既有铁路路基路基基床病害类型、成因及整治方法

铁路路基病害主要类型、成因分析及整治方法铁路路基是为满足轨道铺设和运营条件而修筑的土工构筑物 ，与桥梁、隧道、涵洞和上部轨道结构一起构成铁道线路的整体。由于路基本体或路基附属设备在列车荷载的作用、自然营力的侵袭和各种不良地质条件以及人为因素的影响下，降低或破坏了原有的设计标准，出现了非正常的变形状态甚至导致其使用功能的丧失，铁路路基不可避免会发生程度不同的变形与病害，且在不间断运营的条件下，路基病害的出现往往是多种类型并存，并相互引发。病害的发生与发展必然以不同的形式削弱路基原有的强度并直接影响路基的稳定性，从而不同程度地威胁着铁路的行车安全。1.1 铁路路基病害主要类型既有铁路路基病害多种多样、病害程度轻重不一，为了较客观地认识各种病害的成因与规律，更好地采取相应的积极防治措施，通过对既有铁路产生路基病害的现场调查分析，对铁路路基病害仍沿用铁路系统的习惯分类，即按铁路路基结构的基本部位分为路基基床及本体、路桥（涵、隧）过渡段、路基边坡、路基基底及路基排水设施等五大类，按其病害特征可细分为18种类型。（1）基床下沉外挤：基床土被水浸湿软化，基床面下沉形成道砟囊，并越来越深，或软弱层发生剪切滑动，致使道床下沉、路肩隆起、边坡或侧沟外挤等现象。（2）基床翻浆冒泥：基床土体或风化岩被水浸蚀软化，在列车动力作用下液化成泥浆挤压冒出的现象。（3）路基过渡段病害：在既有线路基连接处路堤与桥台、路堤与横向结构物（路堤与路堑、路堑与隧道等连接路段），由于以往建设标准较低，未有设置过渡段的结构要求，因结构的特殊性引发的病害造成连接部位两端的刚度突变，与沉降不一致，导致轨面不平顺，影响线路结构的稳定。（4）边坡溜坍：黏土质土（如黄土质砂黏土、砂黏土、黏土等），干燥时易崩裂，长期阴雨或暴雨后，雨水沿裂隙下渗，使表层饱和，失去稳定造成溜坍；或倾斜及基岩面上有黏土质覆盖层，受地表水下渗或地下水影响，造成覆盖层沿基岩面溜坍。（5）边坡坍塌：一般发生在路堑中的某一部分，节理较发育，岩层较破碎，风化较严重，稳定性较差，路堑边坡坡度陡于其天然休止角，稍有外界影响（如与水等）就发生坍塌，坍塌前顶部先发生裂缝，当边坡坡度与天然休止角相适应时，可以稳定。（6）风化剥落：整个边坡基本稳定，但由于岩层本身易受风化（如绿泥生岩、页岩、千枚岩、云母生岩、滑石片等）作用时，风化碎屑向下滚落的现象。（7）坡面冲刷：较高的土质边坡或严重风化的软质岩边坡，坡面由于地表径流的冲蚀、冲刷作用，坡冲成鸡爪沟或冲坑等。（8）河岸冲刷：指在河滩或岸边的铁路路基，由于河流流向的天然演变，河岸和河床都经常地或周期性地受到水流冲刷作用，已危及或造成路基丧失稳定的现象。（9）水浸路基：指在滨河、河滩、海滩和水库、湖泊、水塘或洼地路段修建的铁路路基，因一侧或两侧边坡长年或季节性受水浸润，受到水位变化（包括浮力、渗透动水压力）的影响和水流、波浪的冲击作用下而威胁到路基的稳定性现象。（10）沙害：指风沙流的堆积、吹蚀(掏蚀)作用对铁路线路设备的破坏或流沙上道影响行车的现象。（11）雪害：指因降雪或积雪被风吹移至路基上堆积、埋没线路的现象称为雪害。（12）滑坡：一般系指山体滑坡，指在一定地形地质条件下，由于多年自然或人为因素的影响，引起山体内部平衡力的破坏，局部不稳定岩（土）体沿着山体内部某一软弱面或软弱带发生整体、缓慢或急速滑动的变形现象。