高速鐵路季節(jié)性凍土路基凍脹時(shí)空分布規(guī)律試驗(yàn)

蔡德鉤

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

我國(guó)正在季節(jié)性凍土地區(qū)展開大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)。截止到2015年12月，東北和西北地區(qū)已建和在建的高速鐵路有哈大、盤營(yíng)、沈丹、吉圖琿、哈齊、長(zhǎng)吉、哈牡、京沈、蘭新、大西、西寶、寶蘭等線路，共約7 000 km。此外，我國(guó)于2013年向世界提出了“一帶一路”倡議，涉及北京到莫斯科的歐亞高速運(yùn)輸走廊，全長(zhǎng)超過(guò)7 000 km。中俄已就莫斯科—喀山高速鐵路簽訂合同，目前已進(jìn)入初步勘察設(shè)計(jì)階段。這些穿越廣袤季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路都必將面臨路基凍脹問(wèn)題。

高速鐵路對(duì)線路變形要求極高，路基凍脹會(huì)降低線路平順性和運(yùn)營(yíng)安全性。但由于區(qū)域氣候環(huán)境的多變性、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性及建設(shè)過(guò)程中水控制措施的粗放性等諸多不利因素的影響，季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的凍脹往往不可避免。因此，開展高速鐵路路基長(zhǎng)期凍脹監(jiān)測(cè)以獲取凍融時(shí)空分布規(guī)律至關(guān)重要。一方面，建設(shè)階段通過(guò)分析高速鐵路路基凍脹水平和分布情況，可評(píng)價(jià)路基土水控制措施的施工質(zhì)量及設(shè)計(jì)合理性，為高速鐵路路基動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工驗(yàn)收提供依據(jù)，為完善防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐；另一方面，運(yùn)營(yíng)階段通過(guò)分析冬季時(shí)線路的平順性和路基凍脹發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，可明確冬季的線路維護(hù)時(shí)機(jī)，有利于調(diào)配有限的人力物力，制定合理的維護(hù)措施，提升高速鐵路的冬季科學(xué)維護(hù)水平，促進(jìn)我國(guó)季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路凍脹維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的完善。

哈大高速鐵路是我國(guó)第1條季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路，掌握其路基凍脹時(shí)空分布規(guī)律對(duì)我國(guó)其他季節(jié)性凍土高速鐵路的建造和運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。針對(duì)哈大高速鐵路路基凍脹問(wèn)題，哈大公司和沈陽(yáng)鐵路局組織開展了重點(diǎn)和典型地段的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)、全部路基地段分期水準(zhǔn)觀測(cè)和全線高頻次軌道平順性動(dòng)態(tài)檢測(cè)，獲得了大量寶貴數(shù)據(jù)。本文基于哈大高速鐵路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究高速鐵路季節(jié)性凍土路基的凍脹時(shí)空分布規(guī)律。

1　高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測(cè)

經(jīng)過(guò)幾年實(shí)踐，我國(guó)已形成集凍脹自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)觀測(cè)和軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)相結(jié)合的綜合凍脹監(jiān)測(cè)體系[1]。這些監(jiān)測(cè)手段相輔相成，可從不同方面反映高速鐵路路基的凍脹時(shí)空分布情況。

水準(zhǔn)觀測(cè)主要是對(duì)全線進(jìn)行定期觀測(cè)以掌握全線的凍脹水平分布情況，明確重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和整治地段。軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是對(duì)全線進(jìn)行定期平順性檢測(cè)以掌握全線的平順性情況，是運(yùn)營(yíng)階段高速鐵路凍脹監(jiān)測(cè)最基本、最重要的手段，是制定冬季線路維護(hù)措施的依據(jù)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)重點(diǎn)和典型地段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以掌握凍脹凍深發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括凍脹、凍深及水分等。軌道檢測(cè)結(jié)果與凍脹自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果相結(jié)合，從不同角度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可全面掌握高速鐵路路基的凍脹時(shí)空分布規(guī)律。

針對(duì)哈大高速鐵路，共設(shè)置了62個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面，分布在13個(gè)區(qū)段，涵蓋了全線重點(diǎn)和典型的路基凍脹區(qū)段，共開展了3個(gè)周期的監(jiān)測(cè)；全線共布設(shè)了水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)9 000多個(gè)，開展了2012—2015年3個(gè)凍脹周期的觀測(cè)；采用綜合檢測(cè)列車380B002對(duì)哈大全線進(jìn)行了高頻次平順性檢測(cè)，開展了2個(gè)周期621次檢測(cè)，檢測(cè)里程超過(guò)23萬(wàn)km。

