02-严寒地区铁路客运专线施工技术研究(全文).doc

严寒地区铁路客运专线路基与桥梁施工技术研究第 2 页 共 32 页目录严寒地区铁路客运专线路基与桥梁施工技术研究1目录2光荣历史与美好未来1我们脚下平坦大道在延伸2机遇与挑战抓住机遇，用技术创新迎接挑战3技术调研41.哈大铁路客运专线的技术特点52.严寒地区路桥工程施工的经验与教训62.1.青藏铁路多年冻土施工经验62.1.1.一次到位的技术路线72.1.2.主动冷却路基的设计原则72.1.3.务实适用的工程措施82.2.东北地区路基工程的施工经验与教训92.2.1.东北地区路基病害与原因分析92.2.2.路基病害防治的成功经验与措施142.3.季节性冻土对桥涵等结构物造成的危害及其防治措施202.3.1.桥梁冻害现象202.3.2.涵洞冻害现象222.3.3.排水结构物冻害现象232.3.4.季节性冻土区结构物冻害防治措施242.4.桥梁基础冬季施工措施253.对哈大客专路桥设计与施工的思考29光荣历史与美好未来伴随着战火硝烟和东北解放号角组建的铁道兵三师，带着在解放战争、抗美援朝和社会主义建设时期的自豪、梦想与光荣传统，响应中央军委、国务院号召，1984年改工为铁道部第十三工程局，在市场经济的锤炼下，2001年改制为中铁十三局集团有限公司。作为东北地区具有铁路工程施工总承包特级资质的特大型施工企业集团之一，总部驻长春；集团辖有八个子、分公司，分驻哈尔滨、长春、盘锦、沈阳、大连、天津、深圳；集团拥有高级专业技术人员900余人、中级专业技术人员4000余人、员工总数19000余人，并设有博士后流动工作站；集团拥有国内外先进的专业施工机械设备3000多台（套），企业总资产40亿余元，年完成产值100亿元以上。第 30 页 共 30 页我们脚下平坦大道在延伸为了多快好省地建设好祖国的铁路和公路交通，我们转战于祖国的大江南北，在饱览祖国大好河山和美好风景的过程中，在现代施工技术和施工装备的支撑下，我们逢山开路、遇水架桥，北战塔韩、伊敏，南攻京九、内昆，西上青藏，东踏烟大，更有在黑、吉、辽、蒙地区开拓出多条平坦大道的自豪沈大高速公路、沈本高速公路、盘海高速公路、哈双高速公路、鹤大高速公路、哈尔滨绕城高速公路、黑大高速公路，积累了较为丰富的在季节性冻土地质条件下修建路基与桥梁的施工技术、经验与教训。机遇与挑战抓住机遇，用技术创新迎接挑战中长期铁路网规划的发布，擂响了向铁路跨越式发展进军的号角。12万公里的“四纵四横”铁路客运专线和三个城际快速客运系统的规划蓝图，更是铁路人多年来的期盼。哈大客运专线的立项建设，既是铁路网规划的力作、也是实施“振兴东北老工业基地”战略的重要举措，激励着身处东北的中铁十三局集团公司全体员工的建设激情，我们深知：这既是一次再展铁军雄风和发展的机遇，更是一次高、难、新技术的检阅与挑战，技术创新就是我们迎接挑战的魔法石。技术调研哈大客运专线纵贯东北平原和辽东半岛,是在严寒地区修建的第一条时速350公里的无碴轨道客运专线铁路，解决季节性冻土对路基带来的病害尤显重要和突出。作为东北地区的特大型施工企业，和东北黑土地有着深厚的感情。我们有责任用我们多年在严寒地区施工积累的经验，攻克铁路冻土及软土路基施工、深水桥梁基础的冬季施工等技术难关，为中国严寒地区第一条高速铁路施工做出自己的贡献。