馬 樂，岳祖潤，馮懷平，楊志浩

(1.石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊 050043;3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會對煤炭的需求不斷增大。大秦鐵路作為西煤東運的主要線路之一，其路基內(nèi)部的應(yīng)力水平，分布狀態(tài)及作用方式也不斷變化并更加復(fù)雜，再加上地質(zhì)條件、自然環(huán)境及施工質(zhì)量的影響，導(dǎo)致了大秦鐵路路基多種病害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著行車安全及鐵路的正常運營。

為最大限度發(fā)揮大秦鐵路作用，有效緩解煤炭運輸緊張狀況，自2004年起，鐵道部對大秦鐵路實施持續(xù)擴能技術(shù)改造，大量開行1萬t和2萬t重載組合列車，2014年4月18號又進(jìn)行了3萬t組合列車的通車試驗，列車安全抵達(dá)了終點，全線運量逐年大幅度提高，2008年運量突破3.4億t，成為世界上年運量最大的鐵路線。2010年12月26日，大秦鐵路提前完成年運量4億t的目標(biāo)，為原設(shè)計能力的4倍，2013年年運量達(dá)到4.7億t，之后并將完成年運量5億t以上的任務(wù)目標(biāo)。

文獻(xiàn)［1］對過渡段形式、選擇橫斷面、設(shè)計最小長度問題、過渡段交叉重疊問題、挖方過渡段、站內(nèi)過渡段、特殊結(jié)構(gòu)形式過渡段設(shè)計等系列問題進(jìn)行探討;文獻(xiàn)［2］介紹了我國重載鐵路的發(fā)展趨勢;文獻(xiàn)［3］結(jié)合朔黃重載鐵路路基病害現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，對其存在的主要路基病害進(jìn)行了分類，并對各類病害的一般特征和表現(xiàn)形式、產(chǎn)生條件及成災(zāi)機理進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)［4］提出了使用固化劑和復(fù)合土工材料進(jìn)行路基加固的技術(shù)研究;文獻(xiàn)［5］結(jié)合置換法、振動擠密法等整治方法介紹了翻漿冒泥、路基下沉和路肩沖刷病害的整治情況。但是上述學(xué)者并沒有對病害發(fā)生的根本機理進(jìn)行實質(zhì)性的研究，都是介紹了在病害發(fā)生以后，提出相應(yīng)的后續(xù)整治辦法，沒有從根本上考慮病害發(fā)生的機理。

大秦鐵路承擔(dān)的任務(wù)越來越重，軌道結(jié)構(gòu)承受更大的荷載，線路的變形及路基的病害也更加嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著大秦鐵路行車安全及擴能改建工作的完成，為此在大秦鐵路北同蒲線進(jìn)行了病害調(diào)查分析，從結(jié)構(gòu)機理及成因上找到解決翻漿冒泥等路基病害的防治措施，為以后新線的建設(shè)和舊線的改造提供參考。

1 現(xiàn)場試驗

對北同蒲線 K123+300大新站(路堤)、K41+500懷仁3號道岔(路塹)及K47+350處14A號橋(路橋過渡段)進(jìn)行了病害調(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括現(xiàn)場Evd試驗、含水率測定試驗，環(huán)刀試驗，對軌縫處和正常段下分層取土并帶回實驗室進(jìn)行物性分析試驗。具體實驗過程嚴(yán)格按照《鐵路土工試驗規(guī)程》［6］操作，部分現(xiàn)場病害情況見圖1～圖4。

圖1 軌縫下15 cm道床斷面

圖2 大新站雨后軌下10 cm道砟

圖3 懷仁3號道岔處翻漿冒泥典型斷面

圖4 橋梁處枕下道砟斷面

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及向朔州工務(wù)段工作人員了解發(fā)現(xiàn)，困擾北同蒲線乃至整個大秦鐵路工務(wù)段的鐵路病害有兩方面:一是鋼軌磨耗，隨著大秦線重載鐵路運量的不斷增加，列車對鋼軌的磨耗越來越大，每年每千米換軌數(shù)量也不斷增加，其中曲線路段的換軌數(shù)量增加更加顯著，對道岔的影響也越來越嚴(yán)重，道岔處輪軌對道岔的沖擊越來越大;金沙灘站處的道岔每3個月更換1次尖軌，維修周期很短，嚴(yán)重制約著大秦重載鐵路的擴能改建工程;二是路基翻漿冒泥，整個北同蒲線幾乎每個區(qū)段都存在多處翻漿冒泥病害點，特別是在道岔、軌縫及上坡路段，每逢降雨過后都很明顯看到翻漿的細(xì)砂粘附在表層碎石上，工務(wù)段必須馬上在翻漿點進(jìn)行清砟振搗，否則可能導(dǎo)致行車危險，解決這些病害在線路維修養(yǎng)護工作中占絕大部分，使維修成本大大增加。

