郭瀏卉，陳 鋒，李中國(guó)，程愛(ài)君，王鵬程，堯俊凱

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

自2008年我國(guó)首條高速鐵路京津城際鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，截至2017年12月底，我國(guó)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已超過(guò)2.5萬(wàn)km，占世界高速鐵路總里程的66.3%。為掌握高速鐵路路基服役情況，系統(tǒng)分析高速鐵路路基典型病害及整治措施，了解高速鐵路路基檢查維修現(xiàn)狀，對(duì)分布于東北嚴(yán)寒地區(qū)、西北干旱風(fēng)沙地區(qū)、南方溫暖潮濕地區(qū)等高速鐵路線路開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研工作。

1 高速鐵路路基服役現(xiàn)狀

調(diào)研范圍內(nèi)線路的總長(zhǎng)為 9 096.11 km，其中路基總長(zhǎng)為 3 204.309 km，占比35.23%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表1)顯示，路基整體運(yùn)營(yíng)情況良好，發(fā)生過(guò)病害的長(zhǎng)度占路基總長(zhǎng)的6.51%。高速鐵路路基主要病害為路基沉降，占路基病害總數(shù)的29.55%。此外，排水不良也是路基的主要問(wèn)題，占比達(dá)27.20%。其他的主要病害包括支擋防護(hù)損壞及鋼化，封閉層破損、翻漿冒泥、邊坡溜塌等[1]。個(gè)別地域存在凍害、上拱、危巖等問(wèn)題。

1.1 有砟軌道

調(diào)研區(qū)段內(nèi)有砟軌道路基總長(zhǎng) 1 246.391 km，其中病害總長(zhǎng)50.087 km，占比4.02%。有砟軌道路基病害情況見(jiàn)表2?？梢?jiàn),路基沉降是最主要的病害，占病害總長(zhǎng)的56.47%，其次是路基排水不良和邊坡溜坍病害，分別占病害總長(zhǎng)的15.52%和14.27%。

表1 調(diào)研區(qū)段路基病害情況

表2 有砟軌道路基病害情況

1.2 無(wú)砟軌道

無(wú)砟軌道路基總長(zhǎng) 1 693.618 km，其中病害總長(zhǎng)141.450 km，占比8.35%。無(wú)砟軌道路基病害情況見(jiàn)表3。可見(jiàn)，路基排水不良、支擋防護(hù)損壞及風(fēng)化、路基沉降、封閉層破壞對(duì)無(wú)砟軌道有較大影響，占比分別為31.27%，24.21%，19.98%，10.84%。

表3 無(wú)砟軌道路基病害情況

2 高速鐵路路基典型病害分析及整治措施

2.1 路基結(jié)構(gòu)

2.1.1 路基沉降

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，路基病害中出現(xiàn)沉降病害的總里程為58.498 km，占所有病害的29.55%，是主要病害。其中地基部分最易發(fā)生沉降，對(duì)該部分的病害預(yù)防須著重考慮。沉降路段路基類型和路堤沉降病害部位分別見(jiàn)表4和表5。

表4 沉降路段路基類型

表5 路堤沉降病害部位

鐵路路基沉降是由多種因素共同作用導(dǎo)致的，主要成因如下：

1)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)情況及特殊土質(zhì)，勘察和設(shè)計(jì)的難度較大，存在勘察誤差及地基加固設(shè)計(jì)選用不當(dāng)?shù)膯?wèn)題[2]，進(jìn)而引發(fā)了沉降。

2)路基排水系統(tǒng)在連續(xù)的強(qiáng)降雨條件下無(wú)法滿足需求，微地貌積水導(dǎo)致路基土體物理性質(zhì)變化，進(jìn)而產(chǎn)生較大的沉降。

3)路基周?chē)叵滤某槿?、挖填方等人類活?dòng)有可能造成路基沉降。

因地下水徑流改變導(dǎo)致的沉降病害，在路基沉降部位可通過(guò)注漿、設(shè)置加強(qiáng)體等措施進(jìn)行加固。當(dāng)沉降較大，軌道不能滿足平順性要求時(shí)，可以進(jìn)行軌道抬升修復(fù)。

2.1.2 路基凍害

在我國(guó)的西北部和東北部季節(jié)性凍土區(qū)域，鐵路的凍害比較普遍。目前已建的寒區(qū)高速鐵路包括哈大、盤(pán)營(yíng)、沈丹、哈齊、蘭新、哈佳、哈牡、京沈等，總里程超過(guò) 7 000 km[3]。針對(duì)寒區(qū)氣候條件的高速鐵路采取了一定防凍措施，但路基凍融問(wèn)題依然存在。多年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，高速鐵路路基填料凍脹發(fā)展變化過(guò)程可劃分為凍脹初始波動(dòng)、凍脹快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動(dòng)融沉、融沉穩(wěn)定5個(gè)發(fā)展階段[4]。引起路基凍害的具體原因如下：

