朱俊勛,邢介東,孟陸波,朱明磊
(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059;2.中鐵濟(jì)南工程技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250022)
路基作為軌道的基礎(chǔ),它的高平順性、高穩(wěn)定性是確保軌道高平順性的前提條件[1]。只有嚴(yán)格控制路基的沉降,才能保證客運(yùn)專線軌道的高平順性。路基沉降變形主要包括路基面的彈性變形、基床累積下沉(塑性變形)、路基本體填土及地基的壓縮下沉[2]。路基下沉是我國鐵路路基主要病害形式之一,也是客運(yùn)專線路基工程重點(diǎn)研究的內(nèi)容。造成路基下沉的因素很多,李景安[3]通過對(duì)某鐵路線高路基下沉和溜塌現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)降雨因素、路基填料、地形地貌和人為因素是造成該路基下沉的主要原因;李東俠等[4]分析某區(qū)段鐵路路基下沉等路基病害的形成原因及影響因素,指出土質(zhì)不良是產(chǎn)生病害的關(guān)鍵因素。
本文針對(duì)膠濟(jì)客運(yùn)專線K135區(qū)段路基下沉病害,以地質(zhì)分析為基礎(chǔ),研究了該區(qū)段路基下沉病害的形成機(jī)制,并提出了相應(yīng)的工程整治方案,最后通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證整治效果。
膠濟(jì)客運(yùn)專線東起青島,西經(jīng)濰坊、淄博至濟(jì)南,設(shè)計(jì)客運(yùn)專線正線長度362.5 km,較之現(xiàn)有鐵路線縮短了21.5 km。其中新建客運(yùn)專線173 km,利用膠濟(jì)鐵路電氣化工程改造后的線路149 km。本研究區(qū)段范圍內(nèi)的線路自2011年9月份開始,發(fā)生較嚴(yán)重沉降,且變形速率加劇。下行線線路右側(cè)為一廢棄采石坑,長160 m,寬120 m,深約20~30 m,已蓄滿水,水坑距線路右側(cè)護(hù)欄最小距離僅為1.5 m。受列車振動(dòng)及水的浸泡影響,臨近鐵路側(cè)水坑岸坡不斷向水坑內(nèi)坍塌(見圖1),同時(shí)該區(qū)段路基發(fā)生下沉,軌道幾何尺寸變形嚴(yán)重,右側(cè)路肩發(fā)生明顯下沉,已嚴(yán)重危及鐵路行車安全,必須及時(shí)整治。
圖1 線路右側(cè)廢棄采石坑
該區(qū)段屬于丘陵地區(qū),地勢(shì)東南高西北低。據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露顯示:表層為第四系全新統(tǒng)人工素填土(Qml4)、殘坡積粉質(zhì)黏土(Qel+dl4),下伏元古界荊山群片麻巖(Pt1j)。地下水主要為基巖裂隙水,含水層為片麻巖風(fēng)化層,鉆孔水位埋深1.7~2.0 m,高程45.09~45.16 m,地下水自東南向西北徑流。2011年雨季由于降水量大幅增加,當(dāng)?shù)氐叵滤患暗乇硭惠^往年急劇升高。該區(qū)段下行線路右側(cè)采石坑基本無外部匯水,因此坑內(nèi)的水位可以代表地下水位。
1)人工填土結(jié)構(gòu)松散
據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆探資料,該段鐵路為2005修建的半路塹地段,左側(cè)路塹基巖裸露,右側(cè)為采石坑。區(qū)段K135+270—K135+340路基下及右側(cè)水坑邊分布人工填土,厚度7.5~9.6 m,主要為采石坑棄渣填土以及風(fēng)化的片麻巖碎屑、碎塊,多呈中粗砂狀,結(jié)構(gòu)松散,密實(shí)度差且不均勻。水的浸泡軟化改變了土體結(jié)構(gòu)的流塑性質(zhì),導(dǎo)致土體力學(xué)指標(biāo)和地基承載力降低,在火車頻繁動(dòng)荷載的作用下易導(dǎo)致路基填土不斷下沉。
2)降雨的影響
據(jù)鄰近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的資料顯示:2009~2011年雨季(6~9月)月平均降雨量為454.7 mm,其中2011年雨季月平均降雨量最大,達(dá)到1 063.1 mm,為2009—2011年雨季月平均降雨量的2.34倍。自2011年9月份以來,水坑內(nèi)水較往年同期約抬高了2.14 m。路基土體被水浸泡軟化,含水量增加,土體顆粒間的膠結(jié)作用隨浸泡時(shí)間延長而不斷降低,土體抗剪強(qiáng)度和黏聚力降低,從而使地基承載力下降,最終導(dǎo)致路基下沉速率加快。
