既有铁路路基基床检测方法与评价

张健

中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300000

1 工程概况

北黑铁路（龙镇至黑河段）既有线全长239.9km，始建于1933年，于1986年由地方组织复建，1989年恢复全线通车，至今已运行30多年，是黑龙江西北部地区对外客货交流的主要通道。该铁路历史上多次修筑，标准较低，路基填料来源差异大，经多年的养护维修、大修，目前运营正常，但个别地段也时有路基病害发生，存在较大安全隐患。本次改造标准为160km/h单线电气化一级铁路，改造后利用既有路基共28段，长度约51.5km。为了满足列车提速的要求，保证铁路运营安全，对利用既有路基段的基床检测与评价是十分必要的。

2 既有路基概况

2.1 地形地貌特征

铁路沿线所经区域位于黑龙江省北部小兴安岭山地地区，属平原微丘区地形和低山区地形；沿线山丘起伏连绵，森林茂密，河流纵横交错。

2.2 气象特征

沿线区域属大陆性季风气候，平均气温在摄氏-0.6℃～0.8℃之间，最高气温达37.2 ℃，最低气温为－48.1 ℃，年降雨量平均在507～537mm之间，最大冻结深度2.39～2.98m。沿线对铁路工程影响的气候分区属严寒地区。

2.3 路基病害类型

总体来说，利用既有路基段经过养护维修，目前运营正常，但仍经常有路基病害发生，存在较大安全隐患。沿线存在的路基病害类型有：冻害、翻浆冒泥、河岸冲刷、基床下沉外挤、排水不良、路基浸水、边坡溜塌等。

3 路基基床检测方法

为了满足提速至160km/h的目标，对利用段既有路基基床需进行检测，采用综合地质勘探方法，勘探手段有：小型螺纹钻与挖探，对基床填料进行取样，并结合土工试验查明基床本体填料类别；轻型动力触探，查明基床本体黏性填土承载力；Evd测试，测定基床本体动态变形模量，根据经验公式推算K30地基系数，并辅以瞬态瑞雷波速测试及地质雷达测试等勘探手段，定性了解基床密实度情况。以下主要介绍轻型动力触探、动态变形模量Evd测试、地质雷达测试、瞬态瑞雷波测试的评价方法。

3.1 轻型动力触探检测方法

轻型动力触探检测方法是利用一定的锤击能量(锤重10kg)，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据贯入锤击数所达到的深度判别土层的类别，确定土的工程性质，对地基土做出综合评价。

在既有路基基床检测过程中，该方法主要结合小型螺纹钻及挖探方法，用于判定路基基床填料类型及黏性土填料的承载力等。根据《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018-2003)的规定，当贯入深度小于4 m时，黏性土地基的基本承载力f k，可以根据场地土层的轻型动力触探（N10）平均值确定；由于轻型动力触探（N10）与f k 成线性关系，推得经验公式f k =8 N10 -20，黏性土基本承载力与轻型动力触探（N10）平均值对应关系（见表1）。轻型动力触探检测仪器轻便、操作简单，成本低，对路基破坏小。

表1 黏性土基本承载力值fk

注：表内数值可以线性内插。

3.2 动态变形模量Evd测试方法

动态变形模量Evd能够反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用情况，是铁路路基压实质量控制的主要指标之一。Evd动态平板荷载试验用于测定土体在落锤冲击荷载作用下的沉陷值，计算土体的动态变形模量Evd值，计量单位Mpa，能够反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用情况。计算公式 Evd=22.5/s，s为承载板沉陷值（mm）。Evd动态平板荷载试验适于粒径不大于荷载板直径1/4的各类土和土石混合填料，测试有效深度范围为400～500mm。动态平板荷载试验可直接获得测点Evd值，对每个里程点的3个测点Evd值进行平均，得到Evd算术平均值，作为基床评价依据。根据铁路工程土工试验规程（TB10102-2010，J1135-2010）经验公式（见表2），换算出K30地基系数。

