浅谈铁路路基病害原因及整治措施

浅谈铁路路基病害原因及整治措施原平分公司霍伟珺　摘要：对铁路路基中存在的病害进行了分类，分析了各种铁路路基病害发生的机理，介绍了路基病害的检测方法，指出明确各种路基病害的类型及形成机理，并进行准确的检测是预防铁路路基病害并进行有效治理的基础。关键词：铁路路基，病害，检测，整治路基是条带状结构工程，沿线经过的地质条件差别较大，填料也不均匀，而不少地区都存在膨胀土、红黏土、软岩风化残积土等各种工程性质不良的土，并且受到地理和气候环境常年变化影响，加之由于技术水平、经济条件以及施工机械设备方面的原因，我国的铁路路基设计通常采用较低的技术标准，施工质量往往要求不严，从而导致各种铁路基床病害成为一种分布广、治理难、多发性强的病害，加之近年来随着重载及提速列车的大量开行．路基内应力水平、分布状态和作用方式显著改变．由于既有铁路线路基设计承载力偏小，在列车提速后荷载引起的动应力之下，导致各种病害的产生，或使已存在的病害更加严重而严重影响着列车的安全运行。所以了解病害的类型及其发生机理，并对其进行实用的检测，对路基的防护和治理是非常重要。1铁路路基病害类型１.１铁路路基病害类型及原因分析铁路路基病害按表现形式可分为翻浆冒泥、路基下沉、挤出变形、边坡坍方、边坡冲刷、陷穴、滑坡、水侵路基、冻害等。1.1.1翻浆冒泥路基强度因含水过多而急剧下降，在行车作用下发生裂缝、鼓包、冒泥等现象，称之为翻浆。翻浆冒泥一般易发生于基床土质不符合要求的部位，特别是以细粒土作路基填料、风化石质作基床，降雨量大的路堤和路堑地段为病害多发地段一定条件的含粘粒、粉粒的基床表层土在和列车反复振动的作用下，发生软化或触变、液化，形成泥浆。列车通过时轨枕上下起伏使泥浆受挤压抽吸而通过道床孔隙向上翻冒，造成道碴脏污、板结进而使道床降低或丧失弹性。轨道几何尺寸变化．危及行车安全。翻浆冒泥分为土质基床翻浆、风化石质基床翻浆和裂隙泉眼翻浆。1.1.2路基下沉路基下沉主要是路基填筑密度不够和强度不足所致，表现形式有路基下沉、道碴囊等。填方路基下沉导致断面尺寸改变的病害现象，为路堤沉陷。由于路基土密实度不足或地基松软。在水、荷重、自重及振动作用下发生局部或较大面积的竖向变形。一般经过列车运行一段时间后。下沉会趋于缓解。但有时冈荷重增加或水的作用使沉降速率加大。局部下沉也会造成陷槽使线路不平顺。下沉分为基床下沉、堤体下沉和基底下沉１.1.3挤出变形表现形式有路肩隆起、侧沟被挤，路肩外挤和边缘外膨。主要是由于土体强度不足而产生的剪切破坏或塑性流动，基床内的土经常处于软塑状态，在基床内的影响深度较大，在列车荷载的作用下，基床上发生剪切破坏，发乍外挤变形。外挤是因为基床强度不足引起，外挤分为路肩隆起。１.1.４边坡坍方 坍方的表现形式有剥落、碎落、滑坍和崩坍。剥落、碎落、滑坍主要发生在路堑边坡。剥落是指边坡表层土壤，岩石风化成零碎薄片，从坡面上脱落下来的现象，剥落碎屑的堆积。会堵塞边沟，影响路基稳定。碎落是岩石碎块的一种剥落现象．落石产生的冲击力可使路基、路面遭到破坏，威胁行人及车辆的安全。崩坍是大量土石脱离坡面翻滚于边坡下部形成倒石堆或岩堆的现象。崩坍的土石方往往造成交通中断，也是危害最大的路基病害。崩坍的发生主要是路堑的开挖使原有自然坡面失去平衡所致。滑塌是指边坡上的大量土石沿着一定滑动面整体向下滑移的现象。1.1.4边坡冲刷边坡冲刷指较高大的土质路堑、路堤边坡、岸坡的路堤边坡）或严重风化的软质岩石边坡受到水流的冲蚀、冲刷作边坡冲刷用向形成冲沟或冲坑为边坡冲剧。边坡冲刷分为边坡淘刷和边坡冲沟。1.1.5陷穴陷穴指路基下及其附近存在洞穴，其坍塌可引起基床和道床突然沉落．轨道悬宅，中断行车，甚事造成列车颠覆。陷穴病害分为黄土陷穴、岩溶洞穴、盐蚀溶洞和墓穴兽洞等。1.1.6滑坡滑坡指影响路基稳定的土体滑动。