提速条件下兰新铁路乌奎段路基沉降整治技术

贾海锋 程佳 赵相卿 王兴

1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730099；2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木 816099

兰新铁路乌鲁木齐至奎屯段最早为单线铁路，2009 年增建为二线工程并进行了几次提速，运行速度由原来的80 km/h 增加到2016 年的140 km/h（乌西—石河子段）和160 km/h（石河子—奎屯段）［1］。提速运营过程中维修养护单位发现该段线路路基冻害和沉降病害发展迅速，对路基结构稳定性产生严重影响，进而影响行车安全，需开展相关病害研究。

对于西北地区的路基病害研究，主要集中在两个方面：①兰新高速铁路区段，该段冻害主要发生在门源至浩门、浩门—大梁区等区间，病害地段多为低矮路堤、零断面换填路基及浅路堑、涵路过渡段。主要开展了路基填料冻胀性研究，措施以道面封闭和排水、保温为主［2-7］。②兰新铁路兰州局管段，病害主要发生在大青阳口—尖山区间，提出的措施主要包括道床清筛、土工膜封闭、排水疏干、软式透水管等［8-13］。

对兰新铁路乌奎段路基病害问题，主要集中在路基换填和冻害防治方面［1，14-16］，对路基沉降病害整治研究尚不全面。本文结合兰新铁路西段路基改造工程，通过室内试验和现场试验工程，对兰新线乌奎段路基沉降病害的分布特征、形成原因、整治措施进行系统研究，提出了符合实际情况的合理整治技术。

1 沉降病害分布特征及等级划分

1.1 沉降病害分布特征

路基沉降病害统计数据见表1。可知，路基沉降病害主要分布于K2164+850—K2168+500 区间，分布段落共11 段，总长度为1 370 m，最小沉降为40 mm，最大沉降为150 mm。

表1 兰新铁路乌奎段路基沉降病害统计

将病害数量和分布长度按不同路基高度进行统计。沉降病害主要发生在路基高度1.5 m 以上，共有9 处，长度1 020 m；路基高度1.5 m 以下仅有2 处，长度350 m。

将病害数量和分布长度按不同路基结构形式进行统计。沉降病害主要发生在路涵过渡段，共有6处，分布长度770 m。

1.2 沉降病害等级划分

铁总工电〔2019〕34 号《普速铁路线路修理规则》对需要维修的沉降变形规定为3～5 mm，而兰新铁路乌奎段沿线沉降病害变形在40～150 mm，远大于规范规定数值。因此，需要对沉降病害等级进行重新划分。

铁运〔2006〕146号《铁路线路修理规则》第4.13.4条，对冻害垫板作业有以下规定：

对于混凝土枕线路病害地段，变形小于15 mm 时可用调高垫板整修；变形15 mm 以上时需采用专用扣件；变形25 mm 以上时，需用中型、大型或通长垫板。对于木枕线路病害地段，变形小于15 mm 地段，可调节顺垫板整修；大于15 mm 时需采用小型或中型垫板；大于30 mm以上时，需更换安全道钉。

因此，根据路基沉降提出病害等级划分，见表2。以此划分标准结合调查数据分析，兰新铁路乌奎段11处路基沉降病害均属于严重沉降，对线路运营安全影响极大。

表2 基于行车安全评价条件下的路基沉降病害等级划分 mm

2 沉降病害原因分析

2.1 病害地段路基密实情况

1）承载力特征

为研究病害路段路基土体的承载力，选取2 处病害路段和1 处非病害路段进行静探试验，结果见表3，以对承载力进行验算。可知，相对非病害路段，病害路段的路基填料承载力相对较低，可能存在路基填料压实度不够的问题。

表3 不同位置路基承载力特征值

2）压实度特征

根据静探试验结果，现场选取了19处路基填料进行压实度分析，试验结果见表4。可知，上行路基压实系数不足0.9 的占50%，下行路基压实系数不足0.9的占100%，最低甚至只有0.78，可见大部分病害路段存在路基压实度不足问题。压实度不足加上铁路提速带来的动荷载作用引起路基沉降［17］。

