李昌斌

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

在我國早期建成的高原鐵路中，部分鐵路已不能滿足日漸增長的交通需要。然而高原地區(qū)條件惡劣，地質(zhì)情況復(fù)雜，新建鐵路成本較高，工期較長，同時由于沿線主要為高寒草甸、高寒草原、沼澤濕地等高原生態(tài)系統(tǒng)，自然生態(tài)環(huán)境十分脆弱，一旦遭到擾動破壞，其恢復(fù)將十分困難，有的甚至是不可逆的。環(huán)境質(zhì)量的好壞將直接影響到高原凍土區(qū)人民的生產(chǎn)和生活。對既有線進(jìn)行擴(kuò)能改造既能最大化節(jié)省工程投資，滿足鐵路運(yùn)輸?shù)囊?，又能最大程度地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。因此，在“低投資，低污染，高要求，高質(zhì)量”的原則下研究既有鐵路的改造技術(shù)十分必要。

在既有線路基病害防治中，由于既有填料和新填料在含水率、粒徑級配等物理性質(zhì)上存在差異，導(dǎo)致凍脹和融沉的速率存在差異。如果不采取必要的措施會使治理后的路基出現(xiàn)大量縱向裂縫，這些裂縫不僅規(guī)模巨大、數(shù)量繁多，而且發(fā)展迅速、難以養(yǎng)護(hù)，危及行駛安全［1］。為此，本文結(jié)合柴達(dá)爾支線路基病害，在對多年凍土區(qū)路基縱向裂縫形成機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過全線普查和典型路段詳查，從工程實際出發(fā)，研究經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的處治對策。

1 高原凍土區(qū)鐵路路基病害防治原則

路基病害的整治遵循“以防為主，防治結(jié)合，徹底整治，不留后患”的思路，采取主動保護(hù)和被動保護(hù)相結(jié)合的措施，充分考慮既有線新舊填土性質(zhì)的不同和滲水對路基的影響。綜合分析，比選出最合理經(jīng)濟(jì)的工程措施。

2 高原凍土區(qū)路基病害防治措施

2.1 換填既有基床填料防止凍融

在位于青海省的柴達(dá)爾支線擴(kuò)能改造路基設(shè)計工程中，既有線路基土質(zhì)不良，路基內(nèi)含草皮，滲水性差，冬季凍害嚴(yán)重，分布比較廣泛，凍起高度以25 mm較為普遍，最大為50 mm，對行車安全構(gòu)成隱患。本線在早期設(shè)計過程中，對凍害路基基床頂面至地面的最小距離考慮不足。

通過下式可以計算出路基基床頂面至地面的最小距離Hmin

式中:Hc為毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度，m。根據(jù)本線地層情況，Hc=0.290+0.056 7wm+1.545為最大分子吸水率，%;d10為有效粒徑，μm;d50為平均粒徑，μm。Δh為安全高度，一般取0.5 m。hf為有害凍脹深度，m;一般取最大凍結(jié)深度的60%～95%。hw為凍脹期地下水埋深或地面積水深度，m;當(dāng)為地下水時取負(fù)號。

路基凍害根據(jù)凍起高度和最大凍結(jié)深度的不同而采取不同措施。對于不能滿足凍土區(qū)路基基床頂面至地面的最小距離的一般凍害路段，挖除基床1.8 m，依次換填0.6 m厚滲水土和1.2 m厚B組填料，對既有填料進(jìn)行改良。為防止毛細(xì)水上升，在基床表層底部鋪設(shè)土工膜，土工膜上下各鋪0.1 m厚中粗砂墊層。對于嚴(yán)重凍害路段，基床填料優(yōu)先選擇礦渣、爐渣、粉煤灰、砂、砂礫石及碎石等抗凍穩(wěn)定性較好的材料。挖除基床2.5 m，依次換填0.6 m厚滲水土和1.9 m厚B組填料，基床表層底部鋪設(shè)土工膜，土工膜上下各鋪0.1 m厚中粗砂墊層。同時為了有效降低水位，加強(qiáng)基床的排水作用，在中粗砂墊層以上設(shè)置橫向盲溝，最后再填筑滲水土。橫向盲溝每10 m設(shè)一處。尺寸為0.4 m ×0.6 m，見圖1。

圖1 橫向盲溝示意

2.2 修筑保溫護(hù)道降低凍土的破壞作用

保溫護(hù)道是指在多年凍土區(qū)路堤兩側(cè)用保溫材料填筑的具有一定寬度和厚度的護(hù)道。其高度一般為1.5～2.0 m，寬度為2.0～3.0 m。其作用是防止自然或人為因素改變地面溫度，造成凍土融化而影響路基的穩(wěn)定。

