運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基信息化注漿加固控制技術(shù)

閆宏業(yè)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2018年12月，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2.9 萬km，基本上形成了“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)。由于我國(guó)軟弱土廣泛分布、局部施工控制不力、封閉措施局部失效、微地貌排水不暢等原因，造成高速鐵路地基或基床軟化，產(chǎn)生了沉降病害，降低了高速鐵路的運(yùn)營(yíng)效益［1-3］。

普速鐵路路基沉降主要采用鋼花管注漿技術(shù)［4-5］進(jìn)行整治，而運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基沉降主要采用袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行整治。袖閥管注漿加固技術(shù)具有局部施壓、分段定量、多次注漿等特點(diǎn)，滿足了高速鐵路對(duì)路基注漿加固少擾動(dòng)的要求。由于目前注漿整治施工過程普遍缺乏先進(jìn)的信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控手段，往往在施工過程中形成2種極端做法：①注漿時(shí)以“盡量多注”為指導(dǎo)思想，因變形監(jiān)控滯后、注漿施工響應(yīng)不及時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)生過大沉降、偏移或瞬時(shí)上拱，造成更為嚴(yán)重的二次變形病害；②為保持運(yùn)營(yíng)高速鐵路高標(biāo)準(zhǔn)平順性狀態(tài)，注漿過程控制過于嚴(yán)格，施工變形影響評(píng)估時(shí)間過長(zhǎng)，造成工期拖延，在工期逐漸趨緊的情況下，又以犧牲注漿質(zhì)量為代價(jià)追趕進(jìn)度，造成注漿質(zhì)量不滿足相關(guān)要求，不能消除病害。因此，注漿整治施工過程應(yīng)提高信息化控制程度，建立實(shí)時(shí)響應(yīng)的信息化變形監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)，監(jiān)控線路的平順性狀態(tài)，以及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿施工控制工藝，實(shí)現(xiàn)施工過程高速鐵路線路平順性與注漿質(zhì)量的雙重控制。

本文依托京沈高速鐵路綜合試驗(yàn)，建立高速鐵路信息化注漿加固控制技術(shù)，為運(yùn)營(yíng)條件下高速鐵路路基的加固整治提供參考。

1 試驗(yàn)段概況

選取京沈高速鐵路DK534+775—DK534+956 區(qū)段進(jìn)行試驗(yàn)。該段地基表層的粉質(zhì)黏土為一種較大孔隙比的結(jié)構(gòu)性土，工程性質(zhì)復(fù)雜，環(huán)境穩(wěn)定性差，遇水軟化，結(jié)構(gòu)破壞，壓縮性顯著增大，易引起路基沉降［6-8］。對(duì)于這類土，現(xiàn)有規(guī)范并未有相關(guān)明確的試驗(yàn)內(nèi)容和要求，該結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土的工程特性和工程影響并未完全掌握。2017年，與該段相鄰的、地質(zhì)條件相似的地段曾發(fā)生較大沉降，并進(jìn)行了工程處理。因此，開展結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土處理對(duì)策試驗(yàn)以預(yù)防路基進(jìn)一步發(fā)生沉降尤為必要。該段地勢(shì)較平坦，剝蝕平原地貌，最大填方高度達(dá)8 m。地表覆蓋結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土，厚1.2～3.4 m，是本次試驗(yàn)的處理對(duì)象。圖1為該段的鉆孔布置方案，共鉆孔注漿3.6萬延米，工期40 d。

圖1 DK534+775—DK534+956段鉆孔布置方案

本次綜合試驗(yàn)是在該段線路已經(jīng)驗(yàn)交的條件下開展的，工程結(jié)束后立即進(jìn)行其他高速綜合試驗(yàn)。由于地基條件易受擾動(dòng)，變形不易控制，如果線路平順性狀態(tài)超過限值，工程結(jié)束后沒有抬升與糾偏時(shí)間，這對(duì)注漿施工的信息化控制水平提出了更高要求。