3)水的滲流影響
一方面,本區(qū)段路基右側(cè)水位高程45.03 m,左側(cè)水位高程45.69 m,左側(cè)水向右側(cè)滲流;另一方面當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶在春季抽水澆地時(shí),右側(cè)水坑內(nèi)水位可在短時(shí)間內(nèi)急劇下降達(dá)8 m左右。水位升降變化產(chǎn)生滲透動(dòng)水壓力,而且水位下降越快,水力坡降越大,滲透流速越大。水的滲流不僅降低了填土路基的穩(wěn)定性,同時(shí)還將路基下填土層內(nèi)的粉粒、砂粒等細(xì)小顆粒挾帶走,使路基填土密實(shí)度下降,沉降變形加速,并逐漸導(dǎo)致水坑岸坡的坍塌,破壞路基的穩(wěn)定性。
4)坍岸影響
本區(qū)段的地形地貌、地層巖性、雨水沖刷以及水坑內(nèi)水位漲落為坍岸形成提供了基本條件,水坑內(nèi)水位漲落導(dǎo)致坍落土體被搬運(yùn),由于土體重力作用,上部土體在下部土體被搬運(yùn)后,將順著風(fēng)化界面推移,并容易帶動(dòng)岸坡土體后緣拉裂,形成坍岸。坍岸造成水坑岸坡發(fā)生劇烈變形,土體側(cè)向應(yīng)力釋放,路基土層地基承載力降低,破壞了既有坑岸的穩(wěn)定性,進(jìn)一步加速了路基下沉變形。
由上可知,降雨是該區(qū)段路基下沉失穩(wěn)的主要誘因,而路基土體結(jié)構(gòu)及其所處的地質(zhì)環(huán)境是導(dǎo)致其下沉的根本原因。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探及調(diào)查,在區(qū)段K135+270—K135+340路基下及右側(cè)水坑邊主要為人工填土,主要成分為風(fēng)化的片麻巖碎屑及殘塊,對(duì)該層進(jìn)行動(dòng)力觸探測(cè)試,并選取其中具有代表性的2#孔測(cè)試數(shù)據(jù)繪制N63.5~h關(guān)系曲線,見圖2。
圖2 N63.5~h曲線
分析圖2可知:在1.0~2.8 m深度范圍,修正擊數(shù)N63.5為1.5~9.0擊,平均為3.2擊;但在地下水位以下,貫入深度>3.4 m時(shí),N63.5大多為0.5~3.0擊。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB 10018—2003),按中粗砂類土查表可知該深度范圍地基承載力<120 kPa時(shí)(3.0擊對(duì)應(yīng)的地基承載力值為120 kPa),不能滿足高速鐵路對(duì)地基承載力的要求,因此路基不穩(wěn)定。
此外,水坑內(nèi)水位的升降變化也影響病害發(fā)育程度。一方面,春季澆地抽水等引起水坑水位驟然下降,岸坡土體的有效應(yīng)力急劇增大,會(huì)使路基產(chǎn)生附加沉降。另一方面,當(dāng)豐水期水位上升時(shí),土體受水浸泡變軟,力學(xué)指標(biāo)降低,地基承載力下降,同樣不利于路基的穩(wěn)固。而水坑內(nèi)的水位升降變化是不可避免的,因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該段路基的沉降監(jiān)測(cè),并盡快整治。
①提高路基填土強(qiáng)度;②防止水坑坍岸繼續(xù)坍塌和采石坑的水繼續(xù)浸泡軟化路基;③治理方案應(yīng)充分考慮既有線的場(chǎng)地條件,合理布局,方便施工。
K135+260—K135+343段路基下人工填土結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度不足,應(yīng)對(duì)該段路基進(jìn)行注漿加固處理[5-6]。對(duì)下行線右側(cè)水坑坍岸范圍進(jìn)行加固處理,且需形成防水帷幕以阻止水繼續(xù)浸泡,軟化路基。如果采用傳統(tǒng)的注漿+拋片石幫寬防護(hù),雖然工程造價(jià)相對(duì)較低,但片石方量很大,且水坑現(xiàn)已成為魚塘,水下拋片石不可控因素太多,量的估算與實(shí)際也可能差別很大,因此,通過綜合考慮經(jīng)濟(jì)、場(chǎng)地條件、技術(shù)可行性等因素,最終采用注漿+鉆孔灌注樁擋墻[7]的整治方案。
4.2.1 注漿
注漿包括限界外注漿和基床探測(cè)注漿兩部分,注漿孔平面布置見圖3。K135+328處注漿孔斷面形式見圖4。
