嚴(yán)寒地區(qū)多年凍土高速鐵路路基施工技術(shù)研究

陳文全

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 引言

隨著人們對交通需求的不斷加大，在未來還會有越來越多的高速鐵路穿越我國的青海、西藏、新疆、東北等嚴(yán)寒地區(qū)，因此路基凍脹問題也必將成為建設(shè)單位需要重點考慮的問題之一，采用科學(xué)的防凍脹措施對提高路基施工質(zhì)量有著重要的現(xiàn)實意義。施工單位在施工過程中需要加強(qiáng)觀測工作，嚴(yán)格按照相應(yīng)的施工規(guī)范進(jìn)行施工，全面提高凍土路基的施工質(zhì)量，為列車的運(yùn)行安全提供堅實的保障。

1 嚴(yán)寒地區(qū)凍土的形成

在我國的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季會持續(xù)較長的時間，較長的低溫環(huán)境使土體出現(xiàn)凍結(jié)的情況，而且在溫度越低的情況下，土的凍脹問題也會越突出。一般情況下，0C 以下的土體開始結(jié)冰，之后進(jìn)一步降至負(fù)溫狀態(tài)，土中未凍含水率會逐步減少，而其膨脹量會逐步增加。凍土的大面積存在給區(qū)域施工造成了較大的難度，尤其是在高速鐵路的路基施工中，路基的凍脹問題已經(jīng)成為威脅路基施工的嚴(yán)峻問題。在不均勻凍脹的影響下，路基會出現(xiàn)不同程度的融沉及基床破壞（翻漿、開裂），導(dǎo)致鋼軌軌面不平順，這時列車即使減速也會受到影響，甚至?xí)l(fā)生傾覆的危險。由此可見，在凍土地區(qū)進(jìn)行高速鐵路路基施工必須要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況采取科學(xué)的措施，以便可以做好防護(hù)工作，避免路基凍脹對整個施工工程造成不利影響。

2 嚴(yán)寒地區(qū)多年凍土高速鐵路路基施工技術(shù)應(yīng)用實例

2.1 工程概況

新建鐵伊鐵路先行工程多年凍土路基分布在DK89+914.41—DK93+600 段內(nèi)，已探明多年凍土路基共有DK90+705—DK90+775、DK91+133—DK91+310、DK92+240—DK92+285、DK92+435—DK92+710、DK93+245—DK93+380 五段。整個施工段地質(zhì)比較復(fù)雜，包括了以粉粒及腐殖質(zhì)為主的種植土、含有礫石的粉質(zhì)黏土、潮濕的細(xì)砂、中密—密實的細(xì)圓礫土等，同時凍土面積分布廣泛，給該次施工帶來較大的難度。

2.2 施工方案設(shè)計

在該次工程施工中，選取的施工段落為DK91+133—DK91+310 段，工點施工長度177m，凍土上限埋深1.0～1.5m，下限埋深4.0～6.0m（見圖1）。該段路采取的是“挖除換填+熱棒+保溫板”施工方案。在施工過程中，需要基底挖除富冰凍土（粉質(zhì)黏土或粗砂多年凍土），挖除換填至多冰凍土層（粗圓礫土層）頂。在DK91+133—DK91+250 段采用熱棒（熱量傳遞裝置）措施保護(hù)多年凍土；在DK91+190—DK91+310段換填基底鋪設(shè)0.lm 厚XPS 保溫板，在保溫板上下各鋪設(shè)一層0.05m 厚中粗砂墊層。

圖1 凍土路基斷面（單位：m）

2.3 施工流程

2.3.1 測量放線

測量工作是路基施工的基礎(chǔ)工作，要求測量人員能夠嚴(yán)格地按照施工圖紙對換填處理范圍進(jìn)行定位放線。范圍為路基兩側(cè)排水溝外3m，撒上白灰線作為開挖線，測量地面高程確定開挖深度。

2.3.2 換填開挖

在該次施工中，換填開挖采用全斷面開挖形式，采用破碎錘破碎、挖掘機(jī)裝車、自卸汽車運(yùn)輸。按路基段落配備施工機(jī)械，盡快完成凍土開挖。施工配備4 臺挖掘機(jī)，以從路基段兩端縱向開挖的方式，一次性全部挖除飽冰凍土層。開挖過程中還需要施工人員加強(qiáng)對設(shè)計地質(zhì)的核對，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)不符時及時通知監(jiān)理、設(shè)計及建設(shè)單位，對施工方案進(jìn)行變更。

2.3.3 基底驗收

開挖至多冰凍土后，由施工、監(jiān)理、設(shè)計及建設(shè)單位共同對基底進(jìn)行驗收，驗收合格簽認(rèn)路基地質(zhì)核查記錄表后進(jìn)行砂墊層、XPS 保溫板及凍脹不敏感A、B組填料換填施工。

