南疆鐵路某路段路基凍害及防治措施研究

宋文燕+李克松

摘要：通過對某路段路基進(jìn)行野外觀察、鉆探調(diào)查以及室內(nèi)試驗研究，結(jié)合研究路段工程地質(zhì)條件，對不同路基形式：隧道、橋涵、路堤、半挖半填路基以及低路堤的凍害特征進(jìn)行了研究，并針對不同的情況提出了合理的治理建議。

關(guān)鍵詞：凍害特征；防治措施；路基；隧道；橋涵；路堤

某路段地處天山多年凍土分布區(qū)的邊緣地帶，由于季節(jié)凍土的凍結(jié)影響，自線路投入運(yùn)營以來，該區(qū)段線路多處發(fā)生凍脹病害。隨著我國鐵路提速范圍的擴(kuò)大以及列車速度的不斷提高，路基暴露出的問題也越來越嚴(yán)重。在原有路基病害處，動應(yīng)力加大致使病害加重，造成線路的惡性循環(huán)，更加嚴(yán)重地影響行車安全。為此，深入研究該段路基凍害特征，對于采用合理措施治理，以及為其他季節(jié)凍土區(qū)鐵路的建設(shè)和維護(hù)提供參考有重要意義。

1.工程地質(zhì)條件

1.1地層巖性

研究路段地層巖性主要為人工填土和塊石或碎（卵）石土，其中人工填土厚6.0m～8.0m，填料主要為腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土或粉土。腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土粉土含量大，含水量約16%～ 32%。下部填土含卵碎石或少量的塊碎石，直徑一般為20cm～30cm，最大可達(dá)40cm，透水性好。該層持水性相對較好，干燥時，強(qiáng)度相對較高，潮濕或飽水時，軟化、泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，強(qiáng)度迅速降低。

1.2水文地質(zhì)

研究路段地表水補(bǔ)給來源為大氣降水（包括冰雪融水）。由于大氣降水直接滲入路基，導(dǎo)致土體含水量較高。部分路段路基基本垂直山坡，匯水面積大，強(qiáng)降雨時地表水豐富。另外，由于筑路取土，導(dǎo)致局部地帶低洼，加上腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土也被作為填料填筑路堤，因此地表水容易在此積水下滲，沿水力坡度和凍融界面滲向路基。路堤坡腳處凍融界面為凹形，易積水，導(dǎo)致局部土體含水量較高。

地下水補(bǔ)給來源為上述地表水的下滲和季節(jié)性凍土層的層間水。雨季導(dǎo)致季節(jié)性凍土層的融化。路堤本身和山側(cè)的季節(jié)融化層的融化水將沿水力坡度和凍融界面滲向路基，匯集于路堤左側(cè)坡腳的融化槽，高處的融化槽水向低處排泄，一旦遭堵，難以排出，就成為凍土層上水，此處的含水量就較高。而路塹段一般在路基中心形成凹形的凍融界面，因此凍土層上水也聚積于此。據(jù)鉆孔資料顯示，初見地下水位在4.0m附近。土體含水量不大，無明顯含水層，局部地帶含水量較大。而4月～9月的雨季期間，易在路基土層中形成暫時性持水，并使路基融化層處于飽水狀態(tài)。

2.不同形式路基凍害特征及治理措施建議

路基是鐵路的重要組成部分，必須有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，路基凍害嚴(yán)重影響路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。針對路基凍害問題，人們進(jìn)行了廣泛的研究，提出了各種路基抗凍害的工程措施，其中，在路基中鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保溫板就是保溫隔熱措施之一[1，2]。對于特定的凍土區(qū)，以往措施不都是合理和可靠的。針對路基形式的差異，有必要進(jìn)一步研究具體有效的路基抗凍措施。

2.1隧道凍結(jié)特征及防治措施建議

由于受寒冷氣候的影響，隧道易產(chǎn)生凍害現(xiàn)象。凍害一旦發(fā)生，不僅會使隧道襯砌遭到不同程度的破壞，而且掛（積）冰、凍脹還會侵入行車限界危及行車安全。其后果不僅給隧道運(yùn)營管理帶來了很大的工程隱患，處理起來費(fèi)工、費(fèi)時、費(fèi)財。而且在冬季大大弱化了隧道的使用功能，造成了巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

