呼和浩特鐵路局既有線路基凍害成因分析及整治措施

王悅

（呼和浩特鐵路局工務(wù)處，內(nèi)蒙古呼和浩特012000）

呼和浩特鐵路局既有線路基凍害成因分析及整治措施

王悅

（呼和浩特鐵路局工務(wù)處，內(nèi)蒙古呼和浩特012000）

隨著鐵路機械化維修的全面覆蓋，專業(yè)修、精確修的開展以及設(shè)備等級的更新，設(shè)備質(zhì)量安全儲備大幅提升，但呼和浩特鐵路局管內(nèi)大部分線路地處烏蘭察布高原，海拔在1000m以上，冬季寒冷、夏季炎熱，溫差較大。大包線建設(shè)年代久遠，由于受修建技術(shù)和經(jīng)濟條件的限制,管內(nèi)既有線路基填筑壓實標準較低，黏土處理措施、排水系統(tǒng)建設(shè)等方面還不完善，在多年運營、運輸上量、增密提速等情況下，路基病害突出，部分區(qū)段路基凍害頻發(fā)，嚴重影響線路穩(wěn)定性和列車運行舒適度，成倍增加養(yǎng)護維修工作量。雖然在必要時采取了限速措施，但路基凍害影響軌道上部結(jié)構(gòu)的使用壽命，成為鐵路運輸安全和運輸能力提高的瓶頸，因此對既有線路基凍害整治成為當(dāng)前亟需解決的重大課題。結(jié)合呼和浩特鐵路局既有線路基凍害整治工程實踐和經(jīng)驗，介紹路基凍害整治方法和措施，為類似工程提供借鑒。

呼和浩特鐵路局；既有線；路基凍害；成因分析；整治對策

呼和浩特鐵路局（簡稱呼和局）管內(nèi)凍害較為嚴重，據(jù)2012年統(tǒng)計，全局共有凍害2964處/33217m，其中：京包線1745處/14178m；包蘭線426處/12318m；集二線92處/552m；集包線492處/4294m；其他線209處/1875m。凍害凍起高度最厲害處達40mm，凍起高度h≥20mm地段有84處：京包線36處/626m；包蘭線17處/576m；包西線17處/131m；集包線11處/117m；其他線3處。

1 凍害成因及類型

1.1 凍害成因

路基凍害的產(chǎn)生和發(fā)展與路基填料的工程性質(zhì)、地表水與地下水、列車振動荷載、土的動力強度特性和溫度及其變化有關(guān)，主要是路基填料、水、列車荷載和溫度變化等因素綜合作用的結(jié)果[1]。但是，路基土體中的水分是形成路基凍害的決定性因素，由于土中的水在凍結(jié)過程中能向冷凍峰面遷移，并不斷凍結(jié)析出冰層，水結(jié)成冰體積增大9%，使土顆粒相對位移發(fā)生凍脹，路基就被抬起，即造成土體的凍脹，進一步表現(xiàn)為路基凍害[2-3]。

由于呼和局管內(nèi)線路存在地下水位較高，水浸路基地段較多，部分路基基床排水不良，個別地段道床臟污、板結(jié)，基床平整程度、道砟陷槽深淺不一、路基換土不正確、基床土質(zhì)在短距離內(nèi)有較大變化等諸多不利因素，導(dǎo)致在每年12月—次年4月初凍害頻發(fā)。尤其是京包線、包蘭線和集二線3條主干道的岔區(qū)、站線地段，部分凍起高度甚至達到40mm，達到嚴重凍害；在深路塹、高路堤地段，向陽、背風(fēng)、積雪多的一面，冬季地溫較高，其凍脹值較小，由于線路兩側(cè)溫度條件差異，造成路基內(nèi)溫度場的強烈不對稱，從而發(fā)生冬季未凍水不等量遷移作用，造成路基不同坡向兩側(cè)的含水量和凍結(jié)深度都存在差異，進而路基橫向發(fā)生不均勻凍脹。

