季節性凍土區路基凍脹評價及工程對策研究

楊軍生 王春雷

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300308)

我國東北地區鐵路網密布，大部分線路地處季節性凍土地區，既有線路基凍害發生比較普遍。結合各鐵路路基工程特點，在哈牡、哈齊、盤營及沈丹等客運專線建設過程中，均開展了幾個凍融周期的路基凍脹變形監測工作。由于路基凍脹機理復雜，影響因素較多且相互作用[1-3]，監測內容多、數據量大，針對高速鐵路毫米級變形標準，正確、科學地進行凍脹評價十分困難[4-5]。

本文結合近幾年工作實踐[6-9]，嘗試性研究了一套高速鐵路路基凍脹評價方法，總結了凍脹原因，提出了工程措施建議，研究成果可為建設質量評價和安全運營提供參考。

1 高速鐵路路基凍脹評價技術要點

高速鐵路路基凍脹評價內容較多，加之路基凍脹機理復雜，影響因素多且相互作用，限于篇幅，僅對幾項技術要點進行概述。

1.1 氣候特點評價

通過各線自動監測及軌道綜合列車檢測結果表明，路基凍脹變形發展與氣溫的變化緊密相關。氣候特點評價是區域路基工程凍脹評價的基礎，其評價的指標主要通過氣溫特征和氣候凍結指數實現。

牡綏高速鐵路沿線各城市的2013-2014年度冬季大氣溫度變化移動平均曲線，如圖1所示。

圖1 2013-2014年牡綏線沿線主要城市氣溫變化曲線

由圖1可知，各地氣溫波動曲線形狀完全一致，呈下凹狀，大致可分為溫度下降、低溫持續、溫度回升3個階段。根據軌道檢測結果，在氣溫下降期，降溫作用十分明顯，軌道狀態也出現超限情況，并一直呈現迅速增加的趨勢；在低溫持續期超限數量有一定程度的增加，但增速減緩；在溫度上升期，溫度回升到0 ℃以上，軌道狀態超限數量開始迅速減小，直到基本消失。

氣候凍結指數是指一年或整個冬季中連續低于0 ℃氣溫的持續時間與氣溫數值乘積之總和。以牡綏線為例，2個年度凍結指數對比，如表1所示。

表1 2013-2014年度牡綏線沿線主要城市凍結指數

由表1可得2個年度該線沿線凍結指數分布情況，可知東北凍結指數基本上沿著緯度呈增大趨勢，凍脹評價中，氣候凍結指數可以較好的反映每個監測年度沿線區域氣溫特征，凍結指數的大小決定了凍結深度的大小，也間接影響凍脹變形。目前在鐵路及相關領域，設計采用的凍結深度普遍采用了凍結指數作為最基本的參數。

1.2 人工變形觀測數據統計分析方法

人工變形觀測是指通過幾何水準量測方式獲取的路基面變形數據，它的優點是覆蓋面廣，數據可靠，是路基凍脹評價的基礎。

針對人工變形觀測數據的處理，首先可以結合高速鐵路運營標準及相關經驗，將變形數據劃分為4 mm、8 mm、10 mm、12 mm等級別進行分類統計，掌握路基總體變形情況。牡綏線人工觀測數據統計分析如表2所示。

表2 牡綏線路基凍脹變形統計表

由表2可知：① 本年度全線統計2 406個測點，最大凍脹變形為9.28 mm，為一般路堤工點。② 全線凍脹變形≤4 mm測點占總數83.50%， 4～6 mm測點約占總數10.39%， 6～8測點約占總數4.95%，大于8 mm測點占全部測點數1.16%，無大于10 mm變形。總體凍脹變形較好。③ 按工點類型統計，各工點類型凍脹變形≤4 mm在81.65%～85%范圍內，大致相當。另外，大于8 mm測點共28個，其中13個約46.4%發生在路堤地段，路塹及路涵過渡段分別各5個(各占17.9%)，路橋過渡段3個(占10.7%)，涵洞頂2個(占7.1%)。

其次，可將人工觀測數據沿線路方向每10 km劃分成一個區段，統計區段內各路基段凍脹量平均值及最大值，繪制沿線縱向區段路基凍脹變形分布圖，掌握沿線凍脹分布特征，確定凍害發生嚴重段落及里程。牡綏線沿線縱向區段路基凍脹量分布如圖2所示。

