蘭新高速鐵路高寒區(qū)涵洞及涵路過渡段凍害原因分析

楊增麗，宋小齊，戚志剛，楊有海

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

蘭州至烏魯木齊高速鐵路全長 1 776 km，始于蘭州西客站，途徑西寧站、張掖南站等站，最終引入烏魯木齊南站。沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，路基填料種類較多、物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，線路結(jié)構(gòu)形式多樣，建設(shè)期及運(yùn)營期出現(xiàn)了不同程度的凍害現(xiàn)象，其中浩門—大梁區(qū)間線路凍脹變形較嚴(yán)重。調(diào)查2015—2017年凍結(jié)期內(nèi)線路凍害情況，發(fā)現(xiàn)該區(qū)間路基、涵洞及涵路過渡段均存在不同程度的凍脹變形，且凍脹處多，凍脹量大。

本文通過對蘭新高速鐵路浩門—大梁區(qū)間(K1944+875—K1965+500)涵洞及涵路過渡段凍害情況的調(diào)查，分析涵洞及涵路過渡段的凍害特征及成因，對凍害防治措施提出建議。

1 凍害調(diào)查情況

1.1 地理條件

圖1 蘭新高速鐵路浩門—大梁區(qū)間地貌

蘭新高速鐵路浩門—大梁區(qū)間位于祁連山南麓(如圖1所示)，線路高程約 3 500 m。由于該區(qū)間海拔高，氣溫低，受祁連山降雨、降雪等的影響，高寒陰濕是顯著的氣候特點(diǎn)。該區(qū)間線路所處地區(qū)屬于高原溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，夏秋受孟加拉灣西南暖濕氣流影響，氣候涼爽濕潤，降雨天數(shù)多、降雨量較大(全年降雨量多達(dá)600 mm)。冬季寒冷且漫長，自每年10月中旬至次年4月中旬近6個月處于凍結(jié)期內(nèi)，最冷月平均氣溫可達(dá)-14 ℃，極端最低氣溫可達(dá)-34.5 ℃，屬于深季節(jié)凍土區(qū)。

1.2 路基、涵洞及涵路過渡段凍害情況

TB10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》中定義:一般路基產(chǎn)生不均勻凍脹且凍脹量大于4 mm者為有害凍脹。經(jīng)調(diào)查,浩門—大梁區(qū)間有害凍脹多發(fā)生于低路堤、淺路塹、零斷面換填路基、涵洞及涵路過渡段，且涵洞及涵路過渡段凍脹量較大、凍害數(shù)多。

浩門—大梁區(qū)間2015—2017年凍害情況見表1。可知：2015—2016年浩門—大梁區(qū)間總凍害數(shù)63處，其中路堤31處(占總凍害數(shù)的49.2%)，路塹2處，涵路過渡段21處(占總凍害數(shù)的33.3%)；路堤最大凍脹量5.70 mm，涵路過渡段最大凍脹量15.50 mm。2016—2017年該區(qū)間總凍害數(shù)40處，其中路堤21處(占總凍害數(shù)52.5%)，涵路過渡段14處(占總凍害數(shù)35.0%)；路堤最大凍脹量6.51 mm，涵路過渡段最大凍脹量17.78 mm。2015—2017年2個凍結(jié)期涵路過渡段最大凍脹量均大于路堤最大凍脹量。

表1 浩門—大梁區(qū)間2015—2017年凍害情況

經(jīng)調(diào)查可知，2015—2017年2個凍結(jié)期該區(qū)間均有8處涵洞發(fā)生凍脹變形，占該區(qū)間涵洞總數(shù)的33.3%。發(fā)生凍脹變形的涵洞均為孔徑1～2 m的下沉式小型鋼筋混凝土箱形涵，所處地形地貌和凍害情況相似。2016—2017年凍結(jié)期對K1962+824處涵路過渡段進(jìn)行凍脹變形監(jiān)測，結(jié)果見表2、圖2。

由表2 可知：2015—2017年2個凍結(jié)期K1962+824處涵路過渡段凍害數(shù)較多，2016—2017年涵路過渡段凍脹量較2015—2016年大，且凍害數(shù)多。

表2 K1962+824處涵路過渡段凍害情況

圖2 K1962+824處涵頂凍脹量

由圖2可知，2016—2017年凍結(jié)期內(nèi)K1962+824處上行線涵頂東側(cè)最大凍脹量18.23 mm，西側(cè)最大凍脹量11.25 mm。下行線涵頂西側(cè)最大凍脹量15.78 mm，東側(cè)最大凍脹量7.21 mm。上行線和下行線凍脹發(fā)展趨勢基本一致，從2016年12月上旬至2017年2月下旬凍脹量增長速度較快，2月下旬至3月呈緩慢增長趨勢，3月20日達(dá)到最大凍脹量，3月中旬至5月底隨著氣溫回升凍脹開始回落，5月底回落結(jié)束。

2 涵洞及涵路過渡段凍害原因分析

凍脹是填料中土顆粒、空氣和水在外界溫度條件下相互作用的宏觀表現(xiàn)。土質(zhì)、水分、溫度是影響凍脹的三要素。

2.1 土質(zhì)

浩門—大梁區(qū)間地層主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土及卵石土。土壤最大凍結(jié)深度200 cm。涵洞中發(fā)生凍害處表層主要為粉土，厚0.3～2.5 m，土質(zhì)不均，含大量植物根系，為松軟土。

對該區(qū)間部分段落路基基床底層填料進(jìn)行顆粒分析發(fā)現(xiàn)，路基及涵路過渡段基床底層及以下部位多為細(xì)顆粒含量較多的B組粗顆粒填料，屬于弱敏感～敏感性凍脹填料，易發(fā)生凍脹。

