嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹特性和工程對策

高菲

（中鐵二十一局集團第二工程有限公司 甘肅省蘭州市 730000）

1 緒論

冬季在我國北方的大部分地區(qū)，緯度高、氣溫低，秋季轉(zhuǎn)冬季時間較短，鐵路路基凍害較為普遍。本文明確了基床表層級配碎石是產(chǎn)生最大凍脹量的事實，以及對于路基病害防治等問題的改正工藝和進行注漿改良后級配碎石的穩(wěn)定性及凍脹性，研究了對應(yīng)的防治措施，為預(yù)防和處置高鐵的凍脹等病害提供了借鑒意義。

2 路基凍脹問題原因

路基膨脹的最大原因高海拔、高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的低氣溫，土體中的含水量以及礦物骨架的作用力及上覆荷載。

土體中水分以固、液、氣態(tài)形式不斷向表面移動并最終聚集，是路基產(chǎn)生凍脹的主要原因。發(fā)生路基凍害需要同時滿足三個條件：

（1）氣溫降到負溫，即低到足夠產(chǎn)生冰晶體，土體中的水分因而結(jié)冰膨脹。

（2）路基內(nèi)含水量較高，且土體中有充足的水分補給，從而達到凍脹的條件。

（3）土體為凍脹土，即土體中的水分要發(fā)生凍脹的承擔(dān)體，隨溫度降低水分凝結(jié)土體凍脹，宏觀意義上增加了承載體的體積。

3 嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹融沉變形分析

3.1 地基土凍脹產(chǎn)生的機理

當(dāng)受影響的地基土溫隨大氣溫度降至冰點以下，土體表層首先凍結(jié)成冰晶體，逐漸凍結(jié)最外層的弱結(jié)合水，冰晶體范圍逐漸擴大引起土顆粒間的水膜變薄，土顆粒因而產(chǎn)生剩余的分子引力[1]；與此同時土顆粒間結(jié)合水膜的變薄還會增加其中離子濃度，因而產(chǎn)生了滲附壓力；二力作用下，由于土體下部未凍結(jié)區(qū)域仍有較厚水膜處，而水膜較薄處的凍結(jié)區(qū)易吸附弱結(jié)合水并因此發(fā)生凍結(jié)，從而增大了整個凍結(jié)區(qū)域的體積，隨之產(chǎn)生的不平衡引力卻無法消除。而融陷現(xiàn)象的發(fā)生則是因為大氣溫度回升，土層開始解凍，土體上層的冰晶體逐漸融化，水分最終由固態(tài)變成液態(tài)的現(xiàn)象。

3.2 影響凍脹量的因素[2]

（1）土基質(zhì)：土的級配及其粒徑來表示土質(zhì)是由大小不等的顆粒組成的，而影響土體凍脹的主要因素則是土的毛細作用和顆粒級配。

（2）水分：水是凍脹現(xiàn)象發(fā)生的最基本因素之一。

（3）溫度：土體想要出現(xiàn)冰析現(xiàn)象，只有當(dāng)路基土溫低于其凍結(jié)溫度且大氣溫度降低到零度以下。

（4）密度：土體凍脹的最不利干密度是指在孔隙水未飽和的三相體系中，凍脹強度與土密度變化成正比，凍脹強度達到最大時候的土體密度。

（5）附加荷載：路基土層上部存在附加荷載，①壓縮土層脫水，改變土壤水導(dǎo)濕率，增加土體密實度，從而對水分遷移速率產(chǎn)生影響；②當(dāng)上覆附加荷載大于等于冰晶體表面的凍脹應(yīng)力時發(fā)生凍脹現(xiàn)象。

（6）覆蓋：白色的雪蓋增加了地表的反射率，而雪本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低，起到隔熱層的作用阻止了冬季土熱量的散發(fā)，起到了保溫的作用。

（7）植被：處于大氣圈與巖石圈之間的植被，影響著兩個圈子的水熱交換，也影響著巖、土的溫度狀態(tài)。

（8）地形坡向：太陽輻射通常對南坡產(chǎn)生更大影響，表現(xiàn)為地面溫度較差大，年平均地溫高。

4 抑制路基季節(jié)凍脹的工程措施

4.1 防凍脹措施效果分析

4.1.1 路基預(yù)防凍脹措施

（1）設(shè)置防凍層：防凍層由基床表層級配碎石和基床底層A、B料組成，將非凍脹性填料填筑在路基凍結(jié)深度范圍內(nèi)。

（2）設(shè)置隔斷層：優(yōu)化路基基床結(jié)構(gòu)，分別在基床表層底部和換填區(qū)域底部鋪設(shè)一層土工膜，用于防止地表水和毛細水的滲入[3]，4%的橫向排水坡在隔斷層自線路中心向兩側(cè)設(shè)立。

