黎钦线常见病害产生原因及防治方法研究

伍 军

摘要:广西沿海铁路黎钦线地处广西西南部,为大西南重要出海通道,现日通过列车 17 对。黎钦线建于1998年,当时修建标准按地铁一级,国家二级,建设标准较低,由于逐年来运量不断增加,该线已难于适应运量的不断增加,尤其是路基问题突出,路基面宽度不足、高路堤下沉、路基边坡溜塌等病害大量存在,难以适应目前运行的要求,也给行车安全埋下了隐患。近年来,为了改善线路状况,不断修改采取课题,并大量投入使用具有一定科技含量的新设备,使线路状况有所改善,取得了明显的效果,对保证黎钦线的线路质量均衡稳定发挥了积极的作用,为铁路运输安全畅通做出了应有的贡献。

关键词:铁路;路基病害;产生原因;防治办法

中图分类号:X731文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)23-0273-04

1铁路线路概况

黎钦线从南宁铁路局沙江站接口(K0+000)到马皇站(K107+994),全长107.910公里。由于黎钦线地处广西西南站,沿途山峦叠嶂,铁路盘山绕行,自然环境恶劣;该段线路共架设桥梁38座,延长4370m,穿越隧道2座,延长617m,设置涵渠455座,延长9430m;线路铺设普通二级道碴,线路铺设钢轨为P43再用轨普通钢轨;铺设轨枕为混凝土轨枕;黎钦正线上共有曲线81个,31666延长公里,占正线全长的29.3%,其中半径小于600米的曲线有17个,7.665延长公里,占正线全长的7.1%,最小曲线半径为R=599m;线路最大坡度达6‰。

黎钦线路条件由于先天的不足,线路从开通运营已来,虽然经过多次整治,但线路状况没能从根本上得到该善,严重的危及着行车安全,这就给我们的养护维修增加了很大的困难。

2地质地貌概况

黎钦线地理位置处于广西西南山区,正处于溶岩过渡的地貌斜坡地带,地形起伏剧烈,群山延绵不断,形成了地质构造复杂,地表覆盖层坡积、残积或岩堆的特殊性,加上广西西南受沿海暖湿气流影响,降雨量丰富;岩层大都属于沉积岩类的石灰岩、泥灰岩和炭质页岩等;且断层、褶皱、节理发育、岩层倾斜和整体性差;岩石主要为炭酸岩(各种类型的石灰岩、白云岩等),亦有页岩等少量其它岩层,属于化学岩及生物化学岩的软质岩,强度较低遇水易软化,也容易风化,碳酸岩分布广、厚度大、岩性纯、岩落现象很强烈,化学风化作用甚剧;由于碳酸岩受水的强烈溶蚀,随水流路径形成溶纹,久后扩展成溶隙,溶纹的延伸最终将基岩分割成不相连之岩块;溶隙的发展最终形成溶洞,经过长期风化侵蚀形成了独特的喀斯特地形地貌。

3常见病害类型、产生的原因及防治办法

3.1危岩落石

3.1.1形成及产生崩坍落石病害的主要原因

黎钦线线路大部份修筑于群山间,或于山脚,或于山腰,地质地形条件复杂,铁路线路沿途群山环绕,全区段共穿越大小山体121座,大部分地质构造复杂,覆盖层坡积、残积或岩堆,岩层大都属于沉积岩类的石灰岩、泥灰岩和炭质页岩,且断层、褶皱、节理发育、岩层倾斜和整体性差,危岩不但沿线路连绵不断,且立面上重重叠叠、坡面破碎,可谓线长、面广、落石源厚,危害严重。

为认真做好崩坍落石病害的整治,以求取得最佳整治效果,我们根据近几年来黎钦线我段管内线路落石频繁的地段,制定调查表(见表1),分成三个小组对沿线山体进行了全面调查,了解和分析该地段的地理地貌及落石成因。

