李 斯，蔡德鉤，姚建平，樓梁偉，熊亞軍，龐 帥

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081; 3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

截至2016年底，中國鐵路運營里程已經(jīng)達到12.4萬km，其中高速鐵路運營里程已經(jīng)超過2萬km，占全世界高鐵總量的65%左右[1]。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，部分高速鐵路、城際鐵路路基病害逐漸顯露出來。例如東北嚴寒地區(qū)的凍脹病害[2-3]，西北風(fēng)沙鹽堿地區(qū)的線路上拱[4]、沉降[5]、偏移病害，黃河流域濕陷性黃土塌陷病害[6],長江流域水系發(fā)達區(qū)域水分流失造成的沉降病害[7]等。

目前針對路基病害主要通過病害部位補強加固及加強路基防水、排水、疏水等措施來解決，但對于路基凍脹、沉降、上拱，路基翻漿冒泥等局部路基病害，可考慮更換物理力學(xué)性能好的填料?，F(xiàn)有的既有線路基填料換填技術(shù)一般需要較長的連續(xù)作業(yè)時間，機械設(shè)備和人員投入較大，對行車會造成影響。鑒于此，本文提出了一種運營期間天窗作業(yè)點內(nèi)將病害部位填料掏挖換填的技術(shù)，并開展了試驗，研制了掏挖裝備。

1 高速鐵路軌道及路基試驗段搭建

為科學(xué)、準確、合理地進行高速鐵路路基填料掏挖試驗，搭建了一條與高速鐵路標準規(guī)格一致的路基結(jié)構(gòu)，路堤橫斷面如圖1所示?！陡咚勹F路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)[8]對高速鐵路路基基床表層填料級配的要求見表1。

圖1 高速鐵路路堤橫斷面(單位：m)

方孔篩孔邊長/mm過篩質(zhì)量百分率/%010～5057～321713～467141～7522467～9131582～100450100

1.1 試驗場地開挖

本試驗為路基基床表層填料掏挖試驗，為避免天氣情況對試驗過程的影響，選取了室內(nèi)試驗場地。試驗場地開挖尺寸：長10.5 m×寬6.4 m×深0.6 m。

1.2 級配碎石拌和與碾鋪

試驗路基填料標準應(yīng)符合表1要求，并拌和5%的C42.5普通硅酸鹽水泥，以符合TB 10621—2014)對路橋、路涵過渡段路基基床表層填料的要求。拌和充分的填料級配如圖2中細線所示，符合試驗對路基填料的級配要求。

圖2 實測試驗段路基級配碎石粒徑級配曲線

路基填料碾鋪后壓實標準滿足壓實系數(shù)K≥0.95、地基系數(shù)K30≥150 MPa/m、動態(tài)變形模量Evd≥50 MPa的要求。

為滿足壓實標準，本次試驗的路基填料加5%～7%的純凈水拌和，深度為0.6 m的路基填料分3次攤鋪碾壓，每層0.2 m。碾壓過程步驟為：2次靜壓，3次弱振，4次強震，3次弱振，2次靜壓。

1.3 支承層與軌道板澆筑和養(yǎng)護

與高速鐵路支承層、軌道板標準規(guī)格保持一致，支承層采用C15混凝土，尺寸為長11.5 m×寬3.4 m×高0.265 m，軌道板采用C40混凝土，尺寸為長11.5 m×寬2.8 m×高0.26 m。

支承層與軌道板長度方向上超出路基填料范圍，兩側(cè)各搭接0.5 m;寬度方向上距路基填料范圍左邊緣1.9 m，距右邊緣1.1 m(相當于線間寬度的1/2)，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 高速鐵路路基掏挖試驗?zāi)Ｐ?單位：cm)

澆筑的支承層與軌道板混凝土由攪拌運輸車運送至試驗場地，按標準尺寸支模后，現(xiàn)場澆筑。用插入式振動棒進行振搗，以保證混凝土材料分布均勻，并被完全搗實。振搗時振動棒垂直插入，快入慢出，插點均勻，成行交錯式前進。振搗時不能碰松模板。支承層頂面兩側(cè)各0.3 m作抹平處理，中間區(qū)域作打毛處理?；炷翝仓瓿珊?，在支承層表面覆蓋薄膜保水養(yǎng)護?；炷两K凝后，揭開薄膜，覆蓋保水土工布，灑水，再在其上覆蓋薄膜，防止水分蒸發(fā)，保濕養(yǎng)生不少于7 d。支承層澆筑及其三維模型見圖4(a)。養(yǎng)護完成后，進行軌道板澆筑，澆筑、養(yǎng)護過程與支承層澆筑步驟相同。軌道板頂面作抹平處理。軌道板澆筑及其三維模型圖4(b)。

圖4 支承層與軌道板澆筑及其三維模型

2 高速鐵路路基填料掏挖設(shè)備研發(fā)

2.1 掏挖設(shè)備要求

高速鐵路路基填料掏挖屬于特種工程施工。掏挖設(shè)備應(yīng)滿足在受限空間內(nèi)移動的要求，實現(xiàn)對工作區(qū)域路基填料完整掏挖的目的。設(shè)備移動受到接觸網(wǎng)、線槽、接觸網(wǎng)桿、CPⅢ樁位置影響。試驗要求的設(shè)備工作區(qū)域如圖5所示。設(shè)備掏挖區(qū)域如圖6所示。

