李先明

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川成都610031)

季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計優(yōu)化

李先明

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川成都610031)

哈大(哈爾濱—大連)高鐵是我國第一條季節(jié)性凍土區(qū)無砟軌道高速鐵路，抑制路基凍脹變形是保證軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的必要條件。哈大高鐵在建造過程中，通過前期控制和后期補(bǔ)強(qiáng)，將路基凍脹變形控制在有限范圍內(nèi)，保證了運營安全。本文根據(jù)哈大高鐵路基凍脹深化研究成果及監(jiān)測數(shù)據(jù)，對哈大高鐵路基凍脹規(guī)律及工程特點進(jìn)行總結(jié)，對路基防凍脹設(shè)計中填料凍脹特性的辨識、路基凍結(jié)深度的選取與修正、級配碎石摻水泥的凍脹特性、既有路基防排水結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣等問題進(jìn)行了探討，從工程應(yīng)用方面提出了建議。

季節(jié)性凍土區(qū);高速鐵路;路基凍脹;設(shè)計優(yōu)化

1　概述

根據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)公路、普速鐵路等工程建設(shè)經(jīng)驗和研究結(jié)果，在負(fù)溫條件下路基會出現(xiàn)不同程度的凍脹變形，幅值一般在10～30 cm，甚至可超過40 cm。這些變形是由于:①路基凍結(jié)深度范圍內(nèi)孔隙水凍結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹(膨脹系數(shù)為9%);②在降溫凍結(jié)深入的過程中，下部未凍土層中的水分源源不斷地向凍結(jié)鋒面遷移、聚集并凍結(jié)。路基發(fā)生較大凍脹變形，會對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生極大破壞，是季節(jié)性凍土區(qū)工程病害產(chǎn)生的主要原因之一。

高速鐵路對軌道結(jié)構(gòu)以及路基基礎(chǔ)的變形提出了極為嚴(yán)格的要求。在季節(jié)性凍土區(qū)如何將路基凍脹變形控制在一定范圍之內(nèi)是建造者面臨的一個難題。

哈大高鐵南起大連市，經(jīng)遼寧省營口、鞍山、遼陽、沈陽、鐵嶺市，吉林省四平、長春、松原市，終于哈爾濱市，線路縱貫東北三省，途徑3個省會城市和7個地級市及其所轄區(qū)縣。其沿線氣候寒冷，極端最低溫度－39.9℃，最大積雪厚度30 cm。沿線土壤最大凍結(jié)深度在93～205 cm，每年從10月開始凍結(jié)，次年4—5月全部融化，經(jīng)歷時間長達(dá)5～6個月。

針對哈大高鐵季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹隱患，建造過程中圍繞路基凍脹三要素——土質(zhì)、水和溫度，以基床填料防凍脹和“封排結(jié)合”控水措施并重為原則，施工過程中對填料的含水量、粒徑、細(xì)顆粒含量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了重點控制。后期又對因地貌改變引起地下水變化的地段采取了防凍脹補(bǔ)強(qiáng)措施。通過哈大高鐵開通運營來的歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，哈大高鐵路基凍脹變形呈現(xiàn)總體穩(wěn)定且峰值逐年減小的趨勢。

2　季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹特點

2.1季節(jié)性凍土區(qū)路基填料的凍脹特性

通過哈大高鐵沿線成型路基的挖探試驗數(shù)據(jù)可知，雖然沿線施工質(zhì)量略有差異，但其路基本體范圍內(nèi)細(xì)顆粒(粒徑d≤0.075 mm)含量在4.19%～14.56%，均不大于15%，滿足《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》(TB 10035—2006)對路基填料的規(guī)定。沿線基床填料顆粒分析及含水率試驗結(jié)果見表1。

表1　基床填料參數(shù)統(tǒng)計

粗粒土細(xì)粒含量與凍脹的關(guān)系見圖1。按照TB 10035—2006對不凍脹土的定義，細(xì)顆粒含量為15%時，土的凍脹率已達(dá)到1%。當(dāng)細(xì)粒含量超過15%之后，隨著細(xì)粒含量的增加土體凍脹敏感性顯著增大。哈大高鐵按照平均凍結(jié)深度1.5 m計算，理論上凍脹量會達(dá)到15 mm，對于高速鐵路而言變形很大。這也從理論上證明了路基凍脹的普遍性。建議在后續(xù)規(guī)范修訂完善時，應(yīng)提出新的填料凍脹級別劃分標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計和施工提供依據(jù)。

