高速铁路路基状态调查与分析

郭浏卉，陈 锋，李中国，程爱君，王鹏程，尧俊凯

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

自2008年我国首条高速铁路京津城际铁路开通运营以来，截至2017年12月底，我国开通运营的高速铁路营业里程已超过2.5万km，占世界高速铁路总里程的66.3%。为掌握高速铁路路基服役情况，系统分析高速铁路路基典型病害及整治措施，了解高速铁路路基检查维修现状，对分布于东北严寒地区、西北干旱风沙地区、南方温暖潮湿地区等高速铁路线路开展了大量的现场调研工作。

1 高速铁路路基服役现状

调研范围内线路的总长为 9 096.11 km，其中路基总长为 3 204.309 km，占比35.23%。统计结果(见表1)显示，路基整体运营情况良好，发生过病害的长度占路基总长的6.51%。高速铁路路基主要病害为路基沉降，占路基病害总数的29.55%。此外，排水不良也是路基的主要问题，占比达27.20%。其他的主要病害包括支挡防护损坏及钢化，封闭层破损、翻浆冒泥、边坡溜塌等[1]。个别地域存在冻害、上拱、危岩等问题。

1.1 有砟轨道

调研区段内有砟轨道路基总长 1 246.391 km，其中病害总长50.087 km，占比4.02%。有砟轨道路基病害情况见表2。可见,路基沉降是最主要的病害，占病害总长的56.47%，其次是路基排水不良和边坡溜坍病害，分别占病害总长的15.52%和14.27%。

表1 调研区段路基病害情况

表2 有砟轨道路基病害情况

1.2 无砟轨道

无砟轨道路基总长 1 693.618 km，其中病害总长141.450 km，占比8.35%。无砟轨道路基病害情况见表3。可见，路基排水不良、支挡防护损坏及风化、路基沉降、封闭层破坏对无砟轨道有较大影响，占比分别为31.27%，24.21%，19.98%，10.84%。

表3 无砟轨道路基病害情况

2 高速铁路路基典型病害分析及整治措施

2.1 路基结构

2.1.1 路基沉降

根据调研统计结果可知，路基病害中出现沉降病害的总里程为58.498 km，占所有病害的29.55%，是主要病害。其中地基部分最易发生沉降，对该部分的病害预防须着重考虑。沉降路段路基类型和路堤沉降病害部位分别见表4和表5。

表4 沉降路段路基类型

表5 路堤沉降病害部位

铁路路基沉降是由多种因素共同作用导致的，主要成因如下：

1)对于复杂地质情况及特殊土质，勘察和设计的难度较大，存在勘察误差及地基加固设计选用不当的问题[2]，进而引发了沉降。

2)路基排水系统在连续的强降雨条件下无法满足需求，微地貌积水导致路基土体物理性质变化，进而产生较大的沉降。

3)路基周围地下水的抽取、挖填方等人类活动有可能造成路基沉降。

因地下水径流改变导致的沉降病害，在路基沉降部位可通过注浆、设置加强体等措施进行加固。当沉降较大，轨道不能满足平顺性要求时，可以进行轨道抬升修复。

2.1.2 路基冻害

在我国的西北部和东北部季节性冻土区域，铁路的冻害比较普遍。目前已建的寒区高速铁路包括哈大、盘营、沈丹、哈齐、兰新、哈佳、哈牡、京沈等，总里程超过 7 000 km[3]。针对寒区气候条件的高速铁路采取了一定防冻措施，但路基冻融问题依然存在。多年的监测结果表明，高速铁路路基填料冻胀发展变化过程可划分为冻胀初始波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、融沉稳定5个发展阶段[4]。引起路基冻害的具体原因如下：

1)夏、秋季降雨量大于蒸发量时，降雨结束后即进入冬季，雨水渗至路基本体来不及蒸发，造成了路基冻胀。

2)部分沉积性黄土地区，路基基床多为原状土，具有保水性、湿陷性、节理发育等特点。路基填挖结合部成为渗水通道，其附近土体含水量大，密实度低，造成雨季下沉、冬季冻胀。

3)由于在冬季路基冻结过程中，涵洞路基在路基面和涵洞底部双向冻结，其冻结深度较一般路基更大。同时，路基底部填料细颗粒含量、含水量均较高，导致冻胀量较大[5]。

4)在季节性冻土区域，由于防排水设施不足、损坏等因素(如电缆槽和路肩防排水不通、封闭层嵌缝措施失效等)导致水分渗入路基，引起路基中含水量不均匀，在冬季产生路基不均匀冻胀。

