曹 密

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110001）

丹大鐵路位于遼東半島、黃海之濱，是東北地區(qū)首條濱?？焖勹F路，西起大連，向東北方向途徑莊河市，終至丹東市，為雙線電氣化客貨混跑有砟軌道。速度目標(biāo)值200 km/h，全線營(yíng)業(yè)里程293 km，線路延展長(zhǎng)度586.629 km，其中路基延展長(zhǎng)度285.679 km，占比48.7%。自2015年12月17日開通運(yùn)營(yíng)以來，路基的凍害問題一直困擾著鐵路運(yùn)營(yíng)和維護(hù)工作，影響了冬季鐵路運(yùn)營(yíng)的舒適性、平穩(wěn)性和安全性。

本文通過對(duì)丹大鐵路典型路基凍害地段進(jìn)行取樣勘察、數(shù)值模擬分析，研究丹大鐵路涵洞頂部的凍害原因［1-3］，并開展凍害處理對(duì)策的研討［4-5］，為嚴(yán)寒地區(qū)鐵路凍害整治提供借鑒。

1 丹大鐵路歷年凍害情況

丹大鐵路基床厚度為2.5 m，其中基床表層厚度為0.6 m，基床底層厚度為1.9 m?；脖韺硬捎眉?jí)配碎石填筑，基床底層采用A，B 組填料或改良土，其中基床表層底面以下至凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑非凍脹性A、B組填料（細(xì)顆粒含量小于15%）。沿線季節(jié)性凍土層厚0.88～1.20 m。

丹大鐵路歷年凍害情況見表1。可知，2015—2016年凍害59 處（涵頂53 處，占比90%），最大凍脹量15 mm。因丹大鐵路開通時(shí)已入冬，加之初期部分地段路基不穩(wěn)定，故未統(tǒng)計(jì)完全，凍害數(shù)量偏少。2016—2017年凍害203 處（涵頂146 處，占比72%），最大凍脹量25 mm；2017—2018年凍害134 處（涵頂87 處，占比65%），最大凍脹量16 mm；2018—2019年凍害133處（涵頂102 處，占比77%），最大凍脹量10 mm。從凍害發(fā)生位置看，涵洞頂部發(fā)生凍害較多，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，涵頂填土厚度均在0.6～2.5 m。從凍脹量方面分析，近3年最大凍脹量、平均凍脹量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表1 丹大鐵路歷年凍害情況

按凍害發(fā)展變化時(shí)間看，丹大鐵路凍害一般在12月上旬發(fā)生并持續(xù)上漲，至次年2月中旬基本穩(wěn)定，3月下旬、4月上旬開始回落，4月下旬可全部回落完畢。凍融期達(dá)5個(gè)月，約130～150 d。

2 現(xiàn)場(chǎng)取樣分析

2.1 取樣工點(diǎn)概況

根據(jù)丹大鐵路凍害情況，選取丹大鐵路旅客通道、涵洞、涵洞相鄰路堤、涵洞相鄰路塹4 種類型地段挖取土樣，里程分別為K225+150，K225+476，191+450和 K296+320。天窗時(shí)間為 2016年5月9日至 2016年5月11日。根據(jù)丹大鐵路基床結(jié)構(gòu)，分別選取了土工布上、下基床表層與基床底層的填料。每層取樣2袋，質(zhì)量均約5 kg，分別位于路基面以下0.2 m 和0.6 m的位置，如圖1所示。

圖1 取樣位置示意（單位：cm）

2.2 取樣結(jié)果分析

按TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》開展填料顆粒分析及含水率試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表2、表3。

基床表層級(jí)配碎石級(jí)配按照TB/T 2897—1998《鐵路碎石道床底碴》中關(guān)于“基床表層級(jí)配碎石”的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)。由表2可知，取樣位置的基床表層級(jí)配碎石的級(jí)配基本滿足規(guī)范要求。

設(shè)計(jì)中對(duì)基床底層填料細(xì)料的規(guī)定為“填筑非凍脹性A，B 組填料（非凍脹填料要求細(xì)顆粒含量小于15%，細(xì)砂不可用作路基填料）”。由表3可知，細(xì)顆粒含量也有3處超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 基床表層填料顆粒分析及含水率試驗(yàn)結(jié)果

表3 基床底層不同深度填料顆粒分析及含水率試驗(yàn)結(jié)果

近年來，根據(jù)高速鐵路凍脹相關(guān)的課題成果，在嚴(yán)寒地區(qū)修建高速鐵路對(duì)凍結(jié)深度范圍的填料提出了更高的要求，TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求細(xì)顆粒含量不超過5%。按照此規(guī)范，則全部取樣地段的細(xì)顆粒含量均超過了標(biāo)準(zhǔn)值。

不同位置處基床底層含水率見表4?？芍?，各基床底層取樣位置的含水率均較高，說明填料本身的持水能力較高，這為凍脹的發(fā)生提供了必要條件。

表4 不同位置處基床底層含水率

3 數(shù)值模擬分析

為了研究涵洞上部填土溫度場(chǎng)分布及凍結(jié)深度變化情況，本文采用ABAQUS 有限元軟件，對(duì)路基溫度場(chǎng)及凍結(jié)深度變化進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［6］。模型材料類型包括鋼筋混凝土、AB 非凍脹土和級(jí)配碎石。材料屬性見表5。軌枕和涵洞頂部為鋼筋混凝土，道砟和邊坡采用級(jí)配碎石表示，道砟以下及涵洞上部填土為AB非凍脹土，計(jì)算模型見圖2。