对于路堤段，当坡体发生较深层滑动或沿倾斜基底滑动时，由于其成因和特性和山体滑坡有某些相似之处，也可列入本类。（13）崩塌落石：在地势陡峻、地质条件复杂的山坡上，因长期受风化浸蚀或其它外力的影响，岩体或土体突然脱离母体，在自重的作用下，发生急剧地向下倾倒、崩落。翻滚和跳跃等现象，称为崩塌；落石系指个别岩块从悬崖陡坡上突然坠落的现象。（14）泥石流：泥石流是由于降水、融雪、冰川运动而形成的含有大量泥、砂、石块的固体物质的来势凶猛和破坏性大的特殊洪流。（15）陷穴：指路基或附近地面突然塌陷成洞穴或凹陷的现象，如岩溶塌陷、黄土塌陷，矿区采空、古墓、古窖、窖洞、蚁穴以及由大气降水、过量抽取地下水诱发的路基突然塌陷、沉落。（16）冻害：指路基内的水在冻结或融沉时造成路基不均衡的冻胀或承载力不足的现象。（17）排水不良：指因地表或地下水系统的设备状态（如排水设备不足或损坏、堵塞等）不能满足过水需要的现象。（18）地基变形：主要包括以下三个方面：地基承载力不足：即在上部荷载的作用下地基承载力不能满足要求时，地基产生变形，建（构）筑物产生的水平位移及沉降超过相应的允许值。其中以不均匀沉降的危害性较大。地下渗流：在砂层地基（主要细砂、粉砂），由于地下水渗透流动，当地基的渗流量或水力比降超过允许值时，会发生潜蚀、管涌，使地基失稳，路基整体下沉。软弱地基：除了承载力不足之外，还由于地下水位下降引起软弱地基固结，造成路基沉降。上述统计的路基病害分类基本涵盖了目前既有铁路路基的病害类型，但尚有一些发生频率较低或对路基结构危害较轻的病害，如路基面宽度不足、路肩局部破损或未硬化等。由于铁路路基病害类型种类繁多，产生病害的成因、机理复杂多样，其中路基基床病害是路基病害发生频率高且直接影响到线路行车运营安全，为此本课题重点总结路基基床病害发生的成因、机理、表现形式、区域特点以及整治处理措施的设计方法、施工工艺、质量控制标准等。1.2 路基基床常见病害成因分析与治理路基基床常见的病害有基床下沉外挤、基床翻浆冒泥。1.2.1 基床下沉外挤基床下沉病害表现形态为沉落、道砟囊、道砟陷槽，多发生基床土中存在中、高塑性的黏性土（包括膨胀土）、淤泥、泥炭风化残积土等土或基床填筑密实度不足或运营条件改变（如动荷载影响加大）。当基床部位由于地表水的严重渗入或路堑地段由于地下水位较高，基床土处于经常饱和状态时，往往会导致基床土极度软化（Kv110-5cm/s，qu0.1MPa），基床在列车动荷载作用下发生下沉病害。另外，特殊土基床（如冻土、湿陷性黄土、盐渍土等），由于其土质的特性，在一定条件下极易发生道砟陷槽、基床沉落、沉陷变形等病害。基床外挤病害一般的表现形态分为隆起和挤出，在上述土质基床中，当软卧层厚度约0.41.5m，下有刚卧层或密实土层，当软卧层与刚卧层（密实土层）接触面有水侵入，或道砟囊（道砟陷槽）积水使软卧层处于饱和状态时，在列车动荷载作用下，即会在刚卧层上形成剪切滑动或塑性流动面，基床向一侧挤出并隆起的现象。当软弱层很薄（厚度小于0.5m），刚卧层接近水平时，可发生向两侧同时挤出。当软弱层厚度大于1.5m时，不易发生挤出，道砟囊（道砟陷槽）深度则根据土质条件继续发展。