修筑保溫護(hù)道在一定程度上恢復(fù)了在以往修筑過程中就地取土所破壞的路基兩側(cè)凍土環(huán)境，對防止融化盤的擴(kuò)大，減緩路基病害的發(fā)生與發(fā)展起到了十分積極的作用［2］。

柴達(dá)爾支線地處人類活動較為頻繁的藏區(qū)，藏民常年在沿線以放牧為生;既有線全線未設(shè)排水系統(tǒng)且陰陽側(cè)差別明顯。全線在向陽側(cè)路堤段設(shè)置的保溫護(hù)道在保護(hù)凍土的同時，降低了邊坡高度，提高了路堤的穩(wěn)定性;在防止水對路基本體作用的同時發(fā)揮了便道的作用。

2.3 幫填土中設(shè)土工格柵防止不均勻沉降

在對填料進(jìn)行改良做好隔排水的基礎(chǔ)上，為更有效防止不均勻沉降對路基的破壞作用，在研究其機(jī)理的同時基于現(xiàn)場勘察資料，按照縱向裂縫發(fā)育性狀和形成原因的相似性及工程整治的方便性，將縱向裂縫分為直線型和邊坡弧型兩種類型［3］。對于直線型采取的工程措施主要是在幫寬新填土部分設(shè)單層土工格柵，針對邊坡弧型一般采用土工格柵分層加筋。但是不論那種裂縫，在施工中都要求加大幫填路基及新舊路基接觸部位的壓實度。

2.4 雙向挖臺階保證新舊路基充分銜接

在對既有線路基幫填土加寬改造時，采取了雙向挖臺階的施工工藝，即在幫填土?xí)r沿既有邊坡橫向和縱向同時挖臺階(見圖2和圖3)，臺階寬度均不應(yīng)小于1 m。在因凍害換填基床路段，垂直線路走向挖橫向臺階，分層填筑，分層碾壓。雙向挖臺階法可保證新舊填料更好地銜接，避免由于幫填土的強(qiáng)滲水性，在新舊路基連接面處形成匯水面，產(chǎn)生軟化層，導(dǎo)致幫填土路基發(fā)生沉陷;同時可彌補(bǔ)新填土寬度較小，防止新舊兩層皮發(fā)生邊坡溜坍。在柴達(dá)爾支線改造中，全線采用了這種措施，最大程度地減小了新舊路基結(jié)合處不均勻沉降，消除了邊坡壓實度不足的弊病，加強(qiáng)了新舊路基的結(jié)合程度。

圖2 橫向臺階和土工格柵示意(單位:m)

圖3 縱向臺階示意(單位:m)

2.5 采取加寬措施解決幫寬路基填土寬度不足問題

和現(xiàn)行規(guī)范要求的路基面寬度相比，既有鐵路路基面寬度一般都較小。如修筑于1975年的柴達(dá)爾支線既有路堤寬一般為5.5 m，路塹寬為5.6 m，部分地段甚至達(dá)不到這個寬度，這和目標(biāo)設(shè)計寬度7.0 m差別很大。在設(shè)計中如采取雙側(cè)加寬，則單側(cè)幫寬值為0.75 m(一般要求單側(cè)加寬值必須＞0.5 m)。但是在實際施工過程中，路基填土加寬值沒有達(dá)到設(shè)計要求。根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合對既有線原始形態(tài)的勘測調(diào)查，對柴達(dá)爾支線加寬措施作了如下統(tǒng)一規(guī)定:

1)在既有線的改造設(shè)計中，只要條件許可，一般宜采用單側(cè)加寬，這樣加寬部分和既有路基的銜接面積更小更利用施工，也最大程度上減少了工程量。

2)當(dāng)單側(cè)路肩加寬值＞0.5 m時，采用填土幫寬路堤，應(yīng)沿既有路堤坡面挖成寬度不小于1 m的臺階，扒松既有坡面，扒松厚度不應(yīng)小于0.2 m。在幫寬路堤邊坡中鋪設(shè)土工格柵，每層間距0.5 m，幅寬1.5～2.5 m。幫填土頂部寬度不應(yīng)小于0.5 m，底部不應(yīng)小于頂部幫寬值。

3)當(dāng)單側(cè)路肩加寬值≤0.5 m時，采用干砌片石垛幫寬路基。

4)在不宜刷方擴(kuò)寬路塹地段，可采用改變側(cè)溝形式、削減側(cè)溝平臺、設(shè)置側(cè)溝蓋板等措施加寬路基。削減后的側(cè)溝平臺不宜小于1.0 m。擴(kuò)寬路塹開挖造成對既有防護(hù)工程的拆除，為保證邊坡的穩(wěn)定，根據(jù)地層及邊坡高度，采用漿砌片石護(hù)坡防護(hù)或設(shè)擋土墻。

