季凍區(qū)在建鐵路路基凍害防治措施研究

朱志有　李雄銳　王珍?！∩┩?/p>

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)季凍區(qū)既有鐵路路基凍害研究積累了諸多經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的工程實(shí)踐效果。但是，在地質(zhì)、氣候、凍融循環(huán)等諸多因素的共同影響下，季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)鐵路路基凍害問(wèn)題仍舊突出。在交通強(qiáng)國(guó)、東北老工業(yè)基地振興、川藏鐵路建設(shè)等新時(shí)代戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，將有更多的鐵路工程向季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)推進(jìn)，進(jìn)一步完善我國(guó)鐵路網(wǎng)。為此，對(duì)鐵路路基凍害特征、凍害成因進(jìn)行整理分析，針對(duì)規(guī)劃中及建設(shè)過(guò)程中的鐵路提出相應(yīng)路基凍害預(yù)防措施，避免鐵路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)路基凍害。

關(guān)鍵詞：鐵路;路基凍害;凍脹

中圖分類(lèi)號(hào)：U216.412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0110-03

Research on Prevention and Control Measures of Freezing Damage

of Railway Subgrade Under Construction in Seasonal Frozen Area

ZHU Zhiyou LI Xiongrui WANG Zhenfu SANG Yanting

（China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 404100）

Abstract： In recent years， a lot of experience has been accumulated in the research on frost damage of existing railway subgrades in seasonal freezing areas in China， and good engineering practice results have been achieved. However， under the combined influence of many factors such as geology， climate， and freeze-thaw cycles， the problem of frost damage to railway subgrades in seasonally frozen soil areas is still prominent. Driven by new era strategies such as the power of transportation， the revitalization of the old industrial base in Northeast China， and the Sichuan-Tibet Railway， more railway projects will be promoted to seasonally frozen soil areas， and China's railway network will be further improved. To analyze the characteristics of railway subgrade freezing damage and the causes of freezing damage， and then proposes corresponding subgrade freezing damage prevention measures for railways in the planning and construction process to avoid frequent subgrade freezing damage during railway operation.

Keywords：railway; frost damage of subgrade;frost heave

我國(guó)多年凍土面積約2.06×10 km，占全國(guó)陸地面積的21.5%;季節(jié)性?xún)鐾撩娣e約5.14×10 km，占全國(guó)陸地面積的53.5%[1]。凍土在凍結(jié)狀態(tài)下強(qiáng)度較大、壓縮模量高，具有彈性體的工程性質(zhì)特征。但是，當(dāng)溫度升高時(shí)其凍結(jié)狀態(tài)逐漸消失，土體強(qiáng)度急劇下降，并產(chǎn)生凍土蠕變和流變現(xiàn)象[2]。在交通強(qiáng)國(guó)、東北老工業(yè)基地振興、川藏鐵路建設(shè)等新時(shí)代戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)凍土區(qū)鐵路網(wǎng)將進(jìn)一步完善。凍土地區(qū)所特有的地理位置、氣候特征及地質(zhì)條件等因素，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，其中路基凍害就是一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題。

由于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)冬季溫度低，夏季溫度高，土體常年處于凍融循環(huán)過(guò)程中，導(dǎo)致該類(lèi)土體在不同的季節(jié)結(jié)構(gòu)受力存在極大的差異。土體凍融循環(huán)還可能會(huì)導(dǎo)致土體在不同的季節(jié)出現(xiàn)塌陷及鼓包的現(xiàn)象，導(dǎo)致在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)經(jīng)常出現(xiàn)路基凍害。近年來(lái)，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者圍繞季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)既有鐵路路基凍害防治措施開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究，取得了豐碩的成果，但是對(duì)凍土區(qū)鐵路路基建設(shè)完成之前的相應(yīng)防凍害措施研究較少，故筆者擬對(duì)相關(guān)建設(shè)過(guò)程中的鐵路路基凍害防治措施展開(kāi)研究。

1 鐵路路基主要凍害

1.1 凍脹

季凍區(qū)鐵路路基凍害主要為路基凍脹，因路基凍脹而出現(xiàn)的路基病害主要表現(xiàn)為路基縱橫向撓曲變形。路基縱橫向撓曲變形對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)危害較大，線路縱橫向變形不均勻，如圖1所示。路基凍脹裂縫在季凍區(qū)較易出現(xiàn)，且在早期建設(shè)過(guò)程中低溫環(huán)境下易發(fā)生早期凍脹裂縫。隨著線路投入運(yùn)營(yíng)和長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用，早期凍脹裂縫未進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，融雪水、雨水不斷侵入，導(dǎo)致路基凍脹裂縫寬度、長(zhǎng)度不斷增大。鐵路凍脹直接影響鐵路運(yùn)營(yíng)的平順性且嚴(yán)重威脅運(yùn)營(yíng)安全。

