极旱荒漠地区铁路路基施工节水技术

王林俊

（中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710000）

1 工程概述

兰新铁路第二双线甘青段LXS-17标位于我国河西走廊西端的甘肃省柳园地区，线路穿越安西极旱荒漠国家级自然保护区，沿线地貌为戈壁、荒滩，气候干燥，风沙大，降雨量少，年均降水量45.7 mm，年蒸发量3 140.6 mm，沿线可利用的水资源极为匮乏，施工用水均需要远运。标段线路全长104.679 km，其中，路基长99.3 km，占线路全长的95%。在高标准铁路建设中如此大规模采用路基，在国内尚属首次，在水资源极度匮乏的自然环境下，合理使用水资源是工程成败的关键。

2 施工难点

（1）沿线可利用的水资源极度匮乏，大量施工用水均需要远运，初步估算用水量约300万m3。

（2）由于该地区日照时间长，蒸发量大，气候干燥，路基填料的天然含水率极低，一般在1%～2%之间，而根据试验数据，填料的最佳含水率在7%～9%之间，为保证路基施工质量，路基地基处理及填料必须进行补水。

（3）全线可用做路基合格填料的取土场较少，且地处安西极旱荒漠国家级自然保护区，不得随意取土。全线合格取土场共13处，平均运距7 km以上，最远运距达15 km，由于取土场少且分布不均，则增加了运输过程中路基填料含水率的蒸发损失。

（4）路基附属圬工，施工及养护用水需求量大。在大风、干燥的环境下尚无合理的养护方式可借鉴。

3 主要研究内容及关键技术

（1）路基施工远距离供水方式的研究，通过水车运水与输水管路相结合的方式进行供水研究，确定合理的供水方式和沿线105 km输水管路的铺设方式。

（2）极旱荒漠区地基处理，施工节水技术研究，确定合理的补水和施工工艺。

（3）路基填料制备及运输过程中的节水技术研究。

（4）路基本体填筑、碾压过程中的补水方式研究。

（5）路基附属工程养护方式的研究与应用。

4 路基补水强夯地基处理技术

4.1 强夯补水的必要性

由于西部干旱少雨，属典型的大陆性气候特征，独特的气候特征造成了其独特的地质特点。高速铁路对路基工后沉降要求不超过15 mm，过渡段沉降不超过5 mm，在此地区要保证长、大段落路基填筑施工质量，地基处理至关重要。设计中，约36 km采用了强夯的地基处理方式，但是由于此地区地表土的含水率很低，直接强夯容易出现越夯土越松散、夯锤打偏的现象，达不到地基处理的影响深度，因此，要保证强夯质量，必须对土壤浅层进行补水后再强夯。

4.2 浅层补水方案

如果采用地表补水，补水量大，且水的渗透路径长，蒸发量大，强夯间歇时间长，后面工序不能展开。地表补水渗透路径见图1。

采用浅层打孔补水，在夯锤夯击范围处垂直打小孔，通过向小孔注水对土壤浅层补水，再强夯挤密，既节省了用水量，又缩短了渗透路径，减小了蒸发量，同时强夯间歇时间也变短了，甚至可以不需要间歇，前面打孔注水，后面跟着强夯，平行流水作业，提高效率。打孔补水渗透路径见图2。

图1 地表补水渗透路径

图2 打孔补水渗透路径

通过多次在试夯场地范围内取8 m深土样测定含水率试验，检测结果表明，含水率随深度变化在地面以下5 m范围内比较明显，含水率由地层表面约1%变化至5 m深处的5.3%，5 m以下含水率趋于稳定在5.3%，见表1。

通过试验检测，土体达到最大干密度时对应的最优含水率为6%，但考虑强夯的击实功比标准击实大得多，在强大的夯击力下，土体达到最大干密度对应的最优含水量比标准击实最优含水率小些。通过分析地表土层含水率随深度变化关系得出，含水率随深度变化在地面以下5 m范围内比较明显，含水率由地层表面约1%变化至5 m深处的5.3%，5 m以下含水率趋于稳定在5.3%。考虑到打深孔较困难，且孔内水有向下渗透的趋势，并通过反复试验，最终确定浅层补水深度为3.5 m。补水强夯见图3。