2 信息化注漿實(shí)施框架

2.1 實(shí)施開展步驟

運(yùn)營(yíng)高速鐵路注漿信息化控制框架見圖2。

圖2 運(yùn)營(yíng)高速鐵路注漿信息化控制框架

運(yùn)營(yíng)高速鐵路注漿信息化控制主要實(shí)施步驟如下：

1）分析整治前高速鐵路路基狀態(tài)。收集整理沉降原因、位移情況、扣件狀態(tài)、墊板情況、設(shè)計(jì)要求等資料，為后續(xù)要求的明確提供支撐。

2）明確施工變形控制要求?；谡吻案咚勹F路路基狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)營(yíng)相關(guān)要求，綜合考慮處理區(qū)段順坡能力、限速要求、預(yù)估變形趨勢(shì)等方面，明確施工控制沉降、上拱與橫向位移的限值。

3）構(gòu)建施工過程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系。監(jiān)測(cè)參數(shù)主要為軌道結(jié)構(gòu)的豎直變形與橫向變形。其中豎直變形為第一控制參數(shù)，通過上、下行豎向變形的監(jiān)控，可基本掌握軌道結(jié)構(gòu)的橫向變形。對(duì)于豎向變形的監(jiān)控，在整治區(qū)段建立全覆蓋沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集頻率須達(dá)到秒級(jí)，注漿作業(yè)時(shí)才能做到及時(shí)反饋；對(duì)于橫向變形的監(jiān)控，在整治區(qū)段建立全站儀測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)，受制于該技術(shù)的實(shí)時(shí)性，監(jiān)測(cè)時(shí)必須結(jié)合豎向變形監(jiān)控，共同對(duì)橫向位移進(jìn)行評(píng)估；為提高橫向變形監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，在施工典型區(qū)段可設(shè)置全深測(cè)斜傳感系統(tǒng)；另外，還應(yīng)采用人工水準(zhǔn)開展輔助性實(shí)時(shí)監(jiān)控與驗(yàn)證。變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系的建立為注漿施工過程信息化奠定基礎(chǔ)。

4）鉆孔過程變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋。施工過程鉆孔作業(yè)總是領(lǐng)先于注漿作業(yè)，通過監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋，然后動(dòng)態(tài)、精細(xì)地調(diào)整鉆進(jìn)工藝和鉆機(jī)布置，使鉆孔作業(yè)的影響盡量地均勻和緩慢，從而形成基于信息化的精細(xì)鉆孔控制技術(shù)。

5）注漿過程全參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋。鉆孔作業(yè)時(shí)主要是產(chǎn)生漸變的路基沉降，但注漿作業(yè)時(shí)除了會(huì)產(chǎn)生路基沉降外還可能產(chǎn)生快速的上拱與橫向變形，具有更大的不確定性，控制難度也較大。因此，根據(jù)注漿作業(yè)不同階段特性，建立全參數(shù)智能注漿控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控注漿各參數(shù)，并與變形監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整施工工藝，形成與變形聯(lián)動(dòng)的智能注漿控制技術(shù)。

6）基底注漿抬升與糾偏。根據(jù)變形監(jiān)控結(jié)果，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)變形超出限值時(shí)，借助與變形聯(lián)動(dòng)的注漿控制技術(shù)劃定抬升區(qū)段、制定分次抬升與糾偏量，開展控制性注漿抬升與糾偏，將整治區(qū)段變形控制在限值之內(nèi)。

7）施工結(jié)束，全部區(qū)段滿足變形控制要求，恢復(fù)運(yùn)營(yíng)。

2.2 變形限值要求

運(yùn)營(yíng)高速鐵路變形監(jiān)測(cè)限值在分析整治前高速鐵路路基狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。施工變形控制限值主要包括軌道結(jié)構(gòu)的沉降、上拱和橫向位移的限值，可按扣件或墊板的調(diào)整能力減去一定的安全預(yù)留空間的原則進(jìn)行確定，同時(shí)結(jié)合處理區(qū)段順坡能力、限速要求與預(yù)估變形趨勢(shì)等方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。以本次試驗(yàn)為例，阜新站已經(jīng)鋪設(shè)無砟軌道，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束后即進(jìn)行綜合試驗(yàn)，且本段路基填高較高，地基不均勻變形易導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的橫向偏移。另外，在本次試驗(yàn)開始之前，整治范圍內(nèi)局部已產(chǎn)生一定程度的沉降和橫向位移，最大沉降已達(dá)10 mm，向右側(cè)橫向位移達(dá)4 mm。因此，本次試驗(yàn)對(duì)施工變形控制提出了極高的要求。

