大准铁路路基病害特征分析

摘 要：针对大准铁路路基病害问题，通过现场调查，获得了大准铁路路基病害类型为路基下沉和挤出变形，主要为路基下沉。同时，通过长期变形监测数据分析发现，大准铁路路基处于均匀下沉阶段，路基基本稳定，与现场调查结果一致。通过数值模拟分析，同时研究了路基病害演化机理。

关键词：铁路 路基 病害 变形监测 数值模拟

中图分类号：U216 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）11-0-02

引言

大准铁路隶属于神华准能公司，是我国煤炭系统企业自建自管专用铁路。大准铁路东起山西省大同市，西至内蒙古自治区鄂尔多斯市薛家湾镇，正线全长265.263km，初设发运量1500万t，改扩建后运量为4900万t，远景规划达1～1.5亿t。大准铁路所经过地区主要地形为丘陵与山岳，地质情况复杂，局部有软土与风积沙，同时水土流失严重。大准铁路存在大量的高填方路基，最高可达30m，在降雨、列车震动、冻融循环等因素的作用下出现了翻浆冒泥和下沉外挤等病害现象，严重威胁着铁路的安全运行[1]。

近年来，工程技术人员针对大准铁路路基问题开展了许多研究，如：孙书伟等[2]采用FLAC 3D软件讨论了列车荷载、填土压实系数等对大准铁路路基不均匀沉降的影响；董文瑞[3]结合大准铁路列车荷载大、运输车辆密集以及路基病害复杂等因素，研究了在不影响既有线正常运行的情况下治理路基病害的方法和工艺。但是，针对大准铁路路基病害问题，目前尚未有系统研究，已有的研究大多是针对某一具体工况点的病害和治理进行简单介绍或略作讨论。因此，本文以大准铁路全线的路基病害问题作为研究对象，以期深入认识相关问题，有效保障大准铁路安全运行。

一、大准铁路概况

大准铁路自大同枢纽大同东站起，向西经大同市、丰镇市、凉城县、和林格尔县、清水河县至准格尔旗薛家湾站，途径山西和内蒙古两省（区），是大秦线向西的延伸，属国家干线I级单线电气化铁路。

该铁路线路地区地貌类型多样，从地势较为平坦的丰镇平原开始，经凉城岱海盆地南缘至下脑亥的剥烛中低土石山区，从和林县的新店子沿浑河河谷进入黄土丘陵区，直到岔河口跨过黄河到达准格尔旗，平均海拔高度在1200～1500m之间。沿线水土流失现象普遍存在，水烛、风烛、重力侵蚀等类型共存。沿线地区属中温带亚干旱气候区，大陆性气候明显，冬季寒冷，夏季炎热，春秋多风，干旱少雨，但雨量集中在7月至8月，年平均降雨量410.7mm。本区主要构造运动方式为升降运动，水平运动次之，受地质构造影响较弱，无控制线路的断裂带。随着运输需求量的不断增加，准能公司对大准铁路进行了改扩建工程，大准铁路公司积极地采取了一系列安全保障措施，确保了铁路的正常运营，但是这些措施缺乏系统的研究和设计，不能从根本上解决问题。为了确保铁路运输的安全、顺畅，有效指导今后对铁路沿线的长效综合治理，有必要进行大准铁路路基病害相关研究，為大准铁路创造一个安全可靠的运输环境。

二、大准铁路路基病害现状调查与评价

根据中铁西北科学研究院探地雷达无损检测，大准铁路路基存在的病害有路基翻浆冒泥，路基下沉，路基挤出变形，路基冻害和路基深层陷穴、空洞等。对大准铁路存在冻害的软土潜在危害地基进行结构状况评估时，必须将环境状态与结构的响应信号结合分析，才能准确地反应结构的真实状况，同时获取感知春融和雨季期间软土路基列车重在作用下的路基土体内部动载变形特征对于分析此期间的路基病害特征和研究深层次力学具有重要意义。本次通过现场调研、资料收集等多种手段对大准铁路路基病害进行了调查分析，调查对象为全线典型地段的路基本体和基床。对现场41处典型地段进行调查发现，大准铁路路基病害的主要类型为路基面下沉（38处）和挤出变形（3处）等。

根据大准铁路实际情况，设定如下路基病害程度评价标准：

1）危险级（A）：工程地质条件很差，有多处和多种路基病害，严重影响列车运营；翻浆冒泥、下沉外挤、冻害、道砟陷槽等Gi指标（取值见表1）至少超过级别A对应限值其中的一项。