分为边坡的深层滑动、路基滑移及山体滑坡。1.1.7水浸路基水浸路基指实际浸水超过设计水位的路基．被水浸或淹没，引起一定的沉降或局部坍塌，当路堤缺乏足够的防护和加固设备时，导致路基稳定性受到影响或破坏。1.1.8冻害冻害发生在寒冷地区，如路基土为透水性较差的细粒土，当含水量较高或基面积水，在冻结过程中，土中水重新分布和聚集形成冰块。又引起不均匀的冻胀现象。2铁路路基病害产生的机理路基病害的产生和发展与路基填料的工程性质、地表水与地下水、列车振动荷载、土的动力强度特性和温度及其变化有关。主要是路基填料、水、列车荷载和温度变化等各项因素综合作用的结果，各种因素之问又相互关联，铁路路基病害发生的原因非常复杂，并且每一种病害都有自己特殊的病理。但归纳起来主要有两个方面：病害的发生取决于特定的地质环境；病害的发生与相应的气候变化和列车振动荷载息息相关。前者是病害发生的内因。后者是病害发生的外因。对某一具体的线路来讲，其地质条件是客观存在，虽然它也在不断地发生变化，但基本上是一种较为稳定的量，因此，在一定程度上路基病害的发生频率和程度将取决于气象水文条件和列车长期重复振动荷载的影响，路基病害的产生和发展是各项因素综合作用的结果。观测表明，在列车轮轴荷载的重复作用下，路基的渐进破坏主要表现为过大的塑性变形，这种塑性变形累积到一定程度将会使路基填土产生塑性流动，并产生路基病害。研究表明：产生这些病害的原因在很大程度上依赖于路基土在循环荷载作用下的抗剪强度特性，而后者与土的饱和度密切相关。随着饱和度的增大，土的动强度将显著降低。处于轨道下方的路基土因反复受到挤压和固结而产生过大的累积塑性变形，从而形成所谓的道碴坑以及枕木下方的积水坑。尤其是在雨季，基床填土含水量达到饱和状态，动强度显著减小，从而使道床工作性能急剧下降，甚至会导致线路产生严重的不平顺而影响行车安全。3病害的预防与整治路基病害的预防和整治，应贯彻“预防为主、综合治理”的原则，首先弄清发生病害的原因，经过综合分析。因地制宜地采取整治的措施。3.1病害的预防病害预防包括以下内容：①资料包括线路的设计、施工资料及线路区域的气候、水文、工程地质等情况，并了解其变化规律，为防治病害提供第一手资料；②根据线路当前的状态及运营情况，应每3—5月进行一次线路普查，评估线路的安全状态，提前发现病害趋势并进行相应的处置。调查的方法除了传统的人工调查、轨检车检测外，铁道部目前正在推广铁路路基快速物探检测系统，检测深度达轨面下路基积水，保持路基面排水坡度。 3.2病害的整治路基病害的整治应从路基填料防止水侵入、提高路基强度和刚度入手，路基的整治流程：前期准备→总体方案→检测路基→细化方案→治理施工→效果评价处理路基病害基本按以下步骤进行。①需要检测路基病害，判断路基病害的类型、发生的部位及规模大小、严重程度；②对产生病害的主要原因进行分析：一般为填料、水分侵入、强度不足等方面的问题；③拟采取的措施：应采用技术上可行、经济上合理的治理方法。3.2.1基床翻浆冒泥、下沉外挤的防治基床翻浆冒泥、下沉外挤是路基本体变形而引起的病害。一般发生在基床为黏土类的路基地段，排水不良的路堑和站场比较多见。翻浆冒泥和基床下沉外挤病害，是基床变形不同阶段的表征，翻浆冒泥导致陷槽或碴囊基床下沉，陷槽或碴囊的发展使基床抗剪强度下降，导致路肩隆起或边坡外挤。基床翻浆冒泥引起的轨道不平顺，恶化了列车运行条件，但变形发展缓慢，对行车安全影响不大。而基床下沉外挤，则可能造成行车中断甚至列车颠覆，严重危及行车安全。病害成因基床排水不良承载力不足或受水浸承载力进一步下降的土质基床在列车荷载反复作用下，将逐渐形成基床翻浆冒泥下沉外挤的病害。水若源于降雨，翻浆冒泥表现为季节性，即雨季发生，旱季不发生；水若源于地下水，则翻浆冒泥表现为常年性，但雨季比较严重。