季節(jié)凍土地區(qū)高速鐵路路基設(shè)計

崔維孝

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司, 天津 300300)

隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，中國高速鐵路技術(shù)取得了長足的進步，高速鐵路運營里程已超過3萬km。哈大、哈齊高速鐵路的成功建設(shè)，記錄了滿足高速鐵路無砟軌道平順運行的季節(jié)凍土地區(qū)，路基凍脹變形控制技術(shù)從發(fā)展到成熟的過程。從嚴格意義上講，我國首條高速無砟軌道—京津城際鐵路也位于季節(jié)凍土地區(qū)，但業(yè)內(nèi)更認為高速鐵路路基凍脹變形控制的真正考驗始于哈大高速鐵路。

京津城際鐵路沿線土壤最大凍結(jié)深度0.8 m，設(shè)計主要對路基基床表層級配碎石的細顆粒含量提出了要求：顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于5.0%(重量比)；壓實后顆粒粒徑d≤0.075 mm含量不大于7.0%[1]。開通運營后未發(fā)生影響軌道平順性的凍脹變形。

2012年2月，哈大高速鐵路建設(shè)過程中，軌檢發(fā)現(xiàn)有4處平順性超標較為嚴重，路基凍脹問題隨之獲得廣泛關(guān)注，氣象資料表明，超標嚴重的4處路基地段，土壤最大凍結(jié)深度為0.93～1.06 m。當(dāng)時在建的盤營、沈丹、哈齊等高速鐵路無砟軌道相應(yīng)開展了對路基防凍措施的重新審視，對于自然條件更為惡劣的哈齊高速鐵路，甚至建議改為有砟軌道。2015年8月17日，哈齊高速鐵路建成通車，四年多的安全運營早已證明采用無砟軌道的正確性，同時對于路基防凍脹技術(shù)的發(fā)展更是具有里程碑的意義。

1 哈大高速鐵路基凍脹變形控制

1.1 工程概況

哈大高速鐵路南起大連，經(jīng)遼寧省營口、鞍山、遼陽、沈陽、鐵嶺，吉林省四平、長春、松原，終至黑龍江省會哈爾濱，線路縱貫東北三省，途徑3個省會城市和7個地級市及其所轄區(qū)縣。

線路沿線經(jīng)過低山緩丘區(qū)、剝蝕平原微丘區(qū)、濱海平原區(qū)、沖洪積平原區(qū)等地貌單元，工程涉及地層有粉土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)黃土、砂礫石土、泥巖夾砂巖、安山巖、花崗巖等。沿線地下水主要有第四系松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。

哈大高速鐵路沿線氣候寒冷，其極端最低溫度-39.9 ℃，最大積雪厚度30 cm，沿線土壤最大凍結(jié)深度0.93～2.05 m，每年從10月開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，經(jīng)歷時間長達5～6個月。

哈大高速鐵路線路長903.939 km，路基地段長231.245 km，其中無砟軌道地段路基長181.97 km(路堤地段長111.95 km，路塹地段長70.02 km)。

1.2 路基防凍設(shè)計

圍繞路基凍脹三要素中的土質(zhì)和水，路基防凍設(shè)計遵循了本體防凍為主，封水和排水為輔的原則。沈大段路基采用的防凍脹措施主要有[2]：

(1)路基表面封水

路基表面設(shè)置纖維混凝土封水層，以利于路基表面排水和減少地表水下滲。

(2)路基表面防凍層

路基表面設(shè)置防凍層，厚度等于從氣象部門得到的土壤最大凍結(jié)深度。

防凍層主要由0.55 m厚級配碎石和A、B組填料兩部分組成。防凍層級配碎石需滿足顆粒粒徑d≤0.075 mm的含量不大于5.0%，壓實后不大于7.0%的要求。防凍層A、B組填料需滿足顆粒粒徑d≤0.075 mm的含量不大于15%的要求。考慮到防凍層下部細顆粒含量控制要求相對較低，防凍性能低于上部的級配碎石，于兩層之間設(shè)置了0.05 m厚的中粗砂+兩布一膜不透水土工布隔水層。

