既有線鐵路提速區(qū)段路基加固技術(shù)和裝備研究【課件】

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,既有線鐵路提速區(qū)段,,路基加固技術(shù)和裝備研究,,陳 浩,鄭州大方橋梁機械,,目錄,,,1 概述,,2 既有線提速中路基方面存在的問題,,3 路基動應力分布,,4 提速路基改造,,5 提速區(qū)段路基加固方法,,6 國內(nèi)外路基加固設(shè)備和方法,,7 路基加固作業(yè)車研究,,8 結(jié)論,,9 致謝,,1 概述,經(jīng)過“九五〞期間的三次大提速，我國鐵路初步形成了京滬、京廣、京哈、京九、隴海、蘭新、浙贛“四縱兩橫〞總里程萬公里左右、覆蓋全國主要地區(qū)的既有線提速網(wǎng)絡(luò)。,,到2000年底，列車運行速度到達或超過12

2、0km/h的提速線路里程為6949km，約占提速網(wǎng)絡(luò)總營業(yè)里程的63.2%；其中列車速度到達或超過160km/h的提速線路里程為3702km，約占提速網(wǎng)絡(luò)總營業(yè)里程的33.7%。,,“十五〞期間，鐵道部確定了京廣線、京九線、滬杭線、浙贛線、漢丹線、西康線、襄渝線、達成線、秦沈客運專線、京秦線、京山線的天津—秦皇島段、溝海線、哈大線、濱洲線、湘桂線、焦柳線、武九線、金溫線、湘黔線、渝懷線、遂渝線、隴海線、蘭新線〔含北疆線〕、廣三茂線、河茂線、黎湛線的黎塘—河唇段、京滬線、膠濟線等28條總里程為21500km左右的既有線和新建線路進行提速。,,“十五〞期間，鐵路提速將分三個階段進行。第一階段為20

3、01年，第二階段為2003年，也就是已實施的第四次和第五次大提速，第三階段為2005年。,,路基工程一直處于次要地位,五次大提速中，在線路平面、軌道結(jié)構(gòu)、橋梁、機車車輛和信號系統(tǒng)等方面進行了大量的有關(guān)研究和改造工作。,,路基方面的研究和改造一直處于次要地位，因此，在對路基改造方面應及時進行大量的工作。,,2 既有線提速中路基方面存在的問題,2.1 路基加固需要引起足夠重視,從我國五次大提速來看，提速過程中，工務(wù)部門主要是針對路基面以上的線路改造和橋涵加固，將路基加固改造放到了非常次要的位置。究其原因，主要有：,,平安運營方面，路基狀態(tài)的好壞不會立即反映到列車運行的平安上。,,影響列車運行平安的

4、主要評判指標，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等，都是通過列車與鋼軌的作用力計算得來，與路基的受力沒有直接的聯(lián)系。,,路基狀態(tài)的不均勻造成提速列車對路基的動力影響難以定量分析，提速后列車運行對路基的長期影響也難以計算。,,鐵路建設(shè)中長期形成的重橋輕路的觀念尚未改變。,,路基加固難度大，投入高，周期長。,,2.2 提速線路路基暴露出的嚴重問題,提速后行車密度加大，維修作業(yè)時間相對減少，加之提速對線路養(yǎng)護的質(zhì)量要求高，工務(wù)部門難以應付困難局面，久而久之，路基病害加劇，影響行車平安。,,由于行車速度的提高，列車對路基產(chǎn)生的動應力增加，特別是原有的路基病害處，動應力加大致使病害加重，病害加重又致使軌

