高速铁路路基填料掏挖试验及装备研究

李 斯，蔡德钩，姚建平，楼梁伟，熊亚军，庞 帅

(1.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081; 3.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

截至2016年底，中国铁路运营里程已经达到12.4万km，其中高速铁路运营里程已经超过2万km，占全世界高铁总量的65%左右[1]。随着我国高速铁路的快速发展，部分高速铁路、城际铁路路基病害逐渐显露出来。例如东北严寒地区的冻胀病害[2-3]，西北风沙盐碱地区的线路上拱[4]、沉降[5]、偏移病害，黄河流域湿陷性黄土塌陷病害[6],长江流域水系发达区域水分流失造成的沉降病害[7]等。

目前针对路基病害主要通过病害部位补强加固及加强路基防水、排水、疏水等措施来解决，但对于路基冻胀、沉降、上拱，路基翻浆冒泥等局部路基病害，可考虑更换物理力学性能好的填料。现有的既有线路基填料换填技术一般需要较长的连续作业时间，机械设备和人员投入较大，对行车会造成影响。鉴于此，本文提出了一种运营期间天窗作业点内将病害部位填料掏挖换填的技术，并开展了试验，研制了掏挖装备。

1 高速铁路轨道及路基试验段搭建

为科学、准确、合理地进行高速铁路路基填料掏挖试验，搭建了一条与高速铁路标准规格一致的路基结构，路堤横断面如图1所示。《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)[8]对高速铁路路基基床表层填料级配的要求见表1。

图1 高速铁路路堤横断面(单位：m)

方孔筛孔边长/mm过筛质量百分率/%010～5057～321713～467141～7522467～9131582～100450100

1.1 试验场地开挖

本试验为路基基床表层填料掏挖试验，为避免天气情况对试验过程的影响，选取了室内试验场地。试验场地开挖尺寸：长10.5 m×宽6.4 m×深0.6 m。

1.2 级配碎石拌和与碾铺

试验路基填料标准应符合表1要求，并拌和5%的C42.5普通硅酸盐水泥，以符合TB 10621—2014)对路桥、路涵过渡段路基基床表层填料的要求。拌和充分的填料级配如图2中细线所示，符合试验对路基填料的级配要求。

图2 实测试验段路基级配碎石粒径级配曲线

路基填料碾铺后压实标准满足压实系数K≥0.95、地基系数K30≥150 MPa/m、动态变形模量Evd≥50 MPa的要求。

为满足压实标准，本次试验的路基填料加5%～7%的纯净水拌和，深度为0.6 m的路基填料分3次摊铺碾压，每层0.2 m。碾压过程步骤为：2次静压，3次弱振，4次强震，3次弱振，2次静压。

1.3 支承层与轨道板浇筑和养护

与高速铁路支承层、轨道板标准规格保持一致，支承层采用C15混凝土，尺寸为长11.5 m×宽3.4 m×高0.265 m，轨道板采用C40混凝土，尺寸为长11.5 m×宽2.8 m×高0.26 m。

支承层与轨道板长度方向上超出路基填料范围，两侧各搭接0.5 m;宽度方向上距路基填料范围左边缘1.9 m，距右边缘1.1 m(相当于线间宽度的1/2)，试验模型如图3所示。

图3 高速铁路路基掏挖试验模型(单位：cm)

浇筑的支承层与轨道板混凝土由搅拌运输车运送至试验场地，按标准尺寸支模后，现场浇筑。用插入式振动棒进行振捣，以保证混凝土材料分布均匀，并被完全捣实。振捣时振动棒垂直插入，快入慢出，插点均匀，成行交错式前进。振捣时不能碰松模板。支承层顶面两侧各0.3 m作抹平处理，中间区域作打毛处理。混凝土浇筑完成后，在支承层表面覆盖薄膜保水养护。混凝土终凝后，揭开薄膜，覆盖保水土工布，洒水，再在其上覆盖薄膜，防止水分蒸发，保湿养生不少于7 d。支承层浇筑及其三维模型见图4(a)。养护完成后，进行轨道板浇筑，浇筑、养护过程与支承层浇筑步骤相同。轨道板顶面作抹平处理。轨道板浇筑及其三维模型图4(b)。

图4 支承层与轨道板浇筑及其三维模型

2 高速铁路路基填料掏挖设备研发

2.1 掏挖设备要求

高速铁路路基填料掏挖属于特种工程施工。掏挖设备应满足在受限空间内移动的要求，实现对工作区域路基填料完整掏挖的目的。设备移动受到接触网、线槽、接触网杆、CPⅢ桩位置影响。试验要求的设备工作区域如图5所示。设备掏挖区域如图6所示。