2）不健康级（B）：工程条件较差，有不良病害特征，对列车运营产生影响；翻浆冒泥、下沉外挤、冻害、道砟陷槽等Gi指标满足级别B对应限值其中的一项。

3）亚健康级（C）：工程条件较差，有不良病害特征，需采取相应措施，翻浆冒泥、下沉外挤、冻害、道砟陷槽等Gi指标满足级别C对应限值其中的一项。

4）健康级（D）：路基工程条件好，无不良病害特征，不需要采取防排水和处理措施，每公里里程内翻浆冒泥、下沉外挤、冻害、道砟陷槽等Gi指标均不超级别D对应限值。

同时，根据相关规范将常见的各类路基病害，按照相应的规则，将其划分为“极严重（Ⅰ）”、“严重（Ⅱ）”、“较重（Ⅲ）”、“中等（Ⅳ）”、“轻微（Ⅴ）”5个级别，相应划分标准见表2。

病害类型、等级所对应的权重值对应下表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级表示的安全隐患分级。

通过调查评价，大准铁路路基安全隐患等级汇总结果分为：危险级（A级）和不健康级（B级）路基调查点数量为0；亚健康级（C）路基数量为4处，其余为健康路基。对于亚健康级（C）路基应加强检查，进行正常维护；健康路基（D）对铁路的正常运营影响较少，甚至无影响，只需正常保养与巡检。

三、大准铁路长期变形特征分析

1.路基变形总体规律监测数据分析

从大准铁路典型断面路基沉降和测斜监测结果分析，路基变形以沉降为主，同时虽然沉降量不同，但特征及趋势基本一致，而且变形值基本稳定，这说明大准铁路路基处于稳定状态，这一点与前述对变形路基病害的调查基本一致。同时，根据路基沉降理论[4-6]，大准铁路目前阶段的路基沉降属于运营期的沉降变形。路基的工后沉降主要为不均匀沉降和均匀沉降，而影响列车运行舒适度和安全性的主要为不均匀沉降量，因此根据路基变形总体规律监测数据的分析，基本可以认为路基目前处于安全状态。

2.路基变形数值模拟分析

根据现场调查，大准铁路k36+050～500段病害情况具有一定普遍性，选取该段路基开展数值模拟分析，图1为工程地质断面图。数值模拟中假定道床材料线弹性，符合广义胡克定理；地基为理想弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb本构模型；模拟中采用均布荷载模拟列车荷载，均布荷载取值P0=225kPa，材料参数取值见表2。

1）竖直方向（Z向）位移分析

路基变形云图呈对称分布，最大沉降值在路基中心线附近并向两侧逐渐减小。通过对不同监测点竖直方向变形值的统计，列车荷载对路基竖直方向变形的影响深度为4m，即4m以下范围基本无影响。

2）水平方向（X向）位移分析

道床与路基下部发生不同方向的水平位移，在上部道床两侧变形方向均倾向于中心线方向，而在下部则两侧土体都产生了向临空方向的变形。通过对不同监测点水平方向变形值的统计，道床下部路基随着埋深的增加，路基水平位移呈先增大后减小的变形趋势，水平位移最大值在路基面以下1.6m位置，距离中心线约2m处水平位移最大值为6.90mm。整体而言，与路基下沉量相比，路基的水平位移不大，水平位移量在10mm以下，同时可以看到，列车荷载对于埋深3.5m以下路基水平位移影响不大。

3）应力分析

图2为路基小主应力云图，图中正值表示拉应力，负值表示压应力。由图可知，路基中的小主应力沿路基中心线呈对称分布，且产生了两个明显的应力集中区，在道床表面中心处，出现了集中的压应力区；在道床与基床的交界处，出现了集中的拉应力区，下部土层水平应力水平较低。

x图3为路基大主应力云图。由图可知，路基中的大主应力的沿路基中心线呈对称分布；横向上列车荷载作用区域的应力值较大，路肩处的应力值较小，出现了小部分的拉应力区域，这是路肩出现的开裂的可能因素；纵向上竖直应力随深度变化明显，距离荷载作用点越远，应力衰减越明显。

图4为路基内主应力张量分布图，图中蓝色线条表示压应力区域，红色线条表示拉应力区域。由图可知，列车荷载作用下，道床内大主应力方向以水平向为主，道床下部路基大主应力以竖向为主，且主应力向临空面方向产生了一定程度的偏转，埋深3.5m以下路基基本为原始应力场。由图11所示路基内塑性区分布图可以看出，道床底部产生了“倒三角”狀的塑性破坏区，表明列车荷载下道床底部区域内岩土体产生了塑性破坏。

