季節性凍土區高速鐵路路基防凍脹設計優化

李先明

(中鐵城市發展投資集團有限公司，四川成都610031)

季節性凍土區高速鐵路路基防凍脹設計優化

李先明

(中鐵城市發展投資集團有限公司，四川成都610031)

哈大(哈爾濱—大連)高鐵是我國第一條季節性凍土區無砟軌道高速鐵路，抑制路基凍脹變形是保證軌道結構穩定的必要條件。哈大高鐵在建造過程中，通過前期控制和后期補強，將路基凍脹變形控制在有限范圍內，保證了運營安全。本文根據哈大高鐵路基凍脹深化研究成果及監測數據，對哈大高鐵路基凍脹規律及工程特點進行總結，對路基防凍脹設計中填料凍脹特性的辨識、路基凍結深度的選取與修正、級配碎石摻水泥的凍脹特性、既有路基防排水結構的優劣等問題進行了探討，從工程應用方面提出了建議。

季節性凍土區;高速鐵路;路基凍脹;設計優化

1　概述

根據季節性凍土區公路、普速鐵路等工程建設經驗和研究結果，在負溫條件下路基會出現不同程度的凍脹變形，幅值一般在10～30 cm，甚至可超過40 cm。這些變形是由于:①路基凍結深度范圍內孔隙水凍結成冰，體積發生膨脹(膨脹系數為9%);②在降溫凍結深入的過程中，下部未凍土層中的水分源源不斷地向凍結鋒面遷移、聚集并凍結。路基發生較大凍脹變形，會對建(構)筑物產生極大破壞，是季節性凍土區工程病害產生的主要原因之一。

高速鐵路對軌道結構以及路基基礎的變形提出了極為嚴格的要求。在季節性凍土區如何將路基凍脹變形控制在一定范圍之內是建造者面臨的一個難題。

哈大高鐵南起大連市，經遼寧省營口、鞍山、遼陽、沈陽、鐵嶺市，吉林省四平、長春、松原市，終于哈爾濱市，線路縱貫東北三省，途徑3個省會城市和7個地級市及其所轄區縣。其沿線氣候寒冷，極端最低溫度－39.9℃，最大積雪厚度30 cm。沿線土壤最大凍結深度在93～205 cm，每年從10月開始凍結，次年4—5月全部融化，經歷時間長達5～6個月。

針對哈大高鐵季節性凍土區路基凍脹隱患，建造過程中圍繞路基凍脹三要素——土質、水和溫度，以基床填料防凍脹和“封排結合”控水措施并重為原則，施工過程中對填料的含水量、粒徑、細顆粒含量等關鍵參數進行了重點控制。后期又對因地貌改變引起地下水變化的地段采取了防凍脹補強措施。通過哈大高鐵開通運營來的歷年監測數據可以發現，哈大高鐵路基凍脹變形呈現總體穩定且峰值逐年減小的趨勢。

2　季節性凍土區路基凍脹特點

2.1季節性凍土區路基填料的凍脹特性

通過哈大高鐵沿線成型路基的挖探試驗數據可知，雖然沿線施工質量略有差異，但其路基本體范圍內細顆粒(粒徑d≤0.075 mm)含量在4.19%～14.56%，均不大于15%，滿足《鐵路特殊路基設計規范》(TB 10035—2006)對路基填料的規定。沿線基床填料顆粒分析及含水率試驗結果見表1。

表1　基床填料參數統計

粗粒土細粒含量與凍脹的關系見圖1。按照TB 10035—2006對不凍脹土的定義，細顆粒含量為15%時，土的凍脹率已達到1%。當細粒含量超過15%之后，隨著細粒含量的增加土體凍脹敏感性顯著增大。哈大高鐵按照平均凍結深度1.5 m計算，理論上凍脹量會達到15 mm，對于高速鐵路而言變形很大。這也從理論上證明了路基凍脹的普遍性。建議在后續規范修訂完善時，應提出新的填料凍脹級別劃分標準，為設計和施工提供依據。

圖1　粗粒土細粒含量與凍脹的關系

另外按照填料的客觀凍脹特性，要將土的凍脹變形控制在一定范圍內，在溫度和水2方面條件不變的情況下，需要將細顆粒的含量盡量降低到5%以下甚至更低。這對于填料的選擇和現場施工提出了苛刻要求。因此應在溫度和水2方面進行控制。

