哈大高鐵軌道變形與路基凍結(jié)深度的關(guān)系

劉勇

（沈陽鐵路局，遼寧沈陽110001）

哈大高鐵軌道變形與路基凍結(jié)深度的關(guān)系

劉勇

（沈陽鐵路局，遼寧沈陽110001）

根據(jù)哈大高鐵運(yùn)營3年的觀測數(shù)據(jù)，對哈大高鐵軌道不均勻凍脹變形處所數(shù)量隨凍結(jié)深度的變化規(guī)律進(jìn)行分析，對軌道不均勻凍脹變形進(jìn)行分類，并分析各類變形發(fā)生時(shí)的凍結(jié)深度。結(jié)合不同路基結(jié)構(gòu)發(fā)生的軌道不均勻凍脹變形數(shù)據(jù)，分析路堤、路塹及過渡段表層、深層的軌道不均勻凍脹變形分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，路基凍脹僅在一定深度內(nèi)才會產(chǎn)生軌道不均勻凍脹變形。在鐵路建設(shè)和維護(hù)過程中應(yīng)重點(diǎn)控制影響軌道變形的凍結(jié)深度范圍內(nèi)的填料及排水。

哈大高鐵；季節(jié)性凍土區(qū)；凍結(jié)深度；軌道不均勻凍脹

1　概述

凍脹變形是季節(jié)性凍土區(qū)路基較為常見的一種破壞現(xiàn)象，影響線路的平順性，特別是對于高速鐵路而言，嚴(yán)重威脅行車安全［1-3］。由于高鐵沿線氣候環(huán)境、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，季節(jié)性凍土區(qū)的路基凍脹變形難以避免［4］。作為凍土區(qū)路基設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，凍結(jié)深度對凍脹量有顯著影響，但其影響規(guī)律尚不清楚。由于缺乏季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路工程依托，高速鐵路路基凍結(jié)深度與凍脹變形量之間的關(guān)系成為世界性的科研難題［5-6］。

哈大高鐵是我國也是世界上第一條嚴(yán)寒地區(qū)無砟軌道高速鐵路，縱貫我國季節(jié)性凍土廣泛分布的東北地區(qū)。哈大高鐵2007年8月開工建設(shè)，2012年2月線下工程基本完成，同年12月1日開通運(yùn)營。線路全長903 km，設(shè)計(jì)最高速度350 km/h。正線路基長231.245 km，其中無砟軌道路基長181.97 km。無砟軌道路基中路堤長111.95 km，路塹長70.02 km。哈大高鐵沿線氣候寒冷，極端最低氣溫-39.9℃，最大積雪厚度30 cm，最大土壤凍結(jié)深度在93～205 cm。每年從10月開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，凍結(jié)時(shí)間長達(dá)5～6個(gè)月。

哈大鐵路在世界寒區(qū)高速鐵路上有代表性，從南部大連的暖溫帶，逐漸變成溫帶，到北端哈爾濱變?yōu)楹疁貛АＤ昶骄鶜鉁貜拇筮B的10.9℃，變化到哈爾濱的4.4℃。大地凍結(jié)深度從大連的0.93 m變化到扶余的2.05 m。由于路基填料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，路基最大凍結(jié)深度達(dá)到3.0 m。目前，世界上高速鐵路發(fā)達(dá)國家沒有如此嚴(yán)寒的環(huán)境，德國最大凍結(jié)深度為0.7 m，日本最大凍結(jié)深度為1.0 m。在東北這樣的寒冷地區(qū)修建和維護(hù)高速鐵路世界上尚無成熟經(jīng)驗(yàn)。

路基凍脹的危害最終通過軌道的不均勻變形反映出來，本文通過分析路基發(fā)生凍脹時(shí)軌道的不均勻變形，給出軌道不均勻凍脹變形的分類，確定影響軌道不均勻變形的路基凍結(jié)深度，為高速鐵路建設(shè)和維護(hù)提供參考。