1)夏、秋季降雨量大于蒸發(fā)量時(shí)，降雨結(jié)束后即進(jìn)入冬季，雨水滲至路基本體來(lái)不及蒸發(fā)，造成了路基凍脹。

2)部分沉積性黃土地區(qū)，路基基床多為原狀土，具有保水性、濕陷性、節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)。路基填挖結(jié)合部成為滲水通道，其附近土體含水量大，密實(shí)度低，造成雨季下沉、冬季凍脹。

3)由于在冬季路基凍結(jié)過(guò)程中，涵洞路基在路基面和涵洞底部雙向凍結(jié)，其凍結(jié)深度較一般路基更大。同時(shí)，路基底部填料細(xì)顆粒含量、含水量均較高，導(dǎo)致凍脹量較大[5]。

4)在季節(jié)性凍土區(qū)域，由于防排水設(shè)施不足、損壞等因素(如電纜槽和路肩防排水不通、封閉層嵌縫措施失效等)導(dǎo)致水分滲入路基，引起路基中含水量不均勻，在冬季產(chǎn)生路基不均勻凍脹。

5)由于路塹地下水位高，在施工時(shí)改變了地形地貌及徑流條件，導(dǎo)致局部積水，遇冷引起凍脹。

目前，對(duì)路基凍脹的整治措施有扣件調(diào)整、嵌縫修補(bǔ)、封閉層修復(fù)、盲溝等疏排水技術(shù)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從凍害形成的根本原因出發(fā)，合理選擇一種或多種整治措施，才能真正達(dá)到消除凍害的目的。

2.1.3 路基上拱

通過(guò)對(duì)路基上拱病害區(qū)域的分析發(fā)現(xiàn)，路基上拱在路堤、路塹、過(guò)渡段區(qū)段均有發(fā)生，其中在路塹和過(guò)渡段發(fā)生較多。原因是：①膨脹土(巖)蒙脫石類親水性礦物吸水膨脹，包括泥巖膨脹，多發(fā)生在低矮路堤及路塹段。②化學(xué)改良土中摻加的拌和料，因水化或其他化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致體積膨脹。

路基上拱的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期漸進(jìn)的過(guò)程，而水分是引起路基上拱的重要原因。根據(jù)上拱量的大小及變化情況采取相應(yīng)的維護(hù)、控制與整治措施。維護(hù)措施按照相關(guān)維修標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行順坡調(diào)整即可；控制措施包括修補(bǔ)路基封閉層，設(shè)置泄水孔、隔水墻、滲溝等；整治措施包括切割減薄支承層[6]、基床置換落道等。

2.1.4 路基翻漿冒泥

調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥多數(shù)發(fā)生在無(wú)砟軌道底座伸縮縫兩端5 m范圍內(nèi)，鋪設(shè)框架軌道板地段較為嚴(yán)重，路肩上流淌或堆有泥漿。上下行外側(cè)、兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現(xiàn)象，嚴(yán)重處滲出物達(dá)10～50 mm厚，個(gè)別處泥滲物被抽吸至軌道板表面道心。

路基翻漿病害的具體成因如下：

1)離縫的成因主要有2方面，內(nèi)因是底座板混凝土內(nèi)部的裂紋、層間耦合、約束不強(qiáng)等結(jié)構(gòu)本身的缺陷，以及底座板施工時(shí)下底面不平順等。外因是列車(chē)荷載、溫度荷載等外部作用引起底座板的應(yīng)力及變形較大。

2)部分線路的伸縮縫僅用膠合板塞縫，未形成有效封閉。因此，當(dāng)溫度下降時(shí)混凝土收縮，膠合板間出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致雨水從縫隙滲入級(jí)配碎石層中；路肩的混凝土封閉層也發(fā)生收縮，在封閉層與底座板間產(chǎn)生裂隙，為雨水下滲提供了通道。此外，路肩上混凝土封閉層比級(jí)配碎石層高3～5 cm，形成了一道自然攔水槽，使匯集于級(jí)配碎石層的雨水無(wú)法排出，在級(jí)配碎石層表層形成了一個(gè)水囊。