1.2 凍害類型

根據(jù)呼和局管內(nèi)凍害在基床內(nèi)產(chǎn)生的深度范圍，可分為表層凍害和深層凍害2種類型[3]。

1.2.1 表層凍害

表層凍害主要是由于道床不潔引起的。發(fā)生在路基土體臨界凍結(jié)深度內(nèi)的上半部分，一般隆起高度為10～20mm，很少有20mm以上的。其凍害特點是：凍害處所不連續(xù)或凍脹較短，主要發(fā)生在道床板結(jié)、道砟囊積水地段；大多在冬季上半期即能發(fā)展到頂點，在內(nèi)蒙古地區(qū)解凍期于11月上旬開始，最晚到12月中旬停止發(fā)展，次年4月中旬—5月中旬回落完畢。

1.2.2 深層凍害

深層凍害的產(chǎn)生大多是因地下水的關(guān)系，路基土體內(nèi)土質(zhì)濕潤或水分飽和，深層又伴有永久性凍層凍害，凍起高度一般≥40mm[4-5]。其特點是：發(fā)生在路基土體臨界凍結(jié)深度內(nèi)下半部分，凍害處所連續(xù)，凍脹較長，主要發(fā)生在滲水性較好的路塹地段。幾有層間水補給的路堤地段，凍害產(chǎn)生的時間較晚，內(nèi)蒙古地區(qū)在12月中旬以后直到凍期末凍害才能停止，凍脹量較大，嚴重影響既有線的平順性。

2 凍害整治措施及特征分析

經(jīng)過分析可知，形成凍害的關(guān)鍵在于路基中有多余的水分，因此整治凍害要從排水和隔水入手，結(jié)合改土、隔溫、起道等措施進行整治。

2.1 清篩抬道

道床清篩、抬道整治路基凍害主要適用于平面和縱斷面條件允許情況下的水浸路基地段和凍害連續(xù)地段。隨著大型養(yǎng)路機械在呼和局的使用，利用大機清篩并進行抬道整治路基病害是確保行車安全、降低工程造價的最佳選擇。這種方法對于道床淺層凍害效果明顯，且造價較低。

2.2 路基換填

在平面和縱斷面受到限制的情況下，如岔區(qū)及特大橋、大橋兩端的路基凍害主要采用換填整治的方法。岔區(qū)凍害利用封鎖實行分線分段換填，近年來呼和局僅在京包線新安莊岔區(qū)、集二線賁紅岔區(qū)結(jié)合更換道岔進行換填處理。個別新線路基發(fā)現(xiàn)凍害后，在開通前組織施工單位進行設(shè)計變更并換填，換填整治凍害效果徹底。但這種方法造價高、操作復(fù)雜，封鎖次數(shù)多，對運輸影響較大。

2.3 道床鋪鹽整治

利用食鹽溶化后滲入路基基床，以延緩的方式影響凍害的形成過程，致使凍害的發(fā)生期縮短，在相同的環(huán)境中使得凍害的凍高降低。鹽化處理易于施工，成本較低，但只能減小凍脹，不能根除凍害，主要做法如下：

（1）雙股凍起時，鋪鹽范圍為整個軌枕盒及軌枕頭部分；單股凍起時，由凍起軌枕頭至未凍起股鋼軌內(nèi)側(cè)150mm處。

（2）鋪鹽用量應(yīng)因地制宜，根據(jù)實際情況確定，一般鋪鹽用量為：①雙股凍起。凍高在20mm以下時，每個軌枕盒鋪鹽10kg左右；凍高在20～50mm時，每毫米凍高鋪鹽1kg；凍高超過50mm時，每個軌枕盒鋪鹽50kg，且每個軌枕盒最多鋪鹽50kg。②單股凍起。每個軌枕盒的鋪鹽用量為雙股凍起鋪鹽用量的3/4，鋪鹽范圍為凍起股枕木頭至線路中心向未凍起股300m。③道岔內(nèi)每一岔枕盒內(nèi)鋪鹽用量，比照線路鋪鹽用量的標準，根據(jù)岔枕長度適當(dāng)增加。④鋪鹽深度一般為軌枕底面以下200mm，并不得擾動枕底道床。

（3）扒開的道床應(yīng)回填平整并夯實，道床頂面應(yīng)低于岔枕頂面以下40～50mm。

（4）采用向路基澆灌飽和鹽水的方法代替開挖道床鋪鹽，但應(yīng)計算鋪鹽量相當(dāng)于澆灌飽和鹽水的次數(shù)，分次進行澆灌，澆灌時間間隔應(yīng)大于3d，宜在雨季過后進行。

