高速铁路路基注浆整治冻害试验研究

陈志涛

（中国铁路哈尔滨局集团有限公司 滨洲铁路电气化改造工程建设指挥部，黑龙江 哈尔滨 150006）

0 引言

哈尔滨市地处中国北方，气候条件恶劣，极端气温低于-30 ℃，极易造成既有铁路路基冻胀，产生不均匀变形［1］。春融期间气温上升快，冻胀地段孔隙水不能及时排出土体处于饱和状态，承载力降低产生不均匀沉降，甚至会造成基床翻浆冒泥［2］，轨道几何尺寸难以保持，给列车运行安全带来极大隐患。首次在东北地区采用注浆技术处理冻胀问题，填料改良后对土力学指标基于室内试验、物理模拟和数值模拟进行研究［3］，经现场验证有效改善基床的渗透性和冻胀性。

1 工程概况

京哈高铁双线K1244+615—K1246+900 段为路基工程，基床表层采用0.5 m 厚A 组土换填，下夹0.15 m 厚中粗砂土工隔层，基床以下为第四系冲积层粉质黏土［4］。通过现场调查及室内试验分析，该段路基表层填料孔隙比大，透水性强，基床下部的粉质黏土细颗粒含量高，亲水性强，与水结合后不易失水。线路运营期间，雨雪形成的地表水经过填料下渗至基床底部，形成局部汇集，短期内无法排出，在冬季极易引发冻胀［5］。

根据现场观测数据显示，该段路基已出现多处冻害，冻高一般为10～15 mm，最大处可达25 mm，冻胀病害路基长度总计2.285 km，冻胀等级为强冻胀，由此产生的不均匀变形已危及行车安全。为改善本段路基冻胀病害情况，同时不影响既有线的运营，采用注浆加固技术进行病害处理，先期试验段开展里程为K1244+700—K1244+800，试验段长度100 m。

2 注浆加固机理及方案

2.1 注浆加固机理

冻胀路基段通过在路基侧部布设注浆孔位。在路基表层通过挤密注浆方式注入浆液，使浆液充分填充在路基填料的缝隙中扩散，浆液与填料完成凝结反应后，形成密实的固结体［6］，改善了土体的物理力学性能。固结体形成的相对隔水层阻止或改善了地表水，减轻了水分在底部的汇集，进而减弱路基冻胀病害［7］。

此外，注浆形成的浆脉体有效阻止下部毛细水的上升，一定程度上阻隔上部地表水入渗，降低基底黏性土的含水率，改善路基不均匀冻胀，也避免后期路基产生翻浆冒泥等次生病害。

2.2 注浆方案

2.2.1 注浆工艺

京哈高铁对沉降要求很高，考虑到有可能发生后续隐患等因素，本次施工试验采用袖阀管注浆的方式进行地基加固处理［8］。

2.2.2 注浆参数确定

（1）注浆压力。注浆压力根据地层性质及注浆方式确定：

式中：［Pe］为容许注浆压力 （105Pa）；β为系数，取1；γ为地表以上覆盖层重度，本项目无地表覆盖层；T为地基覆盖层厚度，取2.5 m；c为与注浆期次有关参数，取1；K为自上而下注浆系数，取0.8；λ为与地层性质有关参数，取1.5；h为地面至注浆段深度，取2.5 m。

代入式（1）计算得出，理论容许注浆压力［Pe］为0.3 MPa。将理论容许注浆压力作为最大注浆压力参数进行试注，后续注浆效果良好，未造成路基上拱，最终确定最大注浆压力为0.3 MPa。

（2）扩散半径。注浆选用袖阀管注浆方式，根据Maag理论模型推论，袖阀管注浆扩散半径为：

式中：r1为扩散半径，cm；t为理论注浆时间，取60 s；n为土体孔隙率，取0.5；k为土体渗透系数，取1×10-4cm/s；v为浆液运动黏滞系数，取 4×10-7cm2/s；h1为注浆压力，距离cm水头，本次为30×102水头；r0为注浆管半径，取1.5 cm；de为被注入土体有效粒径，取5×10-4cm。