（3）設(shè)置封閉層：對于路基面雨水下滲的預(yù)防，縫隙采用封縫措施，設(shè)置纖維混凝土封閉層在路基面兩線軌道板底座及兩側(cè)路肩之間。

（4）排水措施：設(shè)置全線路排水系統(tǒng)，系統(tǒng)中個別設(shè)施需根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)特性適當(dāng)改進。

4.1.2 路基防凍脹具體措施設(shè)計

（1）路堤措施。

①高路堤結(jié)構(gòu)。以凍脹土為例，路基面采用纖維混凝土進行封閉，在路堤坡腳處設(shè)防凍脹護道，護道寬度和高度不小于當(dāng)?shù)貎錾钭畲笾?，用于消除凍脹產(chǎn)生的壓力對路堤邊坡穩(wěn)定性的影響；在基床表層和基床底層之間鋪設(shè)斷層復(fù)合土工膜隔，在路基混凝土路肩處預(yù)留泄水孔，用于防止路基面積水下滲；土工膜上部結(jié)構(gòu)凍深范圍內(nèi)采用非凍脹性A、B組材料填筑，底層下部連接基床以下路堤可以根據(jù)沿線填料分布情況分別填筑A、B組填料。

②低路堤結(jié)構(gòu)。路基面采用纖維混凝土封閉，首先在基床厚度范圍內(nèi)換填作業(yè)，基床表層填筑級配碎石，基床底層下部采用A、B組填料，凍深范圍內(nèi)的上部結(jié)構(gòu)選用非凍脹性A、B組填料填筑，在換填底部鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜，以防止地表積水下滲或地下毛細水浸入；在路基兩側(cè)設(shè)置盲溝等降低地下水滲透措施。

（2）路塹措施。

若挖方地段基床范圍內(nèi)為凍脹性土?xí)r，具體措施與低路堤結(jié)構(gòu)相同。補充部分是在基床表層和基床底層之間鋪設(shè)一層防滲復(fù)合土工膜直至兩側(cè)側(cè)溝外。

（3）路基面伸縮縫及無砟軌道底座措施。

路基處設(shè)置寬20mm伸縮縫，通常在2塊軌道板底座間，采用聚乙烯發(fā)泡板填充伸縮縫下部，采用改性瀝青軟膏封閉上部50mm范圍，伸縮縫繞過并對應(yīng)凸形擋臺。

無砟軌道底座與路基面混凝土封閉層之間設(shè)置縱向伸縮縫，寬l2mm，采用熱融改性瀝青軟膏灌注伸縮縫上部40mm，聚乙烯泡沫板用來填充其下部結(jié)構(gòu)；混凝土封閉層的橫向縫按一道1.2cm寬每3m沿線路縱向設(shè)置，采用熱融改性瀝青灌注上部5cm。

4.2 路基凍脹工程對策

4.2.1 防凍脹補強措施

（1）優(yōu)化路基的結(jié)構(gòu)。

對線路標(biāo)高的選擇是嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基設(shè)計重中之重，同時為減少病害程度和發(fā)生幾率，尤其應(yīng)在路塹地段加強具體措施。

（2）優(yōu)化電纜槽的位置。

在嚴(yán)寒地區(qū)，電纜槽部位首先被凍結(jié)，基床表層的水分排出受到阻礙，填料的含水量增加，從而加重凍脹等病害情況的發(fā)生。在路基路肩處設(shè)置電纜槽，增加相應(yīng)凍結(jié)深度，且改變路基本體的熱力對流條件。同時經(jīng)過施工現(xiàn)場的調(diào)查分析，在電纜槽底部、側(cè)邊以及槽底與路基接觸部分，含水量在一定范圍內(nèi)偏高明顯。建議將電纜槽設(shè)置在兩側(cè)的預(yù)防凍脹保護道上，以減少嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹角度。