路塹地段均采用路堤式路塹斷面形式，路堤高度0.7 m。弱風(fēng)化～未風(fēng)化硬質(zhì)巖路塹采用天然基床，超挖時以C20混凝土找平。弱風(fēng)化及未風(fēng)化的泥灰?guī)r和強風(fēng)化硬質(zhì)巖路塹基床表面以下?lián)Q填0.55 m厚防凍層級配碎石，其它路塹換填厚度均不小于防凍層厚度。

(3)排水措施

每隔一定距離于線間設(shè)置擋水緣，對應(yīng)擋水緣處在軌道底座設(shè)置排水管實現(xiàn)線間排水。路塹段路基面兩側(cè)設(shè)置側(cè)溝。地下水位較高的路塹及低路堤地段設(shè)置滲水盲溝。路基換填厚度不小于防凍層厚度的地段，于換填層底部設(shè)置復(fù)合排水網(wǎng)，底部兩側(cè)設(shè)滲水盲管。

(4)過渡段

過渡段填筑采用摻5%水泥的級配碎石。

1．3 凍脹變形情況[3]

哈大高速鐵路2012-2013年度路基地段軌道凸臺凍脹變形觀測結(jié)果如表1所示，凍脹變形小于4 mm的百分比分類統(tǒng)計如表2所示。由表2 可知，全線凍脹變形小于4 mm的測點占全部測點的61.1%，其中路堤地段為45.6%，路塹地段為59.1%，過渡段為73%。路塹地段變形控制情況總體優(yōu)于路堤地段。

表1 2012-2013年度路基地段凍脹變形統(tǒng)計表

表2 2012-2013年度凍脹變形小于4 mm的百分比分類統(tǒng)計表

2013-2014年度變形觀測區(qū)段主要選取了 2012-2013年度檢測凍脹變形≥5 mm的區(qū)段，將相同段落2012-2013年度與2013-2014年度凍脹變形的數(shù)據(jù)進行對比,如表3所示。從表3可以看出，凍脹變形小于4 mm的測點百分比由49%增加至60.3%，大于12mm的測點百分比由5.8%減少至3.3%。路基防凍性能具有隨時間延續(xù)趨好的勢頭，路堤與路塹地段均具有相同的趨勢(如表4、表5所示)。路堤地段由36.2%增加至57.4%，路塹地段由34.5%增加至49.3%，路堤地段改善的百分比更高。

表3 相同觀測區(qū)段凍脹變形年度變化統(tǒng)計表

表4 路堤地段相同觀測區(qū)段凍脹變形年度變化統(tǒng)計表

表5 路塹地段相同觀測區(qū)段凍脹變形年度變化統(tǒng)計表

2 哈齊高速鐵路凍脹變形控制

2．1 工程概況

哈齊高速鐵路線路長280.879 km，路基地段長107.3 km(無砟軌道路基長103.53 km)，其中填高小于基床厚度的路基地段累計40.86 km，占全線路基長度的38.1%。

哈齊高速鐵路位于松嫩平原，其中DK 139+264～DK 144+380段位于龍鳳濕地，DK 221+940～DK 253+420段位于扎龍濕地。沿線河流均屬松花江水系，主要河流有松花江、嫩江以及一些小的支流。沿線地下水較豐富，地下水類型主要為第四系孔隙潛水，局部為基巖裂隙水及承壓水。地下水埋深0～16.30 m(高程113.06～134.49 m)，主要含水層為砂類土及碎石類土。主要靠大氣降水和地表水補給，水位變幅1.0～3.0 m。沿線大部分地段屬于中溫帶亞濕潤～亞干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。沿線最冷月平均氣溫均低 于-15 ℃，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，均屬于嚴寒地區(qū)。土壤最大凍結(jié)深度1.89～2.72 m。