基床外挤地段，轨道会出现较严重的连续下沉或急剧下沉，几何状态难以保持；侧沟呈湿润状态或明显见地下水从沟边或沟底渗出，严重时为泥浆冒出。对于容易发生下沉外挤的软弱基床，常采用线路抬道、基床表层补强、基床表层换填、基床桩体加固与注浆等处理方法。1.2.2 基床翻浆冒泥既有铁路基床翻浆冒泥按基床土性可分为：土质基床翻浆冒泥、风化岩质基床翻浆冒泥和裂隙泉眼翻浆冒泥。多发生在基床排水不良或地下水发育地段，且基床土质为较密实的黏性土或风化严重的软质岩地段，病害的特征为软化层较薄，下卧层强度较高。基床翻浆冒泥必须同时具备有一定特征的基床土、水、动荷载等三个主要因素。其中基床土质不良是翻浆冒泥病害的主要内因；水（包括地表水和地下水）是重要诱发因素，尤其在降雨量大的南方地区；列车的动荷载的作用是主要外因。对于最易发生翻浆冒泥的土质基床均为新生代细粒（小于0.075mm的颗粒质量达50%以上）的沉积土层，矿物成分以伊利石、蒙脱石为主，干缩湿涨、亲水性强；对于岩质基床中多为沉积岩中的泥质岩（如泥岩、页岩、泥灰岩）、变质岩（如片岩、千枚岩）等，成岩作用差，节理发育，多含泥质矿物，故风化严重。由于地表排水不良或地下水发育，土质基床面湿化后其原有的物理力学性质将被破坏，基面土质软化或液化成泥浆，在通过列车的反复冲击、挤压作用下循环产生正、负弯矩，导致基床面强度降低和基面翻浆体挤入道床甚至翻出轨枕面；或软质岩石基床的裂隙（泉眼）在列车活载作用下沿岩层中的缝隙渗至基面，与基面风化物混合成泥浆。此外，基床的设计标准、施工质量、养修方法等也是不可忽视的影响因素。基床翻浆冒泥常用的加固方法有：线路抬道、基床面封闭、基床设置排水砂沟、基床表层换填、基床表层补强、基床桩体加固及注浆等方法。1.3 路基过渡段常见病害成因分析与治理路基过渡段主要包括路堤与桥台、路堤与横向结构物、路堤与路堑以及路堑与隧道的连接地段。既有铁路受以往建设标准较低基本未设过渡段，但因其所处结构部位的特殊性，一方面由于连接部位两端的刚度差别大而引起轨道刚度的突变，另一方面由于两端的沉降不一致，导致轨面不平顺，影响线路结构的稳定。在路堤与桥台的连接处，由于路堤填料和混凝土桥台的弹性模量与力学指标差别较大，且两者的地基基础沉降量亦不相同，动力特征的急剧变化容易导致桥台后路堤部位与桥梁部位的轨道出现不均匀沉降；若台后路堤遇软弱地基，则会在较长时间内持续缓慢的工后沉降，或出现路基深层滑动的破坏现象。路堤与横向结构物的连接处，由于铁路修建时横向结构物一般先于路基施工，故该部位的地基沉降先于路基部位地基的沉降完成；另横向结构物为刚性结构，上覆填土薄于路堤本体部位，故二者的刚度亦有差异，造成软硬不均。路堤与路堑的连接处，路堤端填料性质、规格及其压实标准、填土高度以及填筑施工质量等决定着其刚度与强度；路堑端系在土质或岩质山体中开挖形成的，路基面以下天然地基的工程地质和水文地质条件决定着其刚度与强度；且堤、堑本体多呈斜坡连接，因此连接处两端的强度存在一定差异，导致纵向刚度的不均匀变化。路堑与隧道的连接处，由柔性天然地基与刚性的混凝土基础相接，基床的刚度变化太大，易发生病害。路基连接处的病害整治，在列车运营条件的制约下，通常采用基床表层补强、表层换填或桩体加固；对基床底层及路基本体部位采用注浆、旋喷桩等处理方法以提高路基连接处的强度与刚度。4