2.2季節性凍土區路基凍結深度的規律

理論上溫度受沿線氣候影響屬于不可控因素，路基凍結深度無法通過人為因素改變。在季節性凍土區修筑路基工程后，打破了原有地氣之間相對熱平衡的交換狀態，導致路基凍結深度與原狀土凍結深度出現差異。特別是對于鐵路這種長大線性工程，受地形、土質、日照、植被、線路走向等因素影響，相同溫度條件下，不同的路基形式、路基填料和日照部位，路基的實際凍結深度都會發生一定程度的變化。根據青藏線既有研究與調查成果，同一區域的野外凍結深度是氣象部門提供的凍結深度的1.2～1.3倍，同一地點、同一時間陰坡的凍結深度是陽坡的1.1～1.5倍，路基換填后凍結深度是原狀土凍結深度的1.2～1.5倍。

哈大高鐵沿線路基凍結深度統計結果見表2，2012—2013年觀測最大凍結深度與天然土壤最大凍結深度之比在1.16～1.79，平均為1.43;2013—2014年觀測最大凍結深度與天然土壤最大凍結深度之比在0.76～1.44，平均為1.21。

表2　哈大高鐵沿線路基凍結深度統計結果

哈大高鐵的工程實踐說明，鐵路路基最大凍結深度較天然土壤最大凍結深度普遍加大。這與填料的導熱系數較高、含水率較低有關。這為季節性凍土區高速鐵路路基的基床結構設計提供了重要的參數。

哈大高鐵路基設計參數參考當地氣象部門提供的最大凍結深度。由于鐵路路基最大凍結深度普遍較天然土壤最大凍結深度大，因此滲水盲溝等排水設施在冬季易凍結，加劇路基凍脹變形。

在后續設計中，應基于填料的物理特性，通過理論計算和實測分析確定適用于高速鐵路路基防凍脹設計的凍結深度，并根據線路等級、荷載、運行速度、軌道條件等確定是否采用有害凍結深度的概念。

哈大高鐵在后續補強設計中，已對凍結深度進行了修正。修正公式為:設計凍結深度=當地最大凍結深度×1.3+0.5。

2.3季節性凍土區路基凍脹變形規律

盡管鐵路沿線的氣候特征在空間上、時間上、地域上的不確定性在一定程度上導致了路基凍脹具有隨機性和不確定性，但是根據哈大高鐵路基凍脹自動監測數據，路基凍脹發展變化過程可大致劃分為凍脹初始波動、凍脹快速發展、低速穩定持續發展、波動融沉、變形穩定5個發展階段，見圖2。

圖2　K186+740斷面路基凍脹變形過程

從圖2可知，路基凍脹快速發展階段(即第2階段)和波動融沉階段(即第4階段)凍脹變形速率快、凍脹變形程度大，對軌道幾何狀態和線路平順性影響大。現場維護經驗表明，這期間路基凍害頻繁發生，線路超限處所數量增加。

季節性凍土區具有地下水豐富，入冬前降水充沛，冬季低溫嚴寒等氣候特點。當氣溫下降至負溫時，土層中孔隙水凍結成冰，體積膨脹，從而產生凍脹變形。這是路基凍脹變形在初期快速發展的原因。這期間路基凍結前的降雨或降雪容易滲透路基，增加路基頂層范圍內含水量。此外，在個別地下水位較高的路塹地段，地下水也會向凍脹鋒面遷移，隨著凍結深度的加大而產生持續、較大的凍脹變形。

季節性凍土區還具有春融期間晝夜溫差大的特點。這期間隨著大氣溫度升高至0℃以上并持續一段時間，路基凍土層開始雙向融化，隨著溫度在0℃上下波動，短時融化雪水進入基床表層，基床呈現反復凍融變形現象。

從上述分析可知，路基基床表層由于直接與大氣環境接觸，受溫度、水分的影響較路基其他部位明顯，在季節性凍土區的凍脹變形程度也更為明顯。在后續設計中，應充分考慮路基基床表層填料在季節性凍土區氣候環境條件影響下的凍脹特性。

3　季節性凍土區路基防凍脹設計優化思路

3.1季節性凍土區路基凍脹變形控制標準的確定

哈大高鐵的建造經驗表明，我國高速鐵路設計規范關于路基凍脹變形的規定還需繼續完善，主要有以下方面:

1)哈大高鐵修建過程中對無砟軌道的沉降變形有著極為嚴格的規定，從設計、施工、評估到驗收等工序均有一套成熟的制度。因為有章可循，加之嚴格的過程管控，無砟軌道的沉降變形得到控制。但是現有的設計規范中對于無砟軌道向上容許的變形量卻沒有標準，這就需要設計者進一步調研，充分結合已建高鐵的經驗，對規范、制度等進行完善。