圖1　粗粒土細(xì)粒含量與凍脹的關(guān)系

另外按照填料的客觀凍脹特性，要將土的凍脹變形控制在一定范圍內(nèi)，在溫度和水2方面條件不變的情況下，需要將細(xì)顆粒的含量盡量降低到5%以下甚至更低。這對于填料的選擇和現(xiàn)場施工提出了苛刻要求。因此應(yīng)在溫度和水2方面進(jìn)行控制。

2.2季節(jié)性凍土區(qū)路基凍結(jié)深度的規(guī)律

理論上溫度受沿線氣候影響屬于不可控因素，路基凍結(jié)深度無法通過人為因素改變。在季節(jié)性凍土區(qū)修筑路基工程后，打破了原有地氣之間相對熱平衡的交換狀態(tài)，導(dǎo)致路基凍結(jié)深度與原狀土凍結(jié)深度出現(xiàn)差異。特別是對于鐵路這種長大線性工程，受地形、土質(zhì)、日照、植被、線路走向等因素影響，相同溫度條件下，不同的路基形式、路基填料和日照部位，路基的實際凍結(jié)深度都會發(fā)生一定程度的變化。根據(jù)青藏線既有研究與調(diào)查成果，同一區(qū)域的野外凍結(jié)深度是氣象部門提供的凍結(jié)深度的1.2～1.3倍，同一地點、同一時間陰坡的凍結(jié)深度是陽坡的1.1～1.5倍，路基換填后凍結(jié)深度是原狀土凍結(jié)深度的1.2～1.5倍。

哈大高鐵沿線路基凍結(jié)深度統(tǒng)計結(jié)果見表2，2012—2013年觀測最大凍結(jié)深度與天然土壤最大凍結(jié)深度之比在1.16～1.79，平均為1.43;2013—2014年觀測最大凍結(jié)深度與天然土壤最大凍結(jié)深度之比在0.76～1.44，平均為1.21。

表2　哈大高鐵沿線路基凍結(jié)深度統(tǒng)計結(jié)果

哈大高鐵的工程實踐說明，鐵路路基最大凍結(jié)深度較天然土壤最大凍結(jié)深度普遍加大。這與填料的導(dǎo)熱系數(shù)較高、含水率較低有關(guān)。這為季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的參數(shù)。

哈大高鐵路基設(shè)計參數(shù)參考當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的最大凍結(jié)深度。由于鐵路路基最大凍結(jié)深度普遍較天然土壤最大凍結(jié)深度大，因此滲水盲溝等排水設(shè)施在冬季易凍結(jié)，加劇路基凍脹變形。

在后續(xù)設(shè)計中，應(yīng)基于填料的物理特性，通過理論計算和實測分析確定適用于高速鐵路路基防凍脹設(shè)計的凍結(jié)深度，并根據(jù)線路等級、荷載、運行速度、軌道條件等確定是否采用有害凍結(jié)深度的概念。

哈大高鐵在后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計中，已對凍結(jié)深度進(jìn)行了修正。修正公式為:設(shè)計凍結(jié)深度=當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度×1.3+0.5。

2.3季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹變形規(guī)律

盡管鐵路沿線的氣候特征在空間上、時間上、地域上的不確定性在一定程度上導(dǎo)致了路基凍脹具有隨機(jī)性和不確定性，但是根據(jù)哈大高鐵路基凍脹自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，路基凍脹發(fā)展變化過程可大致劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發(fā)展、低速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展、波動融沉、變形穩(wěn)定5個發(fā)展階段，見圖2。

圖2　K186+740斷面路基凍脹變形過程

從圖2可知，路基凍脹快速發(fā)展階段(即第2階段)和波動融沉階段(即第4階段)凍脹變形速率快、凍脹變形程度大，對軌道幾何狀態(tài)和線路平順性影響大。現(xiàn)場維護(hù)經(jīng)驗表明，這期間路基凍害頻繁發(fā)生，線路超限處所數(shù)量增加。