結合表2和圖2，可挑選連續變形較大的工點，掌握沿線凍脹較大段落，結合凍脹原因核查，判定凍脹較大段落凍脹原因、凍脹時間、凍脹主要發生部位等，為凍脹整治提供依據。具體方法為：① 首先確定凍脹較大段落(如表3所示)，通過表3可知牡綏線凍脹大于8 mm共5個段落，應重點關注。② 繪制各段落凍凍脹變形最大值隨里程變化曲線、線路左中右凍脹最大值隨里程變化曲線及典型測點凍脹變形隨時間變化曲線(如圖3、圖4所示)，由此可知該段凍脹變形8～12 mm的3個，大于12 mm的0個。另外本段凍脹變形右側明顯偏大，中部其次，左側最小。③ 經調查，該段地勢左低右高，現場為匯水地形，路基以低填通過，路基右側坡腳處積存雨雪水，路堤填筑后右側表水易滲入路堤本體，基床個別點填料細顆粒含量不滿足要求，致使凍脹量偏大，即凍脹補強設計中，應重點注意該段防排水設計及填料的質量。

表3 牡綏線連續凍脹變形較大段落統計表

圖3 凍脹變形最大值隨里程變化曲線

圖4 線路左、中、右凍脹最大值隨里程變化曲線

1.3 自動監測數據統計分析

自動監測數據分析主要包括路基分層變形情況、實測最大凍結深度及凍脹規律3個方面。

2014年，我們將在黨的十八屆三中全會精神指引下，按照即將召開的全國水利廳局長會議的決策部署，搶抓機遇，深化改革，開拓創新，不斷提升業務水平和支撐能力，更好地服務水利改革發展大局。

(1)路基分層變形情況分析可結合路基結構，對基床表層、基床底層及基床以下幾個部位變形情況分別進行統計，掌握分層變形情況，進而為凍脹整治提供依據。牡綏線分層凍脹統計結果如表4所示。可以看出：全部工點統計中，表層凍脹變形占全部變形約30.4%，表明基床底層同樣是防凍脹關鍵部位。另外路塹工點凍脹變形主要發生在表層，路堤工點凍脹變形主要發生在基床底層，對應防凍脹設計及整治宜分別重點關注。

表4 牡綏線路基分層凍脹變形情況統計表

(2)實測最大凍深如表5所示，可得實測凍深與收集資料凍深對比情況。

表5 牡綏線路基實測凍結深度統計表

由表5可知，本線凍土路基9個自動監測斷面中，5個凍深實測值大于收集資料的最大凍深，實測凍深符合率僅為46.67%，二者比值最大達120.94%。

通過監測可以掌握區域凍深發展情況，防凍脹設計參數應結合凍脹監測實際凍深為準及時調整，凍脹較大段落也應及時查找原因并進行補強防凍脹設計。

(3)凍脹規律的分析包括凍脹變形隨時間、凍結深度隨時間、地下水位隨時間以及含水量與凍脹變形、凍結深度與凍脹變形等各因素之間相關關系的分析，通過凍脹規律的分析可掌握路基凍脹特征，對防凍脹設計、整治及運營維護均有重要的意義，凍脹規律評價方法及主要成果在下章節詳細分析。

2 高速鐵路路基凍脹特征分析研究

研究高速鐵路季節凍土區路基凍脹變形特征和分布規律是高速鐵路路基凍脹變形控制、凍脹機理解釋、以及探索適用的防凍脹措施等方面研究的前提。本文通過凍脹評價方法對路基凍脹特點進行分析研究，總結路基工程凍脹特點和凍脹規律，為今后有針對性地進行防凍脹設計提供參考。

2.1 路基結構凍脹特點

(1)從工點類型來看，路基過渡段凍脹變形偏小，其次路堤，路塹最大，初步說明過渡段采用的路基設計方案(倒梯形過渡，分層填筑摻加5%水泥的級配碎石)對控制凍脹變形好于一般路基地段。

(2)分層變形統計中，路基表層凍脹變形占全部變形約1/3，表明基床底層同樣是防凍脹關鍵部位。

(3)路基不同位置凍脹變形大致相當，沒有表現出路肩或坡腳變形大、軌面變形小的特點，也沒有表現出原始地面凍脹大、路基凍脹變形小的規律。各位置凍脹沒有表現出明顯差異。

(4)有約25%～46%的路基實測凍結深度大于通過氣象站收集資料獲取的土壤最大凍結深度，尤其是路塹工點(85%以上大于收集資料凍深)，二者比值最大達177.49%，說明山區路塹地段的路基設計凍深值得進一步考慮。