2)通過哈大、盤營、蘭新高鐵的建設，我國對路基凍脹變形的認識提到了一個新的高度，但對于凍脹和凍害的界定尚無確切標準。在施工過程中乃至后期運營維護中，確定凍害標準時到底是采用絕對凍脹量還是按行車速度和長短波平順性的要求采用相對指標，或者二者相結合進行判定都沒有一個明確的規定。

以哈大高鐵為例，路基凍脹變形在0～10 mm間的段落占總長的72.9%，然而根據動檢數據統計，因凍脹引起的高程超限僅占路基總長的5%左右。說明路基在冬季普遍發生不同程度的凍脹，但由于其呈現總體穩定、個別峰值的特點，并非全部形成凍害。

高速鐵路的安全性和舒適性均受軌道平順性控制，而路基凍脹地段的軌道平順性又主要受路基變形影響，在后續季節性凍土區路基設計中，設計者應充分考量路基變形與軌道變形的關系，在列車安全性和舒適性之間尋找一個平衡點，統籌考慮路基凍脹變形的控制措施和設計參數。

3.2哈大高鐵過渡段凍脹特點

過渡段主要有路橋、路隧和路涵3種結構形式。其設置目的:①使支撐軌道的基礎剛度不要發生突變;②避免結構物與路基發生較大的不均勻沉降，而導致軌面不平順，因而影響線路結構的穩定。過渡段須重點關注的問題如下:

1)級配碎石摻水泥過渡段凍脹特性問題

哈大高鐵路基過渡段根據國內外高速鐵路、公路經驗，其填筑材料為摻入一定水泥的級配碎石，長度一般控制在20 m左右。另外為了保證個別短路基(＜200 m)的剛性過渡，其整個段落基床表層均采用級配碎石摻水泥進行填筑。設計之初并未深化研究級配碎石摻水泥與凍脹變形的關系。

表3為哈大高鐵路基凍脹變形分類統計結果，可以看出全線過渡段凍脹變形較普通段落明顯偏小，另外由于過渡段的倒梯形結構，結構物10 m范圍內全部為級配碎石摻水泥填筑，其凍脹變形更加偏小。

表3　路基凍脹變形分類統計結果

從表3可以看出，凍脹變形≤4 mm的比例，過渡段要明顯大于其他路段;凍脹變形＞8 mm的比例，過渡段明顯小于其他路基段;對于＞12 mm的凍脹變形，過渡段基本沒有。

2)級配碎石摻水泥過渡段長度問題

過渡段由于采用級配碎石摻水泥結構，其凍脹變形較其他路基段明顯偏小，它與兩側路基段的凍起與不凍起的相對高差導致了線路不平順，過渡段反而是產生超限處所和凍害較為集中的地段。因此如何減緩過渡段及其兩側路基段的不均勻凍脹性是后續高速鐵路設計應重點研究考慮的問題。

通過這一凍脹規律的發現，在盤營、哈齊客專的建設過程中，對基床表層級配碎石層全部添加了一定比例的水泥。從目前的監測數據來看，級配碎石摻水泥后改變了填料的性質，大大緩解了凍脹變形的程度，也解決了過渡段相對變形差異大的問題。

3.3哈大高鐵路基防排水結構設計優化

季節性凍土區路基凍脹變形的水分補給主要來源于地表水下滲和地下水向上遷移。哈大高鐵的工程實踐表明，目前常用的防排水結構設計還存在一些需要細化完善的地方。主要有以下方面:

1)優化電纜槽設置位置

哈大高鐵在凍脹補強過程中發現電纜槽是加劇凍脹變形的原因之一。首先，電纜槽的設置改變了路基本體的熱對流條件，加大了路肩部位的凍結深度。其次，在凍結季節，電纜槽位置首先凍結，阻擋了路基基床表層水分的排出，使級配碎石含水量升高，加重了凍脹現象。第三，電纜槽在路肩部位形成一個匯水帶，增加了地表水滲透至路基本體的通道。因此從減少路基凍脹角度出發，電纜槽不宜設置在路肩上。

哈齊客專在建設過程中將電纜槽位置設置在邊坡，解決了潛在滲水途徑問題。凍脹監測數據分析表明其防凍脹效果良好。

2)強化表面防排水層作用

路基面設置纖維混凝土防排水層，其結構縫一般采用瀝青軟膏或聚氨酯材料進行填充封閉處理。由于既有封縫材料技術標準不高，尤其對季節性凍土區的嚴寒環境適應性低，導致其封水效果差。以哈大高鐵為例，密封材料在經歷數次凍融循環后，均出現老化、開裂現象，地表水下滲明顯，從而直接增大了路基表層凍脹變形。

