一种基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法

技术领域

本发明涉及铁路路基加固建筑技术领域，尤其涉及一种基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法。

背景技术

铁路是由不同特点、性质迥异的构筑物(桥、隧、路基等)和轨道构成的，它们相互作用，相互依存，相互补充共同构成了一条平滑的线路，衔接路基和桥部分称为路桥过渡段。桥梁一般由钢筋混凝土构成，桥梁一般建在桩基础上，有刚度大、沉降量小的特点。对于过渡段路基是由土填筑而成的，特别是一些建造较早的线路，路桥过渡段是由C组填料填筑而成，因此过渡段路基的刚度小、沉降量大。由于桥、路在材料、强度、刚度、沉降等方面的差异巨大，必须会引起轨道不平顺。当列车从桥面驶向路基方向或路基方向驶向桥梁时，在过渡段某处会产生较大的冲击作用，引起路基动应力的增加，从而加快路基状况的恶化。

由于中国经济的发展，许多既有铁路不能满足运能的需求，需要进行提速改造。既有铁路经过多年运营后，过渡段路基的性状发生了改变，部分过渡段在荷载作用下发生了压实作用，另外一部分由于原来压实系数低，路基发生过大沉降，引起多种过渡段路基病害。由于部分过渡段路基承载力不足，部分路基仍然在发生持续沉降，如果要在这些线路提速开行动车组时，这些过渡段路基就需要加固。而部分过渡段由较好的砂砾石填料组成，或者虽然使用了粘性土，便表层采用了水泥或石灰改良且下层粘性土压实系数高，路基状况较好，则这一类过渡段路基在提速的过程中基本不用加固。而另一部分过渡段路基采用了C组粘性土填料，路基压实度不足，表层的改良层由于下面承载力不足在动应力作用下已经发生了破损，引起了路基的道砟囊、道砟槽、陷穴、空洞等病害，则这部分过渡段路基需要加固。

因此既有铁路提速前，必须了解掌握过渡段路基的承载情况，根据《铁路200-250km/h既有线技术管理办法》(TG/02-2008，铁科技2008)222号)，要求基床表层的承载力不低于180kPa，基床底层不低于150kPa，路基面的Evd值不低于40MPa。要掌握过渡段路基的承载特性，必须进行路基勘探。

现有技术的主要缺点

1)勘探对既有铁路运营影响较大

传统掌握路基承载性状的方法为轻型动力触探法和动态变形模量测试法，需要扒开道砟，在离轨道较近的地方测试。因为需要扒开路基，则需要向铁路局申报“天窗”时间，在规定的晚上进行勘探。勘探完成后需要回填道砟和捣固道砟，由于道砟密实度很难达到开挖前的密实程度，因此勘探完成后需要24小时的慢行时间，慢行速度一般设定为40km/h，严重影响了既有铁路的运营。

2)工人劳动强度大，勘探费用较高

由于轻型动力触探需要勘探路基面以下所有基床层，既勘探深度为2.5m，勘探工作量，也不宜并行作业，勘探效率非常低下。一般情况下，一个晚上利用“天窗”时间仅能勘探完成一个过渡段勘探，需要20人共10组工人，其中勘探4组共8人，扒道砟、回填道砟、捣固道砟共6组，12人。而对于一条铁路全线往往有100-200座桥，过渡段路基有200-400个(每座桥两端有2个过渡段)，如此大的工作量在短时间完成是不可能的，且需要动用大量的工人，投入较大的资金才能完成。根据计量，按每人每晚200元计算，则需要4000元，另外还要计算捣固的油费、仪器损耗费用约1000元等，勘探10座中桥的费用约为5万元。

3)勘探效率低

由于传统勘探需要扒开道砟，每次作业时间长达3小时，因此必须向铁路局申报“天窗”时间，而且要申报列车慢行时间。另外勘探本身效率也较慢，每个勘探点的扒砟时间约为60分钟，每个勘探点的时间约30分钟(2.5m)回填道砟、捣固道砟也需要近1小时。如果协调不好，一座桥的两个过渡段在一个“天窗”时间还无法完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法，无需开挖道砟，不必为了勘探承载力审批“天窗时间”，可借助白天行车间隙进行测量，对既有铁路运营基本没有影响，评判效率大大提高，节约大量的勘探费用。

