鐵路路基填筑質量及沉降控制技術研究

徐 馳

中鐵十九局第二工程有限公司,遼寧 遼陽 111000

0 引言

隨著我國鐵路總建設里程的逐步增加,鐵路路基工程施工質量越來越受到重視;國鐵集團的“安全質量紅線十條”中對鐵路路基填料與填筑質量、檢測、旁站等施工流程做了嚴格規定。同時,鐵路路基的填筑質量控制措施被眾多研究機構所重視。中國鐵道科學研究院對不同含水率下級配填料進行外荷加載試驗,確定了最優的振動方法[1];智能填料設備也在高速鐵路的路基填筑施工過程中被廣泛應用,取得了較好的質量控制效果[2];鐵路路基填料在外部環境下的劣化影響機制用于施工質量控制也得到了一定的應用[3]。鐵路路基填筑質量對鐵路工程運營的安全性有著重要影響。如果施工質量不合格,可能會引起路基下沉、變形或開裂等問題,不僅會影響鐵路的運行安全,還會導致結構問題和維修成本增加。本文以某鐵路工程路基填筑為案例,分析了路基填料的質量控制,通過現場試驗分析確定了填料的最佳松鋪厚度、機械振動方法,并進行了沉降觀測,得出了沉降變形規律,保證了鐵路路基的施工質量,為類似鐵路路基工程提供了借鑒經驗。

1 工程概況

該鐵路工程位于江蘇地區,為剝蝕丘陵地貌,地勢起伏、植被較發育。根據區域地質現場勘察調繪揭示,表層為第四系殘坡積層Qel+dl粉質黏土,褐黃色、黃褐色,局部夾少量礫石,硬塑,厚約 0.5～5.0 m。下伏基巖為鈣質頁巖,全風化呈砂土狀,局部夾少量強風化碎塊,厚約 0.7～5.0 m;強風化多呈塊狀,厚1.6～11 m;弱風化,節理裂隙較發育,巖體較完整,巖體呈青灰色、深灰色,全～弱風化,其中全風化呈砂土狀,局部夾少量強風化碎塊,厚約0～2.3 m;強風化巖體多呈塊狀,層厚0.7～8.5 m;弱風化巖體,節理裂隙較發育,巖體較完整。巖層產狀為340°∠50°。巖體主要有2組節理,以張節理為主,產狀為240°∠64°,多呈密閉狀。

路堤基床表層厚0.4 m,采用級配碎石填筑,基床底層厚2.3 m,采用A、B組填料填筑,基床以下路堤采用A、B、C1、C2組填料填筑?；脖韺犹钪疤钪A壓土,A、B組填料采用該項目碎石場自產碎石配制?；哺鞑课皇┕簩崢藴市铦M足《高速鐵路路基工程施工技術標準》有關要求。路基基床表層及底層的底部均為向兩側傾斜 4%的橫向排水坡,路基面形狀為梯形。

2 分層填筑試驗

為確定在基床填料填筑過程中不同壓實機械、不同填料的施工方法及工藝參數,據填料種類確定路基填筑機械配置和壓實工藝,包括確定機械碾壓行走速度、碾壓方式、碾壓遍數、適宜的松鋪厚度等[4]。

基床底層填筑松鋪厚度按不大于40 cm控制試驗(第1層松鋪厚度35 cm,第2層松鋪厚度 38 cm,第3層松鋪厚度40 cm),在攤鋪完成后,通過挖探檢測松鋪厚度。采用22 t振動壓路機在靜壓1遍、弱振1遍后,然后開始強振,自第1遍強振起每碾壓1遍檢測1次壓實度及對應的含水量,由壓實度檢測原始記錄分析計算可得出5、6、7遍碾壓分別對應的壓實系數及含水量檢測平均值,填料含水率統計過程中取1#～5#共計5個測點,試驗結果如表1、2所示。

表1 分層碾壓試驗結果

表2 填料含水率 單位：%

在試驗段遵循先輕后重、先穩后振、先低后高、先慢后快以及輪跡重疊的原則,自第5遍起每碾壓1遍測量1次測試點高程,并記錄、計算松鋪系數,碾壓第5、6、7遍后對應的壓實厚度平均值和松鋪系數平均值如表3所示。