2.3.4 鋪設(shè)砂墊層、XPS 保溫板、砂墊層

開挖至多冰凍土層經(jīng)地質(zhì)確認(rèn)后，鋪設(shè)0.05m 中粗砂做褥墊層，精平后再鋪設(shè)0.lm 厚XPS 保溫板（鋪設(shè)兩層0.05m 厚XPS 保溫板）。為了提高施工效率，XPS 保溫板搭接以平接為主，接縫應(yīng)密閉，兩層保溫板層與層的接縫應(yīng)錯開，可有效防止上層熱量通過接縫直接向下傳遞，保溫板上鋪一層0.05m 砂墊層；砂墊層鋪好后，后面緊跟著繼續(xù)填筑路基換填材料。XPS 保溫板及換填緊跟開挖進(jìn)行，鋪設(shè)及填筑長度控制在30m 左右。XPS 保溫板鋪設(shè)見圖2。

圖2 XPS 保溫板鋪設(shè)示意圖

施工前，應(yīng)提前對進(jìn)場的XPS 保溫板進(jìn)行檢驗，其性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求：板厚≥5cm；壓縮變形5%時，抗壓強(qiáng)度＞0.3MPa；導(dǎo)熱系數(shù)≤0.027(W/m.C)；吸水率＜1%。

2.3.5 基底換填

凍土保護(hù)路基基底換填部分采用摻水泥凍脹不敏感A、B 組填料進(jìn)行換填，填料由1 號集料拌和站統(tǒng)一生產(chǎn)，自卸汽車運(yùn)至施工現(xiàn)場，按縱向法全斷面施工，推土機(jī)對填料進(jìn)行攤鋪，平地機(jī)找平后用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。碾壓完成后進(jìn)行自檢，自檢合格后報監(jiān)理工程師進(jìn)行現(xiàn)場驗收，合格后方可進(jìn)行下一填層施工。

2.3.6 路基填筑

路基填筑沿橫斷面全寬、縱向分層填筑，路基橫斷面寬度每側(cè)超填50cm。路基填筑按“三階段、四區(qū)段、八流程”的施工工藝組織施工，現(xiàn)場生產(chǎn)利用機(jī)械化流程作業(yè)。

2.3.7 熱棒安裝

熱棒是一種利用氣液相變原理傳輸熱量的元件，熱棒主要有以下幾種作用：一是可以消除施工產(chǎn)生的熱干擾，避免多年凍土地基出現(xiàn)衰退或者融化的情況；二是可以降低多年凍土的溫度并提高其承載力；三是可以回凍地基中已融化的多年凍土；四是可以調(diào)整路基人為上限的埋深和形態(tài)；五是可以防治基礎(chǔ)凍脹；六是可以防止地下水對路基的熱侵蝕。

熱棒由一根密封的金屬管與管內(nèi)充裝的工作介質(zhì)（如氮、氟利昂、丙烷、C0等）組成。金屬管的上部裝有散熱葉片，并且暴露于大氣環(huán)境中，主要是起到冷凝的作用，而金屬管的下部分埋在多年凍土中，這時候金屬管的上下兩部分會存在一定的溫差，上部分的液體工質(zhì)吸熱蒸發(fā)成為蒸氣，在壓差作用下，蒸氣沿管內(nèi)孔隙上升至冷凝段，與較冷的管壁接觸，放出汽化潛熱，冷凝成為液體，在重力作用下，冷凝液體工質(zhì)沿管壁回流蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)。經(jīng)過這一循環(huán)過程可以源源不斷地將地層中的熱量傳送至大氣中，起到降低多年凍土地溫的作用，從而防止多年凍土發(fā)生融化，保證了地基的穩(wěn)定性。熱棒安裝完成以后還需要進(jìn)行回填，即使用細(xì)砂回填在其周圍即可，回填的時候要逐層進(jìn)行并逐層夯實，在條件允許情況下對熱棒絕熱端進(jìn)行附加絕熱措施。熱棒的布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 熱棒布設(shè)示意圖(單位：m)

3 高速鐵路路基施工質(zhì)量控制措施

3.1 防凍層填料施工

在防凍層填料施工過程中，施工人員需要按設(shè)計要求控制路基填料細(xì)顆粒含量，并通過檢測防凍填料來確保細(xì)顆粒含量及滲透系數(shù)要求，以便最大程度保障路基的防凍性能。基床表層級配碎石需要分兩層進(jìn)行填筑，每一層都需要確保其壓實厚度15～30cm內(nèi)。在攤鋪過程中還需要注意調(diào)整其含水率，消除粗細(xì)料離析現(xiàn)象，并及時補(bǔ)平表面不平整的地方，確保其符合質(zhì)量要求。