2　路基凍脹變形發(fā)生發(fā)展規(guī)律

2.1　自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1.1典型凍融發(fā)展變化過(guò)程

圖1為哈大高速鐵路典型斷面凍脹自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖1可知，凍融發(fā)展變化過(guò)程主要表現(xiàn)為初始波動(dòng)、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個(gè)階段。各階段具體特征如下：

初始波動(dòng)階段：入冬初始，氣溫在零度上下波動(dòng)，凍脹隨路基面層(20 cm范圍之內(nèi))反復(fù)凍融而時(shí)有時(shí)無(wú)，凍脹量值一般較小，不超過(guò)5 mm。

快速凍脹階段：隨著氣溫繼續(xù)降低且在0 ℃以下的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，凍脹隨基床淺層凍深的增加而快速增長(zhǎng)，持續(xù)10～20 d左右，凍脹變形出現(xiàn)拐點(diǎn)。該階段的凍脹量一般約占總凍脹量的60%左右。

穩(wěn)定凍脹階段：凍脹變形經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)之后，凍深隨著低溫持續(xù)而進(jìn)一步增加，但凍脹增長(zhǎng)的速度驟減，凍脹變形呈低速穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。凍脹主要為基床深層凍脹，基床淺層凍脹不再變化。該階段的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，沈大段從當(dāng)年12月中旬持續(xù)到次年2月底或3月初，約2～3個(gè)月；沈哈段從當(dāng)年11月底或12月初持續(xù)到次年3月底，約4個(gè)月。

融化回落階段：隨著大氣溫度上升至零度附近，基床凍土層開始雙向融化，凍脹變形呈現(xiàn)迅速減小且夾帶偶爾波動(dòng)回升的狀態(tài)。其波動(dòng)原因與初始波動(dòng)階段相同，均是路基面層凍融引起的。之后隨著氣溫持續(xù)升高，基床融透，凍脹消除，變形不再變化，但存在殘余變形，一般不超過(guò)4 mm。該階段持續(xù)約1～2個(gè)月。

圖1　典型斷面的凍脹發(fā)展過(guò)程

高速鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)線路平順性要求極高，路基凍脹會(huì)造成線路平順性和運(yùn)營(yíng)舒適性下降。由上述分析可知，在快速凍脹階段和融化回落階段凍融變形的變化劇烈，線路平順性必隨之降低，為線路維護(hù)的重難階段。

2.1.2凍脹統(tǒng)計(jì)分析

圖2給出了2012—2015年3個(gè)凍融周期全線自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面的最大平均凍脹變形。由圖2可見：2013—2014年的最大凍脹變形整體上小于2012—2013年，2014—2015年的最大凍脹變形介于兩者之間；2012—2013年自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面路基最大凍脹變形發(fā)生在K186+650斷面，達(dá)35.2 mm；2013—2014年最大凍脹變形發(fā)生在K1 004+384斷面，達(dá)25.4 mm，2014—2015年最大凍脹變形發(fā)生在K186+630斷面，達(dá)33.8 mm。

圖2　3個(gè)凍融周期最大凍脹變形

圖3給出了2012-2015年3個(gè)凍融周期的凍脹變形區(qū)間分布情況。由圖3可知，在2012—2013年，大變形區(qū)間(20 mm,30 mm]所占比例較高，達(dá)到14%，而(0 mm,10 mm]區(qū)間則相對(duì)后2年較低，為38%；后2年各凍脹區(qū)間分布較為接近，(0 mm,10 mm]區(qū)間約占60%，而(20 mm,30 mm]區(qū)間所占比例下降到2%。上述分析說(shuō)明，經(jīng)過(guò)第1個(gè)凍融周期(2012—2013年)之后，全線的凍脹趨于穩(wěn)定。

圖3　3個(gè)凍融周期凍脹量區(qū)間分布

圖4給出了2012—2015年3個(gè)凍融周期基床表層級(jí)配碎石凍脹所占比例情況。由圖4可知，3個(gè)凍融周期的基床表層凍脹所占比例整體偏大且基本持平，平均值分別為68%，65%和67%。究其原因：一是路基面縱橫向結(jié)構(gòu)縫的封閉措施部分失效，導(dǎo)致表水入滲基床表層；二是基床表層級(jí)配碎石細(xì)粒含量較大，自然持水能力和凍脹敏感性較高，同時(shí)也造成高壓密條件下滲透系數(shù)偏小，導(dǎo)致滲入的水不易排出；三是基床表層底部?jī)刹家荒さ拇嬖谧柚沽怂窒蛳聰U(kuò)散，同時(shí)路肩電纜槽為后開挖設(shè)置，造成水分側(cè)向排出困難。總之，上述因素使基床表層成為“易積水的封閉系統(tǒng)”，致使凍脹比例偏大。