表3 壓實厚度及松鋪系數平均值 單位：cm

根據表1～3可以得出以下結論：當填料碾壓時的含水量接近最佳含水量時,壓實系數會隨著壓實遍數的增加而增大;隨著壓實遍數的增加,當壓實系數達到一定程度時,其數值將基本趨于穩定。從表3可看出,松鋪厚度38 cm,碾壓6遍是較為合理的,含水率在3.6%～4.5%范圍內均可以有效壓實。松鋪厚度38 cm、壓實6遍時松鋪系數最佳,且能滿足壓實厚度不大于30 cm,此時松鋪系數為1.27。

3 路基沉降觀測

為了控制和保證鐵路路基的施工質量,確保完成后的路基沉降滿足設計要求,通過連續、正確、完整、系統的觀測和分析,預測沉降趨勢,本節對路基沉降進行監測試驗。研究路基段共設置4處沉降觀測斷面,每處觀測斷面包括1層沉降板和5處沉降觀測樁頭,5處沉降觀測樁頭3處位于基床上表面,2處位于下基床表面,沉降板需在填筑過程中隨填筑高度依次增加,并注意保護沉降板的線形,觀測頻率為1次/d,監測斷面如圖1所示[5]。

圖1 沉降監測斷面

根據《鐵路工程沉降變形觀測評估技術規程》等規范及標準要求,進行沉降變形評估,路基沉降變形應符合下列規定：填筑完成沉降不宜超過 15 mm,過渡段不同結構物間的預測工后差異沉降不應大于5 mm。在根據上述監測數據判斷的同時,結合本工程的工程地質、構筑物布置等特點的實際情況等綜合分析,判定沉降變化趨勢及觀測異常點。

路基在自重及外部荷載作用下的沉降是一個持續的過程。影響沉降的主要因素包括路基材料的性質和狀態,如土體密度、含水量、粒徑分布等。根據觀測數據,典型的沉降變化情況如圖2所示。在開始的7周時間內,沉降發生并不明顯,并受到過往車載的作用下,沉降量會出現一定程度的波動情況。在第8～14周會出現較為明顯的沉降特征,這是由于填料土體間顆粒間隙逐漸被壓縮造成的。第14周后,沉降基本保持不變,填筑后的路基已經趨于穩定,路基沉降均控制在15 mm規范要求范圍內。

圖2 沉降隨時間變化規律

路基沉降監測的5處斷面的4個測點穩定后沉降情況如圖3所示。在所得結果中,可以得到以下結論：每處監測斷面的4個點沉降值大小基本接近,中部的沉降值通常會大于兩側的沉降值。此類情況是由于中部路基的碾壓振動效果較差,在后期受自重影響逐漸沉降造成的。同時,相同類型的監測樁在不同監測斷面的沉降值會有較大的差別,這是由于施工隊伍在不同區域進行機械振動碾壓等壓實過程中作業習慣差異波動造成的,在施工作業中需要嚴格施工隊伍作業習慣管理,保證填料的壓實度。

圖3 路基沉降觀測統計

4 技術控制措施

在控制沉降過程中,首先要對填料進行控制,填料控制包括土的密度、含水率、比重、粒徑和滲透性等指標的控制,以確保路基的穩定性和耐久性。同時要保證填料的壓實控制,通過擊實、K30、Evd等對材料進行壓實控制,確保路基的密實度達到規定的要求,防止因壓實度不足而引發的質量問題。

路基填筑前須保證前期清場要求：如路基原地面清表必須徹底,不得有草皮、腐植土、樹根等;清表后必須平整,清表寬度必須在路基坡腳樁1 m以外,經壓實后原地面;路基填方材料應有一定的強度,填方材料最大粒徑不超過10 cm,經野外取土試驗確定,路基填料最小強度和最大粒徑應符合要求,要嚴格控制路基填料粒徑,嚴禁超粒徑石塊運到工地后再用人工解小。

5 結論

1)在路基填筑過程中松鋪厚度38 cm、碾壓6遍較為合理,含水率在3.6%～4.5%均可以有效壓實。松鋪厚度38 cm、壓實 6 遍時松鋪系數最佳,且能滿足壓實厚度不大于 30 cm,此時松鋪系數為1.27。

2)路基填筑后在第 8～14周會出現較為明顯的沉降特征,第 14周后,沉降基本保持不變,填筑后的路基已經趨于穩定,路基沉降均控制在15 mm 規范要求范圍內。中部的沉降值通常會大于兩側的沉降值,是由于中部路基的碾壓振動效果較差造成的。

3)在控制沉降過程中,加強對填料進行控制保證填料的壓實控制。通過擊實、K30、Evd參數測定等對材料進行壓實控制,確保路基密實度達到規定要求,并保證路基填料粒徑滿足要求。