鐵路線路是一個整體，上部的軌道結(jié)構(gòu)和下部的路基結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞下部結(jié)構(gòu)會隨之破壞，同時下部結(jié)構(gòu)的破壞又會反過來加劇上部結(jié)構(gòu)的破壞，形成惡性循環(huán)，最終使整個線路結(jié)構(gòu)變形過大而影響行車安全。

2 室內(nèi)試驗與病害機理分析

2.1 室內(nèi)物性試驗

由前述病害可以看出，大秦線重載鐵路路基病害已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，軌縫下、道岔處及路橋過渡段病害更加嚴(yán)重。由于運量任務(wù)的硬性要求，每年所能提供的維修窗口很少且時間很短，想徹底對道床進(jìn)行清砟根本不允許，所以暫時很難從根本上解決頻發(fā)的路基病害，對這些典型斷面進(jìn)行了取樣調(diào)查，分別在每個斷面取土帶回實驗室進(jìn)行物性試驗分析。每個斷面的取樣見表1。

表1 分層取土位置編號對應(yīng)

對每個斷面的每個層面的土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，得出每個層面的物性指標(biāo)，并進(jìn)行對比分析，找到各個斷面各個層面之間的關(guān)系，從而為以后的病害整治工作提供指導(dǎo)意見。其中軌縫底層的各粒徑成分的篩分質(zhì)量見表2，室內(nèi)部分試驗過程見圖5，每個斷面每個層面的篩分級配曲線見圖6。

2.2 病害機理分析

由圖5可以看出，取土路段道砟中的細(xì)粒土由3部分組成，分別為機車噴砂、煤渣、磨碎的石粉。之前較多學(xué)者認(rèn)為翻漿冒泥現(xiàn)象是由于基床上的粉粒、黏粒土在水和動應(yīng)力耦合作用下形成軟化的泥漿，列車通過時軌枕上下浮動，使流態(tài)的泥漿受到泵吸作用，通過縫隙翻冒到表層。其實不然，大秦鐵路的翻漿冒泥現(xiàn)象實際上不是基床的翻漿，而是道床本身的翻漿。

表2 軌縫底層的各粒徑的篩分含量

圖5 部分篩分粒徑成分

圖6 各斷面級配曲線

隨著運量及軸重的增大，列車對鋼軌的作用力增大，使得軌枕在列車經(jīng)過時豎向變形增大，道砟之間的磨損也更加厲害，久而久之道床內(nèi)磨損下來的石粉越來越多，再加上自然環(huán)境中灰塵的污染、機車行車過程中的噴砂以及列車上煤粉的浸入，導(dǎo)致道床內(nèi)的級配發(fā)生變化，細(xì)顆粒含量明顯增多，細(xì)顆粒的含量對粗顆粒土的性質(zhì)起著決定性的作用，道床內(nèi)的土變得級配良好，容易壓實，從而使得道床在軌枕下一定距離處產(chǎn)生一個板結(jié)層，且其強度、剛度很大，此板結(jié)層的存在嚴(yán)重影響了道床的功能。

鐵路是一個整體，列車對鋼軌施加壓力，鋼軌將力轉(zhuǎn)移到道床上，道床再將此力轉(zhuǎn)移到路基中，以保證列車的正常運行。由于板結(jié)層的存在，導(dǎo)致道床不能將力均勻傳遞到路基中，而路基本來是最主要的承擔(dān)列車載荷的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在載荷傳不下去，導(dǎo)致道床內(nèi)顆粒之間的磨損力增大，更加加劇了道床的污染板結(jié)，形成惡性循環(huán)，加速了道床的破壞。道床破壞后在降雨的過程中，大量的降水不能排除，導(dǎo)致軌枕下道砟長期處于飽和狀態(tài)，承載力急劇下降，列車通過時非常危險。據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)叵募窘涤炅坑?50 mm左右，冬季最低氣溫達(dá)到－30℃，而且有8個月平均氣溫在0℃以下。夏季降雨后道床長期處于飽和狀態(tài)，冬季土體發(fā)生凍脹，春季開化時土體發(fā)生融沉，所以當(dāng)?shù)芈坊磕暝谙募鞠碌谝粓鲇旰投鞠碌谝粓鲅r翻漿冒泥現(xiàn)象更加顯著。