为实现上述目的，本发明提供一种基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法，该加固评判方法是依据过渡段路基压实度与过渡段路基外观、沉降存在的内在联系，利用台阶测量法、道床视高度测量法、路肩宽度测量法，路肩反坡法、路基空洞法、路肩陷穴法、或路基边坡溜坍法对路桥过渡段路基进行表面观察测量。

作为本发明的进一步改进，所述的台阶测量法是利用卷尺测定过渡段路基上最上面一个台阶与桥面板的距离，该距离为台阶沉降量，台阶沉降量与承载力的关系式如式(1)所示：

f＝-0.031s³+1.6787s²-32.804s+327.94(1)

式中

f—过渡段路基的平均承载力(kPa)

s—过渡段路基中心点的沉降(cm)，

根据公式(1)，若台阶沉降小于8.6cm，则过渡段路基不需要加固；若台阶沉降大于等于17cm，则过渡段路基需要加固；若台阶沉降处于8.6-17cm，过渡段路基存在陷穴、空洞、边坡溜坍、路肩反坡，则过渡段路基需要进行加固，否则不需要加固。

作为本发明的更进一步改进，所述的道床视高度测量法是利用一个2m长的一端搭在轨枕的顶面上、另一端人工调整水平的水平尺，并利用卷尺量测路肩顶面至水平尺之间的高度，若道床视高度小于88.6cm，过渡段路基不需要加固；若道床视高度大于等于97.6cm，过渡段路基需要加固；若道床视高度处于88.6-97.6cm，如果过渡段路基存在陷穴、空洞、边坡溜坍、路肩反坡病害的，需要进行加固，否则不需要加固。

作为本发明的进一步改进，所述的路肩宽度测量法是利用卷尺测量道床坡脚与过渡段路基边缘之间的距离；若路肩宽度大于等于63.8cm，过渡段路基不需要加固；若路肩宽度小于20.1cm，过渡段路基需要加固；若路肩宽度处于20.1-63.8cm，如果过渡段路基存在陷穴、空洞、边坡溜坍、路肩反坡病害的，需要进行加固，否则不需要加固。

作为本发明的进一步改进，所述的路基反坡法是通过观察路肩，若路肩比坡脚处的路基高，且有水浸痕迹，则需要进行加固。

作为本发明的进一步改进，所述的路基空洞法是通过观察在路桥接触处附近3-4米的锥坡和路桥接触处的路基，若锥坡和路桥接触处的路基出现明洞，则需要进行加固。

作为本发明的进一步改进，所述的路肩陷穴法是通过观察硬路肩的塌陷情况，若路肩出现明显塌陷，则存在陷穴，需要进行加固。

作为本发明的进一步改进，所述的路基边坡溜坍法是通过观察路肩或边坡，若路肩或边坡上打有加固木桩或者边坡有块石反压边坡，则需要进行加固。

与现有技术相比，本发明的基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法的有益效果如下：

1)大大降低工人劳动强度

传统的轻型动力触探法需要小型挖机挖开道砟，人工进行轻型动力触探需要2人一组，要求在“天窗”时间3小时内完成2个过渡段的勘探工作，每组工人需要反复提起10kg的锤击打，每组需要击打约160次。要在规定时间完成勘探工作，需要10组人员配合作用，挖砟、勘探、回填道砟的工作劳动强度均较大，且是夜间作业，容易疲劳引起安全事故。而本发明仅需要测量台阶相对沉降，测定道床视高度、路肩宽度、是否存在反向坡、锥坡或路肩是否存在陷穴或空洞病害，需要工具为卷尺、水平尺，携带方便，测量时间短，利用本发明的界限值，可以很方便的评判路桥过渡段路基是否需要加固。且距离测量工作相对于挖砟、勘探、回填道砟来说，工人的劳动强度和工作量大大降低。本发明不需要扒砟工具、轻型动力触探工具和道砟捣固设备。

2)大大提高了评判效率

传统的挖砟勘探需要10组成员组成4组勘探组、6组挖砟与回填组，有严格的工序，而且勘探时间需要在夜间“天窗”时间内进行，一般一个“天窗”时间(3小时)仅能完成2个过渡段的勘探工作。而本发明测量和病害调查工作可以15分钟内完成，且仅需要2人配合完成。一座中桥2个过渡段仅需要30分钟就完成。2个过渡段所用时间是传统方法的1/10，所用人员是传统方法的1/10。