表1黎钦线危岩落石整治工程调查表

根据实地调查或有关资料统计分析,黎钦线地形起伏剧烈,发育幼年期峰丛。岩石主要是炭酸岩(各种类型的石灰岩、白云岩等),亦有页岩等少量其它岩层。碳酸岩分布广、厚度大、岩性纯、岩落现象很强烈,化学风化作用甚剧。由于碳酸岩受水的强烈溶蚀,随水流路径形成溶纹,久后扩展成溶隙。溶隙的发展,溶纹的延伸最终将基岩分割成不相连之岩块。一是它们的底座面是一个斜面,常是倾角很大,形成滚落的几何条件。二是土随水渗入溶隙,减少了摩擦系数。三是石岩树根的伸长。一方面大大加速溶纹、溶隙的发展,另一方面则产生推动岩块滚落的另一主动力,三者的组合造成岩块的滚落。

3.1.2危岩落石病害危害线路的情况

黎钦线从开通至今,逐年来岩石风化加重,节理发育,岩层倾斜和整体性差,植被根系常被破坏。致使铁路线路沿途两侧危石林立摇摇欲坠,危岩落石砸坏线路设备或侵入限界被列车撞上的事故时有发生。据我段的统计,在雨季平均每年有1-2次危岩落石下山,不同程度的打坏线路。

3.1.3采取的整治办法

通过调查分析,黎钦线的崩坍落石主要有三种类型:一类是陡壁落石,落石能量较大;二类是斜坡落石;三类是开凿坡面落石。根据黎钦线我段管内线路崩坍落石病害多,影响线路长,对行车安全威胁很大的实际情况,我们积极贯彻“以守为主,整治结合”的防治崩坍落石病害的工作原则,在整治工作中,采取“因地制宜、就地取材、土洋结合、综合整治”的原则。

黎钦线崩坍落石病害整治的方法中,除了巡守警戒外,在当前成本紧缺、段资金金额减少得情况下,使用“钢轨栏栅”方法较为经济可行,但“钢轨栏栅”方法没能彻底根除崩坍落石病害的危害,迫使我们只能采取“因地制宜、就地取材、土洋结合、综合整治”的原则,在重点地段按实际采取各种措施办法对危岩落石病害进行整治。

(1)根治情况。

我段危石根治的办法是设置一个危石整治班,对危石进行检查清理,采取多种灵活的方法,一是支顶、支撑,对于上部探头、下部悬空的危岩而危岩又较坚硬完整、节理较少时,采用钢轨或钢筋混凝土柱支顶、支撑;二是嵌补把危石与山体连成一体就地稳定;三是砌拦石挡墙挡护;四是爆破彻底清除。

(2)明峒情况。

明峒是整治崩坍落石措施中最有力的一种,由于条件有限,为了节省投资,在开凿隧道时,都是在没有办法时才开凿隧道,又是晚进洞早出洞,往往是在开挖了很深的路堑时才进洞,这样又容易遭到危岩落石的侵害;在黎钦线我段管内隧道中不同程度地增加了延长洞门。

(3) “钢轨栏栅”的施工整治情况。

为防止落石堕落后越出钢轨栏栅,我们在预计施工处,一是选点前进行多次抛物试验,且施工点距离落石点的坡度不应陡于60度到65度;二是设置钢轨栏栅处在线路与陡坡有一定距离,以减少因钢轨栏栅损坏后造成线路的二次破坏。

为提高钢轨栏栅的承载能力及拦截能力,我们一是在进行钢轨栏栅设计中增加立柱的掩埋深度,并用水泥沙浆浇注,提高立柱的牢固性;二是增加横轨密度及钢轨栏栅立柱支撑轨,以提高钢轨栏栅的抗冲击力;三是对轨排的连接的螺拴孔,严格控制螺拴孔径,并增加焊接的强度。