從圖6可以看出，自道砟表層沿深度方向級配逐漸良好，且每個層面上軌縫處比正常處級配也要良好。其原因是列車經(jīng)過時軌縫處受到的沖擊載荷大，豎向變形大，道床中碎石間的磨損就嚴(yán)重，對道床的污染就更加嚴(yán)重，細(xì)粒土較多且通過縫隙往下滲，在一定深度范圍內(nèi)，自上而下級配逐漸良好，較易被壓實，有利于板結(jié)層的形成。

3 整治措施

由于當(dāng)時修建該鐵路時，對該地區(qū)地質(zhì)情況的勘察不夠深入以及施工質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)低，沒有將路基按土工結(jié)構(gòu)物來對待，常常就近取土，加上后來對線路的養(yǎng)護維修不夠徹底、及時，軸重再繼續(xù)增大的情況下，病害便極易發(fā)生。大秦鐵路已經(jīng)運行了幾十年，其路基已經(jīng)基本壓實，沉降很小，其強度剛度都很大，據(jù)工務(wù)人員介紹，近幾年進(jìn)行大修過程中，有些斷面徹底清篩時發(fā)現(xiàn)路基基床良好，沒有發(fā)現(xiàn)道砟囊、陷槽等病害，全是道床本身的破壞。為此，提出了幾點對于整治道床翻漿冒泥病害的措施。

(1)大修時增加工人人數(shù)，做到至少2人負(fù)責(zé)1個枕坑。由于窗口時間的限制，現(xiàn)在大修時工人無論挖多深，到規(guī)定時間必須回填，這樣造成有些地段清砟效果不好。建議增加工人人數(shù)，嚴(yán)格控制開挖深度和回填質(zhì)量。

(2)對特殊地段(爬坡、道岔等)的軌縫加以焊接，同時枕下設(shè)置彈性橡膠墊片。焊接軌縫大大減小了病害斷面的沖擊荷載，設(shè)置橡膠墊可以緩沖列車經(jīng)過時的沖擊荷載，減小軌枕的豎向變形，從而減小碎石間的磨損。

(3)在道床表層噴灑一層膠性材料，此膠性材料延展性好且抗自然災(zāi)害能力強，并在最后幾節(jié)車廂下部安裝超大功率吹風(fēng)機。翻漿冒泥病害的產(chǎn)生必須滿足3個條件即細(xì)粒土、水、動載荷，此措施的設(shè)計截斷了細(xì)粒土侵入道床的途徑，可有效地防止翻漿冒泥病害的發(fā)生。

4 結(jié)論與展望

(1)大秦鐵路重載鐵路路基翻漿冒泥主要是道床自身的翻漿冒泥。

(2)道床中的翻漿的細(xì)顆粒主要由磨損的石粉、機車噴砂及侵入的煤粉組成。

(3)大秦鐵路是世界上僅有的年運量4億t以上的重載鐵路，運量大任務(wù)重造成維修窗口時間的短暫與路基病害的徹底整治形成了矛盾，由于上述矛盾的存在，現(xiàn)有條件下找到徹底的解決方案是不太現(xiàn)實的，但是前述防治措施均可以有效延長維修周期。

［1］鄭心銘，張世杰，唐廣輝.鐵路路基過渡段設(shè)計常見問題及對策［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(10):44-47.

［2］康熊，宣言.我國重載鐵路技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.中國鐵路，2013(6):1-5.

［3］宋緒國，葉朝良，蘇達(dá).朔黃重載鐵路路基病害的分類及其成災(zāi)機理研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報，2013，26(1):61-66.

［4］劉放民，薄長順.朔黃鐵路重載路基基床加固技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2006(S1):1-3.

［5］王立軍，張千里，趙洪勇，等.重載鐵路路基病害及對策［J］.鐵道建筑，2005(7):67-68.

［6］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.TB10102—2010 鐵路工程土工試驗規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［7］KATAYAMA M.Characteristics of consolidated ballast on elevated structure of tokaido shinkansen and proposals for its treatment［J］.Quarterly reports of railway technical research institute，1988，29(1):33-40.

［8］ZAREMBSKI A M.Subgrade problems-part 2:causes and mechanisms［J］.Railway Track＆ Structures，1995，91:12-14.

［9］楊巧艷，查坤.利用水平集水管整治翻漿冒泥病害［J］.路基工程，2006(2):130-132.

［10］王廷棟，劉振遠(yuǎn).整治路基翻漿冒泥施工方法綜述［J］.鐵道建筑，2005(9):75-76.

［11］周錫九.鐵路路基基床病害及其產(chǎn)生機理分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報，1994(1):24-28.

［12］楊新安，周青.鐵路路基病害與動力觸探試驗研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002(4):31-35.

［13］劉瀚強.淺析鐵道道床翻漿冒泥病害及其防治［J］.煤炭技術(shù)，2013(6):179-181.