淺談高速鐵路涵洞凍融病害成因及相應(yīng)防治措施

劉斌 劉博

新時(shí)期我國(guó)高速鐵路里程不斷增長(zhǎng)，線網(wǎng)不斷增多，隨著高速鐵路服役年限不斷增加，涵洞病害日趨顯著，并已嚴(yán)重危及到行車安全。

高速鐵路涵洞除受結(jié)構(gòu)荷載、地形與地基、施工質(zhì)量等影響導(dǎo)致病害外，還受到特殊地域條件的影響，如處于東北等嚴(yán)寒地帶的鐵路涵洞將受到凍融環(huán)境的影響，并且由于凍融病害具有反復(fù)發(fā)生、不易修整等性質(zhì)，施工過(guò)程中應(yīng)提高防范意識(shí)，及時(shí)消除隱患。下面就新建敦化至白河鐵路工程DBSG-2標(biāo)段涵洞工程做凍融病害原因及防治措施分析研究，為以后的設(shè)計(jì)施工提供借鑒與參考。

1 ?線路概況

新建敦化至白河鐵路工程DBSG-2標(biāo)段隸屬敦白鐵路客運(yùn)專線，位于吉林省東部的延邊朝鮮族自治州境內(nèi)，地處嚴(yán)寒地區(qū)，沿線地下水類型主要有第四系孔隙潛水及基巖裂隙水、裂隙巖溶水三種類型。在冰凍季節(jié)，土中水分受大氣負(fù)低溫影響凍結(jié)，使土凍結(jié)成凍土。通過(guò)查閱相關(guān)資料得知延邊地區(qū)土壤最大凍結(jié)深度為1.98m，屬季節(jié)性凍土。

2 ?涵洞凍融病害特征

標(biāo)段全線涵洞采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)涵洞基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)，冬季各節(jié)涵身在凍脹力的作用下產(chǎn)生不均勻隆起，涵身產(chǎn)生變形、裂隙;在消融期，凍脹力消失，涵洞產(chǎn)生不均勻沉降。

3 ?涵洞凍融病害原因

涵洞凍融病害主要由于涵洞基底中水分在冬季負(fù)溫影響下發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致基底隆起及在春融期間凍結(jié)融化，凍脹力消失，導(dǎo)致基底下沉。由此可知，除嚴(yán)寒等天氣因素外導(dǎo)致涵洞發(fā)生凍融病害的最主要的因素為涵洞基底中存在的水分，水分存在越多凍脹量越大，反之凍脹量較小。涵洞凍害表現(xiàn)的大小與涵洞基底存在的水量大小有關(guān)外也與地下水位的高低有關(guān)，當(dāng)?shù)叵滤痪嗷纵^近時(shí)，則凍脹量大，反之凍脹量較小。如果地下水位在凍期中下降不多，其本身凍脹很大，當(dāng)水位又處在水分遷移的距離內(nèi)，則凍害在冬期末也還能向上凍脹。

所以，在設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中做好對(duì)水的防控措施，是確保涵洞質(zhì)量保持長(zhǎng)久的關(guān)鍵。

4 ?涵洞病害防治措施

4.1 ?涵洞地基的勘察與設(shè)計(jì)

地質(zhì)勘察過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件制定不同的勘察方案和方法，探明地下水存在的高程、平面位置及附近是否有洪水沖刷涵身基礎(chǔ)的情況，為建設(shè)提供真實(shí)數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)勘察數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理設(shè)置基底標(biāo)高及基底處理方式，確保涵洞不發(fā)生凍害情況。且在設(shè)計(jì)過(guò)程中將涵洞基礎(chǔ)置于凍結(jié)深度界線以下是防止凍害的有效途徑之一。