2.2 水分

浩門—大梁區(qū)間所處地區(qū)常年處于陰濕環(huán)境中，降雨天數(shù)多，降雨量較大，祁連山融雪水充足。2015年降雨量為620 mm，2016年降雨量為575 mm，2015—2016年年均降雪量均在230 mm以上。受地形、工程活動等因素的影響，水分積存于線路周圍滲入路基中。海拔高、氣溫低、水分蒸發(fā)困難，造成填料中含水率過高(約13.4%～15.0%)。

發(fā)生凍害涵洞周圍地勢較低，易積水。地表水經(jīng)各種途徑滲入涵底地基及涵路過渡段中，使得填料含水率增大且不易蒸發(fā)。排水不暢、地表水下滲至填料中且難以蒸發(fā)是導(dǎo)致該區(qū)間路基、涵洞和涵路過渡段產(chǎn)生凍脹變形的主要原因。

2.3 溫度

浩門—大梁區(qū)間所處地區(qū)位于高海拔地區(qū)，入冬時間早，冬季持續(xù)時間長，該地區(qū)2016年10月至2017年5月氣溫變化情況見表3?？梢娫摰貐^(qū)冬季氣溫低，負(fù)溫持續(xù)時間長。

表3 浩門—大梁區(qū)間2016年10月至2017年5月氣溫變化 ℃

發(fā)生凍害的涵洞頂部填土均較薄，冷源易傳輸，涵洞在路基中起到大型通風(fēng)管的作用，涵洞及涵路過渡段受軌道板、邊坡及涵洞內(nèi)壁多向冷源作用，呈現(xiàn)多向凍結(jié)現(xiàn)象。涵頂填土及涵路過渡段對氣溫變化反應(yīng)靈敏，涵洞及涵路過渡段比路基凍結(jié)早、凍結(jié)深度大。

3 涵洞及涵路過渡段凍害整治措施

鐵路路基、涵洞及涵路過渡段凍害防治可從防排水、保溫隔熱、填料換填和改良等方面進(jìn)行。蘭新高速鐵路已經(jīng)建成通車，路基填料換填和改良實施難度較大，為了不影響高速鐵路的正常運(yùn)營，對該區(qū)間凍害采取降低土中含水率及改善溫度場的方法進(jìn)行整治。具體如下：

1)設(shè)置滲水盲溝，排除、疏干填料中水分?？紤]線路周圍排水不暢及地表水下滲現(xiàn)象，在凍害段路基及涵路過渡段兩側(cè)各設(shè)置1道滲水盲溝。滲水盲溝設(shè)置范圍K1962+288—K1962+444段、K1962+466—K1962+823段、K1962+825—K1963+168段，調(diào)查結(jié)果表明凍害防治效果良好。

2)入冬前封堵涵洞出入口，減弱涵洞的通風(fēng)效應(yīng)，改善溫度條件。2016年10月將浩門—大梁區(qū)間涵洞的出入口進(jìn)行封堵。以K1959+587處涵洞及涵路過渡段的凍害情況為例，2016—2017年冬季凍害數(shù)從2015—2016年冬季的4處減少為2處，最大凍脹量從7.10 mm減小到4.62 mm，凍害整治效果較好。

3)設(shè)置疏干排水孔，排除涵路過渡段中的水分，抑制凍脹產(chǎn)生。針對凍脹量大且凍害治理效果不佳的涵洞和涵路過渡段可縱向設(shè)置疏干排水孔。自涵洞內(nèi)壁向過渡段打設(shè)1～3排疏干排水孔，橫向間距1.5～2.0 m，孔深10～15 m，孔道內(nèi)安裝軟式透水管。為防止管口處凍結(jié)堵塞，管長向外延伸10～20 cm，并做好保溫措施，如圖3所示。

圖3 縱向疏干排水孔及涵洞內(nèi)側(cè)保溫層設(shè)置

4)設(shè)置保溫層及保溫護(hù)道，在涵洞內(nèi)壁鋪設(shè)保溫板及在涵路過渡段兩側(cè)設(shè)置保溫護(hù)道，以改善涵洞及涵路過渡段的溫度場。鑒于蘭新高速鐵路浩門—大梁區(qū)間凍害涵洞頂部填土較薄，可在涵洞內(nèi)壁鋪設(shè)10～20 cm厚XPS(擠塑型聚苯乙烯)保溫板，起到保溫隔熱的作用。

4 結(jié)論與建議

1)蘭新高速鐵路浩門—大梁區(qū)間位于祁連山南麓，海拔高，氣候涼爽濕潤，冬季寒冷，有近6個月處于凍結(jié)期，屬于深季節(jié)凍土區(qū)。

2)該區(qū)間線路凍害多發(fā)生于低路堤、淺路塹、零斷面換填路基、涵洞及涵路過渡段，且涵洞及涵路過渡段凍脹量較大。發(fā)生凍害的涵洞為下沉式小型涵。路基及涵路過渡段基床底層及以下部位填料為細(xì)顆粒含量較多的B組粗顆粒填料，填料含水率約13.4%～15.0%，屬于弱敏感～敏感性凍脹填料。

3)設(shè)置滲水盲溝，入冬前封堵涵洞出入口，對凍害治理有一定作用。對凍害嚴(yán)重的涵洞及涵路過渡段，可在涵洞內(nèi)壁鋪設(shè)保溫材料，涵路過渡段中設(shè)置疏干排水孔、兩側(cè)設(shè)置保溫護(hù)道。