基床土遇水承载力下降，原因比较复杂，如基床土为膨胀土未更换或改良；排水系统不完善；基床未作砂垫层或厚度不足；填土密实度未按规定控制；轨道状态不良；速度、轴重增加而轨道与之不相匹配等，都将使基床强度与行车条件不相匹配，以致产生基床病害。防治原则“预防为主，治早治小”。应在基床变形的初始阶段及早整治，不要到碴囊形成甚至下沉外挤再整治，这样做可事半功倍。防治措施应视病害性质，产生原因，地段长短及施工条件等情况，合理选择施工工艺，综合整治以求实效。①排水。适用于排水不良而导致的基床病害，如路堑和站场。疏通或修建防渗侧沟、天沟、排水沟等地表排水系统；修建堵截、导引、降低地下水位的盲沟、截水沟、侧沟下渗沟等排除地下水或降低地下水位系统。以消除或减小地表水和地下水对路基基床的侵害，使基床土经常保持疏干状态。②提高基床表层强度。适用于基床表层土承载力不足导致的基床病害，如裂土病害。防治措施一般采用换渗料土及换砂。换填深度应以满足承载力要求为原则。③使基面应力降低或均匀分布。④土工膜封闭层或无纺土工纤维渗滤层。这是近年广泛应用的防治基床病害的新工艺，它有隔离地表水、过滤基面水和均布基面应力等多种效用，常与换砂、砂垫层配合使用。作为隔断排水层的材料，它能渗水，又能隔断粘土细粒，具有足够的强度，又有延伸性，是整治基床病害的好材料，但这种材料造价较高，使用寿命尚有待测试。朔黄线K61+410～K61+500、K65+490～K65+850、K67+240～K67+315先后出现不同程度的下沉，采用铺设不透水土工布、修建防渗侧沟、天沟、排水沟等方法，取得了较好的效果，彻底解决了路基基床翻浆冒泥、下沉外挤等病害，消除了运输中的安全隐患。3.2.2路基陷穴的防治路基陷穴是路基下面隐伏的洞穴顶部塌陷引起的一种路基病害。塌陷有时能使轨道悬空，给行车安全带来严重后果，这些洞穴有三类，一是石灰岩地区的岩溶洞穴；二是黄土地区的黄土陷穴；三是人工遗留的洞穴，如古墓、古窖、古井、遗弃的坑道等。有些洞穴，修建铁路时未发现，或发现未作处理，有些黄土陷穴是在铁路建成后，因路基排水不良，水流集中潜蚀而成。形成原因：造成洞穴顶部塌陷的主要因素是水的作用和列车荷载作用。洞穴在水的侵蚀、潜蚀作用下和列车动荷载的反复作用下，洞顶的岩土结构逐渐遭到破坏，承载力也逐渐丧失，最终突然塌陷。预防措施：预防洞顶塌陷，必须预先弄清楚影响路基稳定范围内，隐伏洞穴的分布情况、形状大小、埋藏深度、顶部厚度、洞穴处工程地质和水文地质情况，以及洞穴的发展趋势等，而后采取工程措施，预防洞穴塌陷。 整治措施：陷穴发生后，首先应根据陷穴发生的部位、规模、对路基稳定性或行车安全的危害程度，进行评估，确定是否紧急处理。发生在轨道下面的陷穴，对行车安全危害较大，应采取紧急措施，如填实陷坑，整修线路，扣轨慢行，派人看守，情况危急时，应封锁线路。其次应做细致调查，查清塌陷洞穴的成因，形状大小，平面位置，埋藏深度，工程地质和水文地质特征及可能的发展趋势，为彻底整治提供依据。常用措施有：①开挖回填。如暂不危及行车安全，此措施应作为首选，它能确保质量，不留后患。③塌陷洞穴在轨道下方，无法开挖，可钻孔灌砂、灌注泥浆、砂浆或混凝土浆。④规模较大或与暗河相通的溶洞塌陷，可采用网格梁、地基梁、框架梁跨越，或其他类梁跨越等。无论采用何种措施，都要做好排水，尤其是黄土陷穴，排水设施有效、完善与否是整治成败的的关键。朔黄线2008年5月K69+320下行路堑塌陷，抢修拆除原浆砌护坡发现为人工洞穴坍塌所致，经现场调查及物探发现K69+305-K69+370段地面以下存在两处人工洞穴，洞穴埋深约11-12米，宽度4米，高度5米，两处洞穴充填不饱满。针对此类病害，原平分公司与设计院经过反复研究施工方案，在不影响运输安全的情况下采取了以下措施，解决了洞穴塌陷问题，：1、对以上两处洞穴采用浆砌片石填筑，注射水泥浆封堵洞口2、对K69+305-K69+370段路基旋喷桩注浆加固后再做基床封闭，在轨枕下40cm处铺设防水土工布。