蘭新高鐵軍馬場至民樂區(qū)間路基凍害原因分析及整治措施

沈 鑫，朱生憲，宋小齊，楊有海

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司，蘭州 730000)

蘭新高鐵正線長1 776 km，是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)主要組成部分。本線建成后新疆與內(nèi)地間形成一條全天候、大能力的高速鐵路通道。

蘭新高鐵蘭州鐵路局管段2014～2016年冬季無砟軌道精測精調時發(fā)現(xiàn)K2005～K2030區(qū)間的路基存在不同程度凍脹變形，為保持高鐵的正常運營，發(fā)生凍脹段落需要反復精測精調才能使軌道平順性符合要求，因此要投入大量人力物力對線路進行維護。

對于季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍脹影響因素以及路基凍害治理措施已經(jīng)有一定的研究。葉陽升等[1]在分析路基的凍脹特性、影響路基凍脹的因素、路基凍害整治中存在問題的基礎上，認為路基防凍層應用細粒含量<5%的砂類和細粒含量<15%的礫類、碎石類等不凍脹土填筑。田亞護等[2]根據(jù)京包鐵路、包蘭鐵路路基在1月～6月的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和路基土的級配試驗，通過對季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基的凍脹變形情況及產(chǎn)生原因進行分析，認為路基填土的級配不良是引起路基凍害的首要原因，路基多年的凍害效果累積和基床土質不均導致不均勻凍脹變形發(fā)生。劉華等[3]通過哈大客運專線現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析凍脹量沿路基凍深的分布狀況，發(fā)現(xiàn)高速鐵路路基凍脹變形量的70%出現(xiàn)在路基基床底層上部。田亞護等[4]結合客運專線無砟軌道路基的工程結構及我國東北地區(qū)季節(jié)凍土的工程特點，通過對粗顆粒土的室內(nèi)凍脹試驗，得出隨著細顆粒含量的增加粗顆粒土的持水性和凍脹率都相應增大。趙洪勇等[5]選取東北某客運專線路基基床底層A、B組填料進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)該填料凍脹率隨著含水率的增加而增大，即使細粒含量<15%的粗顆粒土仍會發(fā)生凍脹且該填料凍脹率隨著細粒含量的增加而增大。熊治文等[6]從路基的粗顆粒填料入手，發(fā)現(xiàn)當加入的粉土達到一定摻入量后，凍脹率增長趨勢明顯，當粉土摻入量超過15%后，粗顆粒填料的凍脹率明顯增大。牛富俊等[7]根據(jù)蘭新客專浩門區(qū)間運營期4個路基斷面不同深度的溫度、水分及凍脹變形現(xiàn)場監(jiān)測結果，發(fā)現(xiàn)路基填料細顆粒(粒徑小于0.25 mm)含量越高，凍脹率越大，并建議將細顆粒料控制在15%以內(nèi)。許健等[8]以沈哈高速鐵路沿線的黏質黃土為研究對象，在恒溫狀態(tài)下進行了開放系統(tǒng)水分遷移試驗，利用灰色理論預測模型并結合室內(nèi)凍脹敏感性試驗資料以及長春地區(qū)的最大凍深資料，計算出要保證黏質黃土不產(chǎn)生凍脹，其距離地下水位的最小高度約為2.92 m。邰博文等[9]通過哈齊客專路基現(xiàn)場試驗研究發(fā)現(xiàn)路基表面的最大凍脹量發(fā)生在地表溫度處于-1～-2 ℃，在此地溫值下，路基凍結層范圍內(nèi)易發(fā)生水分積聚現(xiàn)象，建議做好基床表層的防排水措施，以避免路基凍害發(fā)生。閆宏業(yè)等[10]、杜曉燕等[11]根據(jù)寒區(qū)高速鐵路沿線不同區(qū)段大氣溫度和路基凍深數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)路基最大凍深要普遍大于土壤最大凍深。張先軍[12]根據(jù)哈大高速鐵路路基凍脹的測量和普查結果，對路基凍脹的水分、溫度及細顆粒含量等影響因素進行分析，認為路基本體的水分條件是路基凍脹的主要影響因素，提出應系統(tǒng)梳理嚴寒地區(qū)無砟軌道路基防排水結構存在的系統(tǒng)問題并優(yōu)化防排水結構設計。高以健等[13]以軟式透水管整治蘭新鐵路路基凍害，通過軟式透水管排除路基體內(nèi)水分降低含水率，有效抑制了路基凍脹，取得了良好的效果。劉彬、魏永幸[14]研究客運專線鐵路無砟軌道路基工程防排水體系構成及關鍵技術指標或參數(shù)，并提出了客運專線無砟軌道路基防排水體系構成，以及需要進一步深入研究解決的路基填料水穩(wěn)性檢測標準、路基面瀝青混凝土防水層技術條件、地下排水結構及其維修、路基防排水工程系統(tǒng)優(yōu)化4個關鍵技術問題。劉偉平[15]通過對哈大高鐵路基凍脹原因分析及系統(tǒng)性、針對性的試驗研究，提出了適合嚴寒地區(qū)高速鐵路的路基變形監(jiān)測、路基接縫封堵、設置滲水盲溝等一系列路基凍脹監(jiān)測與整治技術，為哈大高鐵的養(yǎng)護維修提供了理論和技術支持。杜曉燕等[16]對大西高速鐵路路基從土質、氣溫、水分三方面進行凍脹原因分析，提出軌道封閉、疏通基床表層泄水孔、側溝與明洞排水管順通、設置滲水盲溝、線間排水的綜合整治方案，以及高路塹段基床底層盲溝滲水和明洞過渡段隔離開槽順接側溝排水的整治措施。