2.4 平排管整治

呼和局京包線K700+986—K701+016處凍害最大凍高40mm，采用了平排管整治凍害法，整治范圍為路基凍害段及兩側(cè)各設(shè)10.0m以上過渡段。平排管法施工的優(yōu)點是對行車干擾少，只需限速列車就可進行施工，但缺點是工程造價高，整治30m的雙線路基造價高達130余萬元，除非在特別困難地段，一般不適合大范圍推廣使用。

2.4.1 HDPE管性能

特制高密度聚乙烯（HDPE）管，公稱外徑63mm，公稱壁厚4.7mm，拉伸屈服強度≥22.0MPa，斷裂伸長率≥350%，氧化誘導(dǎo)時間（200℃）≥20min。

2.4.2 HDPE滲水管制作要求

管身滲水孔設(shè)計間距15mm按梅花形布置；HDPE管滲水孔孔徑8mm，熱熔設(shè)計長度兩頭留有1.2m不打孔（其中兩側(cè)外露路基邊坡0.3m）。

2.4.3 平孔排水布置孔位

（1）平排孔按上下2排梅花形交錯布置，其中第一排鉆孔位置距路肩下0.7m，第二排距第一排豎向0.5m。

（2）在路基凍害段垂直線路方向間距0.5m布孔，兩側(cè)各設(shè)10.0m以上，過渡段采用0.5m間距布置，孔內(nèi)放置特制的HDPE滲水濾管，以利排水、通風(fēng)、消能，干燥基床降低土中含水量，減緩凍害。

2.5 開挖盲溝整治

鑒于以上方法存在弊端，呼和局首創(chuàng)“開挖盲溝鋪鹽法”。開挖的盲溝大體分為3層：上面一層為石砟，深度約為350mm，基本與大機清篩的深度相同；中間一層為石砟、煤屑和土的板結(jié)層，深度為100～150mm；下面一層為路基本體。由于大機清篩的周期基本可以保證，上面一層石砟相對清潔，水分可以下滲；中間一層石砟混合物板結(jié)嚴重，阻止道床水分進一步下滲，冬季參與凍害的產(chǎn)生，大約產(chǎn)生凍起凍害高度的1/8，這一層越厚產(chǎn)生的凍高越大，為表層凍害；下面一層為路基本體，主要由填土的性質(zhì)決定，整治過程中挖出的路基填土基本為粉黏土或黏土，土質(zhì)細粒含量多，且含水量較大。經(jīng)總結(jié)，開挖盲溝鋪鹽法的主要工藝標準為：

（1）枕木空內(nèi)，每隔3～4根枕木開挖橫溝一條，開挖時垂直下挖，避免枕下破底。軌枕中心處橫溝垂直深度1.2m（軌枕底至溝底），底部應(yīng)向線路外側(cè)順坡，坡度≥4%。路基形式為路堤時，應(yīng)將橫溝開挖引至路堤外。

（2）橫縱溝鋪鹽參考“開挖道床鋪鹽雙股凍起鋪鹽”標準，覆蓋厚度為1～2cm，每次回填0.2～0.3m厚的石砟夯實，回填至0.6m厚時再次鋪鹽。開挖盲溝鋪鹽整治路基凍害縱斷面示意見圖1。

圖1 開挖盲溝鋪鹽整治路基凍害縱斷面示意圖

（3）兩線間道床排水不良且現(xiàn)場條件允許時，可在兩線間開挖平行于線路的縱溝，并與橫溝同標準鋪鹽回填石砟。縱溝開挖時應(yīng)與橫溝連通，同時考慮溝底標高與橫溝溝底標高的順接，縱溝溝底不得低于橫溝溝底，避免積水。兩線間有排水條件可以將水排至橋涵時，縱溝底宜低于橫溝底，并延伸至橋涵。開挖盲溝鋪鹽整治凍害平面示意見圖2。