为此，自2004年底开始，集团公司组建了“铁路客运专线施工技术与装备攻关组”，在全面研究客运专线的施工技术与装备的同时，针对哈大客专独有的季节性冻土路基施工技术，设立了一个专职技术小组进行技术调研和组织技术攻关，与黑龙江公路勘测设计院、吉林省公路勘测设计院、石家庄铁道学院、铁道第一勘测设计院、铁道第三勘测设计院等多家公路、铁路的设计、科研单位进行咨询及合作研究，结合长余高速公路、哈双高速公路、青藏铁路等工程的施工，就季节性冻土路基病害防治、严寒地区排水结构物的结构与施工、保温板的应用现状、桥梁冬季施工技术进行技术调研，组织专业技术人员赴欧洲考察，借鉴国外的施工经验。1. 哈大铁路客运专线的技术特点设计中的哈大铁路客运专线，全长约900公里，北起哈尔滨市，经长春、四平、铁岭、沈阳、辽阳、鞍山、营口，南抵港口城市大连，途经三省九市，速度目标值为每小时350公里，采用无碴轨道结构。设计中的哈大铁路客运专线，与在建的时速350公里无碴轨道客运专线铁路有相同的技术特点与要求路基工后零沉降、结构工程耐久性、主体结构质量零缺陷；但其纵贯广泛分布季节性冻土的东北地区，更有其独特的技术特点季节性冻土引发的路基病害防治技术，对建设理念、设计原则和施工技术的确定至关重要。2. 严寒地区路桥工程施工的经验与教训2.1. 青藏铁路多年冻土施工经验青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路，青藏铁路施工较为成功地克服了多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱“三大难题”的严峻挑战，通过采取一次到位的技术路线、主动冷却路基的设计原则、务实适用的工程措施，较好地解决了多年冻土地区的路基冻胀、融沉和不良地质现象等技术难题，为广大严寒地区工程建设提供了宝贵的经验。2.1.1. 一次到位的技术路线多年冻土地区的主要工程地质问题是融沉、冻胀和不良地质现象。在上世纪50年代中大体确认了青藏地区多年冻土分布的南北区间、70年代初展开了路基、路面、路堑、桥涵、房建等构造物基础与冻土之间的相互作用研究的基础上，在90年代开展了路基下多年冻土的融化深度、多年冻土顶板埋深、路基下高含冰量冻土、厚层地下冰在垂直与水平方向的分布规律、路基下第四纪厚度（基岩埋藏深度）、冻土岛与融区的准确分布界限、沥青路面多年作用下的温度场分布以及其变化趋势、不同冻土类型与路基之间的相互作用以及适应性的研究，经过长达40多年研究积累的成果基础上，青藏铁路建设采取了“一次到位”解决冻土问题的技术路线。2.1.2. 主动冷却路基的设计原则青藏铁路采用“主动降温、减少传入地基土的热量、保证多年冻土的热稳定性，从而保证修筑在其上面的工程质量的稳定性”的设计原则，创造性地采取了解决冻土施工难题的相应对策：(1) 对于不良冻土现象发育地段、线路尽量绕避；(2) 对于高温极不稳定冻土区的高含冰量地质，采取“以桥代路”的办法；(3) 在施工中采用热棒、片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、铺设保温板等多项技术措施，提高冻土路基的稳定性。经中国科学家研究发现，抛石路基是青藏铁路理想的冻土路基，可以解决路基的冻胀和融沉问题，为冻土路基的病害开出了一剂良方。2.1.3. 务实适用的工程措施（1）合理控制路基高度，是保护冻土最有效、最经济的方法。