季節(jié)性凍土區(qū)具有地下水豐富，入冬前降水充沛，冬季低溫嚴(yán)寒等氣候特點。當(dāng)氣溫下降至負(fù)溫時，土層中孔隙水凍結(jié)成冰，體積膨脹，從而產(chǎn)生凍脹變形。這是路基凍脹變形在初期快速發(fā)展的原因。這期間路基凍結(jié)前的降雨或降雪容易滲透路基，增加路基頂層范圍內(nèi)含水量。此外，在個別地下水位較高的路塹地段，地下水也會向凍脹鋒面遷移，隨著凍結(jié)深度的加大而產(chǎn)生持續(xù)、較大的凍脹變形。

季節(jié)性凍土區(qū)還具有春融期間晝夜溫差大的特點。這期間隨著大氣溫度升高至0℃以上并持續(xù)一段時間，路基凍土層開始雙向融化，隨著溫度在0℃上下波動，短時融化雪水進(jìn)入基床表層，基床呈現(xiàn)反復(fù)凍融變形現(xiàn)象。

從上述分析可知，路基基床表層由于直接與大氣環(huán)境接觸，受溫度、水分的影響較路基其他部位明顯，在季節(jié)性凍土區(qū)的凍脹變形程度也更為明顯。在后續(xù)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮路基基床表層填料在季節(jié)性凍土區(qū)氣候環(huán)境條件影響下的凍脹特性。

3　季節(jié)性凍土區(qū)路基防凍脹設(shè)計優(yōu)化思路

3.1季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

哈大高鐵的建造經(jīng)驗表明，我國高速鐵路設(shè)計規(guī)范關(guān)于路基凍脹變形的規(guī)定還需繼續(xù)完善，主要有以下方面:

1)哈大高鐵修建過程中對無砟軌道的沉降變形有著極為嚴(yán)格的規(guī)定，從設(shè)計、施工、評估到驗收等工序均有一套成熟的制度。因為有章可循，加之嚴(yán)格的過程管控，無砟軌道的沉降變形得到控制。但是現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范中對于無砟軌道向上容許的變形量卻沒有標(biāo)準(zhǔn)，這就需要設(shè)計者進(jìn)一步調(diào)研，充分結(jié)合已建高鐵的經(jīng)驗，對規(guī)范、制度等進(jìn)行完善。

2)通過哈大、盤營、蘭新高鐵的建設(shè)，我國對路基凍脹變形的認(rèn)識提到了一個新的高度，但對于凍脹和凍害的界定尚無確切標(biāo)準(zhǔn)。在施工過程中乃至后期運營維護(hù)中，確定凍害標(biāo)準(zhǔn)時到底是采用絕對凍脹量還是按行車速度和長短波平順性的要求采用相對指標(biāo)，或者二者相結(jié)合進(jìn)行判定都沒有一個明確的規(guī)定。

以哈大高鐵為例，路基凍脹變形在0～10 mm間的段落占總長的72.9%，然而根據(jù)動檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計，因凍脹引起的高程超限僅占路基總長的5%左右。說明路基在冬季普遍發(fā)生不同程度的凍脹，但由于其呈現(xiàn)總體穩(wěn)定、個別峰值的特點，并非全部形成凍害。

高速鐵路的安全性和舒適性均受軌道平順性控制，而路基凍脹地段的軌道平順性又主要受路基變形影響，在后續(xù)季節(jié)性凍土區(qū)路基設(shè)計中，設(shè)計者應(yīng)充分考量路基變形與軌道變形的關(guān)系，在列車安全性和舒適性之間尋找一個平衡點，統(tǒng)籌考慮路基凍脹變形的控制措施和設(shè)計參數(shù)。

3.2哈大高鐵過渡段凍脹特點

過渡段主要有路橋、路隧和路涵3種結(jié)構(gòu)形式。其設(shè)置目的:①使支撐軌道的基礎(chǔ)剛度不要發(fā)生突變;②避免結(jié)構(gòu)物與路基發(fā)生較大的不均勻沉降，而導(dǎo)致軌面不平順，因而影響線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。過渡段須重點關(guān)注的問題如下:

1)級配碎石摻水泥過渡段凍脹特性問題

哈大高鐵路基過渡段根據(jù)國內(nèi)外高速鐵路、公路經(jīng)驗，其填筑材料為摻入一定水泥的級配碎石，長度一般控制在20 m左右。另外為了保證個別短路基(＜200 m)的剛性過渡，其整個段落基床表層均采用級配碎石摻水泥進(jìn)行填筑。設(shè)計之初并未深化研究級配碎石摻水泥與凍脹變形的關(guān)系。

表3為哈大高鐵路基凍脹變形分類統(tǒng)計結(jié)果，可以看出全線過渡段凍脹變形較普通段落明顯偏小，另外由于過渡段的倒梯形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)物10 m范圍內(nèi)全部為級配碎石摻水泥填筑，其凍脹變形更加偏小。

表3　路基凍脹變形分類統(tǒng)計結(jié)果

從表3可以看出，凍脹變形≤4 mm的比例，過渡段要明顯大于其他路段;凍脹變形＞8 mm的比例，過渡段明顯小于其他路基段;對于＞12 mm的凍脹變形，過渡段基本沒有。

2)級配碎石摻水泥過渡段長度問題

過渡段由于采用級配碎石摻水泥結(jié)構(gòu)，其凍脹變形較其他路基段明顯偏小，它與兩側(cè)路基段的凍起與不凍起的相對高差導(dǎo)致了線路不平順，過渡段反而是產(chǎn)生超限處所和凍害較為集中的地段。因此如何減緩過渡段及其兩側(cè)路基段的不均勻凍脹性是后續(xù)高速鐵路設(shè)計應(yīng)重點研究考慮的問題。

通過這一凍脹規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，在盤營、哈齊客專的建設(shè)過程中，對基床表層級配碎石層全部添加了一定比例的水泥。從目前的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，級配碎石摻水泥后改變了填料的性質(zhì)，大大緩解了凍脹變形的程度，也解決了過渡段相對變形差異大的問題。

3.3哈大高鐵路基防排水結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹變形的水分補(bǔ)給主要來源于地表水下滲和地下水向上遷移。哈大高鐵的工程實踐表明，目前常用的防排水結(jié)構(gòu)設(shè)計還存在一些需要細(xì)化完善的地方。主要有以下方面:

1)優(yōu)化電纜槽設(shè)置位置

哈大高鐵在凍脹補(bǔ)強(qiáng)過程中發(fā)現(xiàn)電纜槽是加劇凍脹變形的原因之一。首先，電纜槽的設(shè)置改變了路基本體的熱對流條件，加大了路肩部位的凍結(jié)深度。其次，在凍結(jié)季節(jié)，電纜槽位置首先凍結(jié)，阻擋了路基基床表層水分的排出，使級配碎石含水量升高，加重了凍脹現(xiàn)象。第三，電纜槽在路肩部位形成一個匯水帶，增加了地表水滲透至路基本體的通道。因此從減少路基凍脹角度出發(fā)，電纜槽不宜設(shè)置在路肩上。

哈齊客專在建設(shè)過程中將電纜槽位置設(shè)置在邊坡，解決了潛在滲水途徑問題。凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明其防凍脹效果良好。

2)強(qiáng)化表面防排水層作用

路基面設(shè)置纖維混凝土防排水層，其結(jié)構(gòu)縫一般采用瀝青軟膏或聚氨酯材料進(jìn)行填充封閉處理。由于既有封縫材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不高，尤其對季節(jié)性凍土區(qū)的嚴(yán)寒環(huán)境適應(yīng)性低，導(dǎo)致其封水效果差。以哈大高鐵為例，密封材料在經(jīng)歷數(shù)次凍融循環(huán)后，均出現(xiàn)老化、開裂現(xiàn)象，地表水下滲明顯，從而直接增大了路基表層凍脹變形。

從改善防排水效果的角度出發(fā)，可從以下方面進(jìn)行深化研究:①探討在無砟道床底部全斷面滿鋪一定厚度的瀝青混凝土，形成整體結(jié)構(gòu)防水層;②探討將基床表層全部換填成級配碎石摻水泥的復(fù)合結(jié)構(gòu)(目前，盤營、哈齊客專已采用這一成果，效果良好);③研究滿足嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境氣候特點的封縫材料，延長路基面防排水層的使用壽命(目前，哈大高鐵正進(jìn)行實體工程試驗，效果顯著)。建議在后續(xù)設(shè)計中，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)不同的地域、環(huán)境和工程特點，充分論證，提出適應(yīng)項目特點的防排水層結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計。

