季節性凍土區鐵路客運專線路塹路基凍害成因分析及對策研究

馬榮田，仇 鵬，歐志強

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國陸地面積約有53.5%的地區屬于季節性凍土區[1]，凍土(巖)是季節性凍土區普遍存在的一種自然現象，防治路基凍害是鐵路客運專線建設過程中面臨的一項世界性技術難題。經過多年研究和實踐，我國在鐵路工程填土路基凍害防治方面積累了一些經驗，取得了一定的工程實踐效果[2-4]，但石質路基凍害及巖石凍脹研究相對滯后[5-7]。在季節性凍土區鐵路客運專線石質路塹路基凍脹依然存在，且防凍害措施欠缺時，巖石凍脹現象比較明顯。當基床凍脹量超過無砟軌道允許值時即形成路基凍害，需采取措施消除凍害，保證動車組列車行車安全。本文通過對哈大鐵路客運專線某段線路石質路塹路基凍害開展原位挖探試驗、室內常規及凍脹試驗，對凍脹影響因素予以分析，并提出防治石質路塹路基凍害的工程對策。

1 工程概況

哈大鐵路客運專線位于東北地區，是我國在高寒地區設計、建造的第一條高速鐵路，設計開通速度200 km/h，主要基礎設施按350 km/h設計，采用CRTSⅠ型板式無砟軌道結構，在世界范圍內均無可靠的工程實踐可以借鑒。本文研究的某段線路處于遼寧省營口市以南地區，工程地貌以剝蝕丘陵為主，地形起伏較大，地質以強風化～弱風化砂巖為主，節理裂隙發育，地下水發育，水位較高。該段線路路基長66.540 km，其中路塹路基長約27.083 km，主要為石質路基，其橫斷面結構形式如圖1所示。該地區屬于季節性凍土區，冬季寒冷漫長，1月份平均氣溫一般為－4℃～－12℃，極端最低氣溫可達－29.8℃，冰凍期長3～4個月，為11月中旬至次年3月，最大自然凍結深度達到0.93 m，按季節性凍土的凍脹性分類屬于凍脹及強凍脹[2]。

圖1 典型路塹路基橫斷面結構形式(單位:m)

2 路塹路基凍害調查

2.1 路塹路基凍脹狀態調查

根據不同時期軌道高程測量數據分析，2011—2012年冬季沿線路基工程普遍發生凍脹現象，凍脹量＞5 mm的測點占總測點數的19.5%，凍脹已成為哈大鐵路客運專線路基凍害的主要特征。不均勻凍脹變形造成的凍害基本分布在路塹路基地段，分布普遍且凍脹嚴重，其凍脹發生率和凍脹量遠大于路堤路基地段。其中DK113，DK130及DK142 3個地段路塹路基凍害尤為嚴重，最大凍脹量達15～20 mm。凍害的產生對路基破壞影響較為劇烈，使線路軌道高程產生局部、差異化抬升，造成線路橫向和縱向的不平順，嚴重影響動車組列車行車安全。這既加劇列車與線路的動力作用，也給高速線路養護維修造成難以克服的困難。鐵路客運專線無砟軌道結構對路基工后沉降的要求非常嚴格，允許的工后沉降≤15 mm，差異沉降≤5 mm[3]。

以DK130段為例，在軌道檢查車檢測出線路軌道狀態發生顯著變化后，為查清原因，通過分析絕對軌檢小車在路基凍脹前后測量的軌道高程數據，可計算出基床豎向凍脹量。計算結果表明，在600～880 m里程范圍內，豎向凍脹量＞5 mm的測點達22.5%，最大凍脹量為15 mm，高程偏差突變明顯，清晰顯示此段路基凍脹已形成凍害。

2.2 路塹路基凍脹調查分析

該段線路石質路塹路基凍脹發生率和凍脹量大于路堤路基的規律性非常明顯。為了解路塹路基凍脹特征，對該段線路進行了路基凍害調查。通過對上述3個地段路基進行原位挖探試驗調查，獲得了路基巖土質、含水量及含冰形式等宏觀信息，分析了路基各結構層的含冰形式及關系，為路基基巖凍脹影響因素分析及防治對策研究提供了依據。