3)减少了对铁路运营的影响

传统的勘探方法需要向铁路局申请“天窗”时间，一般为3-4小时，此段时间内勘探段禁止列车驶入。另外在勘探后，虽然道砟经过捣固，但其密实度与原来相差还较大，因此列车需要1整天的慢行，通过过渡段的时速仅有40km/h，严重影响了既有线的运行。而本发明的评判法主要测量位置在台阶、路肩处，测量速度快，完全可以在行车间隙内完成测量，因此对“天窗”时间无需求，对列车运行基本上没有干扰。

4)可节约大量的勘探资金

传统的勘探方法使用人员多，勘探期长，投入资金多，根据计量，按每人每晚200元计算，则需要4000元，另外还要计算捣固的油费、仪器损耗费用约1000元等，勘探10座中桥的费用约为5万元。而本发明人员可以白天借用行车间际进行测量，且工作劳动强度大大降低，考虑到中桥测量中间的障隙，每天工作8小时，则每天理论上每天可以调查16座中桥，考虑到调查下一个中桥需要人员行走或移动，则每天8小时约可以调查10座中桥。仍按200元每人计算，则采用本方法约需要400元，是传统方法的8‰，大大节约的勘探费用。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为台阶与桥人行道面的沉降差示意图；

图2为承载力与沉降之间的关系图；

图3为道床视高度与路肩宽度评判原理图；

图4为路肩反向坡形成图，其中(4a)为铁路运营前的顺坡示意图，(4b)为铁路运营后的反向坡示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1-4，所述的基于表观测量路桥过渡段路基是否需要加固评判方法，该加固评判方法是依据过渡段路基压实度与过渡段路基外观、沉降存在的内在联系，利用台阶测量法、道床视高度测量法、路肩宽度测量法，路肩反坡法、路基空洞法、路肩陷穴法、或路基边坡溜坍法对路桥过渡段路基进行表面观察测量。通过表面观察测量既可对路桥过渡段路基是否需要加固进行评判。本评判方法无需开挖道砟，不必为了勘探承载力审批“天窗时间”，可借助白天行车间隙进行测量，对既有铁路运营基本没有影响，评判效率大大提高，节约大量的勘探费用。该评判方法体系主要内容如下：

(1)台阶测量法(台阶与桥面沉降差评判法)

1)测试方法

利用卷尺，测定过渡段路基上最上面一个台阶与桥面板的距离既为路基相对于桥的沉降量。如图1所示(图1中的3表示原设计路基面高程，图1中的4表示运营后路基面高程)。该方法测试方便，测试效率高。

2)测试原理与评判依据

在宁启既有铁路中，大部分桥均采用图1所示的路桥结构。由于路基一般没有桥面高，需要在路基上修筑台阶，方便维修人员上下桥检修。在施工完成时，台阶1顶面与桥面2齐平(如图1虚线位置)。由于桥台和桥面2均在桩基础上，且台身采用混凝土结构，所以桥面2的沉降可以忽略不计。台阶1处于过渡段路基上，台阶1的沉降由地基沉降和路基沉降组成。由于路基及地基沉降大，因此在台阶1与桥面2存在沉降差，沉降差越大代表过渡段路基的沉降也越大。过渡段沉降原因与路基土的压实系数密切相关，所以相对沉降大的地方，过渡段路基的病害越多。

根据铁道部科学研究院主编.时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定[S].1998.(节选于西南交通大学博士论文，121-160km/h时，沉降差建议值不大于10cm，160-250km/h时，沉降差不大于8cm，251-350km/h时，沉降差不大于5cm)。对于既有铁路，一般提速目标为200km/h，因此建议沉降差不大于8cm)

3)台阶法与实测承载力对比

某既有铁路勘察多个过渡段的平均承载力与沉降关系如图2所示。承载力与沉降量之间的关系如式(1)所示。

f＝-0.031s³+1.6787s²-32.804s+327.94(1)

式中

f—路基的平均承载力(kPa)

s—过渡段路基中心点的沉降(cm)

实测结果表明承载力越高，沉降量越小。对于低于100kPa的2个过渡段，沉降量均超过了17cm，过渡段锥坡发生了坍塌，属于严重病害，需要加固。有3座中桥的沉降量分别为2.8cm、6.7cm和5.4cm，经现场实测其承载力已经达到了基床底层的要求，外观上无病害产生，因此不用加固。根据公式(1)，当沉降量为8.6cm时，承载力对应值为150kPa。因此台阶法评判标准如表1所示。