2　軌道不均勻凍脹變形分類及分布

哈大高鐵＞4 mm的軌道不均勻凍脹變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

2.1軌道不均勻凍脹變形分類

根據(jù)哈大高鐵路基設(shè)計(jì)文件，路堤及除弱風(fēng)化、未風(fēng)化硬質(zhì)巖外的路塹基床表層均填筑0.55 m厚的級配碎石，以下依次為0.05 m厚的中粗砂、2.1 m厚的A，B組土。其中凍結(jié)深度影響范圍內(nèi)填筑非凍脹A，B組土，并于路基表面以下0.55 m處設(shè)置兩布一膜的土工布，阻止地表水下滲和地下水遷移補(bǔ)給。據(jù)此，把凍結(jié)深度在0.55 m以內(nèi)產(chǎn)生的軌道不均勻凍脹變形確定為表層不均勻凍脹；把凍結(jié)深度在0.55 m以下產(chǎn)生的軌道不均勻凍脹變形確定為深層不均勻凍脹；把表層、深層共同作用產(chǎn)生的軌道不均勻凍脹變形確定為表深層不均勻凍脹。但在分析凍結(jié)深度與軌道不均勻凍脹變形之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)有40%的軌道不均勻凍脹變形在凍結(jié)深度達(dá)到0.8 m以后變形峰值基本穩(wěn)定，因此將表層和深層凍害的分界線確定在0.8 m。2.2各類軌道不均勻凍脹變形占比分析

2013—2014年204處軌道不均勻凍脹變形中，表層軌道不均勻凍脹變形共計(jì)96處，占47.1%；深層軌道不均勻凍脹變形78處，占38.2%；表深層軌道不均勻凍脹變形30處，占14.7%。

2014—2015年131處軌道不均勻凍脹變形中，表層軌道不均勻凍脹變形60處，占45.8%；深層軌道不均勻凍脹變形45處，占34.4%；表深層軌道不均勻凍脹變形26處，占19.8%。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各類軌道不均勻凍脹變形比例基本穩(wěn)定，表層約占46%，深層約占35%，表深層約占19%。

2.3表深層軌道不均勻凍脹變形中表層、深層的影響

分析

2013—2014年30處表深層軌道不均勻凍脹變形中有19處路基表層凍脹變形大于深層凍脹變形，占表深層軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的63.33%。另外11處表層凍脹變形小于深層凍脹變形，占表深層軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的36.67%。2014—2015年26處表深層軌道不均勻凍脹變形中有22處表層凍脹變形大于深層凍脹變形，占表深層軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的84.6%。另外4處表層凍脹變形小于深層凍脹變形，占表深層軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的15.4%。2.4各種路基結(jié)構(gòu)的軌道不均勻凍脹類型分布

哈大高鐵2013—2015年路基凍害統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。在路堤地段表層不均勻凍脹變形所占比例較大，為57%，深層和表深層不均勻凍脹變形共占43%左右；路塹地段深層不均勻凍脹變形所占比例較大，為52%，表層和表深層不均勻凍脹變形共占48%；路橋及路涵過渡段表層不均勻凍脹變形所占比例2013—2014年為44%，2014—2015年為54%，深層和表深層不均勻凍脹變形分別為56%和46%。

表1　哈大高鐵＞4 mm的軌道不均勻凍脹變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2　哈大高鐵2013—2015年路基凍害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3　軌道不均勻凍脹變形數(shù)據(jù)分析

3.1凍結(jié)深度與軌道不均勻凍脹變形數(shù)量間的關(guān)系

3.1.1分析方法

路基凍脹的發(fā)展在上漲期和回落期不同。路基凍脹上漲期，凍結(jié)線從路基表面向下發(fā)展。路基凍脹回落期，凍層由路基表面向下及凍結(jié)底層向上2個(gè)方向融化。為便于統(tǒng)計(jì)分析，無論是路基凍脹上漲期還是回落期，均將凍層底層深度定為凍結(jié)深度，以凍結(jié)深度5 cm為級差，分析軌道不均勻凍脹變形發(fā)生個(gè)數(shù)。根據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》［7］（鐵運(yùn)〔2012〕83號，以下簡稱《維修規(guī)則》）對線路幾何尺寸偏差管理值的要求，對大于經(jīng)常保養(yǎng)偏差管理值（即動態(tài)Ⅰ級）的軌道不均勻凍脹變形進(jìn)行分析。