代入式（2）计算得出，理论袖阀管注浆扩散半径0.95 m，现场试注时采取挖探检验，综合确定实际有效扩散半径约为0.5 m。

（3）注浆孔间距。现场实测有效扩散半径为0.5 m，浆液在注浆孔深度范围内呈圆球状扩散，注浆孔间距l应满足式（3）：

式中：l为注浆孔间距；r1为注浆扩散半径。在保证注浆连续效果的同时，按照实际工作量，最终确定孔间距为0.5 m。

2.2.3 注浆孔布置

试验段路基表层换填深度为0.60 m，最大冻结深度为2.05 m，本项目表层注浆孔影响深度H1，深层注浆孔影响深度H2，则H1和H2应满足H1＞0.60 m，H2＞2.05 m。注浆孔深度及角度设计见表1。

表1 注浆孔深度及角度设计

根据京哈高铁K1244+700—K1244+800 试验段场地平面条件，现场具体注浆布置见图1。

（1）线路右线左侧2.5 m 开始斜向45°布置钻孔，每孔垂直线路方向投影间隔0.1 m 错落布置，每排注浆孔孔间距0.5 m。近侧注浆孔角度及长度为10°/6.0 m，至基床换填深度以下，倾向线路一侧；远侧注浆孔角度及长度依次为 25°/5.5 m、40°/3.8 m 和 60°/2.8 m，至冻结深度以下倾向线路一侧。

（2）线路左线、右侧2.5 m 开始斜向45°布置钻孔，每孔垂直线路方向投影间隔0.1 m，错落布置，每排注浆孔孔间距0.5 m。近侧注浆孔角度及长度为12°/6.0 m，至基床换填深度以下，倾向线路一侧；远侧注浆孔角度及长度依次为 25°/5.7 m、40°/3.9 m 和60°/2.9 m，至冻结深度以下，倾向线路一侧。双线区域共计1 600 孔，合计7 320 m（见图1）。

图1 注浆横断面示意图

2.3 主要施工工序

注浆加固整治施工工序为：硬防护设置→注浆孔定位→钻进及注浆施工→注浆孔封堵恢复→施工完成后拆除硬防护、恢复场地平整。施工工艺流程见图2。

图2 施工工艺流程

3 试验检测及效果评价

为检验本试验段的注浆效果，测试加固后路基基床承载力及土体改善情况，现场采用原位测试、室内试验和物探测试3种手段进行综合测试，以提高评价效果的准确性。

3.1 原位测试

原位测试可以测定难于取得不扰动土样的有关工程力学性质，具有测试快捷、代表性强的优点，在现场既有线的场地条件下比较适用。

3.1.1 技术规范

技术规范采用TB 10018—2018《铁路工程地质原位测试规程》、TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》。

3.1.2 方案布置

现场在试验段路基上下两侧对应里程K1244+720、K1244+770和K1244+830位置进行原位测试，测试深度范围为0～2.5 m，通过与未处理段落横向比较，验证本次注浆处理效果。

每个位置均在2.5 m 深度内进行分层挖探取样及动力触探贯入，测试情况及对比结果见表2、图3。

图3 动力触探测试承载力对比

表2 原位测试击数及承载力

3.1.3 效果评价

在最大冻深2.05 m深度内，未处理段落K1244+830里程的基床承载力一般在160～200 kPa，注浆处理段落K1244+720—K1244+770 里程基床承载力普遍在200～360 kPa，较未处理段落提升约40%。本次注浆处理后，注浆影响深度范围内土体与浆液结合，形成改良土体，既有路基密实程度得到提高，承载力整体提升。

3.2 室内试验

本次室内试验主要进行含水率测定，土体中水分占比可以直观反映出土体孔隙与水之间的关系，进而反映出本次注浆后土体孔隙比变化以及亲水性的改善情况［9］。

现场对K1244+720—K1244+850 段路基上下行两侧里程K1244+720、K1244+770 和K1244+830 位置进行分层挖探取样，所得样品送递至试验室进行室内含水量测试，测试结果及对比见表3、图4。

由表3、图4 可以看出，经过注浆处理后，已处理段落双线K1244+720 里程位置的样品含水率低于未处理段落K1244+830 位置的样品含水率，且受取样前降雨及降雪影响，未处理位置的表层含水率已经提高（36%～37%），但处理段落表层含水率相对稳定，基本保持在30%以下。说明经过注浆处理后，冻深范围内土体的孔隙受浆液填充，孔隙比下降，亲水性下降，土体性质得到改良，形成相对隔水层，整体含水率下降，起到减弱冻胀的作用。