2.2.1 沉降限值

一般扣件最大向上調(diào)整量為26 mm，考慮到施工結(jié)束后沉降依然可能有一定發(fā)展，根據(jù)類似經(jīng)驗(yàn)，考慮安全預(yù)留空間為6 mm，則沉降最大區(qū)段的控制限值可按26-10-6=10 mm 進(jìn)行控制。以此類推，將整個(gè)整治范圍劃分成不同沉降限值的區(qū)段，見圖3。

圖3 整治區(qū)段分段沉降限值要求

2.2.2 橫向偏移限值

一般墊板的橫向調(diào)整量為±8 mm，安全預(yù)留空間取2 mm，則橫向偏移最大區(qū)段的橫向限值取-2～+10 mm，“-”號(hào)代表向右側(cè)偏移。以此類推，將整個(gè)整治范圍劃分成不同橫向偏移限值的區(qū)段，見圖4。

圖4 整治區(qū)段分段橫向偏移限值要求

2.2.3 上拱變形限值

對(duì)于沉降整治區(qū)段，一定的上拱變形是有利的，但因注漿過程中上拱具有突發(fā)性與不均勻性的特點(diǎn)，不易控制，且會(huì)導(dǎo)致較大橫向偏移。因此，進(jìn)行控制性抬升與糾偏時(shí)，應(yīng)避免上拱變形的產(chǎn)生。上拱變形限值可統(tǒng)一設(shè)定為2 mm。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

建立施工過程全覆蓋、高精度、多手段的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系是實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)高速鐵路施工信息化控制的基礎(chǔ)。本次綜合試驗(yàn)涉及的監(jiān)測(cè)技術(shù)有全覆蓋沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全站儀測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)、全深測(cè)斜傳感系統(tǒng)與人工輔助性實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，見表1。各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)承擔(dān)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)，也有不同的設(shè)置優(yōu)先級(jí)，如圖5所示。

表1 變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系及功能

圖5 運(yùn)營(yíng)高速鐵路注漿整治變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系

2.4 信息化注漿控制對(duì)策

為確保高速鐵路線路平順性處于可控狀態(tài)，應(yīng)建立注漿施工作業(yè)與變形監(jiān)控聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿施工工藝，實(shí)現(xiàn)在保證注漿質(zhì)量的同時(shí)滿足運(yùn)營(yíng)高速鐵路注漿整治變形限值要求。

一般情況下，注漿施工過程中變形發(fā)展基本上分為初期快速變化、中期變化趨緩、后期變形穩(wěn)定3個(gè)階段。路基基底逐漸充填密實(shí)、水泥漸漸硬化，在第2階段和第3 階段漿液逐漸無處可去，被限制在有限空間里，易造成路基上拱。因此，應(yīng)根據(jù)注漿不同階段確定注漿控制原則，制定與變形監(jiān)控聯(lián)動(dòng)的注漿控制工藝調(diào)整對(duì)策。

2.4.1 與變形監(jiān)控聯(lián)動(dòng)的注漿控制原則

快速變化階段：控制沉降變化速率，控制沉降的橫向與縱向均勻性，防止橫向不均勻沉降造成線路的橫向偏移。在保證變形均勻性前提下，可適當(dāng)增加注漿密度與注漿量。

