鐵道工程施工第三章

第三章特殊土地區(qū)的路基施工我國幅員遼闊，地形、地質(zhì)條件復雜多變。特別是鐵路新線的修建，往往穿越的地區(qū)更為廣泛，這勢必使得鐵路工程施工的難度比其它工程項目的施工更大。我國特殊地形、地質(zhì)條件包括滑坡地段、崩塌及巖堆地段、泥石流地段、浸水地區(qū)、軟土和泥沼地區(qū)、裂隙黏土地區(qū)、巖溶及其它空洞地區(qū)、多年凍土地區(qū)、鹽漬地區(qū)和風沙地區(qū)等等。第一節(jié)泥沼及軟土地區(qū)路基施工一、泥沼及軟土的特征(一)泥沼的特征和分類泥沼是一種以泥炭沉積為主并包含著各種水草、淤泥和水的土層。泥沼的表面多呈現(xiàn)為洼地，被不深的水所浸漫，植物繁衍，承載力極低。我國泥沼主要分布在青藏高原的雪山草地、東北森林鐵路塔頭草地段以及青海、新疆的低溫地帶。泥炭的滲水性很強，當在泥炭上緩慢施加荷載時，泥炭的孔隙水迅速排出發(fā)生固結作用，其強度亦隨之增長。這一特性為在泥沼地基上修筑路基提供了有利條件。(二)軟土的特征軟土是指水下沉積的淤泥或飽和軟黏土為主的地層。軟土地區(qū)表面常具有可塑硬殼，地下水位接近地表，下部為流動性淤泥，沉積厚度一般較深。軟土地區(qū)路基施工，工程地質(zhì)問題主要體現(xiàn)在： 1.軟土屬于高壓縮土，壓縮系數(shù)大，沉降量大，影響結構物的正常使用。 2.軟土含水量高，孔隙比大，但透水性差。3.軟土的抗剪強度低，在荷載作用下往往由于地基喪失強度而產(chǎn)生局部或整體剪切破壞。4.軟土具有觸變性，一旦受到擾動，土的強度明顯下降，甚至呈流動狀態(tài)。二、泥沼及軟土路基的處理措施(一)泥沼路基的處理措施為了保證泥沼地區(qū)路基的穩(wěn)定，在設計和施工上有如下的要求和措施:1.泥沼地區(qū)一般采用路堤不用路塹。要求路堤面高出泥沼地表不小于1.2m，否則應進行基底處理，不得直接在天然地基上填筑路堤。2.路堤填料應盡可能采用滲水材料。泥沼地表以下?lián)Q填部分不允許用非滲水土填筑。3.不論哪種類型的泥沼，都應考慮泥沼地區(qū)的積水和地下水位是否有排除、疏干和降低的可能性。如果有條件，路基施工應配合橋涵設計做好泥沼地區(qū)的排水系統(tǒng)，改善泥沼的力學性質(zhì)，以減少其加固措施，增強路基的穩(wěn)定性。(二)軟土路基的處理措施在軟土地基上修筑路堤，有兩個特點:一是容易坍塌，二是有較大的沉降。在軟土地區(qū)快速填筑路堤時，如果荷載增加速度大大超過地基固結速度，常常在尚未達到填方預期高度時就發(fā)生塌方。這種對基底不作任何處理，而用快填施工所能填筑的路堤最大填筑高度稱為臨界高度，通常為3～5m。在軟土地基上筑路，有的在填筑過程中便產(chǎn)生嚴重的下沉;有的經(jīng)運營若干年后還有下沉現(xiàn)象。在軟土地區(qū)筑路，必須采取有效的加固措施、歸納起來，軟土地基路堤的加固技術，可大致分為以下幾類:1.改變路堤結構型式(1)優(yōu)化設計減小路堤或結構物作用于軟土地基上的壓力，控制路堤高度，減輕結構物的自重或加大承載面積以減小單位面積壓力。(2)反壓護道 反壓護道是在路堤兩側填筑一定寬度的低于路堤高度的護道，使路堤底地基土不被擠出和隆起，以增加路堤抗滑的穩(wěn)定性。反壓護道外側天然護道的寬度應不小于6m。反壓護道的優(yōu)點是施工方便，不需要控制填土速率，可就地取材。