2.2.1 路基凍害原位挖探試驗

采用人工開挖探坑原位試驗方式，每個斷面分別在線間、軌道板底座外側0.5 m處3個位置布置挖探。挖深包括40 cm基床表層級配碎石和100 cm深度內的基巖，挖探中每20 cm深度取1組試樣進行室內試驗。基巖每20 cm深度作為一個描述單元。表1為DK130凍害區探坑路基基床凍脹地質描述。為對比分析，在臨近凍害點的非凍害區域選取典型斷面，采用同樣方式挖探。共選取9個典型斷面，取樣31組。

2.2.2 路基病害挖探調查分析

原位試驗揭示:路塹路基結構層符合設計要求，級配碎石已凍結，含冰結構以均質冰為主，呈冰霜狀存在于孔隙內部，聚集于碎石周圍。基床基巖節理裂隙發育，含冰結構以橫向層狀冰和間隙冰為主，40～120 cm深度范圍內基巖凍脹開裂分層明顯，普遍存在0.5～2.0 mm厚度不等的冰夾層及冰晶體，積聚明顯。凍結深度一般在130～135 cm，大部分探坑基巖在135 cm深處凍結仍明顯。

表1 DK130凍害處原位挖探地質描述

分析看出:①基巖風化破碎程度明顯比路塹開挖時巖石的風化程度嚴重，這與工程巖體已經歷4～5次自然凍融循環及工程荷載、應力狀態改變有關，這些因素加劇了巖體裂隙的損傷擴展，導致巖體物理力學性質降低，即巖體加速劣化[7]。②基床實際凍結深度達135 cm，基巖部分為95 cm左右，路基實際凍結深度與設計凍結深度差距較大。如設計凍結深度選取不當，對季節性凍土區工程實踐及防凍害措施應用將會產生較大影響，往往造成工程措施效果降低或失效。

3 室內凍脹相關試驗分析

為分析路塹路基各結構層凍脹對凍害的貢獻度，在現場挖探取樣基礎上，對級配碎石與巖石樣品做了室內試驗。通過對級配碎石進行相關試驗，獲得了級配碎石的含水率、凍脹率等數據。通過巖樣的含水量試驗，獲得了基巖含水率指標。

3.1 級配碎石及巖石相關試驗結果

基床表層級配碎石顆粒分析及細粒含量試驗結果見表2，凍害區與非凍害區級配碎石含水率及其它物理指標試驗結果見表3、表4、圖2，凍害區基床基巖含水率試驗結果見圖3，不同含水率下級配碎石凍脹率時程曲線見圖4。

表2 基床表層級配碎石顆粒分析及細粒含量試驗結果

表3 凍害區基床表層級配碎石含水率及其它物理指標試驗結果

表4 非凍害區基床表層級配碎石含水率及其它物理指標試驗結果

圖2 凍害區基床表層級配碎石含水率分布

圖3 凍害區基床基巖含水率試驗結果

圖4 不同含水率下級配碎石凍脹率時程曲線

3.2 試驗結果分析

從表2可以看出，基床表層級配碎石顆粒級配滿足規范要求，0.075 mm以下細粒含量滿足抗凍性設計要求，屬于非凍脹性填料[4]。

從表3、表4及圖2中可以看出，級配碎石含水率總體不高，0～20 cm范圍碎石含水率總體上高于20～40 cm范圍，凍害區與非凍害區含水率基本相同。

從圖3中可以看出，基巖巖樣含水率基本都在10%以上，最大含水率達22.9%，在路基結構豎向上基巖含水率呈上小下大規律。根據經驗砂巖飽和含水率為0.24% ～0.66%[8-9]，可見基巖的整體含水率高，已超飽和狀態。

從表2和圖4中可知，級配碎石隨著含水率增加，凍脹率逐漸增大。在含水率不超過8%的情況下，凍脹率＜0.5%。但含水率為10%時(已接近級配碎石塑限)，在凍結起始后約17 h內凍脹率增長很快超過0.8%，此后凍脹率增長不明顯，趨于平緩。