2.2 路基凍脹規律

路基凍脹是一個緩慢積累和發展的過程，在這一過程中，不同時期的凍脹量及其增長速度不同。高速鐵路路基凍脹過程基本可劃分為初始波動、快速凍脹、穩定凍脹以及融化回落4個階段(如圖5所示)。第一階段為初始波動階段，凍結初期，凍脹變形隨時間增加，反復波動，無明顯變幅；第二階段為快速凍脹階段，進入凍期后，凍脹變形隨時間快速發展，迅速提升；第三階段為穩定凍脹階段，凍脹變形達峰值后，變形發展相對平穩；第四階段為融化回落階段，即進入融期后，凍脹變形迅速回落，完成一個凍融周期。

圖5 牡綏線典型路基斷面凍脹總變形隨時間變化曲線

2.3 含水量與地下水位的關系

通過監測發現，路基內部含水量以及地下水條件是凍脹變形大小的決定性因素，分析季節凍土區高速鐵路路基內部含水量及地下水的關系，是解釋路基凍脹機理，防治路基凍脹病害的關鍵。

牡綏鐵路含水量與地下水位的關系如圖6所示，主要表現出3種特征。

(1)凍期前地下水位大于8 m時，地下水水位變化對路基本體含水量基本無影響，如圖6(a)所示。

(2)凍期前地下水位在4 m左右時，針對路塹工點或淺挖低填段，地下水對基床表層含水量基本無影響，但影響到了基床底層的含水量，基床底層及以下含水量較大，可達50%～70%。進入凍期后，地下水水位降低，對基床底層含水量減小，地下水對基床底層幾乎無補給，如圖6 (b)所示。

(3)凍期前地下水位小于4 m時，針對本路堤工點(浸水路堤，路堤高大于6 m)，地下水對基床表層含水量影響不大，整個凍期基床底層含水量在30%左右，如圖6(c)所示。針對本地下水路塹工點，地下水對基床底層下部影響較大，整個凍期接近飽和，對表層及底層上部僅局部有影響，如圖6(d)所示。說明地下水較淺時(小于4 m)，對路基基礎底層含水量有較大影響，填料及防排水措施應適當加強。

圖6 含水量與地下水位關系圖

3 高速鐵路路基凍脹原因分析及工程對策建議

路基凍脹評價的目的是為了分析凍脹原因，有針對性地進行工程處理方案設計。根據近幾年各線監測成果，結合土的凍脹性、水、凍結溫度等凍脹3因素，初步總結凍脹原因，提出了如下工程對策和建議，供今后季節性凍區鐵路建設指導和參考。

(1)季節性凍土地區進行鐵路建設時，在建設過程中，防排水措施的完善和路基土施工壓實質量是防凍脹關鍵。防排水措施應在凍期前保持和路基本體填筑同步或提前，排水措施無法及時實施時，也應做好臨時排水工程，保證凍期前路基地表、地下水排水通暢。

(2)填料質量是路基凍脹的重要因素，施工中應嚴格控制填料中的細粒土含量，在保證填料質量(細顆粒含量、壓實度)的前提下，可有效控制路基本體的凍脹。

(3)通過近幾年監測發現，路塹工點凍脹變形主要發生在表層，路堤工點凍脹變形主要發生在基床底層，即與表層一樣，基床底層同樣是防凍脹關鍵部位。

(4)山區半挖低填路段路基地形上是左低右高(或左高右低)，高的一側易匯水積水。監測普遍發現類似工點路基靠路塹一側凍脹變形最大、中間其次，低的一側最小，說明匯水地段為低填淺挖段路基。在匯水一側宜設置滲水盲溝，保障路基本體排水通暢，減小凍脹性。

(5)硬質巖地段路塹基床的橫向排水坡應保持一定坡度且應平整，避免表面積水，凍脹變大。

(6)建議凍脹監測與施工同步開展，防凍脹設計參數應結合凍脹監測實際凍深及時調整，凍脹較大段落也應及時查找原因并進行補強。

(7)在季節性凍土地區的鐵路建設中開展凍脹監測是有必要的，可掌握全線凍脹情況，有針對性開展防凍脹補強，保障建設質量和運營安全。

4 結束語

本文根據近年來多個高速鐵路路基凍脹監測項目。結合考慮高速鐵路建設及運營特點，對路基凍脹評價方法技術要點進行了研究，可為科學系統地進行建設質量評價和運營狀態評估提供依據。同時，結合近幾年各線防凍脹措施、凍脹監測及路基填料核查結果，總結出凍脹成因，提出工程對策和建議，供今后季節性凍區鐵路路基勘察、設計、施工參考和指導。