本文通過對蘭新高鐵K2005～K2030區(qū)間7段典型段落現(xiàn)場調查、試驗研究，探究該區(qū)間路基凍脹變形的原因，從路基填料的顆粒組成、水分、低溫三方面進行了系統(tǒng)的分析，并對各種治理凍害措施進行比較，提出相應的工程整治措施。

1 工程概況及路基凍害基本情況

蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間7段典型段落發(fā)生路基凍脹變形：K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100，K2 028+689～K2 029+844。路基多為路塹、零斷面換填、小于3 m矮路堤結構形式，如圖1所示。

圖1 路堤結構形式

線路位于山丹軍馬場一場～三場之間，祁連山北側高海拔地段，地貌為河西走廊山前傾斜沖、洪積平原，地形平坦、開闊，地勢南高北低，海拔在3 129～2 620 m。路基所在段地層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3)，主要由洪積層組成，其土層個別段落有缺失，總體從上至下的具體情況如下[17]。

(1)粉質黏土(腐殖土Q3pl1)：表層分布，厚0.7～1.8 m，灰褐色，有機質含量高，含植物根系，軟塑，局部硬塑，Ⅱ級普通土。

(2)砂質黃土(Q3pl3):層狀分布，厚0.5～3.0 m，淺黃色至褐色至褐黃色，土質較均勻，夾砂礫、中細砂及植物根系，稍密～中密，稍濕～潮濕，II級普通土。

(3)細圓礫土(Q3pl6)：層狀分布，厚2～5.0 m，雜色～灰褐色，顆粒不均，粒徑2～20 mm的顆粒占40%～60%，大于20 mm的顆粒占20%左右，渾圓狀成分以硅質砂巖、片巖為主，余為雜巖和砂質填充，稍濕，稍密～中密，Ⅱ級普通土。

(4)粗圓礫土(Q3pl6)：為段內(nèi)主要地層，厚度大于30 m，雜色～棕紅色～灰色，顆粒不均勻，粒徑大于20 mm的顆粒占65%左右，局部可以達到卵石，渾圓狀，成分以棕紅色硅質砂巖、灰色片巖、石英巖等硬質巖石為主，余為雜巖和砂質充填，稍濕～潮濕，中密～密實，Ⅲ級硬土。

路基填料多為粗圓礫土、細圓礫土等，屬于含有細顆粒的粗顆粒填料(B組)。

該區(qū)間所在地冬季氣候寒冷且持續(xù)時間較長，最冷月平均氣溫達到-8.4 ℃，極端最低氣溫可達-31.5 ℃，年平均氣溫4.8 ℃；土壤標準最大凍結深度為1.84 m，屬于深季節(jié)凍土區(qū)。

