季節性凍土地區高速鐵路無砟軌道路基凍脹的預防

王應銘

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

季節性凍土地區高速鐵路無砟軌道路基凍脹的預防

王應銘

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

圍繞季節性凍土地區高速鐵路無砟軌道路基凍脹預防問題，簡述了無砟軌道的特性及凍害對無砟軌道的影響。分析了氣候環境、地形條件、凍結深度、填料類別及含水率、水、積雪、路基類型、路堤高度等使路基產生凍脹的因素，并重點對線路選線、標準凍結深度綜合修正、路基面高程、抗凍填料等進行了論述，提出了有待試驗研究的問題。

季節性凍土 凍結深度 高速鐵路 無砟軌道 路基 凍脹

季節性凍土是指冬季凍結、春季開始融化的土，該類土在我國東北、華北及西北等地區分布很廣，以往這些地區的普速鐵路路基或多或少存在凍脹、融沉問題。凍融逐年反復會使路基面出現翻漿冒泥、道砟囊等病害。由于這些凍漲或融沉具有不均勻性，往往導致鋼軌頂面沿縱向出現忽高忽低的不均勻變形，使左右兩根鋼軌產生差異變形，嚴重影響行車安全。如某鐵路一個區間內的最大凍脹量達50 mm，其中凍脹量＜5 mm的比例僅為0.1%，5～10 mm所占的比例達40%以上，10～15 mm所占比例為28.2%，15～20 mm的比例為16.5%，20～30 mm的比例為12.7%，30～50 mm 的比例為 2.4%［1］。

運營鐵路的凍害整治實踐證明，凍害處理的過程相當復雜，難度很大，而且是持久戰。今后一定要高度重視高速鐵路無砟軌道路基的防凍脹。

1 無砟軌道與凍害

1.1 無砟軌道的特性

我國把新建設計開行速度250 km/h(含預留)及以上動車組列車，初期運營速度不小于200 km/h的客運專線定為高速鐵路。已通車運營的大部分高速鐵路的運營速度為300 km/h左右，且以無砟軌道鐵路居多，無砟軌道鐵路的路堤標準斷面結構［2］見圖1、路塹標準斷面結構見圖2。

圖1 無砟軌道路堤斷面(單位：m)

無砟軌道由水硬性支承層(素混凝土)、軌道板(鋼筋混凝土)、鋼軌及用于連接鋼軌與軌道板的扣件系統組成。無砟軌道與有砟軌道相比有其顯著的特性：

1)鋼軌的基礎由鋼筋混凝土和素混凝土組成，耐久性好，其主體結構設計使用年限至少為60年。

2)對下部路基的變形要求非常嚴。路基面產生輕微的下沉和上鼓，可以通過調節扣件，增加墊板或抽取墊板予以解決，但其調節能力是非常有限的?？奂芙鉀Q路基下沉的調高值一般規定不超過15 mm，扣件能解決路基凍脹的調低值非常小，在《高速鐵路無砟軌道養護維修管理辦法》中規定最大值為4 mm。

圖2 無砟軌道路塹斷面(單位：m)

1.2 凍害對無砟軌道的影響

在嚴寒、寒冷地區，路基面產生的凍脹直接傳遞到無砟軌道上，而且凍害變形一般是不均勻變形。反復凍融會使無砟軌道結構產生很多裂縫，對其使用壽命不利。而且凍脹一旦超限只能采取限速慢行或徹底進行整治，高速鐵路凍害的徹底整治是非常復雜的。由于其行車速度高、行車密度非常大，幾乎無法在白天運營期間進行檢查和維修，只能選擇在晚上停運期間進行。晚上整治的時間短、光線暗、作業條件不好、效率低，同時無砟軌道凍害整治的工序很多、精度要求非常高。受這些因素的制約，其整治周期較長、費用較高，有些可能還是持久戰，直接影響運營成本和運輸效率。

2 路基凍脹因素

引發路基凍害的因素很多，經歸納主要受氣候環境條件、凍結深度、填料性質、水、路堤高度等因素的影響。這些因素中有些很難采用精確的數值進行定量分析，以下結合相關標準規定進行初步分析。

2.1 氣候環境

凍土與地理位置、氣候環境的關聯性非常大。我國青藏高原地區大量分布多年凍土，其他氣候帶中的寒溫帶、中溫帶及暖溫帶地區都分布有不同程度的季節性凍土［3］。

國家標準《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T 50476—2008［4］和《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》TB 10005—2010［5］，均將凍融環境按當地最冷月平均氣溫劃分為微凍地區、寒冷地區和嚴寒地區，其平均氣溫分別為-3.0℃～2.5℃，-8℃～-3℃和-8℃以下。在嚴寒地區、寒冷地區修建無砟軌道高速鐵路時，特別要對最冷月平均氣溫低于-8℃的嚴寒地區路基采取有效措施以避免或減小路基凍脹的影響。

