重载铁路翻浆冒泥病害调查与研究对策

马 乐，岳祖润，冯怀平，杨志浩

(1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院，石家庄 050043;2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，石家庄 050043;3.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄 050043)

随着国民经济的不断发展，社会对煤炭的需求不断增大。大秦铁路作为西煤东运的主要线路之一，其路基内部的应力水平，分布状态及作用方式也不断变化并更加复杂，再加上地质条件、自然环境及施工质量的影响，导致了大秦铁路路基多种病害的发生，严重威胁着行车安全及铁路的正常运营。

为最大限度发挥大秦铁路作用，有效缓解煤炭运输紧张状况，自2004年起，铁道部对大秦铁路实施持续扩能技术改造，大量开行1万t和2万t重载组合列车，2014年4月18号又进行了3万t组合列车的通车试验，列车安全抵达了终点，全线运量逐年大幅度提高，2008年运量突破3.4亿t，成为世界上年运量最大的铁路线。2010年12月26日，大秦铁路提前完成年运量4亿t的目标，为原设计能力的4倍，2013年年运量达到4.7亿t，之后并将完成年运量5亿t以上的任务目标。

文献［1］对过渡段形式、选择横断面、设计最小长度问题、过渡段交叉重叠问题、挖方过渡段、站内过渡段、特殊结构形式过渡段设计等系列问题进行探讨;文献［2］介绍了我国重载铁路的发展趋势;文献［3］结合朔黄重载铁路路基病害现场调查数据，对其存在的主要路基病害进行了分类，并对各类病害的一般特征和表现形式、产生条件及成灾机理进行了分析;文献［4］提出了使用固化剂和复合土工材料进行路基加固的技术研究;文献［5］结合置换法、振动挤密法等整治方法介绍了翻浆冒泥、路基下沉和路肩冲刷病害的整治情况。但是上述学者并没有对病害发生的根本机理进行实质性的研究，都是介绍了在病害发生以后，提出相应的后续整治办法，没有从根本上考虑病害发生的机理。

大秦铁路承担的任务越来越重，轨道结构承受更大的荷载，线路的变形及路基的病害也更加严重，严重制约着大秦铁路行车安全及扩能改建工作的完成，为此在大秦铁路北同蒲线进行了病害调查分析，从结构机理及成因上找到解决翻浆冒泥等路基病害的防治措施，为以后新线的建设和旧线的改造提供参考。

1 现场试验

对北同蒲线 K123+300大新站(路堤)、K41+500怀仁3号道岔(路堑)及K47+350处14A号桥(路桥过渡段)进行了病害调查。调查的主要内容包括现场Evd试验、含水率测定试验，环刀试验，对轨缝处和正常段下分层取土并带回实验室进行物性分析试验。具体实验过程严格按照《铁路土工试验规程》［6］操作，部分现场病害情况见图1～图4。

图1 轨缝下15 cm道床断面

图2 大新站雨后轨下10 cm道砟

图3 怀仁3号道岔处翻浆冒泥典型断面

图4 桥梁处枕下道砟断面

据现场调查及向朔州工务段工作人员了解发现，困扰北同蒲线乃至整个大秦铁路工务段的铁路病害有两方面:一是钢轨磨耗，随着大秦线重载铁路运量的不断增加，列车对钢轨的磨耗越来越大，每年每千米换轨数量也不断增加，其中曲线路段的换轨数量增加更加显著，对道岔的影响也越来越严重，道岔处轮轨对道岔的冲击越来越大;金沙滩站处的道岔每3个月更换1次尖轨，维修周期很短，严重制约着大秦重载铁路的扩能改建工程;二是路基翻浆冒泥，整个北同蒲线几乎每个区段都存在多处翻浆冒泥病害点，特别是在道岔、轨缝及上坡路段，每逢降雨过后都很明显看到翻浆的细砂粘附在表层碎石上，工务段必须马上在翻浆点进行清砟振捣，否则可能导致行车危险，解决这些病害在线路维修养护工作中占绝大部分，使维修成本大大增加。

铁路线路是一个整体，上部的轨道结构和下部的路基结构紧密联系在一起，上部结构发生破坏下部结构会随之破坏，同时下部结构的破坏又会反过来加剧上部结构的破坏，形成恶性循环，最终使整个线路结构变形过大而影响行车安全。

2 室内试验与病害机理分析

2.1 室内物性试验

由前述病害可以看出，大秦线重载铁路路基病害已经相当严重，轨缝下、道岔处及路桥过渡段病害更加严重。由于运量任务的硬性要求，每年所能提供的维修窗口很少且时间很短，想彻底对道床进行清砟根本不允许，所以暂时很难从根本上解决频发的路基病害，对这些典型断面进行了取样调查，分别在每个断面取土带回实验室进行物性试验分析。每个断面的取样见表1。