通過以CPⅢ樁網(wǎng)為基準，以安博格小車等進行人工測量，在測量過程中對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、分析，并根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》，兩股鋼軌水平面偏差不得大于4 mm、10 m內(nèi)鋼軌的凍脹差不得大于4 mm為依據(jù)，將4 mm作為凍脹與不凍脹的界限。2014～2015年冬季精測精調時發(fā)現(xiàn)K2005～K2030區(qū)間7段典型段落發(fā)生路基凍害15處，其中上行線8處，下行線7處，最大凍起高度15.23 mm。具體情況見表1。與寒區(qū)蘭新鐵路等其他普速鐵路、哈大及哈齊客專等相比，路基凍脹高度相對較小，但已經(jīng)影響高鐵軌道平順性，需要進行治理。

表1 2014～2015年K2005～K2030段凍害情況

2 路基凍害原因分析

路基填料顆粒組成、水分、負溫是形成路基凍害的3個基本條件，路基填料物理性質是內(nèi)因，水分是條件，溫度是外因，只有三者的不利組合才能形成凍害。

2.1 路基填料細粒含量對凍脹變形的影響

通過對蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間內(nèi)路基基床底層填料隨機取樣10組，進行室內(nèi)篩分試驗，發(fā)現(xiàn)A組填料2組，粒徑小于0.075 mm的土顆粒含量分別為3.76%、6.56%；B組填料8組，粒徑小于0.075 mm的土顆粒含量在10%～15%的占2組，分別為10.96%、14.1%，大于15%的占6組，在15.6%～21.46%之間。故該段路基基床底層及以下多為細顆粒含量較高的B組粗顆粒填料。文獻[1-7]認為細粒含量較高的填料會有利于凍脹的發(fā)育，產(chǎn)生不均勻的凍脹變形，影響高速鐵路線路的平順性。所以，該段路基填料在水分、溫度合適條件下會發(fā)生一定程度的凍脹，造成高鐵軌面不平順。

2.2 路基土體含水率對凍脹的影響

水的作用是造成路基凍害最主要的原因。K2 005～K2 030區(qū)間所處軍馬場至民樂區(qū)間降雨(雪)量較大，年平均降雨量381.2 mm，遠高于臨近張掖市甘州區(qū)年平均降雨量133.9 mm。于軍馬場至民樂區(qū)間K2 020處及2038處測得近兩年年降雨量，如圖2所示。

圖2 K2 020與K2 038處近兩年降雨量

圖3為該段路基邊坡積雪情況。該區(qū)間年降雪量在22 cm以上，由于溫度時起時落的影響，融化的雪水會從路基邊坡滲入路基中，也是路基土體水分來源之一。而且個別段落地表90%為耕地，灌溉水使得地下水位升高，從而提供了水分來源。

圖3 高鐵路基附近積水結冰

雨(雪)水、農(nóng)田灌溉水等從邊坡、天然護道、排水溝兩側等進入路基，造成路基體內(nèi)水分較高。通過對該處斷面基床不同深度處土體隨機取樣進行含水率測試發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段路基粗顆粒填料的含水率在9.8%～11.3%，這為路基在冬季發(fā)生凍脹提供了有利條件。

文獻[18]對該線各處粗顆粒填料在封閉系統(tǒng)下進行凍脹特性試驗，發(fā)現(xiàn)在壓實系數(shù)為0.93、含水率在6%～8.91%的情況下，填料凍脹率為0.15%～1.49%，且隨著含水率的增大凍脹率也隨之增大，如圖4所示。由于路基凍深在2.5 m以上，當平均凍脹率超過0.2%時，其凍脹變形將超過5 mm，影響軌道表面平順性。因此將路基體水分降低在一定限度下，消除凍脹量，才能保證軌道平順性。

圖4 含水率與凍脹率的關系

2.3 低溫對凍脹的影響

該區(qū)間所在地氣候屬于大陸性氣候，由于海拔較高使得冬季氣候寒冷且持續(xù)時間長是本區(qū)的主要氣象特點，自每年10月下旬至次年3月下旬，長達5個月處于冬季時間段內(nèi)。近3年寒冷月份日最低氣溫如圖5所示。