3.1.2凍結(jié)深度與軌道不均勻凍脹變形數(shù)量分布

2013—2014年凍害數(shù)據(jù)分析表明，凍結(jié)深度在40 cm以內(nèi)時(shí)，基本不發(fā)生軌道不均勻凍脹變形；凍結(jié)深度在40～80 cm時(shí)軌道不均勻凍脹變形處數(shù)急劇增加，增長率為3.05處/cm（平均凍結(jié)深度每增加1 cm新產(chǎn)生軌道不均勻凍脹變形約3處），此區(qū)段占凍害總數(shù)59.8%；凍結(jié)深度在80～140 cm時(shí)軌道不均勻凍脹變形發(fā)生數(shù)量增長放緩，增長率為1.37處/cm，占軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的39.7%；凍結(jié)深度超過150 cm以后軌道不均勻凍脹變形數(shù)量基本不再增加。2013—2014年凍結(jié)深度與不均勻凍脹變形數(shù)量的關(guān)系變化趨勢見圖1。

由圖1可知，可用線性方程y=kx+b擬合路基凍脹深度與軌道不均勻凍脹變形數(shù)量的關(guān)系。凍脹上漲期，凍結(jié)深度在40～80 cm時(shí)y1=3.05x-116；凍結(jié)深度在80～140 cm時(shí)y2=1.37x+18.2。凍脹回落期，凍結(jié)深度在150～100 cm時(shí)y3=0.34x-29；凍結(jié)深度在100～60 cm時(shí)y4=0.125x-7.5。

2014—2015年凍害數(shù)據(jù)分析表明，凍結(jié)深度在40 cm以下時(shí)基本不發(fā)生軌道不均勻凍脹變形；凍結(jié)深度在40～130 cm時(shí)軌道不均勻凍脹變形數(shù)量急劇增加，增長率為1.07處/cm，此區(qū)段占軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的79.6%；凍結(jié)深度在130～155 cm時(shí)軌道不均勻凍脹變形數(shù)量增長放緩，增長率為0.76處/cm，占軌道不均勻凍脹變形總數(shù)的14.8%；凍結(jié)深度超過155 cm后軌道不均勻凍脹變形數(shù)量基本不再增加。2014—2015年凍結(jié)深度與不均勻凍脹變形數(shù)量關(guān)系變化趨勢見圖2。

圖1　2013—2014年凍結(jié)深度與不均勻凍脹變形數(shù)量關(guān)系變化趨勢

圖2　2014—2015年凍結(jié)深度與不均勻凍脹變形數(shù)量關(guān)系變化趨勢

由圖2可知，凍脹上漲期，凍結(jié)深度在40～130 cm時(shí)y1=1.07x-37.8；凍結(jié)深度在130～155 cm時(shí)y2=0.76x-13.8。凍脹回落期，凍結(jié)深度在150～100 cm時(shí)y3=0.34x+19；凍結(jié)深度在100～60 cm時(shí)y4=0.88x-35。

2014—2015年軌道不均勻凍脹變形數(shù)量和速率比2013—2014年變化小，主要原因是根據(jù)軌道不均勻凍脹變形規(guī)律采用了提前預(yù)墊、半撤墊板等整治措施。

3.2軌道發(fā)生不均勻凍脹變形時(shí)的凍結(jié)深度分析

3.2.1分析方法

分析2013——2015年335處軌道不均勻凍脹變形達(dá)到《維修規(guī)則》規(guī)定的經(jīng)常保養(yǎng)偏差管理值時(shí)對應(yīng)的凍結(jié)深度。根據(jù)哈大高鐵沿線不同區(qū)間和不同凍害類型進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)。