表5 模型材料屬性

圖2 計(jì)算模型

該模型所用溫度為丹東歷史溫度，由于計(jì)算頻率按照1次/d，采用夜間24：00時(shí)左右的氣溫作為日平均氣溫，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在一定程度的誤差。計(jì) 算 時(shí) 間 為 2015年11月14日 至 2016年2月29日 。2015年12月28日涵洞頂部路基溫度場(chǎng)云圖見圖3。路基斷面線路中心和路肩外側(cè)的溫度隨時(shí)間變化曲線見圖4。可知，同一時(shí)間內(nèi)線路中心、路肩溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同，11月下旬地溫達(dá)到0 ℃以下，1月下旬達(dá)到最低溫度（約-10 ℃），期間受氣溫變化影響地溫產(chǎn)生短期波動(dòng)。

圖3 路基溫度場(chǎng)云圖

圖4 不同位置路基溫度隨時(shí)間變化曲線

路基凍結(jié)深度隨時(shí)間變化曲線見圖5，淺層凍結(jié)深度指由地表向下凍結(jié)的深度，深層凍結(jié)深度指由涵洞頂部向上凍結(jié)的深度。由圖5可知：在2016年1月1日前，涵洞上部填土已經(jīng)全部?jī)鼋Y(jié)，至2月29日為止未出現(xiàn)融化現(xiàn)象。這說明涵洞位置存在雙向凍結(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致涵洞頂部較其他位置的凍結(jié)深度偏大。

圖5 路基凍結(jié)深度隨時(shí)間變化曲線

4 凍害原因分析及處理對(duì)策研究

4.1 凍害原因分析

基床底層填料細(xì)粒含量較高，超過當(dāng)時(shí)建設(shè)的對(duì)于非凍脹填料的規(guī)范要求，而且含水率也較大，是丹大鐵路產(chǎn)生凍害的根源。同時(shí)由于填料細(xì)顆粒含量較高，其自然持水率也會(huì)較高，同時(shí)由于丹大鐵路沿線降水較為豐富，入冬之前雨水入滲路基，不易排出，這也是填料含水率較高的原因。

通過數(shù)值模擬可知，在涵洞位置，涵洞頂部填土?xí)l(fā)生雙向凍結(jié)，導(dǎo)致涵洞頂一般凍結(jié)深度較大，凍結(jié)層厚度增加速度快于一般路基地段，其凍脹速度也較一般地段快。另外，由于重力作用，入冬前大氣降水入滲，水分滯留在涵洞頂部，填料排水性能較差，導(dǎo)致水分沒有來得及排出就已經(jīng)原位凍結(jié)，產(chǎn)生較大凍脹。

4.2 整治對(duì)策分析

針對(duì)丹大鐵路凍害特征，除了抬高道砟、注鹽措施外，還有以下整治措施：

1）強(qiáng)化疏排水。對(duì)于涵洞頂填料不良、自然持水率較高的情況，應(yīng)強(qiáng)化疏排水措施［7］?？稍诤错敳扛呙芏仍O(shè)置排水通道，例如每0.5 m 設(shè)置1 根平排孔，或者在涵洞頂內(nèi)側(cè)向上設(shè)置垂直排水孔，將基床中的自由水充分排出，從而達(dá)到降低路基凍脹的目的。

2）不良填料改性。由于填料本身高持水特性，在自由水排出的情況下，其本身產(chǎn)生的凍脹也會(huì)較大。因此，可對(duì)填料進(jìn)行凍脹特性改良，例如采用高密度鉆孔進(jìn)行精細(xì)化注鹽，使填料的冰點(diǎn)降低至當(dāng)?shù)刈畹蜏爻潭?，從而消除凍脹。另外，也可采用高滲透化學(xué)注漿技術(shù)，降低填料的自然持水率，增加填料的整體性和剛度，以降低填料的凍脹特性［8］。

3）填料強(qiáng)化置換。強(qiáng)化疏排水措施與不良填料改性技術(shù)均治標(biāo)不治本，無法根除鐵路路基的凍脹病害?？赏ㄟ^對(duì)涵洞上部填土進(jìn)行橫向置換，達(dá)到消除凍害的目的。針對(duì)涵洞上部填土凍脹層位，通過橫向一定孔徑的跟管掏土將高含水率細(xì)粒土填料置換掉，并充填非凍脹材料，在實(shí)施過程中保持軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)有砟鐵路路基凍害處理的“一勞永逸”，解決長(zhǎng)期以來由鐵路路基反復(fù)凍融造成的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)難題［9-10］。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，丹大鐵路路基凍害的主要原因?yàn)榛驳讓犹盍喜涣?，其?xì)顆粒含量較高，導(dǎo)致自然持水率較高，填料凍脹率較大，加上涵洞頂存在雙向凍結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致了涵洞頂凍脹問題突出。

2）針對(duì)丹大鐵路凍害可采取強(qiáng)化疏排水、不良填料改性和填料強(qiáng)化置換等措施進(jìn)行綜合整治。

3）鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)線路平順性要求較高，嚴(yán)寒地區(qū)鐵路建設(shè)嚴(yán)格控制填料質(zhì)量，是運(yùn)營(yíng)后冬季線路平順性的根本保證。