從改善防排水效果的角度出發，可從以下方面進行深化研究:①探討在無砟道床底部全斷面滿鋪一定厚度的瀝青混凝土，形成整體結構防水層;②探討將基床表層全部換填成級配碎石摻水泥的復合結構(目前，盤營、哈齊客專已采用這一成果，效果良好);③研究滿足嚴寒地區環境氣候特點的封縫材料，延長路基面防排水層的使用壽命(目前，哈大高鐵正進行實體工程試驗，效果顯著)。建議在后續設計中，設計者應根據不同的地域、環境和工程特點，充分論證，提出適應項目特點的防排水層結構及參數設計。

3)保證地下水位下降效果

既有高速鐵路路基降低地下水位的措施主要采用滲水盲溝，設計時依據氣象部門提供的當地最大凍結深度確定盲溝深度，這會導致盲溝深度不足產生凍結，造成排水不暢，地下水滲入路基，引發路基凍脹。以哈大高鐵為例，按氣象部門凍結深度施工的盲溝出現了個別盲溝冬季凍結現象，在后續補強設計中，對凍結深度進行修正后這一問題才得以解決。

在后續設計中，滲水盲溝的深度應根據路基填料的最大凍結深度確定，同時為迅速排出地下水和防止淤積，其底部縱坡不宜過小。對于困難地段，縱坡不易控制時，應采取加強滲水盲溝的反濾層、加大滲水盲溝排水孔尺寸、縮短檢查井間距等措施，確保其排水通暢，有效降低地下水位。

4　結語

本文以哈大高鐵為背景，提出了在季節性凍土區修建高速鐵路路基應考慮的諸多問題，其中部分問題在近年的科研中進行了深化研究，取得了一定成果并在后續項目中陸續得到運用，如路基凍結深度的修正、基床表層級配碎石摻水泥的應用、路基防排水結構的改善和補強等。哈大高鐵的建造經驗可為國內外類似項目(哈齊高鐵、莫斯科高鐵等)提供參考。

［1］國家鐵路局．TB 10621—2014高速鐵路設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2014．

［2］劉偉平．嚴寒地區高速鐵路路基凍脹整治技術［J］．鐵道建筑，2016(4):92-97．

［3］哈大鐵路客運專線有限責任公司．新建鐵路哈爾濱至大連客運專線路基凍脹情況報告［R］．沈陽:哈大鐵路客運專線有限責任公司，2012．

［4］王仲錦，葉陽升，閆宏業，等．寒區鐵路路基防凍脹設計中凍深計算方法的探討［J］．鐵道建筑，2013(2):57-59．

［5］中國鐵道科學研究院．寒區鐵路路基防凍脹結構及設計參數研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2011．

［6］楊西峰．高緯度嚴寒地區高速鐵路路基防凍脹設計研究［J］．鐵道標準設計，2014(8):6-11．

［7］石剛強．嚴寒地區高速鐵路路基凍脹和工程對策研究［D］．蘭州:蘭州大學，2014．

(責任審編 李付軍)

Design Optimization of Anti-frost-heaving for High Speed Railway Subgrade in Seasonal Frozen Soil Regions

LI Xianming
(China Railway Urban Development and Investement Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

The Harbin－Dalian high speed railway is the first high speed railway with ballastless track in the seasonal frozen soil regions of China and controlling the subgrade frost-heaving deformation is necessary to ensure the stability of the track structure．During the construction process of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frostheaving deformation could be controlled in a limited range for the operation safety through the early control and late rein forcement．Based on the deep research results of subgrade frost-heaving and m onitoring data of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frost-heaving law and engineering characteristics of Harbin－Dalian high-speed railway were summarized，the problem sincluding frost-heaving characteristics identification of filling material，the adoption and modification of subgrade frost depth，the frost-heaving characteristics of graded gravel with cement and the advantages and disadvantages of existing waterproofing and drainage structures were discussed in subgrade antifrost-heaving design，and the suggestions were put forward from the aspect of engineering application．

Seasonal frozen soil region;High speed railway;Subgrade frost-heaving;Design optim ization

U213．1+53

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．25

1003-1995(2016)11-0096-05

2016-05-09;

2016-08-27

鐵道部科技研究開發計劃(Z2012-062)

李先明(1986—)，男，工程師。