5)由于路堑地下水位高，在施工时改变了地形地貌及径流条件，导致局部积水，遇冷引起冻胀。

目前，对路基冻胀的整治措施有扣件调整、嵌缝修补、封闭层修复、盲沟等疏排水技术。应根据现场实际情况，从冻害形成的根本原因出发，合理选择一种或多种整治措施，才能真正达到消除冻害的目的。

2.1.3 路基上拱

通过对路基上拱病害区域的分析发现，路基上拱在路堤、路堑、过渡段区段均有发生，其中在路堑和过渡段发生较多。原因是：①膨胀土(岩)蒙脱石类亲水性矿物吸水膨胀，包括泥岩膨胀，多发生在低矮路堤及路堑段。②化学改良土中掺加的拌和料，因水化或其他化学反应导致体积膨胀。

路基上拱的发展是一个长期渐进的过程，而水分是引起路基上拱的重要原因。根据上拱量的大小及变化情况采取相应的维护、控制与整治措施。维护措施按照相关维修标准与规范进行顺坡调整即可；控制措施包括修补路基封闭层，设置泄水孔、隔水墙、渗沟等；整治措施包括切割减薄支承层[6]、基床置换落道等。

2.1.4 路基翻浆冒泥

调研时发现翻浆冒泥多数发生在无砟轨道底座伸缩缝两端5 m范围内，铺设框架轨道板地段较为严重，路肩上流淌或堆有泥浆。上下行外侧、两线间均存在渗出灰白色泥状物现象，严重处渗出物达10～50 mm厚，个别处泥渗物被抽吸至轨道板表面道心。

路基翻浆病害的具体成因如下：

1)离缝的成因主要有2方面，内因是底座板混凝土内部的裂纹、层间耦合、约束不强等结构本身的缺陷，以及底座板施工时下底面不平顺等。外因是列车荷载、温度荷载等外部作用引起底座板的应力及变形较大。

2)部分线路的伸缩缝仅用胶合板塞缝，未形成有效封闭。因此，当温度下降时混凝土收缩，胶合板间出现缝隙，导致雨水从缝隙渗入级配碎石层中；路肩的混凝土封闭层也发生收缩，在封闭层与底座板间产生裂隙，为雨水下渗提供了通道。此外，路肩上混凝土封闭层比级配碎石层高3～5 cm，形成了一道自然拦水槽，使汇集于级配碎石层的雨水无法排出，在级配碎石层表层形成了一个水囊。

3)对于无砟轨道，如果有水分从外界渗入且无良好的排水通道，水分将滞留于轨道板与基床表层之间，最终引起翻浆。

CRTSⅠ型无砟轨道底座与基床顶面间翻浆吊空地段采用填充、疏排、封堵的综合整治方案进行处理。

2.2 边坡

本次调研范围高速铁路线路主要出现的边坡病害具体如下：

1)坡面防护病害

主要原因是坡面冲刷导致的骨架破坏，以及植被生长缓慢或枯萎降低了坡面的整体稳定性及美观性。

2)坡面局部坍塌及溜塌

此病害规模较小，对线路影响也较小，多发于西部黄土地区。

3)边坡防护结构失稳

原因是防护结构与坡面接触面较小，防护结构底端支撑不足，导致防护结构沿坡面下滑。

4)边坡排水设施破坏

当排水设备置于软弱或松散基础之上时，基础沉降或冲刷容易导致截排水沟开裂甚至损坏，沟内水渗漏造成排水设施进一步恶化。

5)危岩崩塌落石

落石具有突发性及不可预测性，当其在较高的位置自上而下滚落，将以较高的速度和较大的能量撞击地面，造成路面损坏，危及行车安全，是山区高速铁路的主要病害。

经调研分析可知，边坡病害主要成因如下：

1)我国秦岭—淮河以南地区，高温多雨，地层风化深度大，边坡失稳产生灾害的概率较高。尤其在降雨集中的季节，坡面坍塌等病害相对较多。

2)边坡的防护形式及植被类型不适用，容易造成边坡坍塌。

3)由于边坡防护检查内容多，在线路维修任务繁重时，排水设备出现的问题未能及时发现，容易引起边坡病害恶化。

4)对于一些地形地势复杂的地区，勘察难度大，存在部分潜在病害，尤其是危岩及崩塌的勘察及评估，需要工作人员具有一定的边坡及地质方面的经验，并现场实地调查才能做出正确判断[7]。