5、道狀態(tài)惡化，造成線路的惡性循環(huán)，影響行車平安。,,隨著列車速度提高，對列車乘座的舒適度有了進一步的要求。對列車平穩(wěn)性指標和車體震動加速度指標提出很高的要求，要求全部要到達優(yōu)的標準。這就要求路基具有更好的均勻性，并保持良好狀態(tài)，對路基的強度、剛度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。,,3 路基動應力分布,3.1 路基面橫向應力分布,路基面的橫向應力分布不均勻，鋼軌下最大，軌枕兩端次之，軌枕中間最小。軌枕端下的應力約為鋼軌下的37-50%，軌枕中心的應力約為鋼軌下的16-37%，軌道結(jié)構(gòu)在傳力過程中具有相當?shù)碾S機性，但盡管應力大小分布不均，路基面橫向應力總體上呈馬鞍型分布。路基面的橫向應力分布更隨列車運行速

6、度而改變，列車運行速度越高動應力越大，且呈線性分布。因此，隨者列車的提速，對路基要求也越高。,,3.2 路基動應力沿深度方向的分布,路基動應力隨深度增加逐步減少，其中表層50cm內(nèi)應力減少較快，路基面下1m處應力約為路基面的1/3左右，動應力與深度呈指數(shù)變化的關(guān)系。,,4 提速路基改造,,,,為保證提速的平安性及長期穩(wěn)定，應從提高路基基床強度、減少變形、增強路基的均勻性幾個方面考慮。,4.1 路基病害整治,路基常見的病害有：路肩下沉、路基寬度缺乏、邊坡坍塌、排水不暢、基床壓陷、道碴囊及翻漿冒泥等。對路基影響較大且難處理的就是基床翻漿冒泥。,,處理翻漿冒泥大量采用的是用粗粒料換填基床表層，粗粒料

7、層可以快速地排出雨水，也可阻斷地下毛細水。因此，目前新建鐵路都要求設(shè)置粗粒土或級配碎石作為基床表層。另一種方法就是使用使用土工材料封閉基床。,,4.2 降低基床表層受力,降低基床表層受力常用的方法有抬道、設(shè)置土工材料或替換成較強的軌道結(jié)構(gòu)。,4.3 提高路基強度,列車引起的動應力隨深度增加衰減很快，受動應力影響最大的是基床表層以內(nèi)，當深度大于1m時，動應力的影響已較小。,,因此，提速路基加固最直接的方法就是加強基床表層的強度和穩(wěn)定性，常用的方法有換填、土體改進、增加土工材料等。,換填厚度應根據(jù)原路基基床表層的強度而定，同時要結(jié)合整治路基翻漿冒泥病害確定。一般情況換填50cm的級配碎石或中粗砂，

8、既可以增強路基基床表層強度，又可以消除路基翻漿冒泥。上海局在滬寧和滬杭線做了大量的工作。,,土體改進分為化學方法和物理方法。,,土工格室在提高路基整體強度時能發(fā)揮好的作用。,,4.4 提高路根本體強度和穩(wěn)定性,加固路根本體的強度可以采用復合樁及注漿加固。,,廣深線擠密樁法施工是成功的，京秦線提速也采用了此方法。具體作法是采用水泥土擠密樁加固，擠密樁布孔縱距54～56cm〔軌枕間距〕，每枕間橫向6個樁，間距60cm。利用列車間隙時間施工，采用套管跟進成孔，套管分節(jié)沉入，管內(nèi)道碴用特制的抓鏟抓出，直至基床表層。采用側(cè)板螺旋鉆或洛陽鏟在基床上成孔。然后分層裝入水泥土，每層厚度約為65cm，每層填料均

9、以橄欖錘夯擊，作到既使材料密實，又將基床沿水平和垂直方向擠密。從而形成復合地基，到達提高承載力的目的。成孔樁徑24cm，填料夯實后擴大至30cm，單樁抗壓承載力大于2MPa，復合地基載荷板實驗承載力為。,,注漿加固的方法很多，采用高分子材料注漿加固已在萬源、綦江、重慶等工務(wù)段試用，收到了一定的效果。,,,5 提速區(qū)段路基加固方法,,地基處理方法,,地基處理的根本方法按作用機理可以分為置換、夯實、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學等方法，由于每種加固方法都有它的適用范圍，因此，不可能采用一種加固方法而覆蓋所有的路基加固，因此應根據(jù)路基的具體情況選擇適宜的加固方法。,,僅就有可能用于既有線路基加固的方法