2.2 地形條件

同一地區的自然現象表明，海拔高處的山頂及陰坡處冬天容易積雪，積雪不但很厚，而且其融化的速度非常慢。

2.3 凍結深度

根據標準凍結深度把季節性凍土區劃分為：凍深＜1 m的淺季節性凍土區，凍深1～2 m的中厚季節性凍土區和凍深＞2 m的深厚季節性凍土區。

根據已建高速鐵路路基的情況，對照《建筑地基基礎設計規范》［6］附錄F“中國季節性凍土標準凍深線圖”分析，無砟軌道路基防凍脹的重點區域為標準凍深≥1 m的中厚季節性凍土區和深厚季節性凍土區。

2.4 填料類別及含水率

填料中的粉黏粒含量、含水率、孔隙、滲透性、級配等都影響其抗凍性。

2.5 水

路基面水(雨水、積雪融化)下滲、邊坡水(雨水、積雪融化)向路堤內部滲透，以及地下水在路基內部產生的毛細水上升等都會引起凍害發生。

2.6 積雪

積雪與線路所處地形、路基形式及填挖高度有關。位于山腰的線路，通常積雪嚴重，特別是填挖零斷面和淺路塹。

2.7 路基類型

在以往路基雪害防治中發現路塹地段容易積雪，因此鐵路路塹的防凍不能忽視。

2.8 路堤高度

普通鐵路養護維修人員發現，低路堤易出現凍害，而高路堤的凍害較少。

3 路基防凍脹措施

3.1 線路平縱斷面要滿足路基防凍脹要求

在季節性凍土地區勘察期間，要根據現場調查掌握的具體情況，按以下要求選擇適宜的線路平面位置，并控制好路肩高程。

1)線路平面位置應遠離大范圍的湖塘及低洼積水區域，必須通過時宜采用橋梁方案。

2)陡坡掛線地段要按實測橫斷面確定合理的線路位置和高程，積雪嚴重地區要避免采用半填半挖路基斷面形式。

3)落實路堤地段地表積水的范圍，實測其水面高程，分析水面高程的變化幅度，確定最高水位高程。

4)從區域資料分析，對可能有地下水的路塹，通過勘探查清地下水位高程，并標示出最高水位。

5)調查沿線抗凍材料的來源。

6)計算確定路堤的最小高度并根據地下水位確定路塹的最低路肩控制高程。

7)線路縱斷面高程應根據路基抗凍所需高程嚴格進行控制。

3.2 對標準凍結深度進行綜合修正

凍結深度與氣候、土質、地理位置、朝向、有無覆蓋等因素有關。無砟軌道高速鐵路路基設計時，其凍結深度的大小在參考《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)第5.1.7條規定的基礎上，結合路基工程所處位置的陰、陽坡朝向存在差異的實踐經驗，建議增加陰、陽坡朝向修正系數，具體確定步驟如下：

1)在《建筑地基基礎設計規范》附錄F中查得路基所處位置的標準凍結深度;

2)按《建筑地基基礎設計規范》中的公式5.1.7對標準凍結深度進行修正;

3)根據路基所處位置的地形，對凍結深度再進行修正，其地形修正系數采用《凍土地區建筑地基基礎設計規范》(JGJ 118—2011)［7］中的值：平坦 1.0、陽坡0.9、陰坡1.1。

為便于設計者快速確定路基的凍結深度，根據以上建議，將各種情況下的所有修正系數的乘積作為一個綜合修正系數，并對綜合修正系數值進行分析后，得出了標準凍結深度的綜合修正系數ψ，見表1。今后設計者只要在《建筑地基基礎設計規范》附錄F中查得標準凍結深度后，直接采用表1中的值進行修正即可。

表1 標準凍結深度綜合修正系數

3.3 路基面高程應滿足有關規定

路肩高程與凍前地下水水位或凍前地面積水水位的關系應滿足《鐵路路基設計規范》［8］的要求，路基面高程控制值(Hmin)按式(1)進行估算

式中，Hw為凍脹期地下水或地面積水水位高程;Hc為毛細水強烈上深高度，m;Δh為安全高度，一般取0.5 m;Z為修正后的凍結深度，m。

路堤高程低于式(1)時，要采取措施將地面積水進行引排，降低地下水水位，并設置毛細水隔斷層。

3.4 凍結深度范圍采用抗凍填料

普通細粒土填料的水穩性差、最優含水率大、孔隙率小，土中的水結冰時體積要增大9%，勢必引起凍脹問題。因此抗凍填料應選用水穩性好、孔隙率較大的粗顆粒填料，并對以下因素進行嚴格控制：