表1 8 m深度范围内含水率变化情况

图3 补水强夯

补水强夯地基处理施工技术通过浅层打孔补水进行强夯，既缩短了水分渗透路径，又减小了蒸发量，与一般的地表补水相比，不仅减少了大量施工用水，也大大地降低了运水成本。

5 路基填筑节水措施

5.1 供水方案

全线104.679 km，共发现11处出水量较大的水源地，选定合格取土场13个，路基基床表层以下填筑土方9 342 354 m3，填土方量大，但取土场填料天然含水率极低，约为0.7%～1%，通过试验得出最优含水率为5.5%～6.0%。根据路基填筑试验段总结，考虑到水分在运输、摊铺过程中蒸发损耗，在取土场填料实际含水率需达到7%～8%，才能保证填料运至现场摊铺时达到最优含水率附近，加水量可按下式估算：

mw=ms×（wp-w）/（1+w）

式中：ms：填料的湿重（kg），1.73 kg/cm3；

w、wp：填料的天然含水率、最佳含水率。

估算每方土的加水量约108～125 kg，路基基床表层以下填筑总共需补水量为1 167 794 t。一方面，填料要补水如此大的水量；另一方面，取土场和水源地分布极不均匀，为此，本部制定出一套经济、可行的运水方案。

为解决路基施工用水，各工区根据水源分布情况采取不同的供水方案。本公司坚持“利用既有水源为主，打井、开挖取水为辅”的方法，通过与地方矿厂签订用水协议、打井、挖水坑等途径寻找尽可能多的水源，并通过架设输水管道、修建储水池、安装增压泵、再配合洒水车运输的方式进行供水，大大降低了运水成本。

一工区（DK1015+000～DK1045+000）水源地分布情况：DK1 022+400、DK1024+500、DK1 028+500、DK1036+600、DK1039+100，这5处水源均是通过实地调查开挖发现的，采用在水源地用洒水车抽水，然后运输至附近取土场闷料。

二、三工区（DK1045+000～DK1119+679））水源地分布情况：DK1046+000、DK1058+100、DK1066+000、DK1070+000、DK1107+100、DK1111+500，其中，DK1058+100、DK1066+000、DK1070+000三处水源为自打井，DK1046+000、DK1107+100、DK1111+500 三处水源是与地方矿厂签订过用水协议的，采用架设输水管道、修建蓄水池的方法将水源地的水通过管道输进蓄水池里。然后用水车装运至就进取土场进行闷料。

输水管线：沿线路便道顺地形铺设准10 cm的铁管或塑料水管，考虑到地面落差及距离较远，每隔5 km设增压泵1台。铺设水路的工区设置专门的水路管理工班，负责对本工区内的水路进行每日检查以及对抽水泵、发电机、增压泵等设备的检修维护。输水管架设见图4。

修建蓄水池：沿便道右侧每2 km设一个蓄水池，蓄水池尺寸为10 m×5 m×4 m，底部用C15混凝土硬化15 cm，侧壁用120 mm砖墙砌筑到顶，内壁抹2 cm厚砂浆封闭，再用塑料布对底面及侧壁进行全封闭，每池可储水200 m3，顶部用塑料布封盖，防止水分蒸发。蓄水池设置见图5。5

图4 架设输水管路

图5 蓄水池

.2 取土场挖槽闷料法对填料增湿

在取土场采用挖槽闷料法进行填料增湿。通过估算出每方土的加水量和计划取土数量，估算出总共补水量，挖掘机挖出若干道平行沟槽，沟槽间距3～4 m，槽宽大约1.5 m，深度约2 m，在洒水车后接塑料管向所有槽中注水。塑料水管一端伸进挖好的沟槽，一端连至洒水车能停放的场地。通过现场多次试验得出，取土场内闷料时间达到24 h，填料含水率就能达到7%～8%，此时可停止注水。取土场的挖槽闷料见图6、图7。