缺點是后期沉降大，需經(jīng)常抬道，給養(yǎng)護帶來困難;同時占地面積多，土方量大，耕地區(qū)應盡量少用。2.人工地基(1)換填①直接換土。直接換土是用人工或機械挖除全部軟弱土，換填以強度較高的黏性土或砂、卵石、礫石等滲水性材料。它從根本上改善了地基，不留后患。②拋石擠淤。拋石擠淤適用于軟土層厚度為3～4m的湖泊或河流等積水洼地。當軟土底地層平坦時，拋投應自地基中部向兩側逐漸進行，以便將淤泥從兩旁擠出。當下臥巖層層面具有明顯橫向坡度時，片石拋填應從高向低的一側進行，并在低的一側多填一些，以求穩(wěn)定。片石拋出水面后，應用較小石塊填塞墊平，用重型機械碾(夯)緊密，然后鋪設反濾層及填土，最好能配合預壓，使軟土能徹底擠出。③爆破排淤。爆破排淤是用炸藥在軟土中爆炸，把軟土揚棄和壓縮，然后回填以滲水土或強度較高的黏性土。爆破排淤法有兩種工藝:一是先填后爆法，即先在原地面上填筑低于臨界高度的路堤，隨爆隨沉，避免了回淤。此法適用于液性指數(shù)較大的軟土。二是先爆后填法，即爆前先準備好充足的回填土，以便爆后在盡可能短的時間內(nèi)填滿基坑。此法適用于液性指數(shù)較小、回填較慢的軟土。(2)雙灰樁雙灰樁處理軟土地基是采用機械成孔，通過擠壓作用使地基土得到加密，然后分層填入生石灰、粉煤灰后夯實而成雙灰樁。它使樁與樁周土共同承受荷載，從而達到提高原地基承載能力的目的。

(3)土工織物法 土工織物加固地基法是在路堤底部鋪設一層或多層土工合成材料，可起到柔性柴排的作用。土工合成材料主要是聚醋高分子材料的化合物，耐酸堿，耐腐蝕，并具有較大的抗拉強度。通常土工織物端部要折鋪一段，起錨固作用。(4)側向約束法側向約束法是在路堤兩側坡腳附近打入木樁、鋼筋混凝土樁或者設置片石齒墻等，以限制基底軟土的擠動，保持基底的穩(wěn)定。它適用于軟土層較薄、底部有堅硬土層和工期緊迫的情況，下臥層面具有橫向坡度時尤其適合。地基在施加側向約束后，路堤的填筑速度可不加控制。（5）旋噴攪拌樁和粉噴攪拌樁利用工程鉆機，將旋噴注漿管置入預定的地基加固深度，通過鉆桿旋轉，徐徐上升，將預先配制好的漿液，以一定的壓力從噴嘴噴出，沖擊土體，使土和漿液攪拌成混合體，形成具有一定強度的人工地基。當灌入材料為水泥或生石灰粉時，稱為粉噴攪拌樁。其樁徑為0.5m，加固深度一般在10～15m。水泥加固軟土是基于水泥和加固土的物理化學反應。拌入水泥7d后，土顆粒周圍充滿水泥凝膠體;一個月后，充填到顆粒間的孔隙中，形成網(wǎng)狀結構;五個月時，纖維狀結晶輻射向外伸展，產(chǎn)生分叉，并相互連接形成空間網(wǎng)狀結構，增加土體強度。(6)振沖碎石(砂)樁振沖碎石樁法是利用能產(chǎn)生水平方向振動的管狀設備，在高壓水流沖切配合下，使地基成孔，然后向孔內(nèi)分批填入碎石(砂)等堅硬材料，用振沖器將其擠密，形成碎石(砂)樁。這樣，一方面碎石(砂)樁與地基土形成復合地基;另一方面，由于填入堅硬材料和振沖作用，使原地基土被擠密，原地基土中的水又被壓入碎石(砂)樁，故地基土的物理力學性能得到改善，從而使地基的承載力得以提高，沉降量得以降低。3.排水固結(1)砂墊層砂墊層是在路堤基底鋪設一層較薄的砂礫土壤，以加速地基的排水固結，提高其穩(wěn)定性。它是最簡單的換土方法，其優(yōu)點是不擾動軟土結構，排水性能好，施工簡便，費用較低;缺點是必須嚴格控制加荷速率，且地基沒有足夠寬度時會出現(xiàn)側向擠出。