表1台阶沉降法评判标准

(2)道床视高度和路肩宽度评判法

如果台阶进行过反修，则不宜采用上条(1)，可采用道床视高度和路肩宽度评判法。

1)道床视高度测量方法

①测定轨枕顶面至路肩顶面的高度度即为过渡段处的道床视高度，利用一个2m长的水平尺，一端搭在轨枕的顶面上，另一端人工调整水平，然后用卷尺量测路肩至水平尺之间的高度差即为道床视高度。

②路肩宽度测量方法

路肩宽度即道床坡脚与路基边缘之间的距离，用卷尺测量这个距离就是路基宽度。

2)评判原理

①道床视高度评判原理

如图3所示(图中的5表示轨枕，6表示原路基面，7表示沉降后路基面，8表示道床，9表示原路基边坡，10表示沉降后路基边坡，L1表示原路基宽度，L2表示原道床视高度)，宁启既有铁路原路基为非渗水土，路基顶面采用4％坡度设计，道床设计厚度为50cm(图3中A点与B点之间的距离)。在过渡段处，由于桥面沉降可以忽略不计，而过渡段路基沉降较大，设路基面中心从B点下沉至C点，在保持轨道标高不变的情况下，必须增加道床厚度来维持轨面标高，其中I点和F点的垂直距离就是沉降后的道床视高度。如果IF的垂直高度远大于没有沉降前的垂直高度ID，则表示过渡段沉降发生了较大沉降。

②路肩宽度评判原理

如图3所示，路基没有沉降时的的路肩宽度为DE，对于I级铁路一般设计为0.8m或1m。如果路基发生下沉，而道床坡度1:1.75维持不变，补充道砟后的道床延至F点，则沉降后的路肩宽度为FH，如果FH远小于DE，则说明路基发生了较大沉降。

3)评判方法

如图3，设道床设计厚度为50cm(AB垂直距离)，设计路肩宽度为80cm(DE水平距离)，则没有沉降时的道床视高度为79cm(ID距离在竖向上的分量)。则路基沉降与道床视高度、路肩宽度之间的关系如表2所示。

表2路基中心点沉降与道床视高度、路肩宽度(单位cm)

根据表2与表1沉降的相关关系，可推得评判关系如表3所示。

表3道床视高度与路肩宽度评判法

如果观察到过渡段路基存在明显的空洞、滑坡、溜坍、路基反向坡时，无论台阶、道床视高度、路肩宽度测试结果如何，均需要进行加固处理。

(3)路肩出现反向坡评判法

1)评判原理

在非渗水填料路基设计中，路基顶面从中央向两边出现4％的坡度，保证降到路基面的雨水可以顺利排出基床。在既有铁路中，当路基中央的承载力严重不足时，由于道床下面的路基承受列车和道床荷载发生下沉，而路肩没有承受荷载而沉降较小，部分路段出现了路肩较路基中间高的情况，甚至部分高出20cm。当路肩高于路基中央时，降水无法及时排出基床范围以外，造成结果是水浸泡路基，造成路基软化。如图4所示。

2)评判方法

如果发现路肩比坡脚处的路基高，且有水浸痕迹时，需要进行加固。如果路肩没有出现反向坡，需要根据其它特征确定。

(4)路基空洞与路肩陷穴评判法

如果路基承载力不足，一般代表路基压实度不足，由于长时间运营中的雨水冲刷，路基可能出现空洞(明)或陷穴(暗)，部分空洞或陷穴范围较大，严重影响了既有铁路的运营安全。根据现场调查，空洞或陷穴主要分布在路桥接触处附近3-4米，在锥坡和路桥接触处路基均有出现。明洞从侧面或表面可以表观查看出冲刷的空洞。

陷穴表观上难以看出，如果陷穴分布于路肩时，可以观察硬路肩的塌陷情况，如果硬路肩出现了明显的塌陷，说明下面存在陷穴，经勘探下部陷穴深度部分达到了1.5m。

(5)路基边坡溜坍

如果路基承载力不足，则路基的压实度不足，路基土的抗剪强度较低，容易发生边坡滑坡或表层溜坍。因此如果已经观察到边坡发生滑坡或溜坍，则需要进行加固。其观察特征有：路肩或边坡上打了木桩加固，边坡块石反压边坡。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。