圖4　基床表層凍脹占比情況

圖5給出了各斷面凍脹比(凍脹與該點(diǎn)最大凍脹之比)為0.9時(shí)凍深的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖5可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹比達(dá)到0.9時(shí)的凍深不超過(guò)110 cm的占90%，該深度可作為基床淺層凍脹劃分的界限。說(shuō)明基床淺層應(yīng)是高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖5　哈大高速鐵路路基凍脹比達(dá)0.9時(shí)凍深統(tǒng)計(jì)

基床防凍脹設(shè)計(jì)是季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2,6]。上述分析充分說(shuō)明高速鐵路基床防凍脹設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步的完善空間?；诠蟾咚勹F路的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)后續(xù)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路，如盤營(yíng)、沈丹、哈齊、京沈、蘭新等線路的防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均進(jìn)行了改進(jìn)，主要在以下幾方面：嚴(yán)格控制基床表層和底層凍深范圍內(nèi)的細(xì)粒含量，明確滲透性要求，相關(guān)技術(shù)條件已納入相關(guān)鐵路規(guī)程[7-8]；基床表層采用摻水泥級(jí)配碎石，大幅降低基床表層凍脹占比；取消基床底層兩布一膜隔水層，同時(shí)盡可能將電纜槽設(shè)置在邊坡臺(tái)階上，使基床滲排水通暢；提升路基面各種結(jié)構(gòu)縫嵌縫材料的密封性能，改進(jìn)封閉施工工藝?？傊蟾咚勹F路路基凍脹規(guī)律及其原因分析，為后續(xù)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了重要依據(jù)。

2.2　水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果分析

表1給出了2012—2015年3個(gè)凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形水準(zhǔn)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知：2012—2013年冬季全線路基凍脹量≤4 mm的約占61%，4～10 mm范圍的約占33%，≥10 mm的約占6%，且凍脹量≥10 mm的路基主要集中在鲅魚圈、長(zhǎng)春西等個(gè)別特殊地段；后2個(gè)凍融周期各個(gè)凍脹區(qū)間所占比例與2012—2013年基本持平。后2個(gè)凍融周期的檢測(cè)范圍均依據(jù)上一凍融周期路基凍脹量≥5 mm的區(qū)間確定，因此，雖然3個(gè)凍融周期各量值空間占比基本持平，但間接說(shuō)明了全線路基凍脹整體呈逐步改善的趨勢(shì)。

表2給出了2012—2015年3個(gè)凍融周期哈大高速鐵路路基重復(fù)水準(zhǔn)觀測(cè)段凍脹變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可知，小量值區(qū)間占比逐年增大，而大量值區(qū)間則逐年減小，說(shuō)明全線路基的凍脹逐年趨于穩(wěn)定。上述大范圍水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果表明，季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基的凍脹雖不可避免，但能控制在合理范圍內(nèi)。

另外，通過(guò)上述水準(zhǔn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)凍脹發(fā)生的位置和量值具有重復(fù)性特征，這為制定凍害地段的維護(hù)措施提供了重要依據(jù)。沈陽(yáng)鐵路局建立了以入冬之前軌面高程預(yù)設(shè)為主的維護(hù)措施[9]。入冬前采用預(yù)墊板和預(yù)撤板，調(diào)整凍脹處所一定范圍內(nèi)的軌面高程，使其在凍脹前后均滿足平順性要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)不超限。該措施有效控制了高速鐵路路基凍害，降低了維護(hù)工作量。

表1　3個(gè)凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表23個(gè)凍融周期哈大高速鐵路路基重復(fù)水準(zhǔn)觀測(cè)段凍脹變形統(tǒng)計(jì)表

變形區(qū)間/mm測(cè)點(diǎn)共計(jì)/個(gè)2012—2013年2013—2014年2014—2015年測(cè)點(diǎn)/個(gè)比例/%測(cè)點(diǎn)/個(gè)比例/%測(cè)點(diǎn)/個(gè)比例/%<44～66～88～1010～12>1218478654683107758311195647029716082941592278150521911861739371991077168910117633834491136127842250271185100210858542227