10、進行探討。,,換土墊層法,,墊層法 ：,適用于處理淺層非飽和軟弱土層、濕陷性黃土、膨脹土、季節(jié)性凍土、素填土和雜填土。提速區(qū)段路基基床表層換填以級配碎石或中粗砂墊層較理想。,,強夯擠淤法：,適用于厚度較小的淤泥和淤泥質(zhì)地基。,有些工務(wù)段處理翻漿冒泥時，采用填充碎石應屬于此方法,。,,振密、擠密法,采用一定的手段，通過振動、擠壓使地基土體孔隙率減小，強度提高，到達地基處理的目的。,,表層壓實法：適用于含水量接近于最正確含水量的淺層梳松粘性土；松散砂性土；濕陷性黃土及雜填土等?；脖韺訐Q填時需配合該法施工。,,重錘夯實法：適用于無粘性土、雜填土、非飽和粘性土及濕陷性黃土。,,強夯法：適用于碎石土、

11、砂土、素填土、雜填土、低飽和度的粉土與粘性土及濕陷性黃土。,,振沖緊密法：適用于砂性土和小于的粘粒含量低于10%的粘性土。,,土〔或灰土、粉煤灰加石灰〕樁法：適用于處理地下水位以上濕陷性黃土、新近堆積黃土、素填土和雜填土。廣深線路基加固即為此方法。,,砂樁：適用于處理松砂地基和雜填土地基。,,置換法,是以砂、碎石等材料置換軟土，與未加固局部形成復合地基，到達提高地基強度的目的。,,振沖置換法〔或稱碎石樁法〕：適用于地基的不排水抗剪強度大于20kPa的淤泥、淤泥質(zhì)土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基。,,石灰樁法：適用于軟弱粘性土地基。兗石線泉林至歷山站間曾用此方法加固路基并處理翻漿冒泥。,,

12、水泥粉煤灰碎石樁〔CFG〕：適用于填土、飽和和非飽和粘性土、砂土、粉土地基。,,加筋法,通過在土層中埋設(shè)強度較大的土工聚合物、拉筋、受力桿件等提高地基承載力、減小沉降或維持建筑物穩(wěn)定。,,土工聚合物：,適用于砂土、粘性土和軟土，或用作反濾、排水和隔離材料。,,加筋土：,適用于人工填筑的路堤和擋墻結(jié)構(gòu)。,,土層錨桿：,適用在一切需要將拉應力傳遞到穩(wěn)定土體中土的工程結(jié)構(gòu)。,,樹根樁法：,適用于軟弱粘性土和雜填土地基。,,膠結(jié)法,在軟弱地基中局部土體內(nèi)摻入水泥、水泥砂漿以及石灰等物，形成加固體，與未加固局部形成復合地基，以提高地基承載力和減小沉降。,,注漿法：適用于處理巖基、砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、

13、粉質(zhì)粘土、粘土和一般人工填土，也可以加固暗浜和使用在托換工程中。,,高壓噴射注漿法：適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、黃土、砂土、人工填土等地基。對既有建筑物可進行托換加固。,,水泥土攪拌法：適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高且地基承載力標準值不大于120kPa的粘性土地基。,,提速區(qū)段路基加固要求高，作業(yè)時間短，并要求開天窗作業(yè)完成后應能夠馬上承受列車的運行荷載。,,提速區(qū)段路基加固可以采用的方法大致可以歸納為換填法、土工材料法、樁加固法、膠結(jié)法等方法。,,換填法就是將基床表層50cm墊層更換為級配碎石，同時可以增加土工材料。,,樁加固法可采用土〔或灰土、粉煤灰加石灰〕樁法、砂樁法、石