经过多次的实施,在“钢轨栏栅”的整治崩坍落石上,取得了一定的成绩,但同时也暴露出一些缺点:一是承载能力较低,特别是在工艺上还有缺陷,不耐冲击;二是钢轨栏栅被冲击坏时,落石冲击力较少,直接侵入线路;三是单排轨栅抗击力低,难以抵御落石能量力大的危岩坍落。为提高整治效果,我们在原有基础上进行改造。一是对落石量较大的坡段,且条件许可的情况下,建立双排或多排钢轨栏栅,逐步减少落石的冲击力,使之达到拦截的目的;二是增加钢轨栏栅立柱的密度,并在每根立柱轨上增加支撑轨,提高钢轨栏栅整体的抗击力。三是对原修建的单排轨栅进行整体整修加固或增加双排及多排钢轨栏栅,以提高危岩落石的拦截力,确保列车运行安全。

经过对黎钦线崩坍落石病害整治方案研究中,实施“拦截”、“警戒”等综合方案取得了一定的成效。

经过前一阶段的工作使我们感到:黎钦线的崩坍落石病害整治,主要应在危险地段巡守及“拦截”等轻型措施上。从每年安排的施工资金看,要使我段管内线路地段对抗落石的安全概率达到100%,这至少在多年内是不可能的,应进一步加快整治步伐,以求大范围内有一个较高的安全概率。另外,我们将在前一阶段的基础上,加强信息反馈,注意轨栅的栏截情况及双排、多排轨栅的抗击力,针对实际,制定对策,改进方法,提高拦截能力。同时,我们将修订和完善轨栅的施工质量标准,以提高施工质量,将“拦截”与其它防治形成综合配套使用,为运输安全作出新的贡献。

(4)运营铁路危石防护柔性网的设置情况。

黎钦线横州—飞龙区间k14+200—+325地段,线路左侧为高路堤,右侧为路堑,堑顶以上是上陡下缓的自然山坡,缓坡带坡度为40度,坡面有0.2—1m的覆盖层,植被十分发育,后侧坡度在70度左右的陡崖,高出路基80—150m左右,坡面主要为裸露的灰岩,岩体呈现强风化状态,加上受结构影响,节理裂隙十分发育,纵横交错,规律性较差,裂缝间距为0.1—1.2m 左右,该段坡崖崩塌落石较多,其中1.0—2.4吨重落石较常见,严重危险行车安全。

使用瑞士布鲁克(成都)工程有限公司设计的Rx-050型SNS柔性被动防护网(后简称“防护网”),是简便快捷的一种整治山坡落石问题的方法。

(5)系统设计。

根据该段边坡地形地质条件和落石特征,选用“防护网”,其防护能级为500Kpa,系统高度为4m,总长度为150 m,布置在中部缓坡带下侧高离路基平面20m左右位置处。为了便于当地放牧牧民和畜牧的通行,系统按70m和80m两段布置,两段沿走向方向在中部重叠5m,顺坡向水平间距10m左右。

(6)“防护网”系统施工方法及程序。

①测量定位:

按照设计并结合现场地形对钢柱和锚杆基础进行测量定位,设计标准间距10m,现场可在8-12m之间调整,现场放线长度比设计系统长度减少3-8%,对地形起伏较大,系统布置难同一等高线布置时取上限8%,对地形较平规则,系统布置能基本上同一等高线沿直线布置时取下限3%为宜。

②基坑开挖:当开挖至基岩未达到设计深度时,则在基坑内的锚孔位置钻凿杆孔,待锚杆插入基岩并注浆后蔡灌注上部基础混凝土。

③预埋锚杆并灌注基础混凝土。

对岩石基础应为钻凿锚杆孔和锚杆安装,对混凝土基础亦可在灌注后钻孔安装锚杆,安装完毕将孔灌入水泥砂浆。

④基座安装。

将基座套入地脚螺拴并用螺帽拧紧。

⑤钢柱及上侧拉锚绳安装。

将钢柱顺坡向上放置并使钢柱底部位于基座上,将上拉绳的挂环挂于钢柱顶端挂座上,将拉锚绳的另一端与对应的上拉锚杆环套连接并用绳卡暂时固定(设置中间加固和下拉锚绳时,同上拉锚绳一起安装或待上拉绳安装好后再安装均可);将钢柱缓慢抬起并对准基座,将钢柱底部插入基座中,最后插入连接螺杆并拧紧;通过上拉锚绳来按设计方位调整好钢柱的方位,拉紧上拉锚绳并用绳卡固定。