4）病害演化过程

由竖直方向位移可以看出，路基在列车荷载作用下，中部下沉，路肩隆起，最大隆起发生在道床坡脚处，长期作用将会发生路肩隆起病害以及翻浆冒泥等安全隐患；由大主应力变化可以看出，横向上列车荷载作用区域的应力值较大，路肩处的应力值较小，出现了小部分的拉应力区域，这是路肩出现开裂的可能因素；由路基内塑性区分布图可以看出，道床底部产生了“倒三角”状的塑性破坏区，表明列车荷载下道床底部区域内岩土体产生了塑性破坏，解释了路基翻浆冒泥病害的发生机理。

4.总结及整治建议

1）本文通过数值模拟研究了大准铁路路基病害演化机理，总体来看，大准铁路路基变形包括沉降和水平挤出两种类型，以沉降为主，通过隐患分级确定其中4处为亚健康级，其余37处为健康路基，对铁路正常运营影响较少。根据长期变形监测数据的分析结果与现场调查基本一致，即大准铁路路基变形目前处于稳定状态。

2）经过前期病害调查得出结论，大准铁路路基病害较少，局部存在轻微的路基面下沉、挤出变形等，反映整体路基健康状态较好。路基的病害类型主要表现为挤出变形、翻浆冒泥、下沉和冻害等类型，整体表现原因为土质不良，压实密度不足、排水不畅等原因。当路基土壤墒情指标（温度、含水量）适合连续冻融发生条件，说明路基可能会发生冻害。下沉主要表现为路基面沉降指标的监测结果，深部变形主要表现为春夏季雨季冻土、软土路基的在列车通过时的变形变化。路基病害的治理办法有很多，如压力灌浆法、改良基床土质、土工合成材料加固和封闭基床等等，但不同铁路线路、同一线路的不同区段的路基填料不尽相同，产生路基病害的部位、原因不同，必须针对各种病害的特点采用切实可行的措施，否则，病害会重新出现或出现新的病害。路基病害的整治应从路基填料、防止水分侵入提高路基强度和刚度这几个方面入手，对于大准线亚健康级地段路基整治要针对各种病害的特点 ，采用切实可行的措施 ，也可以是多种方法的集合，针对大准铁路冻土区的特点，可采用换填，物理加固、化学加固、土工合成材料等方法对病害路基进行处理，其中换填法针对的是各种病害，但对列车的正常行车影响较大，其他方法除冻害类病害可以用于路基处理。各种方法具体处理措施如下。

①换填法

对于容易发生下沉外挤或深陷槽病害的软弱基床 ，可采用基床表层换填的整治方案。换填厚度视软弱层厚度而定 ，一般为 50～60cm。 病害一般地段换填料可为级配良好的碎石土或中粗砂 ，或在原基床土中掺入改良土壤工程性质材料后形成的改性土。

②灰土挤密桩加固法

灰土挤密桩加固法是在基础底面形成若干个桩孔，然后将在桩孔中分层回填2：8或3：7灰土夯实而成，以提高地基的承载力或水稳性，从而提高地基强度和增大地基变形模量。

③化学加固法

化学加固着眼于提高土体本身的工程性质。依据原土的物理及化学构成和工程条件的不同 ， 可以选用不同的加固材料和施工工艺 ， 使加固材料和原土发生完全或部分的混合 ， 产生一系列复杂的物理、 化学反应 ， 从而使土体的承载力、密实度和耐水性都得到较大提高[8 ]。

④土工合成材料法

土工合成材料具有原料丰富、质轻、强度高、抗变形模量大、耐腐蚀等优点 ，对基床水源多为大气降雨的病害 ，宜选用不透水的土工防水膜板 ，可防止水浸入基床土 [9 ]。

参考文献

[1]赵平平.从神华大准铁路运载现状谈煤炭重载运输[J].内蒙古科技与经济，2008（24）：19-20.

[2]孙书伟，闫亚涛，孙玉贵，赵甫.大准铁路填方路基不均匀沉降数值分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（07）：46-50.

[3]董文瑞.大准铁路路基病害整治技术研究[J].科技传播，2013，5（11）：145-146.

[4]吕玺琳，方航，张甲峰.循环交通荷载下软土路基长期沉降理论解[J].岩土力学，2016，37（S1）：435-440.

[5]杨婧. 路基沉降全方位监测方法与技术的研究[D].北京交通大学，2014.

[6]王丰胜.基于理论和实测的路基沉降混合预测方法[J].长安大学学报（自然科学版），2011，31（04）：34-38.

[7]彭华张鸿儒.基于铁路路基病害类型、 机理及检测与整治技术[J].工程地质学报，2005 /13 （02）20195205

[8]祝和权，杨殿文. 铁路路基病害整治及化学加固材料研究进展 [J].中国铁道科学，2000， 21 （2）：35～40

[9]刘林昌 ，王金玉. 土工合成材料在大秦线路基病害整治工程中 的应用 [J]

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