該路段隧道坐落在斷層及構(gòu)造裂隙發(fā)育的破碎巖層中，隧道中漏出的水流，因排水系統(tǒng)的排水不暢（由于施工質(zhì)量引起）而流入整體道床的上部，形成冰錐，當(dāng)排水系統(tǒng)凍壞或失效后，隧道的漏水就會流入整體道床的下部并凍結(jié)成冰，使此段整體道床發(fā)生凍脹隆起。夏季，因隧道內(nèi)的氣溫回升不太大，所以，上年的凍脹隆起無法融冰回落原位；下年冬季，隧道漏水又可能還會滲入上年凍脹隆起的下部，結(jié)冰并抬高上年的凍脹隆起。在施工過程中共發(fā)現(xiàn)有九處相互交叉的斷層，構(gòu)造裂隙水極發(fā)育，基巖構(gòu)造裂隙水也有直接補(bǔ)給凍脹部位的可能，所以加強(qiáng)隧道漏水的治理成為治理隧道凍害的重要措施。

防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，位于隧道的正下方，并將所設(shè)豎向盲溝、泄水孔、支導(dǎo)洞、檢查井、椎體保溫出水口等組成一個排水系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中，然后再排出隧道。

2.2橋、涵凍脹病害及防治措施建議

橋涵是地表水排出路基的主要通道，所有的路基排水設(shè)施都必須與橋涵構(gòu)成一個完整排水體系，所以在路基排水措施中顯得尤為重要。下面分別進(jìn)行闡述：

2.2.1橋凍脹病害及防治措施建議

路段內(nèi)橋面及其兩側(cè)易發(fā)生較嚴(yán)重凍土病害，究其原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）橋面排導(dǎo)積水的排水孔堵塞或設(shè)計偏高，不能及時排走橋面上道床內(nèi)的積水；（2）墩臺實(shí)際上起到了擋水和隔水作用，橋梁施工中其兩端墩臺的回填土不是滲水土；（3）橋梁兩側(cè)路基填土多為粉質(zhì)黏土，透水性和滲水性均較差，易產(chǎn)生路基翻漿冒泥現(xiàn)象，導(dǎo)致道砟陷槽或形成道砟囊，且積水不易排出，久而久之，形成較為貫通的道砟囊，水流流入和聚積在橋梁兩端，導(dǎo)致路基凍脹變形。

針對以上問題，可以疏通排水孔，使積水順利排放，減少道碴層中的積水，從而相應(yīng)減少凍脹發(fā)生率；換填橋墩處的填土，使墩臺內(nèi)的積水及時排除，減弱橋梁兩側(cè)路基凍脹變形的可能性；對路基的翻漿冒泥進(jìn)行治理，減小道砟陷槽或道砟囊形成的可能性，從而有效地控制凍脹的發(fā)生。

2.2.2涵洞凍脹病害及防治措施建議

從前人調(diào)查勘探成果來看，涵洞發(fā)生凍害的位置相對固定，且凍害發(fā)生較早、持續(xù)時間較長、凍深較大。涵洞孔徑越大、填土越薄，發(fā)生凍害越多，涵頂填土有產(chǎn)生雙向凍結(jié)現(xiàn)象的可能[2，3]。地表水和地下水使涵洞地基土浸濕、飽和，冬季期間導(dǎo)致涵洞的地基土具有強(qiáng)烈的凍脹性。冬季凍脹的作用，致使涵洞的進(jìn)出口隆起、端翼墻開裂、涵身拔節(jié)，涵洞沉陷、塌腰、錯牙、漏水，以及涵洞內(nèi)出現(xiàn)充冰堵塞現(xiàn)象。涵洞病害最終導(dǎo)致排水系統(tǒng)失效，路基凍融病害率增多。endprint

在施工時，只把涵洞出、入水口的基底土層換填成滲水土層，涵洞就會發(fā)生不均勻下沉和向下游一側(cè)發(fā)生位移。

因此，采用大斷面的結(jié)構(gòu)形式，便于養(yǎng)護(hù)清理和自然沖淤；同時涵洞進(jìn)出口應(yīng)做好順接跌水結(jié)構(gòu)，防止沖刷和掏空涵洞基礎(chǔ)，陡邊坡段涵洞也應(yīng)設(shè)進(jìn)入通道，便于養(yǎng)護(hù)[3，4]。