14、灰樁法、水泥粉煤灰碎石樁法、樹根樁法等。,,膠結(jié)法可采用注漿法、高壓噴射注漿法和水泥土攪拌法等。采用這類方法時必須考慮加固后能夠馬上承受列車的動荷載。,提速區(qū)段路基加固方法,,,6 國內(nèi)外路基加固設(shè)備和方法,,6.1 國內(nèi)情況,路基病害的整治和加固是一個古老的題目，我國的鐵路工作者一直在研究和進行著這項工作，提出了多種卓有成效的方法，也研制了一些施工機具。,,換填,,換填是常采用的一種施工方法，一般是采用人海戰(zhàn)術(shù)，對線路進行“開膛破肚〞，將路基表層的土挖除，填以優(yōu)質(zhì)土、中粗砂或級配碎石，并輔以土工材料。,,目前尚無成套機械化施工 設(shè)備。,,樁加固法,,既有線路基加固應用較普遍，廣深鐵路和京秦線

15、采用了,水泥土擠密樁,加固技術(shù)，兗石線采用了,石灰樁,加固技術(shù)，北京局和廣州局在局部地段采用了,水泥攪拌樁,加固路基，各工務(wù)段在處理翻漿冒泥時常采用,碎石樁法,，另外各,灰土樁,在路基處理時也有所應用。,,,膠結(jié)法,,無論采用注漿法、高壓噴射法，還是采用水泥土攪拌法，均是采用一定的機械設(shè)備進行單孔作業(yè)，尚未能構(gòu)成大型、高效機械化作業(yè)程度。,,國外情況,,換填,國外路基換填設(shè)備有兩大類，綜合性能較先進的應為普拉索公司的AHM 800R路面整治機，另一套設(shè)備那么為德國的MVG路基換填推動機具。,,AHM 800R路基面整治機,,,AHM 800R路基面整治機,,,該套設(shè)備較好的解決了不撤除線路

16、進行路基換填，適合長大距離長期占道作業(yè)。因為其兩套挖掘裝置、夯拍設(shè)備及刮平裝置要就位到軌道下部，準備工作量大，所需時間較長。經(jīng)該機作業(yè)后需對線路重新上碴整道，使之到達線路標高。,AHM 800R路基面整治機,,MVG路基換填推動機具,,,MVG路基換填推動機具,,該機具施工也需將軌道撤除，道碴去除。恢復線路后同樣需要上碴整道。,,膠結(jié)法,,隨著對不良地基加固技術(shù)的開展和施工機具的不斷完善，美、日等國對基床進行注漿和旋噴加固并取得成果，他們的共同點是將加固機具、注漿泵、動力及配套設(shè)備均安裝在列車上，列車邊行進邊對病害地段進行注漿加固，加固完成后基床內(nèi)沿深度形成縱向連續(xù)的樹根樁，基床外表形成柔性

17、封閉層，以到達提高基床承載力和防止地表水滲入的目的。,,注漿設(shè)備,美國的注漿設(shè)備為軌行式，利用高壓泵將化學漿液注入路基中，使之發(fā)生化學反響，改進土壤性能，起到加固路基的作用，同時形成一個封閉層，可以防止雨水下滲和地下毛細水上升。對防止翻漿冒泥有積極意義。存在上升漿液污染道床的問題。,,旋噴設(shè)備,,,日本的旋噴設(shè)備為一組軌行式專用注入機械，采用旋轉(zhuǎn)鉆進高速噴射方法，注入水泥與土質(zhì)改進劑混合乳液，在路基中形成多層圓錐體連續(xù)物，強化并壓實軟弱路基，分散表層集中荷載，防止不均勻下沉。,,一局部注入物上升，在道碴陷槽底部形成水泥漿膜，水泥漿一局部與周圍軟土混合，使軟弱土硬化成整體，收到強化路基的結(jié)果。同

