寒區客運專線有砟軌道路基凍害整治技術

湯曉光

(中國鐵路沈陽局集團有限公司，遼寧 沈陽 110013)

寒區客運專線有砟軌道進行了專門的防凍脹設計。基床表層可設計為水泥穩定級配碎石，增加了強度和整體性，基床底層和路塹地段換填層頂部設置隔斷層防止大氣降水繼續下滲。

長琿、丹大等有砟軌道客運專線在東北地區相繼開通運營，雖然在路基防凍脹方面有針對性設計，但還是發生了不同程度的凍脹變形，影響了軌道的平順性，列車運行晃動加劇，工務部門整修工作大量增加。

凍融按照時間進程可分為初始波動、快速凍脹、穩定凍脹和融化回落4個階段[1]。其中快速凍脹階段和融化回落階段對線路平順性影響最大，對整修工作的及時性要求也最為迫切。

已有研究[2-5]表明，凍脹敏感性土、水分和低溫是路基凍脹的必備要素。客運專線排水不暢的基床表層、地下水位過高的路塹地段和積水涵洞上方填土均出現了不同程度的凍脹現象。凍脹整治可從填土改性、疏排水和保溫方面著手[6-9]，減緩甚至徹底解決凍害問題。

1 路基凍害基本情況

沈陽鐵路局管轄線路地處東北干潤季節凍土區，氣候寒冷，氣溫基本隨緯度的增加逐漸降低。年平均氣溫0～10 ℃，一月平均氣溫-24～-5 ℃，標準凍結深度0.8～2.3 m。東西部地形、地質主要為低山丘陵，可形成較厚的風化殘積層。中部為強烈沉降區，地勢低洼，地下水較淺，年降雨量330～1 200 mm。從東部到西部隨著離海洋距離的增加降雨量逐步減少，降雨主要集中在夏、秋季節。

從所處區域的氣候、地質和降水條件來看，均具備路基凍脹發生條件。因為路基不均勻凍脹主要發生在前半程，凍結達到一定深度后基本呈現均勻凍脹態勢，所以由不均勻凍脹引起的路基凍害數量與當地的凍結深度大小沒有必然性聯系，凍害數量主要與路基填料土質和土體含水率有關系。

沈陽鐵路局管轄內西部山區因降水量較少、土質凍脹敏感性較弱而路基凍害較少。中部遼河平原以粉土和黏土為主，降水量較大且地下水位淺而路基發生凍害較多。東部山地降水量大而發生的路基凍害也相對嚴重。

2 客運專線路基凍害分布及成因分析

丹大快速鐵路連接丹東和大連，線路長度為158.05 km，路基長度73.52 km，其中路堤17.31 km，路塹56.21 km。丹大鐵路凍害位置及凍脹量統計見表1、表2。2015—2016年冬季，丹大線共發現凍害127處,合計 1 119 m，最大凍脹量為29 mm，平均凍脹量為11.9 mm。

表1 凍害位置統計

表2 凍脹量統計

由表1、表2可知：發生在涵洞頂部位置的凍害占全部凍害處所的49%，凍脹高度7～20 mm的凍害占比80%。凍害監測數據還表明，凍脹高度11 mm以上60處凍害有47處位于涵頂及過渡段，占總數的78%。選擇大孤山站涵洞進行了取樣，測試試樣的含水率、顆粒級配等測試結果表明基床底部填料細顆粒含量、含水率均較高。

結合長琿城際鐵路2013—2014年監測數據，重點對長琿城際鐵路地下水位較高的路塹、膨脹土(巖)路塹、淺路塹、低矮路堤、浸水路堤等特殊巖土路基凍害處所進行監測，對數據進行了采集、分析，總結出客運專線路基凍害成因主要為： ①涵洞區段大氣降水沿著基床頂面、兩側電纜溝槽和土質邊坡下滲，涵洞頂部排水不暢，填土含水率升高，涵洞頂部存在不同程度的積水問題。冬季氣溫下降，洞頂填土內積蓄的熱量不斷散失又得不到地熱的補充，涵洞頂部填土由四周向中心逐漸凍結，直至全部凍透。因此，涵洞處的凍害在凍脹速率和凍脹量指標上都非常突出。 ②寒區客運專線路基基床表層設計為水泥穩定級配碎石，摻入5%水泥的基床表層在列車動載作用下開裂導致強度和整體性下降，降水滲入基床表層產生了凍害。③寒區客運專線路基和路塹在路堤基床底層頂部和路塹換填層頂部設置了復合土工膜隔斷層以防止大氣降水下滲引起底層凍脹，監測發現了兩布一膜隔斷層上的排水管排水不通暢導致基床表層底部積水引起凍脹的問題。④路塹地段，存在盲溝設計深度不夠導致冬季凍結、地下水未能及時排出路基引起的凍害問題。