3)對(duì)于無(wú)砟軌道，如果有水分從外界滲入且無(wú)良好的排水通道，水分將滯留于軌道板與基床表層之間，最終引起翻漿。

CRTSⅠ型無(wú)砟軌道底座與基床頂面間翻漿吊空地段采用填充、疏排、封堵的綜合整治方案進(jìn)行處理。

2.2 邊坡

本次調(diào)研范圍高速鐵路線路主要出現(xiàn)的邊坡病害具體如下：

1)坡面防護(hù)病害

主要原因是坡面沖刷導(dǎo)致的骨架破壞，以及植被生長(zhǎng)緩慢或枯萎降低了坡面的整體穩(wěn)定性及美觀性。

2)坡面局部坍塌及溜塌

此病害規(guī)模較小，對(duì)線路影響也較小，多發(fā)于西部黃土地區(qū)。

3)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

原因是防護(hù)結(jié)構(gòu)與坡面接觸面較小，防護(hù)結(jié)構(gòu)底端支撐不足，導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)沿坡面下滑。

4)邊坡排水設(shè)施破壞

當(dāng)排水設(shè)備置于軟弱或松散基礎(chǔ)之上時(shí)，基礎(chǔ)沉降或沖刷容易導(dǎo)致截排水溝開(kāi)裂甚至損壞，溝內(nèi)水滲漏造成排水設(shè)施進(jìn)一步惡化。

5)危巖崩塌落石

落石具有突發(fā)性及不可預(yù)測(cè)性，當(dāng)其在較高的位置自上而下滾落，將以較高的速度和較大的能量撞擊地面，造成路面損壞，危及行車(chē)安全，是山區(qū)高速鐵路的主要病害。

經(jīng)調(diào)研分析可知，邊坡病害主要成因如下：

1)我國(guó)秦嶺—淮河以南地區(qū)，高溫多雨，地層風(fēng)化深度大，邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生災(zāi)害的概率較高。尤其在降雨集中的季節(jié)，坡面坍塌等病害相對(duì)較多。

2)邊坡的防護(hù)形式及植被類型不適用，容易造成邊坡坍塌。

3)由于邊坡防護(hù)檢查內(nèi)容多，在線路維修任務(wù)繁重時(shí)，排水設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易引起邊坡病害惡化。

4)對(duì)于一些地形地勢(shì)復(fù)雜的地區(qū)，勘察難度大，存在部分潛在病害，尤其是危巖及崩塌的勘察及評(píng)估，需要工作人員具有一定的邊坡及地質(zhì)方面的經(jīng)驗(yàn)，并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查才能做出正確判斷[7]。

坡面防護(hù)可通過(guò)錨桿框架以及增設(shè)水溝的方式進(jìn)行整治。危巖落石的整治措施主要有主、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，嵌補(bǔ)，支頂，錨索錨固等。

2.3 路基防排水系統(tǒng)

高速鐵路路基防排水問(wèn)題是最常見(jiàn)的路基病害之一，本次調(diào)研中，各路段普遍出現(xiàn)排水不良病害，病害工點(diǎn)數(shù)量多。防排水病害情況見(jiàn)表6。

表6 防排水病害情況

高速鐵路路基防排水問(wèn)題成因如下：

1)軟土地區(qū)地基不均勻沉降、寒冷地區(qū)凍脹、洪澇災(zāi)害等氣候及地質(zhì)條件不良，均易造成防排水設(shè)備損壞。

2)排水系統(tǒng)不完善。如排水溝坡度過(guò)緩和順坡不良引起的溝內(nèi)淤積、阻塞；天溝、截水溝、側(cè)溝、路堤排水溝、橋涵等排水系統(tǒng)的匯流、銜接不良，導(dǎo)致排水溝未能暢通連接至出水口；局部缺少、甚至沒(méi)有排水設(shè)施，如雨水漫流沖刷護(hù)坡時(shí)路塹防護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)天溝。

3)排水溝多為圬工材料，強(qiáng)度低，易出現(xiàn)裂縫漏水。當(dāng)鋪砌水溝溝底原土夯實(shí)質(zhì)量不高時(shí)，土體發(fā)生的不均勻變形易導(dǎo)致排水溝開(kāi)裂破壞。此外，當(dāng)拼接處勾縫質(zhì)量較差時(shí)，溝內(nèi)匯流易沿縫隙滲入溝底，造成水溝下沉開(kāi)裂。

4)排水溝局部損害漏水未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并檢修，導(dǎo)致病害范圍擴(kuò)大。當(dāng)水溝兩側(cè)未整平時(shí)，若不能及時(shí)清除雜草及雜物，水溝內(nèi)雜草生長(zhǎng)，淤泥淤積會(huì)導(dǎo)致排水不良。

5)路基封閉層由于溫度升高引發(fā)表面破損，封閉層薄弱部位開(kāi)裂并向上拱起，導(dǎo)致路基封閉層損壞、防排水功能失效，當(dāng)雨水浸入路基本體時(shí)引發(fā)路基病害。此外，封閉層伸縮縫材料老化、脫落，也會(huì)導(dǎo)致路基封閉層損壞。