圖5 掏挖設(shè)備活動區(qū)域示意(單位：cm)

圖6 掏挖區(qū)域示意(單位：cm)

2.2 單孔掏挖設(shè)備

單孔掏挖設(shè)備全長1.7 m，寬0.6 m，高0.5 m，符合高速鐵路作業(yè)空間限制要求。其模型如圖7所示。該設(shè)備包括：①機架，機架上設(shè)有導(dǎo)柱；②設(shè)置在導(dǎo)柱上且能夠沿導(dǎo)柱運動的動力機構(gòu)；③安裝在機架上的第1鉆桿，第1鉆桿的前端安裝有鉆頭，后端與動力機構(gòu)的連接部形成可拆卸的驅(qū)動式連接；④用于推進鉆桿鉆進的液壓推進系統(tǒng)；⑤掏挖裝置，包括四根第2鉆桿，第2鉆桿構(gòu)造成能夠插入到第1鉆桿和動力機構(gòu)之間，以增加掏挖長度。

圖7 單孔掏挖設(shè)備模型示意

2.3 縱向連續(xù)掏挖設(shè)備

縱向連續(xù)掏挖設(shè)備全長3.5 m，寬0.5 m，高0.2 m，符合高速鐵路作業(yè)空間限制要求。掏挖設(shè)備模型如圖8所示。該設(shè)備包括：①掏挖裝置，掏挖裝置包括機架，在機架上安裝有用于掏挖的刀軸和出土機構(gòu)；②用于推進掏挖裝置以實現(xiàn)連續(xù)掏挖的行走機構(gòu)；③用于給掏挖裝置提供動力的柴油液壓動力機構(gòu)；④液壓控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)包括手柄操作臺。其中，掏挖裝置有2個的刀軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。出土機構(gòu)包括螺旋導(dǎo)桿，螺旋導(dǎo)桿與刀軸平行。

圖8 縱向連續(xù)掏挖設(shè)備模型示意

3 高速鐵路路基填料掏挖試驗

3.1 路基填料掏挖試驗方案

首先進行工作面開挖，工作面外邊界距支承層外側(cè)1.7 m，寬1.0 m，深度0.4 m。將單孔掏挖設(shè)備固定到開挖工作區(qū)域，進行單孔掏挖。然后移出單孔掏挖設(shè)備，在掏空區(qū)域安置縱向連續(xù)掏挖設(shè)備，作業(yè)的同時對掏空區(qū)域進行支撐，實現(xiàn)支承層下側(cè)連續(xù)掏挖，如圖9所示。

圖9 支承層下側(cè)掏挖及支撐示意(單位：cm)

3.2 路基填料掏挖試驗結(jié)果分析

1)一個完整掏孔作業(yè)大約需要50 min,掏孔效率高，可完全滿足高速鐵路特種工程作業(yè)需求。

2)縱向連續(xù)掏挖速率為1.2 m/h，約是人工開挖速率的10倍，效率高，成本低。

3)單孔掏挖設(shè)備存在加桿、換桿占用時間較長，縱向連續(xù)掏挖設(shè)備存在安裝較為麻煩等問題，可通過優(yōu)化設(shè)計及施工工藝進一步提高路基填料掏挖速率。

4 結(jié)論

1)配合使用研發(fā)的單孔掏挖設(shè)備和縱向連續(xù)掏挖設(shè)備可以實現(xiàn)對支承層下側(cè)路基填料的破碎及掏挖。

2)掏挖效率高，單孔掏挖設(shè)備約50 min即可貫穿支承層下側(cè)長3.4 m、直徑200 mm的圓孔；縱向連續(xù)掏挖速率為1.2 m/h。

3)本試驗掏挖工程量小，僅為人工掏挖的1/4；安全性好，無需工人進入作業(yè)面，避免了可能出現(xiàn)的人身安全問題；適應(yīng)性強，在特殊作業(yè)區(qū)域無法實現(xiàn)人工掏挖時，必須通過機械設(shè)備掏挖。

4)掏挖換填路基填料技術(shù)及裝備，可用于運營鐵路路基凍脹、沉降、上拱，路基翻漿冒泥等局部路基病害整治。

[1]中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室.國新辦舉行《中國交通運輸發(fā)展》白皮書發(fā)布會[OL].[2016-12-29].http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/33978/35738/index.htm.

[2]劉偉平.嚴寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹整治技術(shù)[J].鐵道建筑，2016,56(4):92-97.

[3]姚建平.運營高速鐵路路基基底注漿加固關(guān)鍵控制技術(shù)[J].鐵道建筑,2017,57(9):104-106,123.

[4]王沖,王起才,張戎令,等.無砟軌道高速鐵路路基上拱病害成因分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(12):252-256.

[5]高冬冬,袁雅賢.蘭新鐵路第二雙線鹽漬土地基溶陷病害治理研究[J].價值工程,2017,36(21):112-113.

[6]楊德宏.西安至延安高速鐵路沿線滑坡災(zāi)害及其防治對策分析[J].鐵道標準設(shè)計,2017,61(11):18-22.

[7]孫紅林.高速鐵路軟土路基地基處理與沉降控制探究[J].鐵道建筑技術(shù),2017(5):1-10.

[8]國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.