表4 不同位置路基平均压实系数统计

3）地基系数K30指标

选取病害路段试验采用K30平板荷载试验仪分A、B 组工况进行了试验。A 组试验工况为对道心处路基表面进行试验，B 组试验工况为对轨道处路基表面进行试验。A、B工况下病害路基K30分别为47、76 MPa。

根据试验结果，无论是道心处路基表面，还是轨道处路基表面，其地基系数均小于90 MPa/m，不满足TB 10001—2016《铁路路基设计规范》要求。

2.2 病害地段路基、地基土体性质

取病害地段路基、地基土体进行颗粒成分分析。下行线路基、上行线路基底部及地基主要为低液限粉土、粉质黏土，属于C 类填料，塑限为13.4%～17.6%；上行线路基基床表层为砂砾土，属于级配不良的B 类填料。

通过对病害地段路基、地基土体进行天然含水率测试（表5），分析地基及路基不同位置和深度土体含水率，从而确定路基沉降与土体含水率的关系。

表5 不同位置土体含水率

由表5 可知：①路基和地基中的砂砾土含水率均比较低，最高为7.2%，较为干燥。②路基填料中的粉土、粉质黏土含水率较高，最大可达21.0%，大部分均大于15.0%，达到了塑限范围。高含水率会导致路基土体承载力下降，进而产生沉降。同时，由于地处季节冻土区，高含水率土体在反复冻融作用下会产生更大沉降。③地基土体中的粉土、粉质黏土含水率整体偏低，约为10.0%，最高达到17.7%，说明局部地段地势低洼，产生了汇水现象，使得地基粉土、粉质黏土含水率高，也会引起路基沉降。

3 沉降病害整治措施

根据现场情况，选择沉降病害严重的K2168+240—K2168+420 段为整治试验段。主要整治措施包括侧限框架、锚定加筋、注浆加固、旋喷桩和水平钢管桩，不同措施又考虑了不同的间距。整治措施于2016年底实施，随后进行了3 年的变形监测。具体整治措施、效果及造价见表6，以10 m 为单位，进行整治措施经济性（投资概算）对比。

表6 路基沉降病害试验段整治措施、效果及造价

由表6 可知：①与未设置措施前的2016 年路基沉降相比，监测期内各项措施下沉降明显降低，均降至12 mm 以下，将各措施按沉降病害治理效果排序，依次为旋喷桩＞水平钢管桩＞注浆加固＞锚定加筋＞侧限框架，其中水平钢管桩和注浆加固略有差异，侧限框架效果最差。由于试验段处于季节冻土区，虽然各工程措施对路基本体进行了挤密、置换等改良，但是仍有一定的冻胀量存在。②侧限框架间距100 cm概算价最高，投资概算为28.6万元/10 m。锚定加筋间距（双排）80 cm 最为经济，投资概算为4.9万元/10 m。

4 结论

1）兰新铁路乌奎段病害主要分布于K2164+850—K2168+500区间，总长1 370 m，最大沉降150 mm，从路基高度来看，病害主要分布在路基高度大于1.5 m的地段；从结构形式来看，主要分布于路涵过渡段，其次是路桥过渡段和高路堤地段。

2）基于行车安全评价条件，将沉降病害分为不沉降、沉降、较严重沉降、严重沉降四类，兰新铁路乌奎段沉降病害均属于严重沉降，对线路运营安全影响极大。

3）兰新铁路乌奎段沉降病害地段路基承载力低、地基系数偏低、压实度不足，路基填料中的粉土、粉质黏土含水率高（高于塑限），加上火车提速动荷载增加，这些因素共同导致了路基沉降的产生。

4）根据现场试验整治效果和经济性分析，在路基沉降病害整治中，宜采用注浆加固和旋喷桩等措施，不推荐采用侧限框架。