3)保證地下水位下降效果

既有高速鐵路路基降低地下水位的措施主要采用滲水盲溝，設(shè)計時依據(jù)氣象部門提供的當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度確定盲溝深度，這會導(dǎo)致盲溝深度不足產(chǎn)生凍結(jié)，造成排水不暢，地下水滲入路基，引發(fā)路基凍脹。以哈大高鐵為例，按氣象部門凍結(jié)深度施工的盲溝出現(xiàn)了個別盲溝冬季凍結(jié)現(xiàn)象，在后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計中，對凍結(jié)深度進(jìn)行修正后這一問題才得以解決。

在后續(xù)設(shè)計中，滲水盲溝的深度應(yīng)根據(jù)路基填料的最大凍結(jié)深度確定，同時為迅速排出地下水和防止淤積，其底部縱坡不宜過小。對于困難地段，縱坡不易控制時，應(yīng)采取加強(qiáng)滲水盲溝的反濾層、加大滲水盲溝排水孔尺寸、縮短檢查井間距等措施，確保其排水通暢，有效降低地下水位。

4　結(jié)語

本文以哈大高鐵為背景，提出了在季節(jié)性凍土區(qū)修建高速鐵路路基應(yīng)考慮的諸多問題，其中部分問題在近年的科研中進(jìn)行了深化研究，取得了一定成果并在后續(xù)項目中陸續(xù)得到運用，如路基凍結(jié)深度的修正、基床表層級配碎石摻水泥的應(yīng)用、路基防排水結(jié)構(gòu)的改善和補(bǔ)強(qiáng)等。哈大高鐵的建造經(jīng)驗可為國內(nèi)外類似項目(哈齊高鐵、莫斯科高鐵等)提供參考。

［1］國家鐵路局．TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2014．

［2］劉偉平．嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹整治技術(shù)［J］．鐵道建筑，2016(4):92-97．

［3］哈大鐵路客運專線有限責(zé)任公司．新建鐵路哈爾濱至大連客運專線路基凍脹情況報告［R］．沈陽:哈大鐵路客運專線有限責(zé)任公司，2012．

［4］王仲錦，葉陽升，閆宏業(yè)，等．寒區(qū)鐵路路基防凍脹設(shè)計中凍深計算方法的探討［J］．鐵道建筑，2013(2):57-59．

［5］中國鐵道科學(xué)研究院．寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011．

［6］楊西峰．高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(8):6-11．

［7］石剛強(qiáng)．嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹和工程對策研究［D］．蘭州:蘭州大學(xué)，2014．

(責(zé)任審編 李付軍)

Design Optimization of Anti-frost-heaving for High Speed Railway Subgrade in Seasonal Frozen Soil Regions

LI Xianming
(China Railway Urban Development and Investement Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

The Harbin－Dalian high speed railway is the first high speed railway with ballastless track in the seasonal frozen soil regions of China and controlling the subgrade frost-heaving deformation is necessary to ensure the stability of the track structure．During the construction process of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frostheaving deformation could be controlled in a limited range for the operation safety through the early control and late rein forcement．Based on the deep research results of subgrade frost-heaving and m onitoring data of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frost-heaving law and engineering characteristics of Harbin－Dalian high-speed railway were summarized，the problem sincluding frost-heaving characteristics identification of filling material，the adoption and modification of subgrade frost depth，the frost-heaving characteristics of graded gravel with cement and the advantages and disadvantages of existing waterproofing and drainage structures were discussed in subgrade antifrost-heaving design，and the suggestions were put forward from the aspect of engineering application．

Seasonal frozen soil region;High speed railway;Subgrade frost-heaving;Design optim ization

U213．1+53

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．25

1003-1995(2016)11-0096-05

2016-05-09;

2016-08-27

鐵道部科技研究開發(fā)計劃(Z2012-062)

李先明(1986—)，男，工程師。