防排水結(jié)構(gòu)主要通過(guò)養(yǎng)護(hù)維修或整體返修的方式進(jìn)行整治。路基排水設(shè)施應(yīng)定期檢查，堅(jiān)持防洪隱患和各類安全隱患的排查，及時(shí)解決防排水系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)維修中出現(xiàn)的問(wèn)題，如清除溝側(cè)及溝內(nèi)的淤泥、雜草、雜物，保持水溝的整潔通暢。

3 高速鐵路路基檢修現(xiàn)狀

TG/GW 120—2015《高速鐵路路基修理規(guī)則》中規(guī)定，路基修理分為路基維修和路基大修。高速鐵路路基檢查類型包括：周期性檢查、日常檢查、汛期檢查以及專項(xiàng)檢查、變形監(jiān)測(cè)等[8]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)鐵路路基檢查維修工作目前存在以下問(wèn)題：

1)人員配備不足

各運(yùn)維單位普遍存在人員配備不足的問(wèn)題，尤其是地域特殊的鐵路，如山區(qū)、強(qiáng)降雨及高堤深塹地區(qū)。隨著路基設(shè)備運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)及養(yǎng)護(hù)維修問(wèn)題的積累，檢查和整修的工作量會(huì)成倍地增長(zhǎng)。

2)檢查條件及機(jī)具有限

由于高速鐵路為全封閉式管理，日間嚴(yán)禁進(jìn)入柵欄檢查設(shè)備，導(dǎo)致日間檢查可視范圍受限。而夜間照明設(shè)備視野有限，天窗時(shí)間短，檢查效率較低，對(duì)于高堤深塹路段來(lái)說(shuō)，檢查難度更大。

3)缺少有效的檢查及維修手段

南方多雨地區(qū)邊坡樹(shù)木茂盛、草木過(guò)密，檢查進(jìn)度緩慢，難度很大。此外，長(zhǎng)大路塹漿砌片石護(hù)坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部空洞問(wèn)題的檢查比較困難，目前主要采取人工敲擊檢查的方式。檢查人員高空作業(yè)較危險(xiǎn)，需要更科學(xué)有效的檢查方法。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)調(diào)研范圍內(nèi)的高速鐵路路基整體服役狀態(tài)良好，主要病害為路基沉降、排水不良。凍害、危巖崩塌落石等病害有明顯的地域性。

2)高速鐵路路基病害主要由地質(zhì)條件、環(huán)境因素、自然災(zāi)害等因素導(dǎo)致。路基凍害及上拱原因較多且復(fù)雜，初期變形速率較大而且具有一定的突發(fā)性，水是主要影響因素。為保障行車(chē)安全，重點(diǎn)地段須進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)查明原因并整治。

3)關(guān)于病害整治，在路基沉降方面，采用注漿加固及抬升的方法能有效解決路基沉降問(wèn)題。 對(duì)于凍脹問(wèn)題，整治措施有扣件調(diào)整、嵌縫修補(bǔ)、封閉層修復(fù)、設(shè)置盲溝疏排水等技術(shù)。對(duì)于防排水系統(tǒng)，根據(jù)養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)注意排水溝的除草、清淤、疏通等工作，加強(qiáng)邊坡防護(hù)以減少溝內(nèi)淤泥。在對(duì)損壞的既有水溝恢復(fù)重建時(shí)，可采用強(qiáng)度較高的片石或混凝土，從而增強(qiáng)排水溝強(qiáng)度。

4.2 建議

1)在設(shè)計(jì)施工方面，對(duì)線路產(chǎn)生潛在影響的特殊土和特殊環(huán)境地段，在勘察設(shè)計(jì)和施工階段應(yīng)給予足夠的重視，加強(qiáng)路基變形設(shè)計(jì)和施工控制，優(yōu)化防排水結(jié)構(gòu)。

2)在路基檢查方面，建議針對(duì)路基養(yǎng)護(hù)維修困難的地域，細(xì)化養(yǎng)護(hù)維修制度，進(jìn)一步明確檢查項(xiàng)目及相應(yīng)的檢查周期。更新及完善上道檢查使用的機(jī)具，提高路基養(yǎng)護(hù)的效率。在高陡邊坡增加路塹邊坡和山體檢查通道。建議作業(yè)通道的寬度不小于1.5 m，以保證安全作業(yè)。

3)在養(yǎng)護(hù)維修方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)路基養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究，明確不同路基病害的檢查維護(hù)措施及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于路基凍害、上拱等成因復(fù)雜的病害，應(yīng)預(yù)防與整治相結(jié)合，合理選擇整治措施。