變化趨緩階段：控制上拱與橫向偏移。降低注漿密度，減少注漿量，控制注漿壓力。

變形穩(wěn)定階段：控制上拱與橫向偏移。主要為補(bǔ)充性注漿，查漏補(bǔ)缺。

2.4.2 與變形監(jiān)控聯(lián)動(dòng)的注漿控制工藝調(diào)整對(duì)策

1）僅有沉降變形，未發(fā)生明顯橫向偏移

沉降介于限值的30%～70%、未產(chǎn)生橫向偏移時(shí)注漿工藝調(diào)整對(duì)策為：①適當(dāng)增加工作注漿機(jī)數(shù)量，減小注漿孔間距；②變形速率較快時(shí)，減小分段注漿量，增加注漿次數(shù)，適當(dāng)增大注漿壓力；③變形速率較小時(shí)，增大分段注漿量，降低注漿壓力。

沉降值處于限值的70%～100%，未產(chǎn)生橫向偏移且變形速率依然較快時(shí)，調(diào)整對(duì)策與沉降介于限值的30%～70%、未產(chǎn)生橫向偏移時(shí)相同；沉降值處于限值的70%～100%，未產(chǎn)生橫向偏移且變形速率趨緩時(shí)，應(yīng)降低注漿壓力，減少漿液流量。

沉降值大于限值、未產(chǎn)生橫向偏移時(shí)，停止注漿作業(yè)，考慮采用控制性基底注漿抬升措施。

上、下行不均勻沉降差大于2 mm 時(shí)，應(yīng)反向調(diào)整上、下行工作注漿機(jī)數(shù)量、漿液流量、注漿壓力?？紤]不利情況，沉降差可能完全轉(zhuǎn)換為橫向偏移。

2）軌道結(jié)構(gòu)偏移

偏移值小于限值的50%時(shí)，應(yīng)反向調(diào)整注漿機(jī)布置，采用小壓力、低流量模式。

偏移值介于限值的50%～100%時(shí)，應(yīng)單側(cè)布置注漿機(jī)，采用小壓力、低流量模式。

偏移值大于限值時(shí)全部停工，采用控制性糾偏措施。

3）軌道結(jié)構(gòu)上拱

上拱值小于限值時(shí)，減小注漿壓力，降低漿液流速。

上拱值大于限值時(shí)，立即全部停工，并與工務(wù)部門確認(rèn)順坡方案，并重新規(guī)劃各段變形限值。

4）沉降與橫向偏移始終較小，沉降小于限值的30%，無偏移與上拱

可增加注漿機(jī)數(shù)量，增加跳孔密度。出于成本的考慮，在工期允許條件下可不采取應(yīng)對(duì)措施。

3 試驗(yàn)效果

3.1 鉆孔取樣結(jié)果分析

注漿加固后對(duì)該區(qū)段進(jìn)行了鉆孔取樣，共取樣29孔。鉆孔取樣試驗(yàn)結(jié)果見表2?？芍喝涌谆讓游荒芤姸嗵幩嘟Y(jié)石體，基本填滿可見縫隙，無未填充的可見大孔隙，說明注漿質(zhì)量滿足要求［9-10］。

表2 鉆孔取樣試驗(yàn)結(jié)果

3.2 加固后線路平順性分析

變形最大斷面沉降發(fā)展變化情況見圖6。可知，線路平順性始終處于可控狀態(tài)，并沒有超過該處10 mm的限值。處理后線路的沉降很快趨于穩(wěn)定。說明注漿加固有效控制了該區(qū)段沉降的進(jìn)一步發(fā)展。

圖6 變形最大斷面沉降時(shí)程曲線

4 結(jié)論

1）建立多手段、全覆蓋、高精度的高速鐵路注漿過程路基結(jié)構(gòu)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了注漿加固過程線路姿態(tài)的實(shí)時(shí)反饋。

2）根據(jù)線路變形控制限值要求，結(jié)合注漿加固沉降發(fā)展過程，制定了與變形聯(lián)動(dòng)的注漿控制工藝調(diào)整對(duì)策。

3）實(shí)踐證明研發(fā)的運(yùn)營(yíng)條件下高速鐵路路基信息化注漿加固技術(shù)能夠滿足高速鐵路平順性與注漿質(zhì)量要求，值得推廣應(yīng)用。