溝作為常見的輔助排水措施,可以解決少量的地下水引排問題,但若將盲溝作為主要排水措施,一旦盲溝反濾層破損,淤泥石子堵塞軟管孔洞,盲溝排水效用將明顯降低或失效,存在較大的失效風險[4-5]。綜上分析,鑒于鐵路工后沉降和設計年限要求遠高于公路,需要采用一種新的泉眼處治方案,將泉水集中、快速、安全地引排出路基。

2 鐵路路基泉眼處治方案比選

2.1 涵洞引排泉眼方案(方案1)

鐵路排洪涵洞常用于將路基一側匯集地表水引排至另一側,考慮施工和檢修維護的便捷性,一般鐵路排洪涵洞寬度尺寸不小于2 m,高度尺寸不小于2.5 m,現階段各鐵路設計單位均形成標準參考圖并用于工程設計中。本方案以2 m寬標準涵洞圖為設計基礎,將涵洞起點設置在泉眼集中出水處,在涵洞底板處開口引排泉水,開口尺寸為1.5 m×2.0 m,開口內可換填粗砂石;同時在涵洞起點端采用0.7 m厚鋼筋混凝土板封堵,防止路基填料侵入涵洞內,如圖1所示。

2.2 集水井及圓管涵組合方案(方案2)

方案2采用集水井和圓管涵組合形式引排泉水。

首先,在泉眼處設置1處集水井,該集水井由3個L型懸臂式擋土墻組成,呈井字形布置,頂部采用鋼筋混凝土板上蓋,L型懸臂式擋土墻之間并與上蓋頂板之間拼接處采用預留φ12鋼筋接頭連接,一并澆筑而成,集水井內采用粗砂石換填,避免大量泥漿翻帽,減少后期清掏,結構示意圖如圖2所示。

其次,在集水井缺口一側處設置圓管涵1座,圓管涵內徑尺寸與路基填筑高度相匹配,為方便運營期人員進入檢修維護,建議不小于1.5 m內徑尺寸。圓管涵進口處與集水井采用包管植筋處理并設置伸縮縫,圓管涵出口處銜接鐵路路基坡腳排水溝引排泉水,如圖3,圖4所示。

最后,為進一步確保外溢泉水不浸泡鐵路路基,應在泉眼周邊路基基底換填滲水土填料,制作滲水土填料的母巖飽和單軸抗壓強度大于20 MPa,軟化系數大于0.75,滲水土填料壓實后應符合細粒土(粒徑小于0.075 mm為細粒土,或母巖飽和單軸抗壓強度小于20 MPa的粗粒和巨粒為細粒土)含量(質量分數)小于10%,滲透系數大于1×10-5m/s。同時,在滲水土中埋設橫向盲溝,盲溝采用φ300 mm HDPE帶孔雙壁波紋管,底板由素混凝土澆筑而成,側壁和頂部由透水無紡布袋裝砂礫石壘成,內部填充潔凈碎石并由透水無紡土工布包裹,如圖5所示。

2.3 方案比選

方案1和方案2均具備可實施性,兩方案優缺點梳理歸納如表1所示。

表1 方案優缺點對比表

方案1雖然設計簡便且結構形式少,但對路基填筑高度有較高要求,當路基填筑高度較低時,受限于涵洞高度限制,涵洞將下挖埋設,其出水口標高將低于路基坡腳排水溝標高,存在排水困難的問題;涵洞需現澆施工,增大了質量管控難度;工程投資較大。

方案2設計構筑物較多,但圓管涵和盲溝等工程可預制或采購,降低了施工難度和質量管控難度,同時可大幅減少施工時間;對路基高度的適應性較好,當路基填筑較低時,可采取降低集水井和圓管涵尺寸,避免圓管涵出水口標高低于路基排水溝;在同等引排長度下,方案2工程投資僅為方案1的62%,方案2可大幅降低工程投資。

綜上所述,考慮工程投資、施工周期和質量管控因素,泉眼整治方案推薦采用方案2。

3 工程實例

西南山區鐵路車站采用路基形式,原地貌地表上存在村落,拆遷完畢進行清表處理時發現泉眼1處,泉眼位于鐵路到發線和站臺填筑體下方,距軌面埋深約13.7 m,到發線和站臺路堤壓實度K≥0.9,地基系數K30≥130 MPa/m。泉水從下方上冒,現場估算冬季流量為0.2 L/s,急需對泉眼進行整治,避免造成路基基底浸泡。泉眼位置如圖6,圖7所示。

1)集水井。采用3個L型懸臂式擋土墻組成并上蓋頂板,一體式現澆而成,井內換填0.3 m洗凈碎石,防止翻漿冒泥。L型懸臂式擋土墻為鋼筋混凝土,墻厚0.7 m,墻高1.6 m,底板厚0.4 m、長3.14 m;上蓋頂板尺寸為3.5 m×3.2 m,厚0.58 m。懸臂式擋土墻回填地面以上0.2 m、墻頂以下0.6 m各設置1排泄水孔,之間垂直距離每隔2 m設置一排泄水孔,交錯布置,泄水孔直徑φ5 cm,坡度不應小于4%,泄水孔設置時不應使其旁邊的鋼筋外露,PVC管要求在預埋前將進水口切成斜面并打磨光滑(斜角40°),并對伸入墻后20 cm長范圍PVC管進水口處包裹一層透水土工布。懸臂式擋土墻墻背設置0.3 m厚袋裝砂礫(卵)石反濾層,上、下均設置與墻身同等級混凝土隔水層,懸臂式擋土墻基底設0.1 m厚C25混凝土墊層。

2)圓管涵。考慮人員檢修維護便捷,圓管涵內直徑采用2 m,涵節長建議為3 m;涵頂最大填土高度為8.3 m,經檢算涵管壁厚采用29 cm厚;為避免圓管涵不均勻沉降和受力破損,涵底基礎設置0.5 m厚、2.9 m寬、與圓管涵等長的混凝土基礎墊層支撐;圓管涵長度根據預制工藝工法確定,拼接圓管涵時需在涵節間沉降縫處設置橡膠止水帶,止水帶采用背貼式,膨脹螺栓和鋼板條固定與涵節端部外緣呈環形布置。此外,圓管涵入口端接集水井出口,涵洞端部與集水井間設置3 cm的沉降縫;圓管涵出口端設置八字墻,后接引排溝槽至路基坡腳邊溝。

3)輔助排水措施。通過集水井和圓管涵可將絕大部分泉水排出,為防止少量外滲泉水滲透浸泡路基,需在泉眼周邊20 m范圍內換填0.5 m厚的滲水土,滲水土內均勻布置2條垂直鐵路線路的滲水盲溝,盲溝排水坡度不小于2%,加強路基基底排水性能。

施工現場如圖8所示。

4 結論

采用方案2的措施對西南山區鐵路車站基底發現的泉眼進行整治,整治后泉水正常從圓管涵內排出,引排流量與原始流量基本一致,且工程造價費用僅24.1萬元,驗證了本泉眼整治措施具有可實施性和工程節約性,鐵路車站路基工程安全質量得到進一步提升。