3.2.2軌道發(fā)生不均勻凍脹變形時(shí)的凍結(jié)深度分析

2013—2015年哈大高鐵不同區(qū)間各凍害類型對應(yīng)的最不利凍結(jié)深度見表2。

由表2可知：表層凍害的最小、最大、平均凍結(jié)深度分別為61.2，79.5，68.32 cm；表深層凍害的最小、最大、平均凍結(jié)深度分別為85.83，98.5，91.22 cm；深層凍害的最小、最大、平均凍結(jié)深度分別為90.00，123.11，108.05 cm。

表2　2013—2015年哈大高鐵不同區(qū)間各凍害類型對應(yīng)的最不利凍結(jié)深度cm

4　結(jié)論

1）根據(jù)產(chǎn)生軌道不均勻凍脹變形時(shí)的凍結(jié)深度，將軌道不均勻凍脹變形劃分為表層、深層和表深層3種類型，并將表層和深層凍害的分界線確定在80 cm。

2）路基結(jié)構(gòu)形式不同，軌道不均勻凍脹類型也不盡相同，路堤地段以表層凍脹為主，路塹地段以深層凍脹為主，過渡地段以表層凍脹為主。

3）當(dāng)凍結(jié)深度＜40 cm時(shí)凍脹雖然發(fā)展，但基本不構(gòu)成凍害，當(dāng)凍結(jié)深度在40～90 cm時(shí)凍害數(shù)量增加較快，當(dāng)凍結(jié)深度＞150 cm時(shí)凍害數(shù)量趨于穩(wěn)定。

4）表層軌道不均勻凍脹變形的平均凍結(jié)深度約為68 cm；深層約為91 cm；表深層約為108 cm。

［1］孫英潮，閆宏業(yè)，蔡德鉤，等.高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系研究［J］.鐵道建筑，2015（6）：92-95.

［2］閆宏業(yè)，蔡德鉤，楊國濤，等.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍結(jié)深度試驗(yàn)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2015，36（3）：1-6.

［3］王仲錦，葉陽升，閆宏業(yè)，等.寒區(qū)鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)中凍結(jié)深度計(jì)算方法的探討［J］.鐵道建筑，2013（2）：57-59.

［4］葉陽升，王仲錦，程愛君.路基的填料凍脹分類及防凍層設(shè)置［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28（1）：1-7.

［5］葉陽升.季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基凍脹規(guī)律及控制［C］//中國土木工程學(xué)會第十二屆全國土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會論文摘要集，2015.

［6］閆宏業(yè)，蔡德鉤，楊國濤，等.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍結(jié)深度試驗(yàn)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2015，36（3）：1-6.

［7］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2012］83號高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）［S］.北京：中國鐵道出版社，2014.

（責(zé)任審編李付軍）

Analysis on Relationship Between Frost Depth and Track Deformation for Harbin－Dalian High Speed Railway

LIU Yong
（Shenyang Railway Bureau，Shenyang Liaoning 110001，China）

Based on the field monitoring data during three years operation of Harbin-Dalian high speed railway，the relationship between the amount of track uneven frost heave deformation and frost depth was analyzed，the track uneven frost heave was divided into different classes and the corresponding frost depth of deformation for each class was discussed.Combining with the track uneven frost heave data with different subgrade structures，the distribution laws of embankment，cutting and track uneven frost heave deformation in surface layer and deep layer of transition zone was analyzed.T he results show that the subgrade frost heave will cause track uneven frost heave deformation only in a certain depth range and the fillings and drainage in frost depth range that will affect track deformation should be well controlled during the process of railway construction and maintenance.

Harbin-Dalian high speed railway；Seasonal permafrost region；Frost depth；T rack uneven frost heave

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.21

1003-1995（2016）10-0079-04

2016-06-11；

2016-07-29

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃（Z2012-062）；中國鐵路總公司科研試驗(yàn)任務(wù)（Z2013-038）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G003-A，2015G002-I，2015G006-H）；鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目（J2014G003）

劉勇（1971—），男，高級工程師。