根據試驗結果結合2.2節分析表明:①級配碎石含水率為其塑限的30% ～50%時，級配碎石已凍結，但凍脹變形不明顯。在封閉不飽和狀態下，級配碎石凍脹率要小于由 Mellor公式(η=9%n，n為含水率)[10]計算的理論值。②基巖含水率超過飽和含水率15～34倍，巖體中冰夾層與冰晶體的體積占比大，在基床豎向上呈現多個聚冰帶，凍脹非常明顯。③路塹路基地下水位淺，屬高位潛水。

總之，該段線路路塹路基基床表層級配碎石結構層凍脹不明顯或無凍脹，不是引起凍害的主要原因。基床基巖及裂隙充填物飽和度高，基巖凍脹非常明顯，且巖體凍脹敏感性屬于凍脹～強凍脹，是路基凍脹量的主要貢獻源，是造成路基凍害的主體部分。

4 路塹路基基巖凍脹影響因素分析

有凍土存在的地方一般都存在凍結巖石的問題，目前對路基凍巖問題的認識和研究還相對薄弱。鐵路工程傳統理念認為，季節性凍土區石質路塹路基通常不會發生凍脹現象，一般采用零換填或淺換填的結構形式，基本不考慮防凍害工程措施。但有關研究表明[11-12]，非凍脹巖石在破碎情況下也會表現出凍脹性，裂隙發育程度對巖體凍脹性的影響至關重要。通過研究可知，凍巖是復雜的多相和多成分綜合體，巖體凍脹是巖石與裂隙兩者凍脹疊加的結果，涉及低溫環境下裂隙巖體的THM多場耦合問題。影響路基基床基巖凍脹的因素眾多且復雜，巖體滲透性、地下水、溫度以及工程條件是主控因素。

4.1 巖體滲透性對基巖凍脹的影響

巖體的滲透性指巖體允許流體透過的能力。一般情況下，完整砂巖的滲透性在10－6～10－7cm/s以下，而巖體滲透性約為10－2cm/s[13]，二者之間相差4 ～5個數量級，這說明裂隙在其中起到了主要作用。實際工程巖體滲透性強弱及特征受巖性、斷裂構造、風化程度及應力狀態等因素控制，直接影響巖體凍脹變形的嚴重程度，是基巖凍脹的內在條件。在低溫環境下，巖體中的水分遷移主要依賴巖體滲透性的強弱，也直接控制同一時期水分遷移量的多少，水分遷移積聚越多，巖體凍脹量越大。巖體凍脹量與其滲透性呈線性規律，同時巖體滲透的各向異性、不均勻性等特征也決定了凍脹變形的不均勻性。如果實體工程巖體中存在斷層破碎帶、裂隙密集帶或局部節理發育，則會加劇巖體凍脹的不均勻性，造成路基頂面不均勻隆起變形，加大凍害的危險性。

4.2 地下水對基巖凍脹的影響

低溫環境下，巖體含水量、地下水的補給是引起巖體凍脹性強弱的基本因素之一。封閉條件下巖體含水不與外界發生交換，低溫環境出現時水分僅發生原位凍結，其凍脹率只取決于巖體的飽和程度，干燥狀態時反而產生凍縮。開放條件下，由于存在地下水的補給，受水頭勢(重力勢)的影響，地下水在巖體中直接遷移，對巖體凍脹變形影響顯著，遷移水量越多，凍脹量越大。在天然情況下，巖體中水分補給主要來源于地下水(含大氣降水)，如秋末降水多，冬季巖體的凍脹量就會增大。另外，因路塹開挖，使得原地下水滲流途徑、動靜水壓力發生改變，導致路基地下水位升高。地下水位越淺，基巖的凍脹量也越大。可以認為，在荷載作用力小到可以忽略不計時，凍脹量與距地下水位距離的平方成反比。