1.2 融沉翻漿、變形

路基沉降變形是季凍區(qū)鐵路工程最主要的病害，且在含水量較大的黏性土地帶極易發(fā)生。有學(xué)者對(duì)青藏鐵路沿線路基變形進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)超過(guò)85%的路基變形為融沉變形，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全造成了極大隱患[3]。另外，凍結(jié)期路基表面水分積聚，且春融期路基中水分自上而下融化后來(lái)不及排出，導(dǎo)致路基反復(fù)凍融循環(huán)，最終因?yàn)槁坊鶑?qiáng)度降低至不能承受外荷載而造成路基結(jié)構(gòu)破壞，如圖2所示。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害

隨著全球氣候變暖，多年凍土區(qū)逐漸融化，導(dǎo)致原本穩(wěn)定的凍土環(huán)境逐漸脆弱。在凍土區(qū)進(jìn)行相關(guān)工程活動(dòng)會(huì)進(jìn)一步擾動(dòng)脆弱凍土環(huán)境，誘發(fā)沿線落石、風(fēng)沙及崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，給工程施工安全及后期運(yùn)營(yíng)安全造成隱患。因此，在季凍區(qū)進(jìn)行工程施工時(shí)須采取合理的施工工藝、工程結(jié)構(gòu)確保新建結(jié)構(gòu)與原凍土間的熱平衡。

2 凍害主要成因

現(xiàn)階段，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)鐵路路基凍害的研究成果表明，鐵路路基結(jié)構(gòu)形式、路塹及路基基床填料物理性質(zhì)、含水量及環(huán)境低溫等因素是影響鐵路路基凍脹的主要因素。其中，填料自身物理性質(zhì)是引起路基凍脹的內(nèi)因，環(huán)境低溫是引起路基凍脹的外因，水分是引起路基凍脹的充分必要條件，三個(gè)基本因素的不利組合導(dǎo)致路基凍脹。

多年凍土對(duì)外界氣候變化極為敏感，尤其是外界溫度變化。隨著全球氣候變暖，多年凍土逐漸融化，凍土區(qū)鐵路路基隨著地下凍土融化也遭到破壞，出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。凍土融沉與路基土體、土體含水量及凍土層中粉黏粒含量等因素密切相關(guān)。另外，有研究表明，積水滲透和路堤本身熱效應(yīng)同樣會(huì)引起路基的融沉。

3 鐵路路基凍害防治措施

我國(guó)凍土區(qū)已建成的代表性鐵路有青藏鐵路、丹大鐵路等，而在規(guī)劃建設(shè)中具有代表性的鐵路有川藏鐵路等，將進(jìn)一步完善鐵路網(wǎng)。為保證今后列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)建設(shè)過(guò)程中鐵路路基凍害防治措施展開(kāi)研究十分必要。近年來(lái)，諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)路基凍害防治進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的鐵路和規(guī)劃建設(shè)中的鐵路路基凍害防治積累了一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)階段通常采用路基填料法、消極保溫法、排水隔水法、換填法及優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)形式等方法對(duì)建設(shè)中的鐵路路基凍害進(jìn)行防治。

3.1 合理選取路基填料法

在路基填料方面，可以采用在凍土區(qū)設(shè)置細(xì)顆粒含量小于15%的礫類(lèi)、碎石類(lèi)等不凍脹土路基防凍層的方式對(duì)路基凍害進(jìn)行預(yù)防。另外，可采用將水泥、石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)材料加入粗顆粒填料的方法對(duì)填料滲透性和凍脹特性進(jìn)行改良，減小級(jí)配碎石的滲透系數(shù)和凍脹率。

3.2 消極保溫法

通過(guò)在路基內(nèi)鋪設(shè)保溫材料，利用熱阻效應(yīng)延緩凍土融化，減弱路基周期性?xún)鋈谘h(huán)的方法可以減弱凍土周期性?xún)鋈谘h(huán)對(duì)路基的危害?？刹捎肞U保溫板、半導(dǎo)體制冷裝置、熱棒及熱棒樁基礎(chǔ)等材料或裝置進(jìn)行凍土保溫，延緩凍土融化對(duì)路基凍害的影響。

