京哈線秦沈段凍害整治方法的研究

翟 峰

(沈陽鐵路局工務處，沈陽 110001)

1 概述

京哈線秦(皇島)沈(陽北)段是我國建設的第一條客運專線，在我局經由山海關、綏中北、葫蘆島北、錦州南、盤錦北、臺安、遼中、皇姑屯站，止于沈陽北站，線路全長391.155 km。1999年開工，2002年12月初驗;2003年4月1日試運營，2003年10月12日正式開通運營。秦沈段運營的最高速度為250 km/h，2011年調整為200 km/h。

2003年2月上旬，正式投入運營前，發現軌道幾何尺寸不良變化135處(其中:路塹地段38處，路堤地段97處)，當時只對路塹地段的38處確認為凍害，并于當年4月份采用了換土和鋪設土工布等辦法進行了整治，效果良好。

2003年10月12日正式開通運營后，當年冬季路基便出現了季節性凍害現象，大部分位于涵洞頂部，最大凍高達21 mm。由于當時列車對數少，且速度低，凍害對行車的影響還不明顯，沒有引起高度重視。

2003～2004年冬季，發現軌道幾何尺寸不良變化264處(5 mm以上)，其中119處位于涵洞頂部，并確認為凍害。

2004～2005年冬季發現凍害370處(5 mm以上)，其中208處位于涵洞頂部，最大凍高21 mm，位于K671+365處。

2005～2006年冬季發現凍害651處(5 mm以上)，其中291處位于涵洞頂部，最大凍高20 mm，位于K671+365和K671+800處。

2006～2007年冬季發現凍害464處(5 mm以上)，其中391處位于涵洞頂部，最大凍高21 mm，位于K671+365處。

2007～2008年冬季發現凍害1242處(由于開行動車組，統計2 mm及以上凍害)，其中585處位于涵洞頂部，最大凍高18 mm，位于K591+035處。

2008～2009年冬季，經過整治后，雖然當年氣溫較常年偏低，出現凍害835處(2 mm及以上)，最大凍高15 mm，僅1處，位于K676+632處。

2 凍害整治情況

2.1 凍害整治方法的提出

按照2006年12月24日鐵道部主持召開的京哈線(秦沈段)病害整治會議要求，由鐵道第三勘察設計院與沈陽局共同進行了現場調查、收集相關資料、勘探、取樣和室內試驗，經綜合分析研究，撰寫了《秦沈客運專線凍害問題專題研究報告》;根據該研究報告，我局又委托沈陽中鐵鐵道勘察設計院，編制了秦沈段凍害整治工程方案設計，共提出6種方案:換土改良、鋪設土工布、注漿改良土體、涵上路基平孔排水、設置保溫層、人工鹽化基土。2007年5月26日由沈陽中鐵鐵道勘察設計院在K671 km涵上進行了路基平孔排水、設置保溫層的施工試驗。

2.2 凍害整治方法的論證

2007年6月，聘請中鐵西北科學研究院，鐵道第三勘察設計院，北京交通大學，鐵道部科學研究院等單位的專家對上述整治方案進行評審，評審意見認為，鑒于秦沈運營條件的限制，換土改良、鋪設土工布的方法無法實施，而注漿改良土體對于治理凍害是否有效，尚需進一步實驗研究確認;涵頂底面鋪設EPS保溫層方法，可避免涵洞頂部填土的雙向凍結，對消除或減緩凍害是合理有效的，可在涵洞凍害整治工程中采用;在涵頂填土下部設滲水、通風管，可疏干路基填土，減小涵頂填土凍脹量，方案是可行的;并建議對工程整治效果進行觀測。

2.3 凍害整治概況

按照專家組的意見，2007年～2008年我局對秦沈316處涵頂凍害、169處路基凍害進行了整治。共完成涵上路基平孔排水146處/91 791 m;涵頂底板貼鋪EPS保溫板316處/49 199 m2;道床內撒、注鹽169處/23 018個枕木空/氯鹽1 391 t。凍害綜合整治方案如圖1所示。

圖1 凍害綜合整治方案

2.4 整治效果

通過2008年～2009年冬季檢驗，路基凍害明顯減緩，凍起時間后移，凍高減小，凍高10 mm以上僅15處(2006年為169處)，最大凍高15 mm僅1處，取得了預期的效果，確保了動車組250 km/h速度平穩運行。