1)抗凍安全填料應具有一定的孔隙，孔隙中少量的水結冰時其凍脹不明顯，而且解凍后土的狀態不變。

2)粗顆粒填料的孔隙大小與不均勻系數U成反比，因此當細顆粒含量較大時，其不均勻系數U不宜偏大。

3)盡量減少填料中的細粒含量和含水率，以留出足夠多的孔隙滿足水的體積增大時占用。

4)完善路基面的防水措施，以免水流下滲。

《鐵路特殊路基設計規范》［9］對所有不凍脹土(平均凍脹率≤1%的土)的規定中，對抗凍性好的填料規定如下：

1)粒徑＜0.075 mm的粉黏粒含量≤15%的碎石類土、礫砂、粗砂及中砂。

2)粒徑＜0.075 mm的粉黏粒含量≤10%的細砂。

德國對凍脹不敏感填料［10］的類別限定于礫、砂填料，要求粒徑＜0.063 mm的顆粒含量≤15%，且對細顆粒含量與不均勻系數的對應關系進行了規定：

1)當＜0.063 mm顆粒含量＜5%時，無論不均勻系數U的大小如何，礫、砂填料均對凍脹不敏感。

2)當＜0.063 mm顆粒含量為5%≤x＜15%時，不均勻系數應滿足U≤5+100(15%-x)。

我國寒冷地區的凍脹主要影響路基基床表層，嚴寒地區的凍脹不但對基床表層有影響，而且會影響基床底層。

目前基床范圍填料的規定為：基床表層采用級配碎石;基床底層采用A，B組填料或化學改良土，并要求凍結影響范圍填料應符合防凍脹要求［11］。基床表層級配碎石的各項技術參數，均滿足凍脹不敏感填料的各種判斷標準。凍結深度范圍內的基床底層抗凍填料需進一步細化為：

1)嚴寒地區優先采用滲水土填料：A，B組填料，即細粒含量η≤10%、滲透系數＞10-3cm/s的礫石、礫砂、粗砂、中砂;

2)寒冷地區可選用粒徑＜0.075 mm的細粒含量η≤15%的A，B組填料;

3)抗凍填料的不均勻系數U≤5+100(15%-η)。

4 結論

1)路基防凍脹是一項系統性很強的工作，線路選線階段就需引起重視。

2)路基的凍結深度非常復雜，有必要開展相關測試和研究，目前可對標準凍結深度進行綜合修正后作為設計依據。

3)施工中應充分調查落實抗凍填料來源和質量檢驗，并嚴格控制填料的細粒含量和含水率，并做好路基面的防水。

4)有必要對嚴寒地區的路基基床結構進一步進行研究。

5)建議對抗凍填料進行系統試驗研究，并制定抗凍填料標準。

6)建議對級配碎石摻水泥的導熱性能、路基面防水及保溫措施進行試驗研究。

［1］蘭州鐵路局，中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州交通大學，等.蘭新鐵路既有線路基基床病害整治技術研究［R］.蘭州：蘭州交通大學，2009.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10020—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［3］鐵道部第一設計院.鐵路工程地質手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.

［4］中華人民共和國建設部.GB/T 50476—2008 混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50007—2011 建筑地基基礎設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 118—2011 凍土地區建筑地基基礎設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006 鐵路特殊路基設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［10］G?BEL C，LIEBERENZ K，RICHTER F.鐵路路基工程［M］.鐵道第二勘察設計院，德國PEC+S集團公司，譯.北京：中國鐵道出版社，2007.

［11］石剛強，王珣.哈大鐵路客運專線路基填料凍脹性試驗研究［J］.鐵道建筑，2011(10)：61-63.

Prevention of frost heaving in ballastless track subgrade on high speed railway in seasonal frozen soil region

WANG Yingming
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The paper outlines the general features of ballastless track and its reaction to frost hazard.Possible reasons behind，including climate，environment，geological conditions，depth of freezing，type of filling，moisture content，subgrade structure and embankment height are studied.Alongside that，it studies issues like line selection，correction of freezing depth，elevation of subgrade surface and anti-frost filling，so as to underline the key topics in experimental study.All in all，the paper intends to conclude favorable solutions to the frost heaving problems ballastless track suffers in areas with seasonal frozen soil and lay out ground for future study.

Seasonal frozen soil;Depth of freezing;HSR;Ballastless track;Subgrade;Frost heaving

(責任審編 趙其文)

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.15

1003-1995(2014)10-0062-04

2014-06-10;

2014-08-20

王應銘(1965— )，男，甘肅天水人，教授級高級工程師。