3.3 排水隔水法

水是路基凍脹的必要條件，所以減弱路基凍害可以從排水隔水的思路出發(fā)?，F(xiàn)階段，排水法主要分為地表排水和地下水引導(dǎo)。隔水法主要在路基土體內(nèi)設(shè)置一層隔水層，直接減弱甚至阻止隔水層上下水分交換。兩種方法都是以減小路基土體含水量的方式防治路基凍害。在實(shí)際工程中，合理選擇排水隔水方法不僅能夠起到良好的凍害防治效果，還能夠節(jié)約工程成本。但是，如果不結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件、水文條件等因素進(jìn)行考慮便采用該方法，可能會(huì)使凍害防治效果大打折扣，甚至?xí)?duì)工程造成危害[4]。

3.4 換填法

換填法具有施工簡(jiǎn)便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是，采用換填法對(duì)路基凍害進(jìn)行防治時(shí)，換填深度隨著地區(qū)、路基凍脹變形的有效控制范圍等因素的不同而不同。路基凍害防治效果取決于換填深度?，F(xiàn)有研究成果表明，換填粗顆粒的方法能減小路基凍脹量，但是對(duì)土體中水分遷移的防治效果不明顯[5]。粗顆粒填土含水率在凍融循環(huán)作用下會(huì)逐漸提高，可能會(huì)發(fā)生翻漿現(xiàn)象[6-7]。因此，換填法的適用范圍及有效性等方面還需要進(jìn)行深入的研究。

3.5 路基結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

路基斷面形式對(duì)路基凍害的影響不可忽視。由于路基為線狀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師通常將路基段面形式設(shè)計(jì)成零挖填、路塹及路堤等不同結(jié)構(gòu)形式。有專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)該方面展開(kāi)研究，結(jié)果表明[8]：路塹及零挖填部位地下水往往比較活躍，最終導(dǎo)致上述位置路基凍脹且發(fā)生概率較大。所以，鐵路工程抗凍設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)把控該部位。

路堤高度會(huì)對(duì)多年凍土區(qū)及季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)路基熱穩(wěn)定性造成影響。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時(shí)，可重點(diǎn)考慮路堤高度對(duì)路基下層凍土熱穩(wěn)定性的影響，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，確保路基下層凍土不會(huì)形成融化夾層，同時(shí)凍土上限不會(huì)發(fā)生下移。另外，在多年凍土區(qū)建設(shè)鐵路時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槁坊孛嫘问降牟煌鴮?dǎo)致原地表水文條件改變，破壞原地表熱平衡，嚴(yán)重影響路基穩(wěn)定性。因此，在鐵路路堤設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)合適路堤高度進(jìn)行考慮的同時(shí)，需輔以相關(guān)凍土保護(hù)措施。

4 結(jié)論

①通過(guò)對(duì)鐵路路基凍害特征、凍害成因進(jìn)行分析，針對(duì)規(guī)劃及在建鐵路提出相應(yīng)路基凍害預(yù)防措施，避免鐵路在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)路基凍害。

②鐵路路基凍害防治已逐漸向綜合防治方向發(fā)展，但是在實(shí)際工程中運(yùn)用較少，需進(jìn)一步研究路基凍害綜合防治措施的實(shí)用性及有效性。

③改變路基結(jié)構(gòu)形式能夠?qū)β坊鶅雒涍M(jìn)行有效防治，但是會(huì)對(duì)地底凍土與上層熱交換造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)破壞多年凍土區(qū)凍融平衡，應(yīng)加強(qiáng)在路基結(jié)構(gòu)形式方面的研究，有效防治路基凍害，維持凍土區(qū)原有的凍融平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧友生，劉俊聰，彭程譜，等.鐵道路基凍害防治方法研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021（1）：1-8.

[2]喬建偉，鄭建國(guó)，劉爭(zhēng)宏，等.“一帶一路”沿線特殊巖土分布與主要工程問(wèn)題[J].災(zāi)害學(xué)，2019（1）：65-71.

[3]穆彥虎，馬巍，牛富俊，等.多年凍土區(qū)道路工程病害類(lèi)型及特征研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2014（3）：259-267.

[4]李雨濃，張喜發(fā)，冷毅飛，等.季凍區(qū)高速公路路基凍害調(diào)查及試驗(yàn)觀測(cè)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：617-623.

[5]盛岱超，張升，李希.高速列車(chē)與路基凍脹相互作用機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013（12）：2186-2191.

[6]劉德仁，賴(lài)遠(yuǎn)明，董元宏，等.凍土區(qū)塊石夾層路基防凍脹翻漿效果試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012（3）：753-756.

[7]李安原，牛永紅，牛富俊，等.粗顆粒土凍脹特性和防治措施研究現(xiàn)狀[J].冰川凍土，2015（1）：202-210.

[8]張啟進(jìn).高速公路路塹段路基凍脹翻漿的原因與防治[J].遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000（2）：31-34.