3 凍害整治的實施

3.1 涵頂路基平孔排水

3.1.1 施工方法

(1)施工前準備

首先對施工現場進行實地踏勘，調查通信、信號等各種地下電纜的埋設情況，平整施工場地。

(2)施工放線

①按照設計的要求進行放線，確定施工范圍。

②現場確定鉆孔位置(注明孔號)并做好標記。

(3)搭拆腳手架

①腳手架的高度應按施工的需要確定，按工程的進度進行搭拆。

②靠近架空電線搭拆腳手架時，應按規定留出安全距離，確保作業中的人身安全;搭拆過程中應防止挖斷電纜。

③在施工平臺上安設回水池。

④施工平臺上做好圍欄，確保施工人員安全。

(4)鉆機安裝及鉆孔

①鉆機的位置要合理，底架應水平、穩定，不產生位移和沉降。鉆機安裝平穩后應先進行大馬力試驗，檢驗鉆機及工作平臺的穩定性。

②保持鉆機水平、方向平直。鉆機鉆孔時必須保證水平鉆進，控制出口處的上下左右誤差在200 mm以內，嚴禁出現交叉或從路基面穿出。

(5)HDPE管(需要鋪設的滲水盲管)的回拉

①回拉HDPE管時，必須保持水平方向，設備上應安裝導向裝置。

②鉆孔完成后必須及時回拉HDPE管，防止坍孔或泥漿凝固。

③將HDPE管回拉到設計位置后，用高壓水將回拉HDPE管過程中從管滲水孔滲入的細粒土沖刷干凈，以保持暢通。平孔排水整治施工見圖2。

圖2 平孔排水整治施工

3.1.2 技術要求

(1)HDPE管性能

高密度聚乙烯(HDPE)管，外徑63 mm，壁厚4.7 mm，拉伸屈服強度≥22.0 MPa，斷裂伸長率≥350%，氧化誘導時間(200℃)≥20 min。

(2)HDPE滲水管制作要求

在HDPE管上鉆滲水孔，孔徑φ8 mm，設計間距15 mm，梅花布置。HDPE管設計長度兩端各留有0.5 m不鉆孔(兩側外露路基邊坡各0.3 m)。

(3)平孔排水布置孔位

①鉆孔位置:在基床表層下0.1 m處布孔，可視路基土質情況進行調整。

②在垂直線路方向的涵洞頂面外輪廓平面投影范圍內布孔(采用垂直線路方向鉆孔)，孔間距0.5 m;涵外兩側各3 m為過渡段，采用0.6 m、1.0 m、1.4 m孔距遞增布置。平孔排水孔位布置范圍見圖3。

圖3 平孔排水孔位布置范圍(單位:m)

3.1.3 施工注意事項

(1)做好施工監測，鉆孔施工過程中應當實時觀測鐵路的軌道高程和路基變化情況，根據觀測情況隨時調整施工進度;來車時應停止施工。

(2)鉆孔施工時，要嚴格控制水壓和鉆孔速度，防止水壓過高造成淘空路基、速度過快造成方向偏離。開鉆時宜慢速低水壓鉆進，控制水壓和進度，監測鉆機的聲音是否正常，觀察鉆桿的位置并隨時糾偏。

(3)不得使用彎曲的鉆桿，鉆具要安裝牢固，并隨時校對方向和角度。

(4)鉆孔應一次成孔，防止泥漿凝固。當鉆進異常時(如遇大塊石頭)必須停鉆，以防鉆頭偏離方向穿出路基，并對廢棄孔采用注漿充填，防止坍塌。

(5)當鉆頭直徑磨耗超過5 mm時，應更換鉆頭。

(6)回拉HDPE管時，應保持水平的方向。

(7)為防止冷空氣進入HDPE管，引起路基凍害，入冬前將管口用專用的封蓋進行封堵。

3.1.4 整治效果

以2007年完成的34座平孔排水整治的涵洞為例，當年冬季的凍害情況如下。

(1)有9座涵上路基未發生凍害，整治效果顯著率26.5%。

(2)有凍害但凍高小于歷年凍高的有20座，整治有效率58.8%。

(3)另外5座涵的凍高沒有降低，整治后沒有效果，占14.7%;其中4座涵的凍高與往年持平，只有K675+308涵的凍高大于歷史上最大凍高，經分析，此涵的成孔較晚，施工時注入的水分未得到疏干，土中含水過高導致凍害加劇。

3.2 涵頂底板貼鋪保溫板

3.2.1 施工方法

(1)清除涵頂底板的浮灰，對涵頂底板存在的凹凸不平處用1∶2水泥砂漿找平，抹高分子聚合乳液與等量水泥經均勻攪拌而成的黏結劑。

(2)苯板應密貼于涵洞板底，接縫處相鄰苯板高差不大于1 mm，接縫處應嚴密無縫。

(3)貼鋪于苯板下的彩色壓型鋼板應平整，相鄰彩板搭接長度不小于50 mm，用拉鉚釘固定。彩鋼板用膨脹釘穿透苯板固定于涵洞鋼筋混凝土底板，進入板內應不小于60 mm，膨脹釘間距0.6 m，并應牢固。

(4)涵洞板底伸縮縫處設置U形PVC排水槽，與底板聯接，并采取可靠措施確保接縫密閉。通過排水槽把滲水引到涵洞兩側，沿涵洞側墻排到地面。

(5)涵洞進出口處、伸縮縫處、板底變高處和涵洞側墻向下延伸1 m處均采用冷彎薄壁C形檁條封邊，檁條截面為C100 mm×50 mm×2 mm，安裝前涂刷防銹漆2道。

