鐵路季節(jié)性路基凍害整治的策略探究

蘇圣偉

沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，中國(guó)·遼寧 沈陽(yáng) 110013

1 引言

在中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下，鐵路對(duì)于經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)、大眾出行皆有著不可忽視的作用，因此需加強(qiáng)鐵路建設(shè)，以鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的完善推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近年來(lái)，隨著建設(shè)的推進(jìn)及既有線路的養(yǎng)護(hù)進(jìn)行，季節(jié)性氣候因素造成鐵路路基凍害的情況屢見(jiàn)不止，導(dǎo)致鐵路運(yùn)行效率下降，存在極大的安全隱患。為了解決此項(xiàng)問(wèn)題，提高其運(yùn)行的安全程度，論文對(duì)凍害情況及整治策略進(jìn)行了分析。

2 鐵路季節(jié)性路基凍害的特征

2.1 凍脹

凍脹是土體受到凍結(jié)的影響，導(dǎo)致土的體積不斷膨脹變大，其屬于路基凍害的常見(jiàn)形式。凍脹現(xiàn)象出現(xiàn)后會(huì)迫害土體形狀，致使路基發(fā)生不同程度的形變，土體內(nèi)部的水分受到溫度影響，結(jié)冰的體積會(huì)逐漸增大，而內(nèi)部空間有限，在土壤內(nèi)部的水體結(jié)冰膨脹后，路基便會(huì)隆起，出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，路基凍脹后會(huì)破壞鐵路上部道床結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)至軌道發(fā)生形變，容易埋下安全隱患[1]。

2.2 融沉

融沉是季節(jié)性?xún)鐾寥诨倪^(guò)程，冰膜與冰晶受到溫度的影響融化成水，土層在此過(guò)程中會(huì)受上層負(fù)荷力與重力的作用，致使路基基床因?yàn)楹奢d無(wú)法平衡，出現(xiàn)不同程度的沉降。路基在季節(jié)性?xún)鐾寥诨陂g受到外部環(huán)境因素的干擾，導(dǎo)致土體各方向受力不均，在路基表面出現(xiàn)不同程度的沉降。頻繁出現(xiàn)融沉主要與此區(qū)域易受地表水及地下水浮動(dòng)作用無(wú)法平衡有關(guān)，一旦路基填料或本身地層存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)階段沒(méi)有及時(shí)處理，將會(huì)埋下安全隱患[2]。

2.3 翻漿冒泥

在既有鐵路線上，季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)因?yàn)槭艿綒夂颦h(huán)境及粘性土等特殊路基土質(zhì)影響，凍結(jié)的時(shí)間會(huì)相對(duì)變長(zhǎng)，解凍速度相對(duì)緩慢。與此同時(shí)，大量積雪會(huì)隨著溫度回升而融化，融化后的雪水滲入路基下方，在未解凍層與解凍層間出現(xiàn)自由水，如果水分不能及時(shí)排出，會(huì)因?yàn)樽杂伤淖饔脤?dǎo)致路基變軟，進(jìn)而出現(xiàn)翻漿冒泥的現(xiàn)象。

3 鐵路季節(jié)性路基凍害發(fā)生的位置及成因

3.1 表層凍害

季節(jié)性?xún)鐾羶?nèi)部水體結(jié)冰后，其受膨脹力的作用將隆起一定的高度，表層凍害主要表現(xiàn)為路肩出現(xiàn)縱向開(kāi)裂與變形，大幅度削弱基床表層土體強(qiáng)度，道碴在此過(guò)程中發(fā)生沉陷，鐵路軌道受到路基影響出現(xiàn)縱向高低形變。同時(shí)，路基表層凍害出現(xiàn)后坡面開(kāi)裂與變形，整體土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，其自身的強(qiáng)度也會(huì)相繼下降。