4.2 ?施工過(guò)程中管控

施工過(guò)程中可采取不同的方法對(duì)凍害進(jìn)行預(yù)防，主要包括：換填法、物理化學(xué)方法、保溫法等。

1）換填法

換填法即用換填碎（卵）石處理涵洞基礎(chǔ)凍害，它不受各種凍脹性敏感的土及其厚度限制，不受含水量限制，不受地下水位限制，是一種應(yīng)用范圍較廣，使用效果較好的方法。在強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹地基中，涵洞基礎(chǔ)可用換填瀝青砂或砂夾碎石的方法防治凍害，由于瀝青是一種憎水物質(zhì)，即在低溫狀態(tài)下也呈塑性狀態(tài)，因此瀝青砂是一種較好的防凍性材料;砂夾碎石造價(jià)低廉，施工方便，約束條件較少，是一種較常用的防凍性材料，敦白線大部分涵洞對(duì)基底采用砂夾碎石處理。

2）物理化學(xué)方法加強(qiáng)管控

物理化學(xué)法有多種，主要原則為通過(guò)一定物理化學(xué)手段改良原狀土，一般常用的方法主要有人工鹽漬化法、使用憎水物質(zhì)法和使土顆粒聚集或分散法三種方法。人工鹽漬化法是指向土體中加入一定量的可溶無(wú)機(jī)鹽類，如氯化鈣、氯化鉀、氯化鈉等，使之成為人工鹽漬土。使用憎水性物質(zhì)使地基土改良方法，是指在土中摻少量憎水性物質(zhì)，如石油產(chǎn)品，使土顆粒表面具有良好憎水性，減弱或消除地表水下滲和阻止地下水上升，使土體的含水量減少，進(jìn)而削弱土體凍脹及地基土與建筑物間的凍結(jié)強(qiáng)度。為防治涵洞基礎(chǔ)在側(cè)表面切向凍脹力下上抬，可在其基礎(chǔ)側(cè)表面鋪設(shè)一定厚度的憎水土，其厚度一般在15cm至25cm左右。

3）保溫法

保溫法是指在建筑物基礎(chǔ)底部或四周設(shè)置隔熱層，增大熱阻，以推遲地基土的凍結(jié)，提高土中溫度，減少凍結(jié)深度，進(jìn)而起到防治凍脹的一種方法。隔熱層材料種類豐富，如爐渣、柴草、樹(shù)皮、陶塊、泡沫混凝土、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫、陶?；炷恋?。保溫法是防治凍脹的有效方法之一，它所用的保溫材料來(lái)源廣泛，造價(jià)低廉，具有使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)輸和施工方便等特點(diǎn)。

4.3 ?運(yùn)營(yíng)過(guò)程中管控

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)過(guò)水涵洞附近上、下游的工程設(shè)施應(yīng)加強(qiáng)日常巡查，并及時(shí)溝通協(xié)調(diào)處理，避免排水通道的堵塞，引起涵洞積水，導(dǎo)致凍融病害的發(fā)生。

5 ?注意事項(xiàng)

1）橋涵基底一般置于凍結(jié)深度以下，如基底不滿足該要求時(shí)，及時(shí)與設(shè)計(jì)單位溝通解決。

2）施工時(shí)加強(qiáng)排水措施，避免涵洞基礎(chǔ)底面低洼，積水后形成凍脹危害。涵洞擋、翼墻設(shè)排水管，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工，避免墻后積水，引起凍脹。

3）施工完成后，過(guò)水涵洞內(nèi)務(wù)必回填原狀土，并與原天然溝渠順接，保證排水暢通，回填土需分層碾壓。

6.結(jié)語(yǔ)

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，在我國(guó)北方寒冷季節(jié)性凍土地區(qū)修建了大量的涵洞工程。由于工程技術(shù)人員在當(dāng)時(shí)沒(méi)有認(rèn)識(shí)和掌握季節(jié)性凍土的自然規(guī)律，以及未能相應(yīng)采取防治凍脹措施，致使許多涵洞出現(xiàn)凍害。它嚴(yán)重地影響了正常交通，危害了人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，給國(guó)家造成經(jīng)濟(jì)損失。后續(xù)工程建設(shè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)與施工單位需不斷豐富和積累經(jīng)驗(yàn)，有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，以減少涵洞凍融病害的發(fā)生。