2.2 路基防凍設(shè)計

本線地處嚴寒地區(qū)，路基防凍主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床結(jié)構(gòu)、設(shè)置隔水層及防凍脹護道、加強表水的排除等措施[4]。

(1)限制路堤最小高度

路堤高度原則上大于土壤最大凍結(jié)深度+0.5 m，常年積水地段，路基面應(yīng)高于常水位以上且不小于土壤最大凍結(jié)深度+0.5 m。

(2)路基面防排水設(shè)計

基床表層頂部設(shè)置0.08 m厚纖維混凝土封水層，無砟軌道路基地段線間排水采用在底座間設(shè)置橫向排水通道的方式。

(3)一般路基地段防凍脹設(shè)計

路基表面設(shè)置防凍層，厚度等于從氣象部門搜集得到的土壤最大凍結(jié)深度+0.25 m。防凍層由0.4 m厚摻5%水泥的級配碎石和A、B組填料兩部分組成。防凍層級配碎石細顆粒含量不大于5.0%，0.02 mm以下顆粒質(zhì)量百分率不大于3%。防凍層A、B組填料細顆粒含量不大于5%、壓實后不大于7%，壓實后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s。粒徑小于 0.5 mm的細顆粒的液限不大于25%，塑性指數(shù)小于6。不允許含有黏土及其它雜質(zhì)。

(4)低路堤防凍設(shè)計

由于地勢低洼，不具備降水條件，對于路肩高程距離地下水位高程小于土壤最大凍結(jié)深度+2.0 m的低路堤段(累計27.4 km)設(shè)置了混凝土基床?；炷粱膊捎肅35素混凝土澆筑，表面設(shè)置鋼筋網(wǎng)，厚度為土壤最大凍結(jié)深度+0.25 m。混凝土基床每隔20 m設(shè)置1道伸縮縫，縫內(nèi)填塞木絲板并設(shè)置傳力桿鋼筋調(diào)整差異變形。

路肩高程距離地下水位高程大于土壤最大凍結(jié)深度+2.0 m的低路堤段(累計10.4 km)的防凍層設(shè)計與一般路基地段相同，于路基既有線側(cè)設(shè)置滲水盲溝，因地勢低洼不具備自然排水條件，沿線路長度間隔約150 m設(shè)置滲水井，將滲水盲溝匯集的水通過滲水井導(dǎo)入地下地層疏排。

(5)保溫護道設(shè)計

一般路基地段坡腳兩側(cè)設(shè)置保溫護道，護道寬度不小于2.5 m，護道頂面位于基床表層底面，護道內(nèi)設(shè)置0.3 m厚滲水土排水層。

2.3 凍脹變形情況[5]

連續(xù)3個冬季的觀測資料表明，混凝土基床地段凍脹量小于4 mm的百分比達90%以上，且逐年提高。隨著底座板、軌道板等鋪設(shè)完成，2014-2015年冬季混凝土基床監(jiān)測點凍脹量均小于4 mm。2012-2015年度混凝土基床地段凍脹變形統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 混凝土基床地段凍脹變形統(tǒng)計表

采用填料作為防凍層的路基地段，凍脹量小于4 mm的百分比同樣具有逐年增加的特點，如表7所示。2012-2013年冬季路基基床表層尚未填筑，凍脹量小于4 mm的百分比僅為57.0%，2013-2014年冬季路基表層填筑完成，凍脹量小于4 mm的百分比提高至91.8%，2014-2015年冬季，凍脹量小于4 mm的百分比已高達99.3%。