18、時，上升的這局部注入物也對道床造成一定的污染。,,旋噴設(shè)備加固,,,7 路基加固作業(yè)車研究,,根據(jù)路基應力分布的情況，路基加固應以加固鋼軌下方為主，加固深度以路基表層以下1m范圍內(nèi)為宜，路橋過渡段可適當擴展到。,,無論采用換填、樁加密法和膠結(jié)法，都應立足利用天窗時間進行作業(yè)。長期占用一股道是不現(xiàn)實的，尤其對于繁忙干線幾乎是不可能的。,,對于不同的路基加固應采用特定的有效加固方法，因此，加固方法應盡可能覆蓋較大的范圍，既要適應北方工作，又要適應南方工作，即應盡可能適應不同土質(zhì)的路基加固。,,加固方法的選擇，除滿足提高路基強度外，最好還能適用病害的處理，尤其是翻漿冒泥的處理。,,7.1 路基加固作

19、業(yè)車總體參數(shù),路基加固作業(yè)車應首先滿足在既有線上施工，并且利用天窗時間進行作業(yè)，采用的加固方法應盡可能擴大覆蓋地基的種類。作業(yè)車的作業(yè)應盡可能減少對運營線路的干擾，具體表現(xiàn)為盡可能提高作業(yè)效率，其次是在作業(yè)時不能影響鄰線的正常運營。,,其根本技術(shù)參數(shù)為：,,機組用途：路基加固作業(yè)車主要用于既有線路基加固，針對大量存在的某一種病害進行加固，如翻漿冒泥病害的處理。,,使用環(huán)境：環(huán)境溫度-5～40℃，海拔高度1000m以下。,,線路條件：線路類型：Ⅰ級線路；最小作業(yè)半徑：800m；最大坡度：20‰；軌枕數(shù)量：1680～1840根/km。,,綜合作業(yè)效率：30～50m/h。,,基床表層加固深度：1m，

20、路橋過渡段和涵背可擴大到2m,,機組運行符合機車車輛限界。,,7.2 路基加固作業(yè)車方案,路基加固的方法很多，注漿法在國外已有成套設(shè)備應用，我國也有相應的小機具應用；水泥土擠密樁加固路基是一種有效的方法，雖適用范圍有一定的限制，也不可能解決路基存在的一些常見病害，但畢竟在廣深線和京秦線取得了良好的效果，目前也由完全的人工作業(yè)開展為小型機具施工。因此，路基加固作業(yè)車宜在此根底上進行開發(fā)。,,擠密樁方案,,機組由作業(yè)車和運料車兩個車組成，運料車按加固線路類型配備，對于一般加固地段采用水泥土加固，對于翻漿冒泥地段采用石灰加固。,,作業(yè)車主要工作系統(tǒng)由車輛系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、

21、擠密填料管、管道系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓升降、調(diào)整等系統(tǒng)組成。運料車由車輛系統(tǒng)、料箱、集料系統(tǒng)組成。,,作業(yè)車為長25m的特種車，車面上分4排布置8個激振臺，每4個激振臺為一組，使用一個單作用油缸頂升，每個激振臺固接6根樁管，一個循環(huán)可以完成48個孔成樁；激振臺上方設(shè)置兩路輸料管道，輸料管道負責送料到各樁管，各樁管成孔后直接填料、密實成樁。,,采用擠密樁法加固路基，已在廣深線和京秦線應用，證明是一種行之有效的方法。但存在兩個問題必須引起關(guān)注：一是既有線通過長期行車，由于列車長期動應力的作用，已在路基基床表層形成一個硬殼，該硬殼在某種意義上可以起到防止雨水下滲和地下毛細水上升的作用。多位置的打孔加樁