砂墊層的鋪設形式有兩種，即排水砂墊層和換土砂墊層。排水砂墊層是在路堤底部的原地面上直接鋪設薄層砂墊層，然后繼續(xù)填筑路堤。其厚度一般為0.6～1.0m，為利于排水，一般在路堤坡腳外每側伸出1m左右。換土砂墊層是先挖除地表硬殼，代以砂墊層，然后填筑路堤。(2)砂井砂井是在軟土地基中利用各種打樁機具獲得的按一定規(guī)律排列的孔眼，并在孔眼中灌進粗砂形成砂柱。在地表再將各個砂井用砂溝聯(lián)接起來，使地基固結時，水分排入砂井后，很快由砂溝排去，從而加速固結，提高地基強度。砂井深度應視軟土厚度及結構物重要性而定，一般均應貫穿軟弱土層達到堅固土層。(3)袋裝砂井袋裝砂井法是在一般砂井法的基礎上發(fā)展起來的新工藝。它是在需要加固地段的地面上先填筑好排水坡，并鋪設好排水墊層，再將加工好的砂袋垂直置于地基中已成孔內(nèi)，形成袋裝砂井，然后對地基加載預壓，使地基中的水分從袋裝砂井中排出，從而達到加速地沉降固結的目的。

在袋裝砂井法的基礎上，施工中又發(fā)展出砂井真空預壓法。它是在需要加固的軟土地基表面鋪設砂墊層，搭設袋裝砂井，埋設濾水管，在砂墊層上鋪設不透氣的塑料薄膜，用膠管將出膜裝置與真空裝置連成一體，利用真空裝置將密封膜下的空氣抽出，使其形成真空，在真空的吸力作用下，將土體中的孔隙水吸出，通過砂井、砂墊層、濾水管排出膜外，使土體壓密固結。（4）塑料排水板塑料排水板法是在軟土地基中按一定的間距和布置形式打設塑料排水板，在上部預壓荷載(路基)的作用下，土層中的孔隙水，通過塑料排水板和砂墊層排出，加快地基固結速率。其施工設備簡單，排水效果好，工效高，可有效降低工程造價，是目前廣泛應用的軟土地基加固方法。 三、泥沼及軟土路基施工注意事項1.當沼澤及軟土地積水深度較淺時，可以在路堤四周修筑防水圍堰進行抽水，換填滲水土。當積水較深時，可以在冬季采用凍結法層層開挖，換填滲水土。2.在林木豐富的地區(qū)，路基通過泥沼地而不能采取明挖回填施工時，可采用木排下沉。3.采用砂墊層及砂井處理軟土地基，其基底的固結過程往往需要經(jīng)過較長時間。因此，軟土和泥沼地區(qū)路堤宜提取安排施工，以利于加強預壓固結效果，使路堤在鋪軌通車前具有足夠的穩(wěn)定性，減少加固費用。4.當路堤修筑到極限高度后，應注意觀測，并嚴格控制施工速度以防止路堤喪失穩(wěn)定?？刂剖┕に俣鹊闹饕罁?jù)是進行水平位移和地面沉降的觀測。5.填筑軟土和泥沼地區(qū)路堤，應按其地基和路堤的后期沉落量一并加筑預留沉落土。計算土方數(shù)量時，除斷面數(shù)量外，還應考慮路堤在施工期間內(nèi)由于基底沉陷及路堤頂面預留加寬度而增加的土方。6.軟土地基處理，除采用水下拋石擠淤方法外，均應于開工前疏干地表水。7.路堤填土一般從旱地取土，或從可耕面積以外的殘丘山麓、廢棄土堆等地區(qū)取土。只有在特別困難的情況下，才考慮從兩側耕地取土。8.泥沼地區(qū)施工條件惡劣，多蚊蠅，并有影響施工人員健康的霉腐惡臭味道。因此必須配備足夠的勞保用品及醫(yī)藥設備，并注意改善施工環(huán)境，以保證施工的順利進展。第二節(jié)多年凍土地區(qū)路基施工一、凍土的概念在嚴寒地區(qū)，地面以下一定深度的地溫常保持在0℃以下，土中含有冰，這類土稱為凍土。含冰的土持續(xù)3年或5年以上不融化，稱為多年凍土。