坡面防护可通过锚杆框架以及增设水沟的方式进行整治。危岩落石的整治措施主要有主、被动防护网，嵌补，支顶，锚索锚固等。

2.3 路基防排水系统

高速铁路路基防排水问题是最常见的路基病害之一，本次调研中，各路段普遍出现排水不良病害，病害工点数量多。防排水病害情况见表6。

表6 防排水病害情况

高速铁路路基防排水问题成因如下：

1)软土地区地基不均匀沉降、寒冷地区冻胀、洪涝灾害等气候及地质条件不良，均易造成防排水设备损坏。

2)排水系统不完善。如排水沟坡度过缓和顺坡不良引起的沟内淤积、阻塞；天沟、截水沟、侧沟、路堤排水沟、桥涵等排水系统的汇流、衔接不良，导致排水沟未能畅通连接至出水口；局部缺少、甚至没有排水设施，如雨水漫流冲刷护坡时路堑防护结构无天沟。

3)排水沟多为圬工材料，强度低，易出现裂缝漏水。当铺砌水沟沟底原土夯实质量不高时，土体发生的不均匀变形易导致排水沟开裂破坏。此外，当拼接处勾缝质量较差时，沟内汇流易沿缝隙渗入沟底，造成水沟下沉开裂。

4)排水沟局部损害漏水未及时发现并检修，导致病害范围扩大。当水沟两侧未整平时，若不能及时清除杂草及杂物，水沟内杂草生长，淤泥淤积会导致排水不良。

5)路基封闭层由于温度升高引发表面破损，封闭层薄弱部位开裂并向上拱起，导致路基封闭层损坏、防排水功能失效，当雨水浸入路基本体时引发路基病害。此外，封闭层伸缩缝材料老化、脱落，也会导致路基封闭层损坏。

防排水结构主要通过养护维修或整体返修的方式进行整治。路基排水设施应定期检查，坚持防洪隐患和各类安全隐患的排查，及时解决防排水系统养护维修中出现的问题，如清除沟侧及沟内的淤泥、杂草、杂物，保持水沟的整洁通畅。

3 高速铁路路基检修现状

TG/GW 120—2015《高速铁路路基修理规则》中规定，路基修理分为路基维修和路基大修。高速铁路路基检查类型包括：周期性检查、日常检查、汛期检查以及专项检查、变形监测等[8]。

调研发现铁路路基检查维修工作目前存在以下问题：

1)人员配备不足

各运维单位普遍存在人员配备不足的问题，尤其是地域特殊的铁路，如山区、强降雨及高堤深堑地区。随着路基设备运营时间的增长及养护维修问题的积累，检查和整修的工作量会成倍地增长。

2)检查条件及机具有限

由于高速铁路为全封闭式管理，日间严禁进入栅栏检查设备，导致日间检查可视范围受限。而夜间照明设备视野有限，天窗时间短，检查效率较低，对于高堤深堑路段来说，检查难度更大。

3)缺少有效的检查及维修手段

南方多雨地区边坡树木茂盛、草木过密，检查进度缓慢，难度很大。此外，长大路堑浆砌片石护坡结构内部空洞问题的检查比较困难，目前主要采取人工敲击检查的方式。检查人员高空作业较危险，需要更科学有效的检查方法。

4 结论与建议

4.1 结论

1)调研范围内的高速铁路路基整体服役状态良好，主要病害为路基沉降、排水不良。冻害、危岩崩塌落石等病害有明显的地域性。

2)高速铁路路基病害主要由地质条件、环境因素、自然灾害等因素导致。路基冻害及上拱原因较多且复杂，初期变形速率较大而且具有一定的突发性，水是主要影响因素。为保障行车安全，重点地段须进行监测，及时查明原因并整治。

3)关于病害整治，在路基沉降方面，采用注浆加固及抬升的方法能有效解决路基沉降问题。 对于冻胀问题，整治措施有扣件调整、嵌缝修补、封闭层修复、设置盲沟疏排水等技术。对于防排水系统，根据养护维修经验，应注意排水沟的除草、清淤、疏通等工作，加强边坡防护以减少沟内淤泥。在对损坏的既有水沟恢复重建时，可采用强度较高的片石或混凝土，从而增强排水沟强度。

4.2 建议

1)在设计施工方面，对线路产生潜在影响的特殊土和特殊环境地段，在勘察设计和施工阶段应给予足够的重视，加强路基变形设计和施工控制，优化防排水结构。

2)在路基检查方面，建议针对路基养护维修困难的地域，细化养护维修制度，进一步明确检查项目及相应的检查周期。更新及完善上道检查使用的机具，提高路基养护的效率。在高陡边坡增加路堑边坡和山体检查通道。建议作业通道的宽度不小于1.5 m，以保证安全作业。

3)在养护维修方面，应进一步加强路基养护维修技术研究，明确不同路基病害的检查维护措施及作业标准。对于路基冻害、上拱等成因复杂的病害，应预防与整治相结合，合理选择整治措施。