图4 不同位置样品含水量对比

表3 不同位置样品含水率

3.3 物探检测

瑞雷面波（微动）法作为一种新的浅层地球物理勘探方法具有操作方便、快速、成果直观等特点，十分适用于既有线施工检测。K1244+680—K1244+850 段路基注浆工程进行工后工程物探检测，采用微动面波探测法主要目的是对场地内路基基床注浆效果进行检测。

3.3.1 技术规范

本次物探检测工作执行的主要标准及有关规范为：（1）TB 10013—2019/J 340—2019《铁路工程物理勘探规程》；（2）DZ/T 0153—2014《物化探工程测量规范》。

3.3.2 方案布置及判译原则

根据现场注浆里程位置情况，本次采用美国Geometric 公司生产的NZ-XP 型地震仪进行勘探，28 磅落重震源激发，4 Hz检波器24通道接收，道间距1 m，测点间距5 m。对地震面波数据采用SurfSeis2.0 进行频散曲线的拾取和反演处理，并最后在CAD 中成图解释。现场共布置测线2 条，分别位于K1244+680—K1244+850段上下行两侧。

瑞雷波速度主要受土体的矿物成分、结构、密度及孔隙率的影响，因此同一介质不同状态的波速不同，同一状态不同介质的波速也不同。土层、岩层的矿物成分、结构及孔隙率有明显差别，注浆前波速大小相差甚大，正常状态下注浆之后波速都有提高，但波速提高值和提高后的波速也有明显差异。

注浆处理后，随着浆液在基床范围内扩散，充填凝固胶结后，形成较为密实的固结体，改善基床表层的渗透性和冻胀性，提高基床承载能力，同时使得土体的瑞雷波速度有所提高。瑞雷波速度与地基承载力有很好的相关性，即波速越高反映的介质层密实度或固结程度越高，相应承载力越强。

3.3.3 效果评价

SW-1、SW-2 两条测线的解释结果显示见图5。本次注浆处理段落土体瑞雷波波速分布在220～360 m/s，两侧未处理段落瑞雷波波速分布在180～210 m/s，注浆处理段落波速提高30%。说明试验段注浆处理后，随着浆液对扩散范围内土体孔隙的充填凝固胶结，形成水泥改良土密实度提高，土体性质得到改良，承载力增强。

图5 K1244+680—K1244+850物探瑞雷波速分布

4 结论

为有效处理路基冻胀病害，保证高速列车的行车安全，分析京哈高铁发生冻害的关键因素，测试注浆后基床本体效果，评价试验段工程措施的可靠性和合理性。

（1）浆液对扩散范围内土体孔隙的充填凝固胶结较为充分，注浆加固后冻深范围内土体状态得到改善，承载力提高。

（2）通过现场动力触探检测，未处理段落的基床承载力一般在160～200 kPa，注浆处理段落内基床承载力普遍在200～360 kPa，较未处理段落提升约40%。经过本次注浆处理后，注浆影响深度范围内土体与浆液结合，形成改良土体，既有路基密实程度得到提高，承载力整体提升。

（3）通过现场取样试验检测，未处理段落表层含水率未受近期降雨及降雪影响，已经提高至36%～37%，而注浆处理段落地层含水率仍稳定在26%～29%，较未处理段落下降近30%。冻深范围内地层经过浆液扩散填充后密实度提高，孔隙比减小，土体性质得到改良，同时浆液在基床表层形成致密层、亲水性下降，有效防止表层水分下渗。

（4）京哈高铁双线K1244+700—K1244+800 段路基注浆试验段处理后，基床及以下土体与浆液结合，形成水泥改良土，基床状态得到提高。检测后形成的地质断面反映，注浆影响深度基本在2.5～3.0 m，大于哈尔滨地区最大冻结深度2.05 m，达到预期目的。处理后的基床整体状态良好，密实度及承载力均得到提高，经过2个冬季的运行对路基翻浆冒泥等病害起到了预防作用。