圖2 開挖盲溝鋪鹽整治凍害平面示意圖

（4）道床回填后用小型搗固機械進行整修開通線路。線路車間加強整治地段線路幾何尺寸的檢查，發(fā)現(xiàn)超限處所及時整修。

（5）下一次凍害整治施工時在原地段未開挖橫溝的枕木空進行整治，利用3～4次的集中施工將一處凍害處所徹底整治。

此方法的原理為：換填部分凍脹土、鹽化未換填的凍脹土、加強路基排水功能。換填后剩余的凍脹土產(chǎn)生的凍脹力可傳遞到已換填的級配碎石上，減小向上的凍起高度。

3 路基凍害整治效果

呼和局自2011年按上述整治方法進行了大量路基凍害整治，效果極為明顯，在近年降雨量增加的情況下，凍害處所減少，凍高降低，凍害岔區(qū)晃車明顯改善。特別是2016年整治路基凍害共計8413m，其中采用開挖盲溝的方法整治凍害，對局部路基凍脹土體進行換填，整治4881m/3091孔；采用道床鋪鹽的方法，整治凍害3532m。

2016年凍害與2015年同期相比，普速地段凍害減少394處/5148m，其中：10mm≤凍高h＜15mm地段減少274處/2704m；15mm≤凍高h＜20mm地段減少104處/1997m；凍高h≥20mm地段減少16處/447m。高速地段凍害減少133處/1010m，其中：4mm≤凍高h＜10mm地段減少127處/935m；10mm≤凍高h＜15mm地段減少6處/75m。

4 結(jié)論及建議

（1）治理凍害不能盲目，應(yīng)提前對重點地段凍害進行調(diào)查，收集相關(guān)資料，掌握成因與發(fā)展規(guī)律，確定適合的整治方案。

（2）根據(jù)前期凍害整治經(jīng)驗，對路基凍害嚴重地段可采用開挖盲溝鋪鹽方法。

（3）道床板結(jié)易形成道床凍害，建議對道床板結(jié)或臟污地段進行大機清篩，暫不能進行清篩的地段可采取道床鋪鹽的方法進行整治。

（4）路基表層凍害可以結(jié)合道床鋪鹽的方法進行整治。

呼和局工務(wù)處將對整治效果進行長期觀測，并不斷探索完善整治方法，在上述基礎(chǔ)上進一步總結(jié)經(jīng)驗，為徹底解決鐵路路基凍害、實現(xiàn)運輸安全穩(wěn)定而不懈努力。

[1]鐵道部工務(wù)局. 鐵路工務(wù)技術(shù)手冊：路基[M]. 北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]陳肖柏，劉建坤，劉鴻緒. 土的凍結(jié)作用與地基[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]劉加軍. 季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍害及防治措施研究[J]. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2003，16(Z1)：114-116.

[4]王進昌，李良洲. 青藏線路基凍害治理探討[J]. 路基工程，2004(4)：63-65.

[5]胡亞峰，董新平，馬曉良. 嚴寒地區(qū)拉脊山隧道凍害防治措施[J]. 中國鐵路，2013(9)：24-26.

Cause Analysis and Renovation Methods for Frost Heaving of Subgrade on Existing Lines of Hohhot Railway Administration

WANG Yue
（Track Maintenance Division，Hohhot Railway Administration，Hohhot Inner Mongolia 012000，China）

With the popularization of mechanical maintenance for railways, the launching of professional & precise repair and the updating of equipments, there has been great improvements in the quality and safety of equipments. Most railway lines managed by the Hohhot Railway Administration are on the Ulanqab Plateau which is over 1 000 m above sea level. Cold winter and hot summer generate great difference in temperature. Due to limited construction technique and financial condition, the Datong-Baotou Railway, which was constructed many years ago, has poor quality of subgrade compaction, clay treatment and drainage system construction. Due to the damages during operation, increased transport volume and the acceleration of densification, subgrade damage has become a major problem. In some sections,subgrade frequently suffers from frost heaving damages, which has a negative impact on railway stability and travelling comfort, with maintenance work multiplied. Although speed limit was applied when necessary, the frost heaving damage of subgrade shortens the service life of upper structure of tracks. This has already become a bottleneck of transport security and capacity. Therefore, renovating the subgrade suffering from frost heaving damage is an imperative. Based on engineering applications and experiences in the renovation of subgrade with frost heaving damage on existing lines of Hohhot Railway Administration, this paper proposed the renovation methods for frost heaving of subgrade, providing reference for similar projects.

Hohhot Railway Administration；existing line；frost heaving of subgrade；cause analysis；renovation methods

U216.4

A

1001-683X（2017）11-0062-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.062

王悅（1967—），男，高級工程師。E-mail：wangyue67@sohu.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-06-11