适当提高路基填土高度，用天然土保温，这种方法价廉，可普遍采用。（2）铺设保温层，1993年在昆仑山等地推广使用，效果良好。在路基埋设工业保温层（PU、EPS等），埋设510厘米保温板，在工程实践中均取得极佳工程效果。（3）通风路基，能起到通风保温和保护冻土的作用。在路堤中埋设直径30厘米左右的金属或混凝土横向通风管，可以有效降低路基温度。采用抛石路基，即用碎块石填筑路基，利用填石路基的通风透气性，隔阻热空气下移，同时吸入冷量，起到保护冻土的作用。（4）以桥代路，桥涵工程采用桩基础，满足防冻的要求。在少数极不稳定冻土地段修建低架旱桥，工程效果有保证，但造价高。（5）建立完善的排水设施，防止地下冰融化导致的路基下沉。2.2. 东北地区路基工程的施工经验与教训2.2.1. 东北地区路基病害与原因分析由于东北地区特有的气候特点和地质特性，加之设计原则与施工方法选择不尽合理和科学，诱发了各种路基病害，轻则产生路面弹簧、网裂、重则出现鼓包、翻浆冒泥、道路滑坍。(1) 季节性冻融导致路基翻浆冒泥鹤岗矿务局自营铁路青石山干线2126段路基，多数是深路堑。春融期，冻害段的基床土有的发生下沉，有的产生翻浆冒泥，导致道床下沉，轨道状态不良，几何尺寸变化频繁，需要不断进行紧急整修。翻浆冒泥引起钢轨水平差较大，导致钢筋混凝土轨枕产生纵横裂纹。主要是路基材料不良、压实度较低、含水量较高造成的。(2) 季节性冻融作用导致边坡变形滑坍季节性冻融作用是边坡变形破坏和滑坍的重要外动力因素和促发因素，不但在斜坡表层产生强烈作用，而且在一定条件下季节性冻融作用的结果可导致边坡体内地下水的富集和扩展，边坡土体大范围软化和自重增大，静、动水压力增高等冻结滞后效应，从而影响到边坡深处，降低其整体稳定性，以致促发崩塌、滑坡。斜坡区冻结滞水效应模式图1.滑坡;2.非冻结期含水范围;3.冻结期含水范围;4.非冻结期泉水;5.非冻结期水位;6.冻结期水位;7.季节性冻土层(3) 冻胀导致路面开裂甚至断裂路基含水量偏高引起冻胀而使路面向上隆起，导致路面开裂。(4) 路面坑槽、壅包、车辙、沉陷路基不均匀沉降、路基吸水冻胀引发路面开裂、路基压实度达不到要求是产生路面坑槽、壅包、车辙、沉陷的主要原因。(5) 路基出现纵向裂缝和错台清表不到位、路基底存在软弱层、沟塘清淤不彻底、清淤回填不均匀或压实度不足、路基压实度不均匀和冻胀共同作用导致错台和纵向裂缝。(6) 填方路堤工后沉降迅速或不均匀沉降主要原因：l ）粉喷桩、挤密碎石桩、塑料排水板打入深度、间距达不到设计要求；2 ）粉喷桩复搅深度达不到要求或喷粉量未达到设计要求；3 ）挤密碎石桩未进行反插；4 ）预压或超载预压沉降未稳定即卸载；5 ）软基处理质量未达设计要求；6 ）桩未打穿软弱层；2.2.2. 路基病害防治的成功经验与措施在东北地区，引起道路病害的因素有：路基土质、水分、温度、路面结构、行车荷载等。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成道路病害的三个主要自然因素，但水是诱发路基病害的最基本、最主要的因素之一，从某种意义上说，没有超量的水分，就不会形成路基病害。无论是季节性冻土还是松软土，水可以引发冻胀、融沉、路基沉陷、边坡滑坍、翻浆冒泥等各种病害，所以在东北地区，流行这样一句话“修好路，先治水”。