2.3路堤凍脹病害及防治措施建議

研究區(qū)路堤內(nèi)設(shè)置的滲水、導(dǎo)水層很低，有的甚至在地面線以下，且厚度較?。s0.5m～1m），不能起到疏干路堤內(nèi)積水的作用，當(dāng)降水較多，路堤路基內(nèi)水分較多時，路堤容易產(chǎn)生翻漿冒泥等病害，甚至發(fā)生凍脹變形。高路堤使路面與地下水的聯(lián)系大大減弱，材料本身含水量一般又小，不利于凍脹發(fā)生。因此，填方高度的增加，會使凍脹量減少。

綜上，換填滲水性很好的填土，并且設(shè)置到一定的高度和厚度能很好地排除路堤中的水，減少凍脹的發(fā)生。

2.4半挖半填路基、低路堤凍脹病害及防治措施建議

半挖半填部位和低路堤部位地下水往往比較活躍，利于凍脹發(fā)生。多次調(diào)查結(jié)果表明，破壞比較嚴(yán)重的地段多數(shù)是這三個地段。根據(jù)半挖半填路基的設(shè)計，在施工時，未按設(shè)計施工，在變更設(shè)計時，取消了臺階式開挖，填土也改為就地取材，導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹及凍融滑塌等病害。另外，半挖半填路基一側(cè)為長大緩坡，地下水、地表水容易匯集，加上路基土體本身排水不暢，使路基土體長期處于富水或飽水狀態(tài)，更加劇了凍脹等病害對路基的破壞。對于低挖低填路基，在施工時，未按要求換填滲水土或采取的工程處理措施不當(dāng)，使地下水和地表水排泄不暢，使路基長期處于飽水或富水狀態(tài)，局部地段處于長期浸泡狀態(tài)，難免受凍土病害侵襲。另外，防水隔水措施不當(dāng)或缺乏導(dǎo)致凍脹病害的產(chǎn)生。排水、截水溝欠缺或開挖深度不夠以及路基附近地下水位長期偏高是低挖低填路基產(chǎn)生凍脹變形的外部原因。因此，加強(qiáng)排水以及換填滲水性較好的填土是治理路塹、半挖半填路基和低挖低填路基凍害的有效措施。

3.結(jié)論

（1）隧道凍害產(chǎn)生的原因是隧道中漏出的水無法及時排出，再加上裂隙水直接補(bǔ)給凍脹部位，導(dǎo)致凍害加劇，加強(qiáng)漏水的治理能有效地治理隧道凍害。（2）排水孔的堵塞以及橋墩處所填的粉質(zhì)黏土是導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生凍害的主要原因，可通過疏導(dǎo)排水孔以及換填橋墩處的填土來治理；地下及地表水對涵洞地基土浸濕、飽和，使涵洞基底土反復(fù)發(fā)生不均勻凍脹，致使洞口發(fā)生淤塞等問題，采用大斷面的涵洞口可有助于減小該凍害的發(fā)生。（3）路基填土本身的滲水性是引起路基凍脹的主要原因，需換填滲水性良好的填土以及合理設(shè)計路基的高度和厚度可減小凍害發(fā)生；半挖半填路基以及低路堤產(chǎn)生凍害的主要原因是水，需加強(qiáng)排水以及換填滲水性較好的填土達(dá)到治理該凍害的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]任國華.路基凍害成因及治理方法淺議[J].煤炭技術(shù)，2005，24（12）：108-108.

[2]張冬青，張喜發(fā)，辛德剛，等.季節(jié)凍土區(qū)高速公路路基含水狀況與凍害調(diào)查[J].公路，2004（2）：140-146.

[3]蔡向陽，雷建平，徐茂兵，等. G045線賽里木湖隧道凍害預(yù)測分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010（11）：54-57.

[4]陳建勛.隧道凍害防治技術(shù)的研究[D].長安大學(xué)，2004.endprint