表7 填料防凍層地段凍脹變形統(tǒng)計表

2.4 路基試驗段

哈齊高速鐵路路基防凍試驗段位于宋站附近，起訖里程為DK 96+300～DK 96+850，沿線地勢低洼，常年積水，土壤最大凍結(jié)深度2.14 m，路堤填高3.5～4.1 m。為避免地面積水對路基凍脹產(chǎn)生不利影響，路基防凍層以下填筑碎石，試驗段的工程方案如表8所示，施工采用的級配碎石粒徑級配如表9所示。根據(jù)2014-2015年冬季的觀測結(jié)果，試驗段各段凍結(jié)深度為2.3～3.1 m，各段最大凍脹變形分別為1.6 mm、2.1 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.1 mm和5.4 mm。

表8 試驗段工程方案表

表9 試驗段級配碎石粒徑參數(shù)表

DK 96+400～DK 96+550段路基表面未采取封水措施，最大凍脹變形2.1 mm，與采取不同封水措施的其它各段比較，防凍脹性能沒有明顯差別。鑒于高速鐵路廣泛采用的纖維混凝土封閉層存在大量結(jié)構(gòu)縫，不可避免地產(chǎn)生滲漏，在采用滲透性能良好的填料防凍的前提下，封堵措施不是不可或缺的。

DK 96+550～DK 96+600段路基采用了不依賴于接縫處理的路基面封堵方案，即在路基面可能下滲的部位鋪設(shè)防水層，其上覆蓋防止防水層老化的保護層。但預(yù)制塊體鋪面不滿足工務(wù)部門要求，該方案在推廣應(yīng)用時將保護層由預(yù)制鋪面(如圖1所示)調(diào)整為纖維混凝土現(xiàn)澆。

圖1 施工完成的預(yù)制鋪面路基面圖

考慮到滲透性級配碎石的壓實性能相對偏差，DK 96+500～DK 96+850段路基采用了雙層結(jié)構(gòu)，表層摻加一定比例的水泥可提高壓實性能，并減少表水下滲；下層滲透性較好，可避免表層下滲水的滯留，從而提高抗凍脹性能，是一種值得推廣的結(jié)構(gòu)形式。

3 路基凍脹變形控制要求

現(xiàn)行規(guī)范沒有針對路基凍脹變形提出限值，中國鐵道科學(xué)研究院建議了基于不平順的凍脹控制峰值[6]，如表10所示。

表10 基于不平順的凍脹峰值控制建議值表(速度300 km/h)

項目路基凍脹管理值/mm波長范圍Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級≤10 m6101210～20 m10121520～40 m141620

4 防凍層填料技術(shù)要求

將試樣泡水，自由滲透24 h，然后對試樣進行凍脹試驗，得到最不利條件下填料的凍脹試驗結(jié)果[6]，如圖2所示。隨著礫以下顆粒的不斷剔除，試樣的凍脹率不斷降低，當(dāng)0.075 mm以下粒徑顆粒被剔除后，粗骨料的凍脹率均小于0.65%。

圖2 細粒含量對凍脹的影響圖

按凍結(jié)厚度3 m計算，凍脹率0.65%可以達到的凍脹變形為19.5 mm，路基采用填料防凍脹變形不能滿足高速鐵路的要求。但因?qū)嶒炇夷M的是最不利條件，實際工程中，由于采取了防排水等輔助性工程措施，最不利條件幾乎不會發(fā)生。

基于哈齊等高速鐵路的成功建設(shè)，哈齊高速鐵路防凍層填料的技術(shù)要求可以滿足高速鐵路凍脹變形控制要求，沒有進一步提高的必要性。

5 防凍層厚度的確定

哈大高速鐵路沈大段路基防凍層厚度采用了從氣象部門收集的土壤最大凍結(jié)深度，哈齊高速鐵路則在土壤最大凍結(jié)深度的基礎(chǔ)上增加了0.25 m。鑒于哈齊高速鐵路采用的混凝土基床導(dǎo)熱系數(shù)均高于土壤凍結(jié)深度測定所設(shè)定的土質(zhì)條件，就出現(xiàn)了按土壤最大凍結(jié)深度設(shè)防是否可靠的問題。