3.2 填筑工藝關(guān)鍵技術(shù)

嚴(yán)寒地區(qū)路基施工應(yīng)嚴(yán)格按照“三階段、四區(qū)段、八流程”的施工工藝進(jìn)行施工。同時還需要注意以下幾個方面的問題：一是要求施工人員認(rèn)真核對施工區(qū)域的現(xiàn)場情況，嚴(yán)格按照施工圖紙進(jìn)行施工，遇到不可控路段等情況需要提前與設(shè)計管理人員做好交涉；二是要嚴(yán)格按照設(shè)計要求控制每層填筑面的排水坡度和平順度，可采取壓路機(jī)弱振完成后(碾壓第二遍后)以平地機(jī)精平、局部人工補(bǔ)料處理的辦法，避免填筑面出現(xiàn)排水不暢或局部水坑現(xiàn)象；三是要求路基填筑應(yīng)與護(hù)道土同時填筑，先填筑路基填料，后填筑護(hù)道土，其中路基填料上料需超填至少50cm，并人工整坡；四是嚴(yán)禁車輛在已填筑的路面上掉頭、倒車上料，防止破壞路基面。

3.3 沉降變形觀測

在施工中還需要加強(qiáng)沉降變形觀測，以便可以及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，監(jiān)測內(nèi)容包括對地基沉降監(jiān)測和路基面監(jiān)測。施工人員需要在每個工點設(shè)置不少于2 個觀測斷面，路堤段觀測斷面間距不大于50m，如果是對過渡段和地形地質(zhì)條件變化較大的地段進(jìn)行觀測還需要適當(dāng)加密。涵洞兩側(cè)路涵過渡段各設(shè)置1 個觀測斷面，涵洞中心里程路面設(shè)置1 個觀測斷面。另外，在路堤填筑施工過程中，各監(jiān)測斷面應(yīng)在路堤坡腳外2m 處設(shè)置位移觀測樁，觀測樁采用φ100mm 松圓木制作，觀測樁埋入深度不小于3.4m，樁頂露出地面的高度不應(yīng)大于10cm；沉降觀測點周圍壓路機(jī)碾壓不到的地方采用打夯機(jī)夯實，直到壓實指標(biāo)穩(wěn)定后停止夯實。保證全區(qū)段碾壓符合要求，做到壓實均勻，沒有漏壓、死角。

3.4 混凝土基床施工

混凝土基床的特性決定著其并不會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，在其施工中需要施工人員能夠嚴(yán)格按照混凝土及模板相關(guān)規(guī)范進(jìn)行科學(xué)的施工。在施工過程中還需要注意以下幾個方面：一是在大體積混凝土的澆筑中需要合理控制混凝土的配合比以及澆筑溫度等環(huán)節(jié)，尤其是溫度的影響極易造成混凝土開裂，因此在澆筑的時候應(yīng)該使用溜槽或泵車進(jìn)行澆筑，并做好混凝土收面工作，還需要注意在坡面混凝土澆筑時，施工人員需要在坡面安裝厚度為25cm 的鋼模板，加固完成后，即可澆筑上部的混凝土，并振搗密實；二是要重視對混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，比如針對混凝土的灑水工作，養(yǎng)護(hù)期間還需要對混凝土進(jìn)行保水、防曬及雨季防雨等多層保護(hù)。

3.5 臨時排水施工

凍土保護(hù)路基的臨時排水溝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離路基坡腳不小于2m，且排水順暢，不得在路基坡腳附近形成積水洼地，以免引起路基多年凍土融化，影響路基穩(wěn)定，施工中采用的排水溝多為寬淺形式，以減少對多年凍土的熱干擾；臨時性排水系統(tǒng)應(yīng)始終保持暢通，將積水引排至路基坡腳5m 以外。施工人員還需要注意，在基底開挖過程中，在距離邊坡0.5m 處設(shè)置擋水埝，防止積水流入基坑。同時為防止多年凍土路基兩側(cè)浸水路基地下水或地表水侵入基底，破壞多年凍土，應(yīng)在浸水路基與凍土路基交界處設(shè)置集水坑，對浸水路基地下水進(jìn)行引排。通過臨時排水施工能夠最大程度防止積水對路基施工造成的不利影響，并維持土層的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上所述，嚴(yán)寒地區(qū)多年凍土環(huán)境對高速鐵路路基施工影響比較大，通過采用“挖除換填+熱棒+保溫板”施工方案可以有效地解決凍土帶來的不利影響。在施工過程中，需要施工單位結(jié)合施工區(qū)域的凍土情況采取科學(xué)的處理措施，同時還需要加強(qiáng)對路基填筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、排水工程施工等環(huán)節(jié)的管理工作，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工，從而全面保障高速鐵路工程的施工質(zhì)量。