⑥侧拉锚杆的安装。

安装方法同上拉锚绳方法,但必须再上拉锚绳安装好后方可进行。

⑦格棚安装。

格棚铺挂再钢绳网的内侧,并应叠盖钢绳网上缘并折到网的外侧15cm,用扎丝固定到网上,格棚底部应沿斜坡向上敷设0.5m左右,为使下支撑绳与地面间不留缝隙,用一些石块将格棚底部压住,每张格棚间叠盖约10cm,用扎丝将格棚固定到网上,每平方米固定约4处。

⑧危石防护试验。

“防护网”拦截落石在黎钦线k14+200-+325地段进行试验,垂直水平高度45m的山顶上选8块三向近似相同质量约500—600kg 的岩石,逐个用人工撬滚落,落石速度快、腾跃、弹跳及冲击不偏不斜,正好落在“防护网”系统中。

落石速度=15.7m/s

腾跃=14.18m/s

弹跳:h1=0.4m h2=1.52m h3=1.08m

试验结果表明,危石碰在SNS柔性防护网上反弹最大块径0.331m3,重约8.3KN。设缓冲层容许量为17KN/m3,内摩擦角为35度,落石冲击缓冲速度VR=15.7m/s。石块单位容量为22 KN/m3,根据上述资料求出填土缓冲层厚度B与落石冲击力P。

⑨求填土缓冲层厚度B:

根据铁路工务技术手册《路基》(9-19)及(9-20)公式计算得:

Z=0.6(m)

安全系数一般取1.5。

B=1.5×Z=1.5*0.6=0.9

求冲击力P:

根据铁路工务技术手册《路基》(9-18)公式计算得:

P=343kg

由于设计的防护能级为500Ka>343Kpa,因此符合要求并且安全可靠。

采用“防护网”拦截危石有以下优点:不影响列车运行;采用拼装式施工,工艺简单,施工便捷,工期短;造价低,安装150m“防护网”只需投资60万元,修建150m得明洞需要投资150多万元,150m得拦石墙需要投资100多万元,节约投资一般左右;设计年限长,节省维修养护费用。

黎钦线我段管内线路崩坍落石病害,经过多年我段的努力整治,虽然取得了一定的效果,但整治速度比不上风化产生的速度,这就注定整治崩坍落石是一项长期而艰巨的工作,这就要求我们不断地努力。

3.2路堑边坡坍塌

3.2.1造成路堑边坡坍塌的主要成因

路堑边坡坍塌是在路堑边坡坡度陡于天然休止角(土体达到天然极限稳定平衡状态时,坡面与水平面的夹角叫做天然休止角或稳定安息角)时,由于其稳定性差,在坡面水或地下水作用下发生的一种变形形式,常发生于节理较发育、岩层较破碎、风化较严重的岩质路堑或土质路堑,这种病害在平常发展过程时间较长,开始时只是在路堑顶附近出现裂缝,并缓慢地逐渐扩大,扩大到一定程度时,在外界条件的影响下,突然顺边坡坍塌下来,在大坍塌之前,常有局部坍塌伴生,并能听到岩石的错动声音,大变形之后,还常有小的局部坍塌发生,每次坍塌都不按固定的面移动,但坍塌体下缘均位于临空面,一直坍塌到岩层或土层的稳定安息角为止; 黎钦线大部份修筑于群山间,由于修建标准低,使我段管内线路部分路段处在高堤深堑中,这部份线路的高堤深堑主要由灰质页岩、泥灰岩的岩石掺粘松土等组成,路堑边坡坡度大多大于天然休止角,稳定性差;因此一旦遭遇大雨或暴雨来袭时,山洪来势凶猛,极易发生路堑护坡坍塌灾害,造成线路断道,威胁行车安全;加上桂西北山区位于北方冷空气与南方暖湿气流交汇处,降雨量丰富;另外云贵高原边缘过度段地形起伏大,暖湿气流易沿坡面上升如遇冷空气及易造成强降雨,这些不利的外界因数条件,极易引起路堑边坡坍塌。