多年凍土與季節(jié)融凍層的交界處稱為多年凍土的“上限”，多年凍土的下部界限稱為“下限”。多年凍土處于凍結狀態(tài)時，有很高的強度，但是開挖從根本上改變了多年凍土的邊界條件，破壞了原來的熱平衡狀態(tài)，引起多年凍土的上限移動，從而出現(xiàn)凍害現(xiàn)象，帶來很大的損失。當路堤的修筑引起上限向地表移動時，土中的水結成冰，體積膨脹，出現(xiàn)局部的凍脹，抬起結構物。土凍結時，還引起水分向凍結面轉移，更使土的凍脹量加大。當上限下降時，土中的冰融化成水，土的強度削弱，產(chǎn)生融化下沉或邊坡坍塌的現(xiàn)象。這種融沉一旦發(fā)生，便在路基中形成融化槽。每年夏季大量雨水滲入，又帶來大量熱能進一步促使融沉發(fā)展，造成較嚴重的路基病害。路基融沉是非常普遍的現(xiàn)象。我國多年凍土分布很廣，主要集中在東北的大小興安嶺、青藏高原、祁連山、天山等地，占全國總面積的1/5。多年凍土的工程性質(zhì)，固然有其共性，但因其所在地的地理、氣候條件不同，又各有其特殊性。因此，必須根據(jù)當?shù)鬲毺氐那闆r，采取合理的處理措施。 二、凍土地區(qū)路基施工措施 對多年凍土地區(qū)病害的處理措施主要從三個方面著手:地基土改善、治水及保溫。粉砂土或粉砂質(zhì)黏土的凍脹量和融沉量都很大，在條件可能時，可考慮將這種地基土換成礫石、砂等粗顆粒土。換土后表層要做封閉層防止地表水流入。凍土中的水是造成一切凍害的主要原因，所以首先要防止地表水滲入結構物地基，同時也要攔阻地下水向結構物地基附近聚集，可考慮設置截水溝。設置保溫層的目的是維持地溫的相對穩(wěn)定，防止結構物地基及其附近地溫因施工引起過大的變化。保溫材料最好能就地取材，如泥炭、草皮、爐渣等。1.多年凍土地區(qū)一般采用路堤通過，施工中應以不破壞或少破壞地基的熱平衡狀態(tài)為原則。若必須以路塹通過，則一般應盡量減少挖方。當路塹按保護凍土原則設計時，宜在寒季施工。不得在雨季施工。2.當?shù)鼗鶠樯俦鶅鐾粱蚨啾鶅鐾習r，對基底不作特殊處理;當路堤的基底位于或路塹基底穿過富冰凍土、飽冰凍土或含水冰層時，為消除凍土的凍脹危害，可采取將基底全部清除至多冰凍土層，回填滲水土或含水量小于1.2倍塑限的黏性土，并做好基底縱向排水。當回填滲水土時，其頂部0.5m厚應鋪填黏性土;當回填黏性土時，應在其底部0.3m厚應鋪填碎卵石。如果基底全部清除換填有困難或不經(jīng)濟時，可部分清除換填。基底換填開挖工程應在春融前完成。 3.在地下冰或凍土融化后呈現(xiàn)流塑性狀態(tài)的地段，除對基底采取保護基底天然植被的保溫措施外，可在路堤兩側設保溫護道，以緩和多年凍土上限的上升速度及保證路堤邊坡的穩(wěn)定。4.如路塹邊坡高度較大(大于6m)，有較好的地基條件時，可修建擋土墻，墻后填保溫材料，保護邊坡凍土不致融化。當?shù)鼗鶙l件較差時，亦可采用錨桿擋土墻。5.土方填筑以5～10月份施工為宜。當基底為飽冰凍土或含水冰層時，路堤填料應根據(jù)路堤高度與最小保溫高度間大小關系來選定，同時應考慮凍土地區(qū)路堤填筑的特殊要求。應盡量優(yōu)先采用粗顆粒的滲水土填筑路堤，并遠離路堤集中取土。如果必須在路基一側取土時，取土坑宜在靠山一側，離開路堤坡腳應有20m以上的距離。施工時，基底換填和邊坡填土應同時進行，先基底后邊坡，最后鋪砌草皮護坡或其它保溫材料，如加氣混凝土、泡沫塑料混凝土等。邊坡填土須十