鐵路提速區段路基加固方法的研究

李 瑞 王新征

鐵路路基是為了滿足軌道鋪設和運營條件而修建的土工構筑物，是保證軌道線路平順和穩定的基礎，承受著列車和軌道的荷載，因此必須有足夠的強度、穩定性和耐久性。路基的好壞，將直接影響線路的行車安全及運輸能力。隨著提速范圍的擴大，列車行車速度的不斷提高，路基暴露出的問題也越來越嚴重。因此，對鐵路提速區段路基的加固已經成為鐵路部門必須面對的問題。

1 既有線提速后對路基的影響

長期以來，我國對鐵路路基的重視程度一直都不盡如人意，輕路基、重橋隧;輕軌下、重線上的舊觀念都沒有太多的改變，把路基的設計與施工看得過于簡單，不夠重視。由于受建設時期設計理論和施工技術的限制，加上所承受的超負荷的作用，既有線路基已經存在著相當數量、且相當嚴重的病害[1]。

隨著列車運量的增加和運行速度的提高，既有線路路基的病害工點、病害地段總長不斷增加，路基病害的程度也越來越嚴重。首先，提速后行車密度加大，維修作業時間相對減少，久而久之，路基病害加劇，影響行車安全。其次，由于行車速度的提高，列車對路基產生的動應力增加，使路基沉降明顯加大，導致線路狀況的迅速變壞，特別是原有的路基病害處，動應力加大致使病害加重。第三，在橋涵過渡段，由于橋臺與路堤的動靜剛度相差懸殊，列車通過時，橋臺與路堤之間就會出現變位差，雖然其數值很小，但因車速很高，會對軌道結構產生較大的沖擊，反過來軌道結構對列車也會產生沖擊，從而降低列車運行的平穩性、舒適度，加快結構物和車輛的損壞，引起過渡段路基的病害[2]。

2 提速路基(基床)加固技術現狀

2.1 既有線路基加固機理分析

列車提速以后，路基病害產生的原因是多方面的，但總的來說，其發生和發展主要取決于以下三個方面的因素[3]:基床土的工程性質;水對基床的作用形式和程度;動荷載的性質、大小和分布。對基床病害的整治必須根據具體條件，針對其關鍵因素確定工程措施，以達到整治基床病害的目的。

對既有線提速路基而言，受動應力影響最大的是基床表層，其病害多發生在基床表層0.5 m范圍內，路基以路面下0.5 m受動力影響較為劇烈，再向下應力縮減較快，至路面下1.0 m處，動應力影響已很小[4]?？梢哉J為:使基床表層強化、提高其強度，是解決大多數既有線路基病害的基本途徑。

2.2 既有線提速路基加固方法

目前常用的提速線路路基加固方法主要有:排水固結、樁土復合地基、基床換填、注漿、土工材料處理和化學加固等方法[5]。其中，樁土復合路基是既有鐵路病害路基加固的主要形式，它對大多數路基缺陷是合適的，又是一種對行車影響相對較小的加固方法，具有較好的推廣應用前景。

3 樁土復合路基設計方法研究

根據荷載傳遞機理的不同，樁土復合路基可分為三類，見表1。根據加固方式、樁型的不同，分別采用不同的設計計算方法。

表1 樁土復合路基分類

樁土復合路基設計包括復合路基形式的合理選用，復合路基置換率、加固深度以及增強強度等的合理組合及選用。當以提高路基承載力為目的時，首先要充分利用原有路基的承載力，然后通過調整樁體強度和置換率來滿足設計要求。當以減少路基沉降量為目的時，應以加深復合路基的加固區深度，減少軟弱下臥層的厚度來達到設計要求。

3.1 樁土復合路基承載力計算

復合路基承載力由兩部分組成，一部分是樁，另一部分是樁間土。樁體復合路基承載力計算思路是先分別確定樁體的承載力和樁間土承載力，再根據一定的原則疊加這兩部分承載力得到復合路基的承載力。

樁體復合路基的承載力pcf普遍表達式可用下式表示:

其中，ppf為單樁極限承載力;psf為天然路基極限承載力;k1為單樁承載力修正系數;k2為樁間土承載力修正系數;λ1為樁體極限強度發揮度;λ2為樁間土極限強度發揮度;m為復合路基置換率。