22、，有可能破壞該硬殼。二是同時在路基內(nèi)增加幾十個緊密樁，是否有可能引起線路上拱，破壞線路的平順性。,,,注漿方案,,注漿方案與擠密樁方案類似，區(qū)別之處在于成孔后由填充固體填料改變?yōu)樽⑷牖瘜W漿液。此方案主要在于成孔設(shè)備應能具有注漿功能。,,由注漿方案還可以引伸出旋噴方案。,,這些方案與擠密樁方案的共同之處在于：在一輛特殊的軌行式車體上布置不同的設(shè)備，采用不同的泵送設(shè)備將填充料送入路基中。如何成孔是這些設(shè)備研制的關(guān)鍵。注漿法和旋噴法加固也同樣存在同時打孔時可能破壞路基基床表層硬殼的問題，同時還必須解決注漿或旋噴后應能馬上承受列車動荷載的問題。,,8 結(jié)論,根據(jù)研究和目前小型機具的試驗情況分析，完成一

23、根水泥土加固樁的時間在6min左右，作業(yè)車可以布置36個作業(yè)頭，每小時可以完成360個加固樁。每公里線路按1760根軌枕、每個軌枕盒內(nèi)加固6根樁，那么每公里線路需加固10560根加固樁，需作業(yè)29h。,,目前我國鐵路大修的天窗時間一般為3h，扣除設(shè)備上場和下場約1h時間，一個天窗時間內(nèi)僅能完成近70m線路的加固。,,鐵路局希望作業(yè)車的作業(yè)效率能夠和MDZ綜合作業(yè)車組配套，在路基加固完成后立即進行線路的大養(yǎng)作業(yè)。但兩者的作業(yè)效率懸殊甚大，完全不可能進行同步作業(yè)。同時，管理部門認為，一個天窗時間內(nèi)僅完成70m的線路作業(yè)，1km的線路需10個天窗時間，對線路的運營干擾太大，這個效率是無法接受。,,8

24、 結(jié)論,同時，水泥土擠密樁加固路基也僅適用于一定范圍的土壤介質(zhì)，應用有一定的局限性。路基加固作業(yè)車綜合作業(yè)效率較低，轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的可能性較小。,,因此，路基加固設(shè)備不宜按占道運行、開天窗作業(yè)的大型設(shè)備進行研制。成孔與夯實別離的作業(yè)機械使作業(yè)程序復雜，降低作業(yè)效率，因此，路基加固設(shè)備應向成孔與成樁一體化和便于下道的機群化施工方向開展。即進行能夠自行下道的小型設(shè)備的研究，利用行車間隙進行作業(yè)，該設(shè)備應能夠一機完成成孔和夯實作業(yè)，能夠編組為機群在線路上進行作業(yè)，下道后能夠有效避讓列車，使列車能夠限速通過。,,成孔與夯實由一機完成，將節(jié)省下護筒和提護筒兩項作業(yè)，有可能實現(xiàn)在6min內(nèi)完成一個加固樁的作業(yè)，將極大提高施工效率，但需要解決震動頭和夯實機構(gòu)的有效統(tǒng)一、成孔器與布料管的有效統(tǒng)一兩項技術(shù)問題。,,9 致謝,本文系根據(jù)筆者在鐵道建筑研究設(shè)計院任職期間承擔的鐵道部科技司科研工程撰寫，此工程的研究到達了部科技司領(lǐng)導的大力支持，謹致謝意！在此也向設(shè)計院和參與此工程的同事致謝！,,本文中的局部資料引用了鐵道科學院路基動應力的相關(guān)測試數(shù)據(jù)圖標，謹致謝意！,,本文中的局部資料引用了劉古岷等編著的?樁工機械?，謹向作者致謝意！,,10 作者簡介,陳 浩，高級工程師，中國機械工程學會高級會員，現(xiàn)任鄭州大方橋梁機械副總經(jīng)理。 聯(lián)系 ：,,主要從事鐵路、公路架橋機、造橋機和鐵路鋪軌機的研制。,,