图5 掏挖设备活动区域示意(单位：cm)

图6 掏挖区域示意(单位：cm)

2.2 单孔掏挖设备

单孔掏挖设备全长1.7 m，宽0.6 m，高0.5 m，符合高速铁路作业空间限制要求。其模型如图7所示。该设备包括：①机架，机架上设有导柱；②设置在导柱上且能够沿导柱运动的动力机构；③安装在机架上的第1钻杆，第1钻杆的前端安装有钻头，后端与动力机构的连接部形成可拆卸的驱动式连接；④用于推进钻杆钻进的液压推进系统；⑤掏挖装置，包括四根第2钻杆，第2钻杆构造成能够插入到第1钻杆和动力机构之间，以增加掏挖长度。

图7 单孔掏挖设备模型示意

2.3 纵向连续掏挖设备

纵向连续掏挖设备全长3.5 m，宽0.5 m，高0.2 m，符合高速铁路作业空间限制要求。掏挖设备模型如图8所示。该设备包括：①掏挖装置，掏挖装置包括机架，在机架上安装有用于掏挖的刀轴和出土机构；②用于推进掏挖装置以实现连续掏挖的行走机构；③用于给掏挖装置提供动力的柴油液压动力机构；④液压控制系统，液压控制系统包括手柄操作台。其中，掏挖装置有2个的刀轴的旋转方向相同。出土机构包括螺旋导杆，螺旋导杆与刀轴平行。

图8 纵向连续掏挖设备模型示意

3 高速铁路路基填料掏挖试验

3.1 路基填料掏挖试验方案

首先进行工作面开挖，工作面外边界距支承层外侧1.7 m，宽1.0 m，深度0.4 m。将单孔掏挖设备固定到开挖工作区域，进行单孔掏挖。然后移出单孔掏挖设备，在掏空区域安置纵向连续掏挖设备，作业的同时对掏空区域进行支撑，实现支承层下侧连续掏挖，如图9所示。

图9 支承层下侧掏挖及支撑示意(单位：cm)

3.2 路基填料掏挖试验结果分析

1)一个完整掏孔作业大约需要50 min,掏孔效率高，可完全满足高速铁路特种工程作业需求。

2)纵向连续掏挖速率为1.2 m/h，约是人工开挖速率的10倍，效率高，成本低。

3)单孔掏挖设备存在加杆、换杆占用时间较长，纵向连续掏挖设备存在安装较为麻烦等问题，可通过优化设计及施工工艺进一步提高路基填料掏挖速率。

4 结论

1)配合使用研发的单孔掏挖设备和纵向连续掏挖设备可以实现对支承层下侧路基填料的破碎及掏挖。

2)掏挖效率高，单孔掏挖设备约50 min即可贯穿支承层下侧长3.4 m、直径200 mm的圆孔；纵向连续掏挖速率为1.2 m/h。

3)本试验掏挖工程量小，仅为人工掏挖的1/4；安全性好，无需工人进入作业面，避免了可能出现的人身安全问题；适应性强，在特殊作业区域无法实现人工掏挖时，必须通过机械设备掏挖。

4)掏挖换填路基填料技术及装备，可用于运营铁路路基冻胀、沉降、上拱，路基翻浆冒泥等局部路基病害整治。

[1]中华人民共和国国务院新闻办公室.国新办举行《中国交通运输发展》白皮书发布会[OL].[2016-12-29].http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/33978/35738/index.htm.

[2]刘伟平.严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术[J].铁道建筑，2016,56(4):92-97.

[3]姚建平.运营高速铁路路基基底注浆加固关键控制技术[J].铁道建筑,2017,57(9):104-106,123.

[4]王冲,王起才,张戎令,等.无砟轨道高速铁路路基上拱病害成因分析[J].科学技术与工程,2017,17(12):252-256.

[5]高冬冬,袁雅贤.兰新铁路第二双线盐渍土地基溶陷病害治理研究[J].价值工程,2017,36(21):112-113.

[6]杨德宏.西安至延安高速铁路沿线滑坡灾害及其防治对策分析[J].铁道标准设计,2017,61(11):18-22.

[7]孙红林.高速铁路软土路基地基处理与沉降控制探究[J].铁道建筑技术,2017(5):1-10.

[8]国家铁路局.TB 10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.