2.6 基床翻漿冒泥及下沉外擠的整治

既有線填料性質(zhì)較差，加之高原地區(qū)氣候變化較大，雨水集中，部分路基周期性積水導(dǎo)致基床翻漿冒泥或下沉外擠。一般發(fā)生在基床為黏土類的路基地段，排水不良的路塹和站場比較多見。翻漿冒泥和下沉外擠是基床變形不同階段的不同表現(xiàn)特征，翻漿冒泥導(dǎo)致基床陷槽或出現(xiàn)渣囊引起下沉，陷槽或渣囊的發(fā)展使基床抗剪強(qiáng)度下降，導(dǎo)致路肩隆起或邊坡外擠［4-9］?；卜瓭{冒泥引起的軌道不平順，惡化了列車運(yùn)行條件，但變形發(fā)展緩慢，對行車安全影響不大。而基床下沉外擠，則可能造成行車中斷甚至列車顛覆，嚴(yán)重危及行車安全。

在針對路基本體整治基床翻漿冒泥及下沉外擠的的同時，應(yīng)視病害性質(zhì)、產(chǎn)生原因、地段長短及施工條件等情況，合理選擇施工工藝綜合整治，做好排水工程，尤其是路塹和站場，應(yīng)疏通或修建防滲側(cè)溝、天溝、排水溝等地表排水系統(tǒng);同時應(yīng)根據(jù)綜合情況采取修建盲溝、截水溝、側(cè)溝下滲溝等措施，消除或減小地表水和地下水對路基基床的侵害，使基床土經(jīng)常保持疏干狀態(tài)。

2.7 路基排水系統(tǒng)的改造和完善

水對路基安全有很大影響，在水的作用下路基可能出現(xiàn)下沉，邊坡開裂、塌陷等問題。早期鐵路路堤地段排水溝和路塹地段側(cè)溝一般為土質(zhì)溝，且斷面尺寸不夠，側(cè)溝平臺不足，由于雨季沖刷，破損比較嚴(yán)重，造成路基病害。因此，應(yīng)按照因地制宜的原則對排水溝和側(cè)溝進(jìn)行加固設(shè)計。排水工程應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件及環(huán)境狀況選擇多種形式，如采用漿砌片石水溝、草皮水溝、護(hù)道及擋水埝等。特別在多年凍土地段，設(shè)計擋水埝可抬升多年凍土上限，阻止凍結(jié)層上水和地面水進(jìn)入路基基底，消除側(cè)向水誘發(fā)多年凍土地基融化下沉的隱患，對路基下多年凍土起到了重要的側(cè)向保護(hù)作用。

為實現(xiàn)少病害、少維修、綠色環(huán)保的高原地方鐵路建設(shè)目標(biāo)，在勘察、設(shè)計及后期運(yùn)營過程中，應(yīng)充分做好對地面橫坡、匯水面積、地表水流方向、橋涵及天然溝渠分布情況、排水溝平面位置等與排水系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)場調(diào)查工作，做好排水設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計及相互銜接，對排水設(shè)施不合理地段應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)并修正完善，確保防排水設(shè)計能夠滿足實際需要，從而保證路基安全穩(wěn)定。

排水工程設(shè)計各專業(yè)接口要保持順暢。路基與隧道、橋梁、涵洞分界處的不同排水措施接口的銜接設(shè)計要在細(xì)致調(diào)查的基礎(chǔ)上詳細(xì)優(yōu)化，避免降雨對路基邊坡、橋梁錐體、橋墩基礎(chǔ)及農(nóng)田造成破壞。

3 結(jié)論

以既有線改造為主的柴達(dá)爾支線，路基工程采取不同措施綜合治理，從改造后運(yùn)營三年多的情況來看，重新處理過的地段路基沉降在合理范圍內(nèi)，工后效果良好，沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許范圍。主要有以下兩點體會:

1)鋪設(shè)土工格柵和雙向挖臺階處理幫寬路基接縫的方案，消除了既有線路基加寬中舊路基邊坡壓實度不足的弊病，減少了新舊路基結(jié)合處的不均勻沉降，竣工路段未發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，治理效果明顯。

2)在設(shè)計中充分考慮了本線多年凍土分布較廣，以及高原生態(tài)脆弱的特點，在部分地段采用草皮水溝、擋水埝等截排水，在保護(hù)凍土的同時保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

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