3 客運專線凍害整治方法及適用性分析

影響土體凍脹的三要素包括土質、含水率和溫度，凍害整治方法從三要素入手可采取換填或對原有填土改性、疏排水降低路基土體含水率和保溫的方法進行路基凍害整治。

3.1 路基疏排水技術

通過設置滲水盲溝、平排孔、無砂混凝土、切槽等措施，將基床中的水排出，從而達到降低路基凍脹的目的。

1)路塹地段增設或加深截水滲溝，滲水管頂至側溝平臺深度不小于1.3倍凍結深度+0.25 m，保證冬季排水暢通，不間斷攔截路基側面來水和降低路基本體范圍的水位高度。截水滲溝下臥困難時采用側溝平臺下加鋪保溫板的措施，如圖1所示。

圖1 保溫滲溝

2)針對基床表層凍脹量較大的情況，可采用在護肩上切槽或拆除原有護肩并在兩布一膜隔斷層以上鋪設無砂混凝土板的排水措施，打通基床表層的排水通道，如圖2所示。

圖2 護肩切槽(單位：m)

切槽排水方案設計沿基床表層底部每隔一段將混凝土護肩切開，深度切至兩布一膜隔斷層，切槽范圍采用洗凈碎石充填。兩布一膜上放置PVC管(半管),深至電纜槽下，保證基床表層水順暢排出。

無砂混凝土板排水方案先護拆除護肩(如圖3所示)，在電纜槽外側，兩布一膜隔斷層以上鋪設無砂混凝土板，上鋪一層塑料防水布，塑料防水布以上重新施作混凝土護肩，無砂混凝土板縱向每隔一段設置一PVC排水管(半管)。

圖3 無砂混凝土板排水(單位：m)

路基疏排水技術具有經濟、技術要求簡單等優點，但其應用有局限性。該技術僅適用于基床填料自身排水性較好，只是由于路塹地段盲溝凍結無法排水或路堤地段護肩結構物阻隔了排水通道導致積水引起的路基凍害。

3.2 換填技術

針對基床底層的凍害處所進行實地取樣勘察，對不同層位的填料進行分析，必要時開展原位凍脹監測，明確凍脹層位。通過橫向一定孔徑的跟管掏土將高含水率細粒土填料置換掉，并充填非凍脹材料。運用該方法整治路基凍害施工成本較大且路塹地段施工機械無法展開。所以此方法適用于路堤段基床底層局部層位填土問題造成的凍害，需前期完成精準的勘測定位工作。

3.3 填料注漿改性技術

在基床發生過凍害的部位進行鉆孔，采用雙組分反應型樹脂類高分子漿液定向、低壓滲透侵入基床，使高分子漿液充分填充路基顆粒間空隙(如圖4所示)。漿液滲入后在引發劑和催化劑作用下發生化學聚合反應，與填料固結到一起，膠結成不溶水的高強度路基，達到削弱或消除基床凍脹的效果。

圖4 填料注漿改性(單位：m)

注漿改性技術適用于滲透性強的填土，對于黏土等細顆粒土無法達到預期效果。該方法尤其適用于解決因排水不暢導致涵洞頂部積水引起的凍脹問題。注漿法整治凍害造價較高，另外現場試驗表明，由于線上作業天窗時間短和填土復雜性因素影響，注漿施工時漿液擴散半徑和滲透部位很難精確控制，施工工藝有待進一步提高。

3.4 路基保溫防凍脹技術

借助保溫材料的低熱傳導特性，在路基表面或涵洞內側鋪設一定厚度的保溫材料，以減緩冬季路基土體熱量的散失，從而達到控制凍脹的目的。在天窗時間扒開線路道砟，在基床表層鋪設5 cm厚XPS保溫板后恢復線路(如圖5所示)。溫度場模擬試驗表明，鋪設保溫板后能夠明顯減緩熱量散失，提高路基溫度。

圖5 路堤(塹)鋪設保溫板

鋪設保溫板能夠明顯減小路基凍結深度，使凍結鋒線上移。該方法對于基床表層凍害整治效果有限，尤其適用于較深層次的基床底層凍害。

3.5 涵洞保溫防凍脹技術

在涵洞頂板內側鋪設保溫板，減緩涵洞上部路基體熱量散失速度，防范涵洞頂部凍害忽漲忽落造成的行車安全風險。

因為洞頂填土內積蓄的熱量不斷散失又得不到地熱的補充，最終由四周向中心將整個土體凍結。在涵頂內側鋪設保溫板可以緩解氣溫驟變引起的軌道幾何尺寸急劇變化，給養護維修工作提供充裕的時間。

4 結論

1)涵洞區段凍害在凍脹速率和凍脹量指標上都最為突出。建議在此部位采取對土質邊坡進行封閉以防止大氣降水下滲導致洞頂積水的方法從源頭上進行整治。也可采取在洞頂填土內滲透注漿的方法充填填料孔隙達到擠出水分的目的。還可在涵洞頂部內側鋪設保溫板緩解氣溫驟變引起的軌道幾何尺寸急劇變化。

2)基床表層凍害可采取護肩切槽或護肩下鋪設無砂混凝土板的方法排出隔斷層頂部基床表層積水。

3)基床底層凍害可采取鋪設XPS保溫板提高路基體內部溫度的方法防止底層凍害的發生。路堤地段基床底層由于局部填料問題產生的凍害也可采取跟管掏土將高含水率細粒土填料置換出來的方法進行整治。路塹地段基床底層凍害可采取增設或加深排水盲溝降低地下水的方法進行整治。

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