3、护坡塌陷部分夯实平整后，采用M7.5水泥砂浆砌筑。4、完善加固K69+305-K69+370处的浆砌水沟、天沟。·3.2.3路基冻害的防治路基冻害多发季节性冻土地区，地表土层一般冬季冻结，春季开始融化，夏季全部融化。这类地区的路基，在土、水、温度的共同影响下，路基面将发生不同程度的冻胀，春夏又发生融化下沉，使轨面高低、水平产生不均匀变形，严重地段往往伴生翻浆冒泥，道碴陷槽，基床外挤等病害。冻害发生在寒冷地区，如路基土为透水性较差的细粒土，当含水量较高或路基面积水，在冻结过程中。土中水重新分布和聚集形成冰块，又引起不均匀的冻胀现象。冻胀是由于路基下部的水向上集聚并冻结成冰所致，过大的冻胀可使柔性路面鼓包，开裂，使刚性路面错缝、折断，冻胀是翻浆过程的一个阶段同时也是一种单独的路基病害。 冻胀原因及影响因素由于土中的水在冻结过程中有向冻结锋面迁移的特征，并不断析出冰层，且体积增大这一物理力学现象造成。所以，冻结过程中土中水的迁移机理，是产生路基冻害的基本原因。影响因素：①温度的影响。当土层温度处于负温相转换区，且冻结速率较低时，土水中迁移最活跃，以致形成较大的冻胀。②土质的影响。由粒径大于0.1mm的粗颗粗组成的土质，无冻胀或冻胀较小，如砂、砾石、碎石等；由粒径小于0.1mm细颗粒组成的土质，如砂黏土、黏土等，有较大冻胀性，尤其是黏粒含量大于15，密度较小的粉粒土冻胀最强烈。③水分的影响。土的天然含水量越大，冻胀性也越大，特别是有地下水补给时，会发生强烈的冻胀。冻害的表现形态：①从轨面前后高低变形看，分为冻峰、冻谷、冻阶。②从轨面水平变形看，分为单股冻起、双股冻起、交错冻起。③从冻胀部位看，分为道床冻胀、基床表层冻胀、基床深层冻胀。④从冻起高度看，冻起高度小于25mm，为一般冻害，冻起高度25～50mm，为较大冻害，冻起高度大于50mm，称为大冻害。预防措施：①保持道床清洁，防止泥土混入，及时清除土垅，以利排水。②路肩和边坡保持平整，无坑洼、裂缝、防止积水下渗。③侧沟、天沟等地表排水设施及渗沟、暗沟等地下排水设施应保持工况完好，畅通无阻，防止或减少水对路基的补给。整治措施冻害发生后，首先应认真进行调查，弄清冻胀发生部位、形状、高度、起落及发展过程，弄清冻胀土层的性质被、结构及水文地质条件，以便分析冻胀产生的原因和变化规律，然后提出相应的整治措施。常用的整治措施有∶①修建减少路基基床含水量的排水设施。如修建具有抗冻防渗能力的地表排水设施，以防治因地表水节而引起的冻胀；修建渗沟、暗沟、截水沟等，截断、疏导地下水或降低地下水位，以防治因地下水补给而引起冻胀。②挖除冻害地段的基床土，换填无冻胀或冻胀很小的碎石、河沙、砂类土等。换土深度应主冻结试之下，换土宽度应包括路肩在内的整断面更换。③在基床表层铺设保温层，改善基床温度环境，使表层下的基床土不冻结或减小冻结深度。保温材料一般用炉渣，其导热系数小、，成本低廉，也可用石棉、泡沫聚苯乙烯板等保温材料。国外经验表明，用泥炭或冷压泥炭砖作保温材料，效果良好，使用时间长。湿度大的泥炭在水分冻结时，会释放大量潜热，能防止泥炭进一步冻结。④人工盐化基床土。用氯盐整治路基冻害，费工较多。效果虽明显，但有效时间短，一般只用于基床表层冻胀地段。选择上述措施时，应注意总体效果，考虑相互配合，以期达到根除冻害的目的。　　参考文献：[1]王永春.铁路路基病害的整治和预防[J].民营科技，2010（11）[2]杜攀峰，廖立坚，杨新安.铁路路基病害的智能识别[J].铁道学报，2010（3）[3]黄书华，谢达文.铁路路基病害整治技术[J].铁道建筑,2008，(9)[4]李旻.浅谈大准铁路路基病害整治[J];内蒙古科技与经济，2007（7X）