表2 Evd与K30相互关系经验公式

Evd检测设备便携，成本低廉，高效安全，成果迅速。特别是在 K30、 Ev2不能开展的狭窄地段，如路肩、桥涵过渡段等，具有特殊优势。

3.3 地质雷达测试方法

地质雷达测试方法工作主要用于检测道砟厚度，查明基床沉降情况。地质雷达是利用高频电磁波（400MHz）在路基各层介质中的传播规律来达到检测路基的目的。道床、基床及地基等分层结构具有不同的介电常数和衰减系数，对电磁波的传播即具有不同的响应特征。通过识别雷达图像中的频率、振幅、同相轴形态等特征判释异常，评价路基状态。地质雷达测试示意图（见图1），该方法具有分辨率高、图象直观、工作效率高、无破坏性等优点。

图1 地质雷达测试示意图

3.4 瞬态瑞雷波测试方法

瞬态瑞雷波法可用于探测浅部地层中的不均匀体、评价路基基床整体质量和地基整治加固效果，条件适宜时可用于求取地层的横波速度。瞬态瑞雷波法检测铁路路基基床主要利用了其两种特性：一是瑞雷波在分层介质中传播时的频散特性，即在介质中传播的瑞雷波速度随频率变化而变化，这是利用瑞雷波分层的前提；二是瑞雷波速度与介质的弹性力学性质密切相关。瑞雷波相对纵波、横波而言，能量较强、衰减慢、速度较低、频率较低、容易分辨等特点。瑞雷波速度值与基床状态关系（见表3）。

表3 瑞雷波速度值与基床状态关系

4 综合检测成果分析

根据本线既有路基改造要求，结合工程地质条件及路基病害类型，现场主要采取了地质调查、小型螺纹钻与挖探、轻型动力触探、动态变形模量Evd测试、瞬态瑞雷波速测试、地质雷达测试、室内土工试验的勘探手段，对检测成果进行综合分析与对比，定性了解路基基床的整体稳定性，为路基基床加固设计提供详实的检测数据与分析成果。下面以K136+000～K137+600段为例，对综合检测成果进行分析。

（1）结合地质调查、小型螺纹钻与挖探、轻型动力触探、室内土工试验及动态变形模量Evd测试的综合数据，获得该段既有路基基床的填料类型、厚度及组别、土层承载力及基床的K30值（见表4）。

表4 K136+000～K137+600路基基床评价综合数据分析表

（2）结合瞬态瑞雷波速测试、地质雷达测试的综合数据分析，获得该段既有路基基床的整体稳定性。

① K136+000～K136+800段基床表层瑞雷波速整体低，4.0m以上瑞雷波速变化较大，主要分布在70～190m/s之间，瑞雷波速度分布成层性较好，基床土密实度低；雷达检测道砟厚度在40～80cm变化，局部偏厚，表明基床有沉降，且在深度1-2m范围分布有冻土；该段路基表层K30值最小值为28.4Mpa/m，最大值70.7Mpa/m。综合分析，基床整体稳定性差。

② K136+800～K137+600段基床表层瑞雷波速整体低，5.0m以上瑞雷波速变化较大，主要分布在130～190m/s之间，瑞雷波速度分布成层性稍好，基床土密实度稍低；雷达检测道砟厚度在40～70cm变化，局部偏厚，表明基床有沉降，且在深度1-2m范围分布有冻土；该段路基表层K30值最小值为57.7Mpa/m，最大值92.1Mpa/m。综合分析，基床整体稳定性稍差。

5 基床稳定性综合评价

通过对K136+000～K137+600段既有路基基床综合检测成果的分析，对该段路基基床整体稳定性分析结果如下：

（1）基床填料主要以B、C组土为主要填料，不能满足设计时速为160km/h一级铁路基床表层及底层的填料选择标准。

（2）基床底层范围内的天然地基基本承载力：K136+000～K136+500段承载力小于150kPa，不能满足要求；K136+500～K137+000、K137+000～K137+600段承载力大于150 kPa，满足要求。

（3）该段K30值最低值为28.4Pa/m，最大值90.1Mpa/m，平均值61.1Mpa/m。不满足设计时速为160km/h一级铁路基床表层及底层填料的压实标准。

（4）经过瞬态瑞雷波速测试与地质雷达测试，该段路基基床存在冻害、基床下沉等病害，基床的整体稳定性较差，建议进行路基基床加固设计。