3.2.2历年来的水害发生路堑边坡坍塌情况

路堑边坡坍塌,在黎钦线我段管内线路上较为常见,据我段的统计,在每年雨季平均每月都有因雨水而引发的路堑边坡坍塌水害,只是程度大小不同而已,有些小坍塌面不大,数量也不多清理也容易,没有危及行车安全,有些大严重危及行车安全。

3.2.3路堑边坡坍塌的防治方法

为确保行车安全,最大限度的减少因自然灾害造成的损失,针对路堑边坡坍塌 的病害,防治的主要办法是;一是刷坡,对不稳定的路堑边坡进行刷坡,刷坡侄自然坡和稳定的人工边坡;二是做好排水设施,所有流向路基范围内的地表水均应予以截排,防止水土流失;天沟至路堑堑顶的距离一般不小于10米;三是设置防护加固设备,对于边坡缓于1:1时采取铺草皮措施防止冲刷流泥,对于边坡陡于1:1时采取片石护坡或人字骨架护坡加固措施防止剥落或边坡局部坍塌,对于深路堑时采取片石或混凝土挡墙挡护措施防止边坡坍塌。

3.3轨道线路翻浆

3.3.1轨道线路翻浆产生的主要原因

轨道线路翻浆病害会使线路上部建筑难以保持正常的工作状态,诸如轨枕吊板、暗坑等线路病害相继产生,造成钢轨易变形,夹板易折断,道碴消耗大,轨道几何尺寸变化大,故使紧急补修工作增加,维修成本提高,线路养护增加困难,直接危及到行车安全;轨道线路翻浆主要有道床翻浆和基床翻浆两种。

道床翻浆主要是由于道床不洁,含土量超限以及道碴不硬造成的,由于黎钦线的道碴都是采用石灰岩,而石灰岩为软质岩,它的主要成份为碳酸钙,碳酸钙易打成粉末遇水成浆,水干就板结,若道床表层部分的道碴被列车碾压后形成碎屑或粉末,此时若道床不洁和排水不良,就造成道床翻浆。

基床翻浆主要是由于黎钦线大部份修筑于群山间,由于建于解放前,修建标准低,路基宽度先天不足,没有垫层道床直接铺设在软土上,在列车动力的反复冲击下,路基面的泥浆便被挤压上冒、翻出道床,造成基床翻浆。

3.3.2轨道线路翻浆的整治办法

轨道线路翻浆整治也比较复杂,针对道床翻浆采取的整治办法是:一是疏通排水、清筛道床;二是清挖掉翻浆的道床;三是彻底的更换道喳,由于黎钦线的道碴是采用普通石灰岩二级碴,容易被碾压形成碎屑或粉末,这些碳酸钙粉末水溶解形成浆,然后水干了就板结因此只能彻底的更换道喳才能使道床保持排水;四是在轨枕下铺垫大胶垫增加弹性。

对于基床翻浆采取的整治办法是:由于黎钦线路基宽度和道床厚度先天不足,只能根据实际情况采取办法,针对没有地下水影响的基床翻浆和风化石质基床翻浆,主要采用垫沙阻隔泥浆上冒;对于有地下水影响的基床翻浆,主要采用排水板封闭,阻隔地下水及泥浆上冒污染道床。