（3）路基表層防水封閉措施。

根據(jù)上述實驗分析，探討在底座板下部采用瀝青混凝土類材料滿鋪全斷面，形成整體結(jié)構(gòu)防水層的措施，從而有效的隔斷地表積水下滲并且有效減小凍脹量；也可探討全部換填級配碎石加水泥的復(fù)合結(jié)構(gòu)在凍結(jié)深度范圍內(nèi)，或路基基床表層采用摻加5%水泥的級配碎石，以有效減少病害的發(fā)生。

（4）以橋代路方案設(shè)想。

以橋代路的施工方案是為減少工程造價，只有當(dāng)路基防凍脹的總造價超過或相當(dāng)于橋梁工程總造價時采用。

4.2.2 地表水下滲措施

（1）設(shè)置橫向保溫排水盲管。

為排除下滲的地表水，制定的橫向保溫排水盲管方案，是指埋設(shè)每5m/道的排水盲管在路基外側(cè)級配碎石層底部和基床底部的混凝土伸縮縫處，并鋪設(shè)6cm厚保溫板在表層一定范圍內(nèi)。在運營維修天窗點此方案可采用小型機具分段實施，保證運輸安全，具有可實施性。盲管引出段穿過路肩電纜槽的底部需設(shè)保溫套管。

（2）堵縫防水。

路基伸縮縫主要存在于沿線每個5m設(shè)置一道的纖維混凝土橫向伸縮縫、防水層與軌道板底座之間縱向伸縮縫、軌道板底座之間的伸縮縫等。設(shè)置堵縫防水措施即所選材料必須具有良好耐久性、混凝土收縮時的結(jié)合力在嚴(yán)寒氣溫條件下強，并具較好的低溫延伸性。

4.2.3 路塹地下水降低方案

（1）滲水盲溝增設(shè)方案。

指增加一定深度的盲溝在既有側(cè)溝下，并在底部鋪設(shè)透水盲管，內(nèi)部進行粗粒材料的充填施工的排水方案。此方案是解決地下水位上升問題的首要措施，雖然能夠減少地下水滲入路塹基床土層，有效降低地下水位，但是相應(yīng)的開挖溝槽可能影響路塹邊坡的穩(wěn)定性，且在施工時需使用大型機械，影響列車行駛的安全和運營，因此方案不宜使用在列車投入運營之后[4]。

（2）保溫滲水井增加密度方案。

在鐵路開通之后，路塹未設(shè)滲水盲溝的地段若有新的地下水產(chǎn)生，可在下游排水區(qū)域采用沿線增設(shè)保溫滲水井井點的降水方案。該方案土量開挖小，無需大型機械，雖然增加相關(guān)單位維護修理的工作量，但對運營車輛影響較小。

4.2.4 路基基床表層填料改性

我國對己建成無砟軌道路基工程，首要選擇是采用注漿來改變填料性質(zhì)。對于新建鐵路，可直接采用摻水泥級配碎石或混凝土在路基基床表層或凍結(jié)深度范圍內(nèi)來實現(xiàn)。

為避免注漿施工過程對軌道變形產(chǎn)生的影響及保證方案達到預(yù)期的效果，注漿材料應(yīng)具有良好的滲透性?？紤]施工現(xiàn)場實際狀況，注漿方案尚存在一些問題，比如注漿工藝的控制，材料的選擇多樣性，注漿效果的檢驗等，需要先行建立試驗段分析研究。為減少病害的發(fā)生，也可探討在新建線路凍結(jié)深度范圍內(nèi)，利用混凝土結(jié)構(gòu)或級配碎石復(fù)合結(jié)構(gòu)全部進行換填作業(yè)。此方案采用小型機具在路基面上鉆孔，對列車運營干擾小，具有可實施性。

5 結(jié)論

隨著首個觀測和研究凍融循環(huán)路基凍脹變形的系統(tǒng)正式投入使用，大致了解路基變形規(guī)律已經(jīng)變成現(xiàn)實。主要有以下創(chuàng)新結(jié)論：

（1）通過對路基凍脹問題調(diào)查，發(fā)現(xiàn)寒區(qū)氣候條件為季節(jié)凍脹發(fā)生提供了凍脹的能量基礎(chǔ)條件，大氣降水和水文環(huán)境為凍脹的發(fā)展提供了水分補給條件。

（2）為有效應(yīng)對嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹問題，本文根據(jù)路基凍脹影響因素及其作用機理，提出了若干有效防治對策，即通過采取了路基面保溫、設(shè)置滲溝、縫隙封堵及線間排水整治等措施，有效防止高速鐵路路基凍脹問題的出現(xiàn)。