導(dǎo)致路基表層病害出現(xiàn)的原因包括基床填料不滿(mǎn)足要求、非均勻質(zhì)土、氣候條件對(duì)土的凍結(jié)等，這三方面因素都是引發(fā)路基發(fā)生表層凍害的原因。首先，基床填料不滿(mǎn)足要求會(huì)影響到基床自身的強(qiáng)度，路基表面的鐵軌受到列車(chē)荷載作用，會(huì)因?yàn)槠湎禄驳某兄啬芰Σ煌?，從而?dǎo)致基床面發(fā)生不均勻沉降，在此狀態(tài)下基床內(nèi)部水分難以快速、完全排出，在自由水進(jìn)入基床后，水體容量逐漸擴(kuò)大，當(dāng)土層含水量達(dá)到或者超過(guò)起始凍脹含水量時(shí)，基床內(nèi)部的水體便會(huì)結(jié)冰，土體受到壓迫自身體積相應(yīng)增大，與此同時(shí)水分會(huì)繼續(xù)補(bǔ)給冰結(jié)封面，進(jìn)而形成凍害[3]。其次，路基表層為非均勻質(zhì)土，因?yàn)橥翆拥暮惶蠲軐?shí)度與厚度不同，填料的層次、結(jié)構(gòu)等條件也存在較大差異，導(dǎo)致土體凍脹量各異，最終形成坡面凍害。最后，土體凍害會(huì)受到日照、地形、植被覆蓋、地質(zhì)等因素的干預(yù)存在較大的差別，一旦土體發(fā)生凍結(jié)后，容易受到凍結(jié)速率與表層土溫、水分凍脹量與遷移聚流量差異的影響，發(fā)生凍害。

3.2 深層凍害

深度凍害只存在于極度嚴(yán)寒地區(qū)，土壤凍結(jié)深度極大，路基凍害常出現(xiàn)于冬季的后半期。路基出現(xiàn)深層凍害后會(huì)因?yàn)閮龊α窟^(guò)大，使鐵路既有線路的平順程度大受影響，凍害直至凍期末才會(huì)停止。

深層凍害出現(xiàn)與地下水有關(guān)，如果路基下部沒(méi)有地下水，即便土質(zhì)存在差異，但由于下部處于脫水現(xiàn)狀，也不會(huì)形成大量的凍脹。一般處理深層凍害需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)的管控，靈活的選擇中斷運(yùn)營(yíng)或是限速行駛的方式，降低鐵路運(yùn)行的危險(xiǎn)程度。

4 處理季節(jié)性鐵路路基凍害的有效方式

土體凍結(jié)會(huì)受到溫度、水分補(bǔ)給、土體自身性質(zhì)等多方面因素的影響，同時(shí)不同土質(zhì)動(dòng)蕩系數(shù)存在一定的差異，為了盡可能地減少鐵路季節(jié)性路基凍害的出現(xiàn)，必須結(jié)合實(shí)際情況，靈活的選擇路基凍害整治方式，論文考慮了傳統(tǒng)凍害整治措施，同時(shí)結(jié)合中國(guó)丹大快速鐵路路基凍害整治時(shí)提出的新型整治方案，將鐵路季節(jié)性路基凍害的處理方法歸納如下。

4.1 換填法

換填法主要是對(duì)凍害嚴(yán)重的地段強(qiáng)行挖除該部位的凍害性土質(zhì)，更換合格的路基填料，完成凍害整治工作。此方法可根本性解決凍脹問(wèn)題，但對(duì)于鐵路既有線路基無(wú)法中斷運(yùn)營(yíng)或天窗時(shí)間有限的情況下，難以實(shí)施。

4.2 抬道法

抬道法適合應(yīng)用在路基低矮的區(qū)域，其處理原理是通過(guò)A 組非凍脹填料填筑路基基床，從而提升路基高度，避免路基基床范圍內(nèi)出現(xiàn)凍脹，保障基床安全，從而達(dá)到防凍害效果，如圖1所示。

圖1 壓實(shí)后的A 組非凍脹填料

4.3 物理改良法

物理改良法作用原理是在鹽體作用下有效地改變土壤凍脹性，注鹽后土體中水分的遷移受到明顯的抑制，并且注鹽能導(dǎo)致水分冰點(diǎn)降低，從而可以減緩或減少土體凍脹。注鹽量應(yīng)本著“寧少勿多”的原則，以免用鹽量過(guò)大，土體強(qiáng)度降低。此法可利用鐵路天窗時(shí)間實(shí)施，無(wú)須中斷運(yùn)營(yíng)。