3.4曲线钢轨磨耗及轨枕小反

3.4.1曲线钢轨磨耗及轨枕小反产生的主要成因

黎钦线大部份修筑于群山间,或于山脚,或于山腰,地质地形条件复杂,铁路线路沿途群山环绕,小半径曲线多,线路上下行车速度相差悬殊,在小半径曲线轨道上钢轨发生磨耗和轨枕被切压,在我段管内线路上经常发生,尤其是在坡道大的线路上,钢轨发生磨损比较突出。

随着“增吨、加密、压点、提速”的工作思路的贯彻执行,重载列车的不断增加和运营线路上下行车速度相差悬殊,钢轨发生磨耗也非常快。钢轨发生磨耗,除与钢轨本身材质有着密切的关系外,还与机车车辆密切相关。经过对有关方面资料的调查和现场实际摸索,归纳小半径曲线轨道上钢轨发生磨耗的主要原因有;列车运量和轴重的增大是钢轨加剧磨损的主要原因;仅就黎钦线我段管内20处小半径曲线钢轨定点观测调查数据看,每季平均磨耗值约在5mm以上;轨底坡不当,极易产生钢轨磨耗及轨枕小反;轨距超限和轨距变化率超过规定值,加剧了钢轨侧面磨耗;曲线超高设置时,忽略了客货列车比重及上下行列车速度相差悬殊,所设置超高没能尽量适应货车速度,行车钢轨侧面磨耗;钢轨没能涂油,由于黎钦线坡度大且坡度长,机车爬坡困难涂油时有可能打飞轮,进一步造成钢轨伤损;其它如线路方向不圆顺,车辆摇摆及转向架各轴之间的相互作用力增大等都是造成钢轨磨耗的原因。

3.4.2近年来小半径曲线钢轨磨耗的状况

据我段的探伤工区调查统计,近年来我段管内半径小于600米的17个小半径曲线的钢轨磨耗较严重,曲线外轨(上股轨)侧磨,每季平均磨耗值约在5mm以上,曲线内轨(下股轨)波浪磨耗或压溃。由于钢轨磨耗后轨道几何尺寸诸如轨距、水平、三角坑、高低等项目较容易变化,再有就是曲线上股外侧尼龙挡肩容易损坏,胶垫被压溃、轨枕被切压、轨距杆折断等;每次轨检车检查不良处所的三、四级扣分80%均由小半径曲线钢轨磨耗所引起的。

3.4.3采取的防治措施及整治方法

对于黎钦线小半径曲线钢轨磨耗,我们采取了各种办法进行整治。

根据实际情况在小半径曲线上全部更换混凝土轨枕,其中部分换成钢钎维混凝土轨枕和带钢板的特种混凝土轨枕,防止轨枕被切压造成轨枕小反保证轨底坡。

在小半径曲线轨道上,争取逐步更换硬度较高的合金轨或全长淬火轨,同时在机车和车辆转向架上,应尽量减少几个主要部位间的空隙,最大限度地缩小车辆摇摆。

在小半径曲线轨道上,按外轨超高的不同,对内外股钢轨的轨底坡进行适当调整,使用带坡型的开发丝胶垫调整。内股钢轨轨底坡调整范围一般使外轨超高在0—75mm时,内股钢轨轨底坡为1∶40,外轨超高在80—125mm时,内股钢轨轨底坡为1∶17。

每年进行一次各次列车通过各处曲线速度的测定,并按上下行列车速度的大小来计算超高值,使选定的超高尽量满足货车速度又能满足客车未被平衡超高在《维规》第3•7•1条规定范围内。

强化对曲线的维修与保养,结合线路经常保养工作,重点是曲线轨距超限处所和轨距变化率的及时修整,使曲线轨距及轨距变化率经常保持在规定限度内,同时,对曲线正矢定时测量,每季至少一次。

对小半径曲线进行定期涂油,磨耗严重曲线采取增加涂油次数。

参考文献

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