(6)彩色壓型鋼板外均勻噴涂真石漆兩遍，其顏色近似于混凝土顏色。

3.2.2 技術要求

(1)保溫苯板厚度為100 mm，密度不小于20 kg/m3。

(2)彩色壓型鋼板厚不小于0.6 mm，波高應滿足安裝及貼鋪于涵洞板底的剛度要求。

(3)壓型鋼板熱鍍鋁鋅合金層含量為150 g/m2，彩色涂層選用聚脂類涂層。

(4)保溫板要有防刮措施，安設相應的限高架。

(5)施工氣溫:5℃以上。

涵頂底板貼鋪保溫板施工見圖4。

圖4 涵頂底板貼鋪保溫板

3.2.3 整治效果

2007年共完成貼鋪保溫板工程316座涵洞，全部保溫板貼鋪的整體性、牢固性、密實性均達到了設計標準。

經2007～2008年冬季檢驗，上述316座涵洞貼鋪保溫板后的凍害情況如下。

(1)未發生凍害有154座涵，保溫效果顯著占48.7%。

(2)有121座涵雖有凍害，但凍高小于歷年凍高值，有效率占38.3%。

(3)有41座涵凍高沒有降低，整治無效占13%;其中21座涵的凍高與往年持平沒有變化，另20座涵的凍高大于歷史上最大凍高，經分析，由于當年氣溫較常年偏低，過于寒冷導致這部分涵洞出現凍害。

3.3 鹽化路基

結合涵上路基平孔排水和設置保溫層的施工，對涵上路基填土厚度較薄的地段和路基地段的凍害采取傳統的鹽化路基方法，在雨季前將氯鹽撒到道床內，待雨季時可滲入路基，減輕路基的冬季凍害。全線共完成道床內撒、注鹽 169處/23 018個枕木空/氯鹽1 391 t。

4 凍害的觀測

根據涵頂路基凍害分析，按縱向形態為不均勻凍脹，一般為順線路方向長3～10 m的凍起地帶，中間為凍峰，向兩側遞減;按橫向形態主要為沿路基橫斷面形成凍脹高度大體一致的雙峰凍害，南側略低于北側;多數涵頂路基凍害是受地表水影響產生的表層凍害。

為進一步探索京哈線秦沈段涵頂路基凍害規律，檢驗平孔排水、保溫板、鹽化路基方法的效果，在17座已整治完工的涵洞上設置固定觀測點進行定點觀測，分別在涵洞端墻帽石上、圬工路肩上、道床中心和兩線間埋置鋼筋樁作為測點，見圖5。

從中選取只有鹽化路基整治的K672+697涵、只有保溫板無平孔排水整治的K624+801涵和既有平孔排水又有保溫板整治的K625+366涵，對3種情況的凍高斷面圖進行分析，如圖6～圖8所示。

圖6 K672+697涵凍高斷面

可以看出，經過綜合整治后的涵洞凍高顯著降低，表明平孔排水、貼鋪保溫板的凍害整治方法，對降低凍害的凍高具有明顯效果。

圖7 K624+801涵凍高斷面

圖8 K625+366涵凍高斷面

5 3種凍害整治方法的優缺點和適用范圍

鹽化路基整治法:是傳統的路基凍害整治方法，具有操作簡便、經濟實用的優點，缺點是注鹽量不好把握，整治的效果得不到保障;適用于既有線凍害不嚴重的路基地段的整治。

貼鋪保溫板法:具有不影響行車、施工簡便、造價經濟、見效快的優點，缺點是易被車輛刮損;適用于既有線涵上的凍害整治。

平孔排水整治法:具有疏干路基、減緩凍脹的優點，缺點是施工難度較大、造價較高，對既有線的路基有一定的影響;適用于既有線的涵上或路基地段的凍害整治。

6 結論

(1)通過現場觀測、試驗及理論分析，明確了京哈線秦沈段路基土體凍害發生的原因:由于在涵頂面防水層的上部鋪設了黏土保護層，造成路基土體中的水不能滲出，儲存在該黏土保護層中，引起冬季的路基凍脹。

(2)通過采取平孔排水整治，可將黏土保護層中的水分疏干或降低含水量，達到減少凍脹的目的;貼鋪保溫板可延緩涵上路基的凍脹時間和降低凍脹量;鹽化路基可降低路基土體的含水量，減少路基表層的凍脹。

(3)解決土體凍脹問題是一個復雜的系統工程，要研究土體的凍融特性與含水量、氣溫之間的關系，綜合考慮各種影響因素，確定切實可行的工程措施，才能有效地防止土體凍害發生。

［1］沈陽鐵路局科研所.鐵路路基凍害機理與防治措施的研究鑒定材料［Z］.沈陽:沈陽鐵路局科研所，2010.

［2］尚奇.路基基床凍害整治措施［J］.北方交通，2011(10):9-11.