4.4 注漿法

根據(jù)具體情況，對(duì)基床范圍內(nèi)注射化學(xué)快速凝固漿液或普通水泥漿液，以達(dá)到固化目的，具體做法如下：沿縱向每?jī)蓚€(gè)軌枕之間設(shè)置一排注漿孔，每排4 個(gè)孔，注漿深度根據(jù)各個(gè)工點(diǎn)的凍脹層位來(lái)確定；注漿材料為高聚物材料化學(xué)漿液或普通水泥漿液，基本要求為粘度20～100mPa.s，密度1.0～1.3g/ml，收縮率不大于1%，固砂體強(qiáng)度大于2MPa，凝膠時(shí)間根據(jù)天窗時(shí)間和施工情況調(diào)整。此法可利用鐵路天窗時(shí)間實(shí)施，無(wú)須中斷運(yùn)營(yíng)，如圖2、圖3所示。

圖2 鉆孔注漿平面示意圖

圖3 鉆孔注漿橫斷示意圖

4.5 保溫法

保溫法一般適用于涵洞頂部路基防凍脹，在涵洞頂及兩側(cè)與路基相連的邊墻頂部0.7m 范圍內(nèi)鋪設(shè)氣凝膠氈。用鉆在固定點(diǎn)位置表面鉆孔，然后將事先準(zhǔn)備好的木塞楔入。固定點(diǎn)位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如圖4所示。

圖4 氣凝膠氈鋪設(shè)示意圖

4.6 滲水盲管方案

對(duì)凍脹段落采用設(shè)泄水孔的方式進(jìn)行整治，沿橫斷面方向增加φ100mm 滲水盲管作為泄水孔。盲管施工時(shí)應(yīng)先進(jìn)行鉆孔。從路基兩側(cè)鉆孔設(shè)置盲管，縱向間距1.0m，并交錯(cuò)布置于凍脹段落處。

4.7 鋼圓管置換方案

采用非開(kāi)挖技術(shù)（頂進(jìn)作業(yè)）在運(yùn)營(yíng)條件下天窗時(shí)間對(duì)產(chǎn)生凍害的路基填料進(jìn)行掏挖，并置換為非凍脹性填料，達(dá)到降低或消除凍害的目的。根據(jù)填料置換的厚度、路基穩(wěn)定性和工效等要求，采用200～508mm 直徑的熱鍍鋅Q235-B 鋼管，鋼管厚度不應(yīng)小于10mm，鋼管內(nèi)采用C35 防水混凝土進(jìn)行回填。本方法施工案例甚少，目前只應(yīng)用于秦沈線鐵路凍害處理中，尚無(wú)成熟完備的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，但可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段探索不斷完善方案，為不中斷運(yùn)營(yíng)的既有鐵路線凍害整治提供新的解決問(wèn)題思路，如圖5所示。

圖5 鋼圓管置換方案示意圖

4.8 滲水盲溝方案

考慮到深層凍害多為地下水位高導(dǎo)致，因此降低地下水位是必要性前提條件，應(yīng)盡可能地減少水分的滲透并使土體維持在干燥狀態(tài)。通過(guò)鋪設(shè)滲水盲溝，可有效降低地下水位，完成深層病害處理工作。

上述措施均能對(duì)鐵路季節(jié)性路基凍害產(chǎn)生良好的整治效果，關(guān)鍵在于要提前分析凍害的成因，因癥施治，方能達(dá)到理想目的。通過(guò)丹大、秦沈等時(shí)速200km/h 以下鐵路路基凍害處理實(shí)踐，證明上述方案可行，能滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在鐵路路基凍害整治過(guò)程中，必須考慮項(xiàng)目所處位置及氣候條件，并對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行細(xì)致分析，在此基礎(chǔ)上選擇針對(duì)性強(qiáng)的凍害整治方法。此外，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件考慮方案的可操作性、經(jīng)濟(jì)性等因素，將整治方案予以完善。通過(guò)精研施作，科學(xué)管控，完成鐵路路基季節(jié)性?xún)龊μ幚砉ぷ?，以此提升鐵路路基的整體質(zhì)量，確保鐵路運(yùn)行安全。