治水贯彻以防为主、防治结合的原则。(1) 通过设置有管渗沟、横向盲沟等防排水措施，铺设砂砾垫层、改良土质等换填土措施，设置保温层、隔离层等结构措施来防治季节性冻土路基病害。施工过程中建立良好的排水系统降低水分渗入路基；采用有管渗沟，降低路基附近的地下水位；铺设砂砾垫层隔断毛细水上升。在深挖路堑路段，路基两侧设置保温板，起到保温作用并可以阻断两侧边坡水的渗透，以防边坡水对路基的侵蚀。对于地下水丰富的地段，在路基一定深度处设置隔离层；在路基上部或路面底基层处设置隔温层，用以延缓和减小负温差的影响。(2) 采用砂垫层、换填砂砾置换法、砂桩、袋装砂井、振动碎石桩法、水泥土搅拌法、塑料排水板、真空预压法、联合堆载预压、复合土工布处理松软土及软土地基。 对于浅层松软土地基，采用铺设砂垫层、并在砂垫层内铺土工织物进行处理。 在路基穿越暗洪及长期种植水生植物的泥沼地段，采用砂砾置换措施。 砂桩用于软基深层处理 袋装砂井用于加速固结沉降。 塑料排水板用于软基深层处理 真空预压法适用于软土性能特别差而且厚度大的路段 水泥土搅拌法主要用于台尾过渡段搅拌桩施工 钻探取芯上图为芯样左图为钻探取芯搅拌桩施工工艺及质量检验方法客运专线沿线均为良田，对稳定性不满足要求的地段，不采取占用耕地较多的反压护道处理措施，采用基底铺设土工合成材料的措施。当处理后的软弱地基路基工后沉降仍不能满足要求时，结合采用堆载预压处理。预压方式为：路基填筑完基床底层后，铺设一层CB150聚丙烯编织布，然后填筑堆载预压土。2.3. 季节性冻土对桥涵等结构物造成的危害及其防治措施由于季节性冻土地基独有的冻胀性和融沉性，以及边缘冻土的厚度薄、地温高、不稳定和冻融剧烈等特性，引发了季节性冻土地区的桥涵等结构物的冻害。2.3.1. 桥梁冻害现象 基础严重隆起嫩林铁路王子河中桥原为解放前修建4孔10m的上承钢板梁桥，木排架墩台、桩基础。建成后曾发生冻胀隆起现象，全桥于抗战胜利前被破坏。1960年改建为3孔10m钢筋混凝土桥，采用混凝土墩台，木桩基础，再次发生冻胀隆起。1964年又利用旧台炸掉桥墩，改建为2孔16m钢筋混凝土梁桥，混凝土墩身，沉井基础。在桥墩建成后架梁之前又发生冻胀现象，最大冻起高度为230cm，融冻后回落220cm，待架梁之后仍冻起175cm。主要原因为桥址地下水位高，桥址处有承压水，入冬后出现泉水涌出地面形成冰堆。承压水可使土中含水量达到冻切力出现极值的条件；再者使用大长周边的沉井，使季节性活动层内的冻结面积增大。冻胀挤压导致基础偏位嫩林铁路音大鲁赤河中桥为2孔16m钢筋混凝土梁桥，混凝土墩台扩大基础，1972年建成通车。建桥七八年后在桥址处出现了较大冰丘，冰丘高达2.7m，桥墩在冰丘的作用下产生倾斜，直接影响行车安全。在冰丘生成之前，作用于墩身上的水平法向冻胀力是处在相对平衡状态。当冰丘中心隆起后，在冰丘坡脚处作用于墩身上的水平法向冻胀力将减小，在冰丘隆起到一定高度后，冰丘坡脚作用于桥墩的水平法向冻胀力当减少到无法维持桥墩的横向稳定时，墩身便向冰丘中心方向推挤出现水平位移。2.3.2. 涵洞冻害现象涵洞出入口隆起、端翼墙开裂及涵身拔节作用在涵洞出入口及涵身上各个方向的冻胀力同时作用下，使涵洞出现各种变形。涵洞塌腰、错牙、漏水涵洞地基融沉后，使涵洞的出入口高而中间低，形成凹形。下凹较大者可达50cm，个别甚者使涵洞两端不能通视，因而失去排洪能力。