4.3 溫度對基巖凍脹的影響

隨著環境溫度下降，巖體溫度也會隨之降低，當溫度低至水冰相變點溫度以下時，巖體中的水分開始凍結膨脹。巖體的凍脹過程實際上是巖體中溫度的變化過程，溫度梯度變成水分遷移的主要驅動力。另外，巖體凍結速度取決于溫度降幅強度，對巖體凍脹影響顯著。如果氣溫降溫速度較快，凍結速度隨之加快，凍結鋒面迅速向未凍區推移，巖體很快凍結到最大凍深處，水分來不及遷移積聚，凍脹量較小;如果氣溫緩慢下降，則凍結速度緩慢，凍結鋒面推移慢，水分達到充分遷移，形成冰夾層與聚冰帶，凍脹量會顯著增大。因此，降溫幅度相同時，降溫速度快，則凍結速度快，凍脹量小;相反，溫度緩慢下降，則凍結速度慢，凍脹量大。有關研究表明[14]，無約束條件下巖石的凍脹變形主要發生0℃ ～－10℃，低于－10℃后幾乎沒有凍脹。

4.4 工程條件對基巖凍脹的影響

在季節性凍土區建設鐵路客運專線時，路基形式也是影響路基凍脹的一個不可忽視的因素。路塹路基因地下水活動的活躍性，更易產生凍脹，引發路基凍害。因此，應把路塹路基作為抗凍脹設計的重點關注對象。另外，在工程活動(如爆破震動、機械設備擾動等)中，一方面由于路塹開挖，工程荷載施加于巖體之上，會破壞巖體結構及完整性，降低巖體物理力學性質，造成巖體劣化加快，促使巖體凍脹敏感性轉強;另一方面，由于路塹結構改變了區域或局部地下水的補給、徑流和排泄條件，形成人工干擾下的新地下水滲流場，抬高地下水水位，向有利于巖體凍脹發生的方向發展。

5 路塹路基凍害治理措施

綜合前述分析，季節性凍土區路塹路基凍害主要由基床基巖凍脹引起。因此，研究路塹路基凍害治理對策，應從引起基床基巖凍脹的主要影響因素著手分析。在今后鐵路客運專線工程實踐中，設計可以從加強降水排水、優化路基結構形式、控制基床低溫及弱化地下水滲透作用等方面考慮，采取必要的工程對策減弱基床凍脹，防治路塹路基凍害的發生。

5.1 設置地下降排水設施和加強路塹邊坡排水

1)設置地下降排水設施，降低地下水位，切斷地下水橫向遷移的滲流通道，減小巖體含水量。在路基兩側增加滲水盲溝，將基巖中的地下水通過盲溝積聚并引排到路塹之外，并增設保溫出口，保證低溫下排水暢通。滲水盲溝深度Hmin必須大于產生凍脹的地下水位臨界深度，可根據經驗公式Hmin=hf+d選取，其中hf為最大凍結深度，d為地下水位低于凍結深度的最小距離，要大于毛細水上升的高度，建議巖石類取0.4 m。

2)加強路塹邊坡排水，排出邊坡體內的地下水，降低靜動水壓力，可有效降低路塹基床地下水位。在工程實踐中，為了保持邊坡穩定，都要采用擋土墻、抗滑樁、錨索(桿)、漿砌片石、噴射混凝土等措施對邊坡進行加固和防護。這些措施的運用也會在邊坡體內或體外形成擋水結構，抬高路塹邊坡的地下水位，增大地下水壓力。因此，可在已施工完成的邊坡坡腳處布設多排水平疏干排水孔，盡可能降低邊坡的地下水位。

5.2 優化路基結構形式，增設防凍層和隔斷層

對現有路塹路基結構形式進行優化設計，增設路基防凍結構層和隔斷層。當基床范圍內為凍脹敏感性巖石時，可挖除一定深度的巖體，換填非凍脹性AB組填料，形成路基防凍層，能有效減小路基總凍脹量，降低凍害程度。防凍層最小換填厚度(Zmin)取決于產生凍脹的地下水位臨界深度，建議根據公式Zmin=hf+d確定，建議巖石類d取0.4 m。另外，為切斷巖體中水分豎向遷移通道，在防凍層底部鋪設防滲復合土工膜形成路基隔斷層。在哈大鐵路客運專線建設中，個別路塹地段路基結構也采用了換填法，但換填厚度不足與隔斷層鋪設位置不當，致使預防凍脹效果不佳。因此，防凍層厚度和隔斷層鋪設位置是換填法能否有效抑制路基凍脹的關鍵。