由文獻[10-11]可知，因線路路基結構及填料與天然地基土熱力參數(shù)存在較大的差異性，故路基的凍結深度要大于土壤的凍結深度。該區(qū)間海拔高、冬季氣溫低且負溫持續(xù)時間長，使得路基的凍結深度普遍較大，該段路基相鄰處實測凍深2.5～3.4 m[7]。

圖5 近3年寒冷月份日最低氣溫

3 路基凍脹整治措施及效果

因為蘭新高鐵業(yè)已建成通車，基床填料性能難以改變，在路基面施做保溫措施已無可能。為了不影響高鐵的正常運營，對各種凍害治理方案進行比選，決定從防、排水角度出發(fā)，通過降低路基土體含水率、切斷水源補給來對路基凍害進行整治。

由于降雨、積雪融水以及農(nóng)田灌溉水等地表水從邊坡、天然護道、排水溝兩側滲入路基體內(nèi)，當冬季來臨時，這些水分在低溫等作用下向凍結鋒面遷移。為快速排除地表水以及滲入到地面下、路基體內(nèi)的水分，通過采取滲水盲溝進行排除，防治冬季凍結時發(fā)生水分遷移造成路基凍脹。

2012年至2014年施工中對部分低路堤地段為阻止坡腳積水下滲，避免路基凍脹，增設了防凍脹護道，雖有一定作用，但是位于祁連山北側高海拔地段個別段落其作用較小。為防止路基凍脹，于7處段落修建滲水盲溝，盲溝建在排水溝底部，可以有效降低或排除路基內(nèi)部水分并截斷周圍水分補給。滲水盲溝如圖6所示。

圖6 滲水盲溝(單位：m)

(1)滲水盲溝溝底寬1.0 m，深2.9 m；

(2)排水管采用φ315 mm PE帶孔雙壁波紋管，底部設0.2 m厚C35混凝土基礎，中間填充洗凈碎石，反濾層采用0.1 m厚無砂混凝土板，外側包裹針刺無紡土工布；

(3)沿滲水盲溝每隔30 m設置1處檢查井，檢查井采用C30預制管節(jié)拼裝，滲水盲溝出水口設置1處檢查井，檢查井外接排水溝將水引入附近河溝中，排水出口做好保溫措施；

(4)為防止?jié)B溝開挖過程中坑壁坍塌，在開挖時于滲溝兩側加設φ89 mm鋼管加固，鋼管底深入滲溝底不小于3.5 m，鋼管頂與基坑頂平齊，鋼管間距1 m，順滲溝方向鋼管與滲溝基坑壁間加設1 cm厚的鋼板擋護，鋼板設置高度為自滲溝基底至基坑頂，必要時于鋼管頂架設橫向支撐。

K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100六段于2012～2014年建成，K2 028+689～K2 029+844段滲水盲溝于2015年建成。由于滲水盲溝疏干路基中的水分需要一定時間，故當年高鐵開通路基發(fā)生了不同程度的凍脹變形。

2014～2015年冬季，K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 020+900～K2 021+100三段路基凍脹量較小，在2015年～2016年冬季未發(fā)生凍脹，對以上段落取土測得含水率為5.6%～6.2%。K2 009+250～K2 010+200、K2 017+854～K2 019+923兩段路基平均凍脹量隨著時間的延續(xù)，路基土體內(nèi)水分逐步減少，路基凍脹量隨著時間減小，對以上段落取土測得含水率為5.5%～7.6%。K2 017+100～K2 017+500、K2 028+689～K2 029+844兩段2014～2015年冬季凍脹量較大，2015～2016年冬季減小，2016～2017年冬季略有增大，對以上段落取土測得含水率為9%～11%，含水率略有降低，但仍會使為土體產(chǎn)生凍脹提供有利條件。總體上路基凍脹量呈減小的趨勢，K2005～K2030區(qū)間近3年凍脹量具體情況見表2。

表2 蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間近3年平均凍脹量 mm

可見修建滲水盲溝是降低路基體內(nèi)水分的有效措施，在該段凍害治理中發(fā)揮了良好的作用。

4 結論

通過對蘭新高鐵K2005～K2030區(qū)間路基凍害情況調查、試驗，從路基填料細粒含量、水分、溫度三方面對凍害原因進行了分析，并實施了凍害治理措施，得出以下結論。