注：測(cè)點(diǎn)為軌道結(jié)構(gòu)凸臺(tái)上的測(cè)點(diǎn)，不含路肩和和線間的測(cè)點(diǎn)。

2.3　軌道檢測(cè)結(jié)果分析

哈大高速鐵路采用綜合檢測(cè)列車進(jìn)行高密度的軌道平順性檢測(cè)。圖6和圖7為全線2012—2015年2個(gè)凍融周期內(nèi)檢測(cè)同期Ⅰ、Ⅱ級(jí)超限分布對(duì)比情況。由圖6和圖7可知，2012—2013年，全線累積Ⅰ級(jí)超限15 960次、Ⅱ級(jí)超限1 031次。通過(guò)線路維護(hù)，沒(méi)有出現(xiàn)Ⅲ級(jí)及以上超限和臨時(shí)限速處所。2013—2014年，全線累積Ⅰ級(jí)超限5 329次，Ⅱ級(jí)超限191次，整個(gè)冬季動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程中Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)超限總數(shù)量較2012—2013年顯著減小。

圖6　哈大高速鐵路全線每次動(dòng)檢Ⅰ級(jí)超限數(shù)量

圖7　哈大高速鐵路全線每次動(dòng)檢Ⅱ級(jí)超限數(shù)量

圖8和圖9為哈大高速鐵路沿線每100 kmⅠ級(jí)和Ⅱ級(jí)超限累加統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖8和圖9可知，2013—2014年全線Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)超限個(gè)數(shù)整體上均有所減小，尤以沈大段最為明顯。沈哈段Ⅱ級(jí)超限分布基本上與2012—2013年一致。上述情況說(shuō)明沈哈兩局采取了有效措施，控制了線路超限情況的發(fā)生。

圖8　哈大高速鐵路沿線Ⅰ級(jí)超限數(shù)量(每100 km累加)

圖9　哈大高速鐵路沿線Ⅱ級(jí)超限數(shù)量(每100 km累加)

圖10為全線凍深與凍害數(shù)量趨勢(shì)圖。由圖10可知：當(dāng)凍深小于50 cm時(shí)凍害數(shù)量很少；而凍深在50～160 cm時(shí)，凍害數(shù)量快速增加；凍深大于160～250 cm時(shí)凍害數(shù)量趨于穩(wěn)定，之后凍害數(shù)量開始逐漸減少；回落期凍深在200～50 cm變化時(shí)，凍害數(shù)量減少較快，當(dāng)凍深融化至50 cm以下時(shí)凍害數(shù)量趨于0，其發(fā)展形態(tài)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)的凍脹發(fā)展過(guò)程完全一致，在凍深上存在50 cm左右的錯(cuò)位。

圖10　凍脹深度與凍害數(shù)量趨勢(shì)圖(2012—2013年)

這主要是由于圖9采用的是自動(dòng)監(jiān)測(cè)的路肩凍深，軌道檢測(cè)的是軌道結(jié)構(gòu)位置。由于50 cm厚軌道結(jié)構(gòu)的覆蓋，路肩凍深的發(fā)展必然先于軌道結(jié)構(gòu)下方。除去該影響，則凍脹自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與全線凍害發(fā)展過(guò)程是非常一致的。

3　結(jié)　論

(1)高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測(cè)體系具有重要作用，可為獲得季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基凍脹的時(shí)空分布規(guī)律提供技術(shù)支撐。

(2)凍融發(fā)展變化過(guò)程主要表現(xiàn)為初始波動(dòng)、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個(gè)階段，其中快速凍脹和融化回落階段對(duì)線路平順性的影響最大，是線路維護(hù)的重難階段。

(3)哈大高鐵路基凍脹的主要部位為基床淺層，基本上在110 cm凍深范圍產(chǎn)生90%的凍脹量，其中基床表層凍脹占比近70%。基床淺層是高速鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

(4)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹不可避免，但能夠控制在合理范圍之內(nèi)。哈大高速鐵路路基凍脹整體上呈逐漸減緩的趨勢(shì)。凍脹發(fā)生位置和量值具有一定的重復(fù)性特征。

(5)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹的時(shí)空分布規(guī)律對(duì)于高鐵路基防凍脹設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有非常重要的指導(dǎo)意義，可為凍害地段線路維護(hù)措施的制訂提供依據(jù)。

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