圖3 注漿孔平面布置(單位:m)
圖4 K135+328處注漿孔斷面
1)限界外注漿。處理范圍為K135+270—K135+343段。下行線右側(cè)7.8 m布第1排孔,為豎直孔,與豎直方向成20°和40°交替布置斜孔,傾向鐵路側(cè),孔距1.5 m;K135+270—K135+310范圍第1排孔往外1.0 m布第2排孔,為豎直孔,孔距4.5 m,與第1排豎直孔呈梅花形布置。孔深至進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于1.0 m。注漿材料采用水泥漿,水灰比為0.6∶1~1∶1,注漿壓力采用0~0.2 MPa。注漿壓力達(dá)到0.2 MPa后持續(xù)10 min,持續(xù)注漿量不大于5 L/min時(shí)方可終止注漿。
2)基床探測(cè)注漿。處理范圍為 K135+260—K135+340段。在距下行線左側(cè)6.70 m、右側(cè)2.68 m的基床范圍內(nèi)打注漿管,注漿管呈梅花形布置,縱向間距(順線路方向)2.50 m、橫向間距2.68 m,探測(cè)管徑25 mm,打入深度不小于5 m。注漿材料及參數(shù)同上。
4.2.2 鉆孔灌注樁擋墻
在鉆孔灌注樁間布置旋噴樁形成帷幕擋墻,可有效防止采石坑內(nèi)水對(duì)該段路基的浸泡軟化。平面布置見圖5,斷面布置見圖6。
圖5 鉆孔灌注樁擋墻平面布置(單位:m)
圖6 K135+328處鉆孔灌注樁擋墻
1)在線路右側(cè)9.0~10.0 m折線形布置1排鉆孔灌注樁做擋墻,樁長進(jìn)入弱風(fēng)化巖不小于3.0 m,樁徑1.5 m,樁間距1.8 m。處理范圍為K135+270—K135+343段。
2)鋼筋混凝土灌注樁的配筋:縱筋采用φ24螺紋鋼;箍筋采用φ14圓鋼,間距0.2 m;加強(qiáng)筋采用φ16圓鋼,間距2.0 m;定位筋采用φ14圓鋼,間距2.0 m?;炷恋燃?jí)為C40。
3)鉆孔灌注樁間布置旋噴樁。旋噴樁的主要材料為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水灰比取0.8~1.5,水泥摻入量每米不小于250 kg。
4)先施工鉆孔灌注樁,待樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的70%后,再施工旋噴樁。鉆孔灌注樁施工時(shí)應(yīng)跳樁進(jìn)行,樁身混凝土應(yīng)及時(shí)連續(xù)不間斷澆灌,避免形成相對(duì)軟弱界面。
5)按照《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。
路基下沉治理工程施工時(shí)間為2012年5月20日~10月30日。施工完成后進(jìn)行沉降觀測(cè),選擇其中4個(gè)代表性斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù),繪制沉降曲線如圖7。由圖7可知,沉降觀測(cè)前60 d的路基沉降量最大,其中K135+320斷面處60 d的沉降量最大,為1.7 mm,即10.2 mm/年(0.85 mm/月),小于20 mm/年,達(dá)到了客運(yùn)專線的標(biāo)準(zhǔn)要求。觀測(cè)90 d后,路基下沉已達(dá)到穩(wěn)定,因此,該段路基的下沉趨勢(shì)得到了良好控制。
圖7 4個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)的沉降曲線
1)該區(qū)段路基下沉失穩(wěn)的主要誘因是降雨,而路基土體結(jié)構(gòu)及其所處的地質(zhì)環(huán)境是導(dǎo)致其下沉的根本原因。
2)采用注漿+鉆孔灌注樁,并在鉆孔灌注樁間布置旋噴樁的整治方案。該方案結(jié)合了鉆孔灌注樁和旋噴樁的特點(diǎn),具有沉降量小、穩(wěn)定性高、受地下水位影響較小等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明該方案效果顯著,值得在類似工程中推廣。
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[6]中華人民共和國鐵道部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.
[7]中華人民共和國鐵道部.TB 10025—2006 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2006.