表1 分层取土位置编号对应

对每个断面的每个层面的土样进行室内试验，得出每个层面的物性指标，并进行对比分析，找到各个断面各个层面之间的关系，从而为以后的病害整治工作提供指导意见。其中轨缝底层的各粒径成分的筛分质量见表2，室内部分试验过程见图5，每个断面每个层面的筛分级配曲线见图6。

2.2 病害机理分析

由图5可以看出，取土路段道砟中的细粒土由3部分组成，分别为机车喷砂、煤渣、磨碎的石粉。之前较多学者认为翻浆冒泥现象是由于基床上的粉粒、黏粒土在水和动应力耦合作用下形成软化的泥浆，列车通过时轨枕上下浮动，使流态的泥浆受到泵吸作用，通过缝隙翻冒到表层。其实不然，大秦铁路的翻浆冒泥现象实际上不是基床的翻浆，而是道床本身的翻浆。

表2 轨缝底层的各粒径的筛分含量

图5 部分筛分粒径成分

图6 各断面级配曲线

随着运量及轴重的增大，列车对钢轨的作用力增大，使得轨枕在列车经过时竖向变形增大，道砟之间的磨损也更加厉害，久而久之道床内磨损下来的石粉越来越多，再加上自然环境中灰尘的污染、机车行车过程中的喷砂以及列车上煤粉的浸入，导致道床内的级配发生变化，细颗粒含量明显增多，细颗粒的含量对粗颗粒土的性质起着决定性的作用，道床内的土变得级配良好，容易压实，从而使得道床在轨枕下一定距离处产生一个板结层，且其强度、刚度很大，此板结层的存在严重影响了道床的功能。

铁路是一个整体，列车对钢轨施加压力，钢轨将力转移到道床上，道床再将此力转移到路基中，以保证列车的正常运行。由于板结层的存在，导致道床不能将力均匀传递到路基中，而路基本来是最主要的承担列车载荷的结构，现在载荷传不下去，导致道床内颗粒之间的磨损力增大，更加加剧了道床的污染板结，形成恶性循环，加速了道床的破坏。道床破坏后在降雨的过程中，大量的降水不能排除，导致轨枕下道砟长期处于饱和状态，承载力急剧下降，列车通过时非常危险。据调查，当地夏季降雨量有250 mm左右，冬季最低气温达到－30℃，而且有8个月平均气温在0℃以下。夏季降雨后道床长期处于饱和状态，冬季土体发生冻胀，春季开化时土体发生融沉，所以当地路基每年在夏季下第一场雨和冬季下第一场雪时翻浆冒泥现象更加显著。

从图6可以看出，自道砟表层沿深度方向级配逐渐良好，且每个层面上轨缝处比正常处级配也要良好。其原因是列车经过时轨缝处受到的冲击载荷大，竖向变形大，道床中碎石间的磨损就严重，对道床的污染就更加严重，细粒土较多且通过缝隙往下渗，在一定深度范围内，自上而下级配逐渐良好，较易被压实，有利于板结层的形成。

3 整治措施

由于当时修建该铁路时，对该地区地质情况的勘察不够深入以及施工质量的控制标准低，没有将路基按土工结构物来对待，常常就近取土，加上后来对线路的养护维修不够彻底、及时，轴重再继续增大的情况下，病害便极易发生。大秦铁路已经运行了几十年，其路基已经基本压实，沉降很小，其强度刚度都很大，据工务人员介绍，近几年进行大修过程中，有些断面彻底清筛时发现路基基床良好，没有发现道砟囊、陷槽等病害，全是道床本身的破坏。为此，提出了几点对于整治道床翻浆冒泥病害的措施。

(1)大修时增加工人人数，做到至少2人负责1个枕坑。由于窗口时间的限制，现在大修时工人无论挖多深，到规定时间必须回填，这样造成有些地段清砟效果不好。建议增加工人人数，严格控制开挖深度和回填质量。

(2)对特殊地段(爬坡、道岔等)的轨缝加以焊接，同时枕下设置弹性橡胶垫片。焊接轨缝大大减小了病害断面的冲击荷载，设置橡胶垫可以缓冲列车经过时的冲击荷载，减小轨枕的竖向变形，从而减小碎石间的磨损。

(3)在道床表层喷洒一层胶性材料，此胶性材料延展性好且抗自然灾害能力强，并在最后几节车厢下部安装超大功率吹风机。翻浆冒泥病害的产生必须满足3个条件即细粒土、水、动载荷，此措施的设计截断了细粒土侵入道床的途径，可有效地防止翻浆冒泥病害的发生。

4 结论与展望

(1)大秦铁路重载铁路路基翻浆冒泥主要是道床自身的翻浆冒泥。

(2)道床中的翻浆的细颗粒主要由磨损的石粉、机车喷砂及侵入的煤粉组成。

(3)大秦铁路是世界上仅有的年运量4亿t以上的重载铁路，运量大任务重造成维修窗口时间的短暂与路基病害的彻底整治形成了矛盾，由于上述矛盾的存在，现有条件下找到彻底的解决方案是不太现实的，但是前述防治措施均可以有效延长维修周期。

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