復合路基的容許承載力pcc計算式為:其中，k為安全系數。

3.2 樁土復合路基沉降計算

在荷載作用下，復合路基變形計算主要包括兩部分:復合路基加固區的變形S1;加固區下臥層的變形S2，則復合路基總沉降S表達式為:

其中，復合路基加固區的變形S1可用分層總和法計算，其表達式為:

其中，ΔPi為第i層復合土體附加應力增量;Hi為第i層復合土體的厚度;Ecsi為第i層復合土體的壓縮模量，其值為Ecsi=m?Ep+(1-m)?Esi，其中，Ep為樁體的壓縮模量，Esi為第i層土層底壓縮模量，m為置換率。

加固區下臥層的變形 S2，其表達式為:

在計算下臥層壓縮量時，作用在下臥層上的荷載是比較難以精確計算的。設計中采用壓力擴散法進行計算，參見圖1。

4 工程實例

京廣線孟廟—長臺關段為既有電氣化鐵路，提速后該段線路的旅客列車最高速度將提高至200 km/h，貨物列車速度提高至120 km/h。該段路基填料在改造前大部分為C組的粉質黏土，干密度在1.25 g/cm3～1.85 g/cm3范圍內，路基基床表層承載力為110 kPa～150 kPa，基床底層承載力為 120 kPa～ 160 kPa。根據《既有線提速200 km/h技術條件(試行)》的要求，既有路基基床表層的基本承載力應達到180 kPa，基床底層的基本承載力應達到150 kPa。由此可見，既有路基基床大部分不能滿足上述要求，需要進行加固處理。加固采用水泥土擠密樁進行加固，利用水泥土的高強度和成樁過程中的擠密作用達到提高路基基床承載力的作用。

水泥土擠密樁設計參數如下:

樁位布置:樁位沿線路縱向按軌枕間距布置，橫向按單線布置，自線路中心左右1.8 m范圍內均勻分布。

樁徑:套筒直徑0.24 m，成樁后樁徑大于0.26 mm。

樁長:根據不同地質條件及不同地段分別設計，基床表層承載力不足段，樁長按1.0 m設計;基床表層、底層承載力均不滿足要求的地段，樁長按3.0 m考慮。在路橋、路涵過渡段，按照橋涵兩側各20 m進行處理，樁數采用6根，樁長自路基面向下深度由2.5 m漸變至1.5 m，使剛度均勻過渡。

材料配合比:水泥∶石灰∶土為1∶3∶6，水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥。

施工方法:用機具在基床成孔，分層裝填水泥土，并用橄欖錘分層擊實，從而使樁體與樁間土擠壓密實，形成復合地基，達到提高基床承載力的目的。

成樁強度:成樁28 d后，樁的強度必須達到1 MPa。

試驗結果表明，在夯錘落距保持60 cm，填料虛鋪厚度為40 cm，擊數為35擊時，樁身干密度、28 d無側限抗壓強度、承載力均達到了設計要求，鐵路基床經水泥土擠密樁加固施工后，經1年多的運行和沉降、位移監測，不但無翻漿、積水和下沉、移位等現象發生，而且基床也很穩定、堅固，達到了運營速度至200 km/h的運營目標。

5 結語

用樁體加固路基基床，不影響線路的縱斷面狀態，工作量遠遠少于換填基床的方法，同時，可利用列車間隔時間靈活作業，減少了對正線運營的干擾，能有效的提高路基的承載力，因而具有一定的優越性。

[1] 鐵道部工務局線路處.路基狀態年報匯總[Z].2003.

[2] 韓自力.既有線提速路基的對策研究[J].中國鐵道科學，2002，23(2):53-58.

[3] 周錫九.鐵路路基基床病害及其產生機理分析[J].北方交通大學學報，1994，18(1):95-96.

[4] 羊關懷，王炳龍，方衛民.土工格室整治浙贛線路基基床病害的試驗研究報告[R].杭州鐵路分局工務段，同濟大學滬西校區巖土工程研究所，1999.

[5] 鐵運[1999]146號部令，鐵路路基大修維修規則[S].