5.3 設置隔熱層，控制基床低溫

保溫法是最早應用于工程凍脹防治的措施之一，寒區路基應用廣泛[15]。但在季節性凍土區，保溫法采用較少。在路塹路基基床表層防水層下部設置保溫隔熱層，通過人工干預控制路基內溫度降低幅度，降低路基凍脹變形，可減少凍害程度。如配合5.2節中提出的工程措施共同使用，可以很好地消除或減小路基凍脹量，有效降低路基凍害。在哈大鐵路客運專線凍脹整治實踐中，選取1 km長度路塹路基做了試驗，試驗段在基床表層防水層上部與邊坡處鋪設聚苯乙烯泡沫保溫板形成保溫隔熱層。現場監測數據分析顯示，試驗段預防凍脹效果不理想，這可能與隔熱層鋪設位置、保溫材料性能以及施工工藝要求較高有關。

5.4 注漿加固巖體，弱化地下水滲透

利用注漿加固方式對路塹坡頂、邊坡及路塹底巖體進行水泥漿高壓灌漿，漿液凝結后充填在巖體裂隙、節理及巖石孔隙等結構面中，將破碎巖塊重新膠結成整體，從而降低巖體滲透性和凍脹敏感性。注漿加固能夠減弱巖體中的水分遷移，也能有效阻斷地下水的滲透。巖體中含水量減少，致使路基凍脹量減弱或無凍脹。文獻[16]通過凍融損傷試驗證明，注漿方法對提高巖體持久抵抗凍害能力有顯著效果，是防治巖體凍害的有效途徑。目前，注漿加固在地下巖土工程實踐中應用廣泛，效果顯著。但在防治石質路塹路基凍害方面少有工程實例。在季節性凍土區鐵路建設中，可以嘗試采用注漿加固方式對路塹路基凍害防治進行有益的探索。

6 結論與建議

1)通過原位和室內試驗表明:基床表層級配碎石各項物理指標符合非凍脹性填料要求，無明顯凍脹;基巖凍脹變形非常明顯;基巖風化程度比設計給定的巖石等級嚴重;基床實際凍結深度超過設計凍結深度40 cm左右。建議工程設計時，巖體等級確定應考慮巖石劣化加快的影響;設計凍結深度選取應對標準凍深進行修正，根據調查和經驗確定修正系數為1.3～1.5。

2)低溫環境下，路塹路基表層級配碎石結構層僅發生孔隙水原位凍結。而基床基巖凍脹是造成路基凍害的主體部分。巖體凍脹影響因素眾多且復雜，巖體滲透性、地下水、溫度以及工程條件等是主要影響因素，是石質路塹路基的重點研究對象。

3)通過路塹路基基床基巖凍脹成因和影響因素的分析，研究提出了幾種有效的路基凍害防治對策。建議在今后鐵路客運專線建設中，重點從以下幾方面加強抗凍脹設計防治路塹路基凍害產生。

①路基兩側設置滲水盲溝，盲溝深度Hmin可根據公式Hmin=hf+d選取，建議巖石類d取0.4 m。

②路塹邊坡坡腳處布設多排水平疏干排水孔，降低邊坡地下水位。

③優化路基結構形式，增設防凍層和隔斷層。防凍層最小換填厚度Zmin可根據公式Zmin=hf+d確定，建議巖石類d取0.4 m。路基隔斷層鋪設在防凍層底部。

④在路塹路基基床表層防水層下部設置保溫隔熱層，控制基床低溫，減少凍害程度。

⑤嘗試采用注漿加固巖體方式對路塹路基凍害防治進行有益的探索。

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