哈大、哈齊、沈丹等高速鐵路均進行了相關(guān)測量，均存在實測凍結(jié)深度大于收集資料確定的土壤最大凍結(jié)深度的情況。沈丹高速鐵路部分測量結(jié)果如表11所示。

表11 沈丹高速鐵路實測凍結(jié)深度與土壤最大凍結(jié)深度對比表

盡管如此，目前尚未發(fā)現(xiàn)由于設(shè)防厚度不足而引起的高速鐵路路基凍脹病害，究其原因，有害凍結(jié)深度的概念已經(jīng)提出多年，不是所有的凍結(jié)都會產(chǎn)生凍脹變形，由于上覆荷載的約束作用，深部凍結(jié)的凍脹效應(yīng)被削弱。

為提高路基防凍脹厚度確定的可靠性和合理性，借鑒JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計凍結(jié)深度基于標準凍結(jié)深度，考慮土的類別、凍脹性、周圍環(huán)境及地形環(huán)境綜合確定[7]。設(shè)計時，若確定的設(shè)計凍結(jié)深度小于觀測所得土壤最大凍結(jié)深度，宜按土壤最大凍結(jié)深度取值。

圖3 Cryosphere Engineering Laboratory測量成果圖

6 軌道結(jié)構(gòu)對路基凍脹變形的影響

雖然無砟軌道結(jié)構(gòu)對變形的控制要求比有砟軌道要嚴格得多，可對于路基凍脹變形控制的重視程度也因高速鐵路無砟軌道而顯著提高。但不容忽視的是，與無砟軌道相比，有砟軌道路基工程的凍脹變形控制更具有難度，原因一是無砟軌道結(jié)構(gòu)的整體性對路基變形具有消峰去谷的調(diào)整的作用，原因二是2014年8月Satoshi AKAGAWA在哈爾濱第十屆國際凍土工程會議上介紹的Cryosphere Engineering Laboratory試驗成果(如圖3所示)表明，有砟軌道道砟層的凍脹變形也會非常顯著。

7 結(jié)束語

本文通過對哈大和哈齊鐵路的防凍脹設(shè)計措施、變形監(jiān)測結(jié)果及相關(guān)研究成果的介紹，闡述了對路基防凍結(jié)構(gòu)、防凍層厚度、防凍填料技術(shù)要求、路基凍脹變形發(fā)展規(guī)律等的認識。

(1)對于地下水位較高或常年積水且不具備降排水條件的低路堤地段，路基防凍通常采用混凝土基床。為防止溫度變化引起的翹曲變形，混凝土基床伸縮縫間距宜控制在10 m左右。

(2)季節(jié)凍土地區(qū)采用填料填筑的路基會發(fā)生凍脹變形，防凍層填料滿足一定要求的前提下，凍脹變形不會影響線路平順性，可保證高速鐵路安全平穩(wěn)運營。

(3)凍脹變形小于4 mm的百分比隨時間的推移逐漸增加，是東北地區(qū)各條高速鐵路路基凍脹變形的共同特點，說明路基抗凍脹變形能力的穩(wěn)定需要一定的時間。

(4)反復(fù)出現(xiàn)的大的凍脹變形往往是因填料細顆粒含量超標較多或者明顯排水不暢引起的。施工期應(yīng)通過變形監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)可能形成凍害的隱患并進行治理。

哈大高速鐵路最初發(fā)現(xiàn)軌檢超標嚴重地段的土壤最大凍結(jié)深度僅比京津高速鐵路大0.13～0.26 m。說明路基凍脹變形觀測結(jié)果反映的是路基抗凍脹變形的能力，但作為設(shè)計方案評價的尺度，未必是客觀和合理的。路基作為結(jié)構(gòu)物，其設(shè)計和施工的理念還需要進一步實質(zhì)推行。