由于不均匀下沉往往会导致基础错牙，因错牙而漏水。涵洞填土冻胀，路基隆起在秦沈客运专线一些涵洞上的路基，由于雨季雨水和春季雪水渗入路基，加之涵洞的“风口”效应加强，导致涵顶路基填土冻胀、融沉现象加剧，从而引发轨道的严重不平顺。2.3.3. 排水结构物冻害现象内蒙古河套灌区骨干渠道地处季节性冻土区，标准冻深1.2m，地表最大自由冻胀量达1525cm，属强冻胀区域，1979年，灌区在杨家河干渠上进行了第一次防渗衬砌工程试验，因未采取防冻胀的措施，现已完全滑塌。1999年在永刚分干渠上所做的未采取防冻胀措施的试验段落，经过3年冻融周期的运行，现部分段落也已开始滑塌，且冻胀破坏现象还在不断加剧。2.3.4. 季节性冻土区结构物冻害防治措施通过防排水、选用防冻胀结构形式并辅以换填、保温措施防治季节性冻土对路基附属及排水结构物的冻害。通过基础开挖后晾晒、结构物外侧植树进行生物排水来降低结构物地基含水量，通过采用混凝土与膜料复合衬砌结构、防渗层伸缩缝填料的选择和回填压实措施来防止外界水源渗（流）入地基和降低地下水位的措施消解引发冻融的根源。通过选用弧形底梯形断面、U型截面、下卧式或平铺预制齿墙或上拉式倒挂齿墙等防冻胀结构形式，提高结构物对冻融的抵抗能力。采用砂砾换填和隔热材料对地基进行保温，阻断水因温度变化引至冻融的条件。2.4. 桥梁基础冬季施工措施东北地区无霜期只有150天，在进入11月份以后日平均气温大部分已低于5，直至第二年的4月份，桥梁工期一般较长，在工期安排上要求进行冬季施工的可能性很大，已经建成的哈尔滨绕城高速公路西环四方台大桥和我公司正在修建的哈尔滨绕城高速公路东北环松花江大桥，采用“内降外保”和先进的温控施工措施，成功地进行了桥梁的基础冬季施工。四方台大桥位于哈尔滨绕城高速公路西环线上，跨松花江，2004年建成，全长1268米，主桥696米，主跨为跨径336米钢混凝土结合梁的斜拉桥。钢筋混凝土H型桥塔。松花江大桥位于哈尔滨绕城高速公路东北环线上，跨越松花江，2005年开工，全长2323.78米，主桥595米。主跨为138米三向预应力混凝土连续箱梁桥。哈尔滨绕城高速公路东北环松花江大桥主桥立面图两座松花江大桥全部在哈尔滨境内，冬季漫长，气候寒冷，夏季为洪水季节，对施工更加不利。只有抓住冬季的施工季节，才能保证工期要求。(1) 内降外保的施工措施在保证混凝土强度及品质的前提下通过降低水泥用量、加入外加剂降低混凝土入模温度、分层浇注、布设冷却水管等措施来降低混凝土的内部温度。采用蒸气锅炉加热、暖棚、蓄热等方法提高混凝土周边的环境温度，对混凝土进行保温。通过降低大体积混凝土内部的最高温度和提高混凝土外部的环境温度，减少混凝土内外的温差来保证混凝土的施工质量。(2) 自动温控施工技术为了得到精确的测温数据，掌握温升与温降规律，更好地指导施工，采用热电偶和高精度的多功能多点温度测试仪进行全过程的温度测量、通过计算机自动控制技术，确保混凝土内外温差控制在预期范围。(3) 充分利用冰冻期进行水上基础施工严寒季节河面的最大冰冻厚度达1.1m以上，其承载能力较大，冰层不用加固也可以在其上自由运输钻机、龙门吊架及其它设备，降低施工成本。3. 对哈大客专路桥设计与施工的思考青藏铁路是世界上修建的第一条客货混线高原铁路，穿越多年冻土地区；哈大铁路客运专线是我国第一条在严寒地区建设的客运专线