(1)基床底層填料多為B組粗顆粒填料，其粒徑小于0.075 mm的細粒含量為10.96%～21.46%，細粒含量較高會有利于凍脹的發(fā)育，產(chǎn)生不均勻的凍脹變形，在水分、溫度等條件滿足時會發(fā)生影響高鐵線路平順性的凍脹變形。

(2)該區(qū)段雨(雪)水、農(nóng)田灌溉水等水資源豐潤，水分將從路基邊坡、天然護道、排水溝兩側等進入路基，造成路基體內(nèi)水分較高，基床底層含水率達9.8%～11.3%，為路基在冬季負溫作用下發(fā)生凍脹提供了有利條件。

(3)因線路結構及路基填料與天然地基土熱力學參數(shù)存在較大的差異性，加之該區(qū)間海拔高、冬季氣溫低且負溫持續(xù)時間長，使得路基的凍結深度普遍較大，路基凍結深度達到2.5 m以上，大于土壤凍結深度。

(4)基于該線已運營，通過修建滲水盲溝、反壓護道與隔水墻，用以降低天然地面以下路基體水分、改善路基溫度場，并將對路基有危害的地面水攔截引排至路基范圍之外，截斷水分補給來源，降低路基含水率，以減少甚至消除凍害；滲水盲溝疏干路基中的水分需要一定時間，建成后當年并未完全消除凍害，隨著疏干排水時間增加，路基土體內(nèi)水分逐步減少，路基冬季凍脹量消失，路基凍害得到有效治理。

[1] 葉陽升，王仲錦，程愛君，等.路基的填料凍脹分類及防凍層設置[J].中國鐵道科學，2007，28(1)：1-7.

[2] 田亞護，溫立光，劉建坤.季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基變形監(jiān)測及凍害原因分析[J].鐵道建筑，2010(7)：104-107.

[3] 劉華，牛富俊，牛永紅，等.季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基填料及防凍層設置研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(12)：2549-2557.

[4] 田亞護，肖偉，沈宇鵬，等.隔熱層對季節(jié)凍土區(qū)無砟軌道路基凍脹防治的適應性分析[J].鐵道學報，2014，36(5)：76-81.

[5] 趙洪勇，閆宏業(yè)，張千里，等.季節(jié)性凍土區(qū)路基基床粗顆粒土填料凍脹特性研究[J].鐵道建筑，2014(7):92-94.

[6] 熊治文，金蘭，程佳，等.高速鐵路改良粗顆粒填料凍脹特性試驗研究[J].中國鐵道科學.2015，36(5):1-6.

[7] 牛富俊，林戰(zhàn)舉，吳旭陽，等.蘭新客運專線浩門區(qū)間路基溫度、水分及凍脹變形特征[J].冰川凍土，2016，38(4)：1074-1082.

[8] 許健，牛富俊，牛永紅，等.凍東北黏質黃土有害毛細上升高度預測研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2011，43(4)：501-506.

[9] 邰博文，岳祖潤.深季節(jié)凍土區(qū)哈齊客專路基現(xiàn)場試驗[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版)，2015，28(1)：67-70.

[10] 閆宏業(yè)，蔡德鉤，楊國濤，等.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍深試驗研究[J].中國鐵道科學，2015，36(3)：1-6.

[11] 杜曉燕，葉陽升，張千里，等.季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍深研究[J].中國鐵道科學，2015，36(2)：11-17.

[12] 張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J].鐵道標準設計，2013(7)：8-12.

[13] 高以健，李文壇，楊有海.軟式透水管整治蘭新鐵路路基凍害效果研究[J].路基工程，2011(4)：141-143.

[14] 劉彬，魏永幸.客運專線鐵路無砟軌道路基防排水體系的思考[J].鐵道工程學報，2008(6)：36-38，60.

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

[16] 杜曉燕，常凱，令狐勇生，等.大西高速鐵路路基凍脹分析及整治措施[J].鐵道建筑，2017(1)：24-29.

[17] 王進華.蘭新鐵路第二雙線甘青段工程地質條件與評價[J].鐵道勘察，2010(1)：72-75.

[18] 蘭州交通大學.蘭新高鐵路基填料凍脹特性試驗研究[R].蘭州：蘭州交通大學，2016.