图6 取土场正在闷料

图7 取土场闷料完毕

5.3 减少填料拉运过程中水分损失

为减少填料在拉运过程中水分的散失，一方面在取土场闷料时适当增大补水量，另一方面取土场填料补水时间尽量选择在一天中低温时段进行，另外，装运闷好的填料时必须保证挖掘机和自卸车的数量，尽量避免因机械设备不足造成填料水分的散失。

5.4 优化各工序的衔接，减少推平碾压过程中水分的损失

路基填筑施工严格按照“三阶段、四区段、八流程”的施工工艺进行，为了保证填筑的施工质量，减少填料水分的散失，必须合理组织各工序的衔接，保证工作面（150～200 m）有足够的设备，并且挑选熟练的司机操作挖掘机、压路机、平地机、推土机等。填料运到现场后，推土机和平地机迅速进行摊铺，达到试验确定的摊铺厚度后，立即检测现场填料的含水率，根据检测结果，再用洒水车适当进行补水，然后用压路机碾压，碾压完毕立即检测压实度指标，合格后填筑下一层。

6 路基边坡防护浆砌片石“一布一膜滴灌”节水养护法

6.1 养护流程

边坡防护工程以砌体及勾缝为主，选择合理的养护工艺是节水的重要保证，经过实践研究，养护工艺流程见图8。

图8 养护流程图

6.2 浆砌砂浆节水养护方法及措施

6.2.1 养护材料的选择

塑料布宜选用相对较厚的，可重复利用多次等性质的塑料布；土工布宜选用蓄水能力强，达300 g/m2的无纺土工布；储水罐选用可移动的塑料或铁皮桶，储水量不少于1 m3。一布一膜滴灌见图9和图10。

图9 一布一膜及储水桶布设

图10 一布一膜及储水桶布设

6.2.2 养护时机选择

浆砌过程中砂浆在初凝前应采用土工布边砌盖，做到浆砌与养护同步，防止砂浆中的水分散失以免造成砂浆假凝；砂浆初凝后采用土工布加塑料布“一布一膜滴灌”养护。

6.2.3 塑料布覆盖

注意四周边角一定压实，防止密封不严进风或被大风卷起失去保水作用。

6.2.4 塑料引水管安设

塑料管和储水罐可通过控制水量大小的阀门连接；埋入土工布式的塑料管可均匀打孔。见图10引水管安设。

6.3 勾缝节水

浆砌砂浆养护3天后进行勾缝，选择此时机勾缝是因为砌体砂浆强度已达到70%，能够承受施工临时荷载，不会被破坏。勾缝后立即采用“一布一膜”滴灌养生。此时，砌体砂浆与勾缝砂浆同时养生，达到节水目的。若勾缝不及时进行养生，砂浆失水严重，间接导致养护用水加大。

7 总结

（1）通过输水管线及蓄水池的布置，有效地解决了极旱荒漠地区水资源匮乏的难题，从而使水资源能够在第一时间内运送到施工现场。

（2）通过浅层补水的强夯地基处理技术，缩短了水分渗透路径，从而减小了水分的蒸发量，大大地降低了施工用水成本。

（3）通过取土场挖槽闷料，有效解决了戈壁填料天然含水率低的特点，减少了填料制备过程中的需水量。

（4）通过路基填筑工序衔接的优化，减少了填料水分的散失，提高了路基施工的进度，确保了路基施工的质量。

（5）通过浆砌片石“一布一膜滴灌”养生法，保证了浆砌片石质量，同时节约了施工用水。

通过对极旱荒漠地区铁路路基施工节水技术研究，在极旱荒漠戈壁地区水资源匮乏的前提下，满足路基施工质量和进度的同时节约了水资源，降低了施工成本，为今后同类型施工提供借鉴。