疏排下滲措施在鐵路路基防凍脹技術中的應用研究

苗 慧

（中鐵二十二局哈爾濱鐵路建設集團有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150006）

1 引言

發生凍脹必要因素是足夠低溫、水源補給以及適宜的土質。當三個條件都滿足時，路基就會不可避免地發生凍脹。其中，適宜發生凍脹的土質受土顆粒影響十分顯著。水是發生凍脹的主要因素，當土體含水量超過其起始含水量，土體凍結時便會產生凍脹［1-4］。當地下水位較高時，凍結鋒面水分補給充分，土體凍脹性也會明顯增強［5］。牡綏線低挖淺埋段路基地形左低右高，右側易匯水積水，通過監測普遍發現類似工點路基右側凍脹變形最大，中間其次，左側最小。說明匯水地段的低挖淺埋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。

2 工程背景

牡綏線線路全長約138 km，其中路基長度53.2 km，正線采用有砟軌道。線路通過地區主要為低山丘陵及中低山區兩個地貌單元。牡丹江至愛河為低山丘陵區，山勢低緩，地形起伏，沖溝發育，植被茂盛，丘間洼地多有沼澤，喜水雜草茂密，海拔高程在200～600 m；愛河至綏芬河線路多經過中低山區，山勢陡峭，峰巒連綿，切割深度較大，高差多在300 m左右，植被發育，海拔高程在1 000～1 100 m。

線路通過主要地表河流有牡丹江、海浪河、馬橋河、穆棱河、細鱗河、小綏芬河等，常年流水，均屬松花江水系。沿線地下水按賦存條件分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙潛水，局部具有承壓性。孔隙潛水主要分布于第四系砂類土及碎石類土中，埋深0.7～3.5 m，水位變化幅度2～3 m。沿線大部地區屬于中溫帶濕潤氣候區，四季分明，冬季干旱漫長，夏季濕熱短暫，春季多風。按對鐵路工程影響的氣候分區，屬嚴寒地區，歷史極端氣溫-38.3℃。沿線土壤最大凍結深度見表1。

表1 沿線土壤最大凍結深度

3 技術方案

3．1 滲水盲溝措施設計

滲水盲溝設置于左側護道下部，盲溝右側1 m翼緣搭在筏板或樁帽邊上。滲溝溝底縱坡原則上同線路縱坡，困難地段不小于2‰。滲溝底寬1.2 m，垂直開挖，滲溝內充填洗凈碎石，下設C25混凝土基礎，厚0.2 m，基礎底部設置4%排水坡，其上設φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側及上側設置一層不透水土工布，右側及下側采用一層透水土工布反濾層包裹［6-7］，如圖 1。

滲溝每隔30 m及平面轉折處均設置一處檢查井，圓形檢查井采用預制拼裝式，并在井內設置防寒木蓋。沿滲溝每隔120 m，于檢查井中設管井。管井采用 DN300鑄鐵管，直徑300 mm，管井長10 m。管井上部2 m的井孔采用黏土回填，其余井孔采用碎石回填。管井底采用10 mm厚鋼板焊接封堵，周邊采用玻璃纖維增強塑料絲纏裹，纏絲間隙2 mm。鑄鐵管周邊打孔，孔徑5 mm，間距20 mm，如圖2。

圖1 滲水盲溝設置示意（單位：m）

圖2 管井示意（單位：m）

3．2 地下水位情況

根據水位監測發現，凍結期間，包括一般路堤、地下水路塹及過渡段各工點范圍內的地下水位均呈逐漸降低趨勢，三個區域水位變幅（降低值）在0.13～0.31 m之間。針對地下水路塹、浸水路堤等地下水水位較高地段進行了水位監測，分析地下水水位變化對凍脹變形、含水量及凍深的影響。

3．2．1 地下水位與凍脹變形

典型段落地下水位與凍脹變形隨時間變化曲線如圖3所示，圖4為DK416+800處設計斷面。

（1）凍期前，本工點地下水位約1.9 m，進入凍期后，地下水水位不斷降低，降低幅度較小，最深至2.7 m，進入3月份后，水位又逐步提升；另外本段路基中心凍脹變形較大，達10.96 mm，為自動監測最大變形斷面［8-9］。

圖3 典型斷面地下水位與凍脹變形、含水量隨時間變化關系曲線

圖4 DK416+800設計斷面（單位：m）

（2）基床表層級配碎石含水量凍期前稍高，約13%；進入凍期后含水量有降低趨勢，保持在5%左右（初析原因為水分下滲，或部分轉換為冰晶）。基床底層的填料部分含水量較低，保持在3%以下，基床底層含水量又明顯增大，在25%～30%之間。

（3）本段為浸水路堤，路堤基床表層填筑0.6 m級配碎石，基床底層為1.9 m非凍脹性A、B組土，基床以下護道以上填筑A、B組或C組填料，護道以下填筑滲水土。2013-2014年度凍脹變形較大，采取挖除基床表層，重新施作，基床表層級配碎石摻入5%水泥等整治措施，2014-2015年度仍產生較大凍脹變形。

3．2．2 地下水位與凍結深度

統計4個區域地下水距路基面距離與凍結深度的關系，如表2和圖5所示。

表2 地下水距路基面距離與凍結深度關系 m

圖5 地下水距路基面距離與凍結深度關系曲線

由表2和圖5可知：

（1）地下水距路基面距離越大，凍結深度越小，凍結基本發生在地下水距路基面較近區域；距離超過2.4 m后，各凍結深度最大值的平均值基本保持不變。

（2）根據地下水埋深的不同，地下水對凍深的影響也不同。若地下水埋藏深度很淺，凍結鋒面可以接觸到地下水位線；若地下水埋深超過了凍深，凍結鋒面在地下水的毛細作用帶內，凍深由毛細作用的強度決定；若地下水埋深大，毛細作用帶完全在凍層之下，地下水對凍深就沒有影響。

4 滲水盲溝現場試驗

根據全線滲井、盲溝調查情況，選擇紅旗村、柳毛村、興源鎮三段地質條件不同的滲井進行抽水及注水試驗，驗證滲井將地表水導入地下含水層的能力，在此基礎上進一步確定滲井布設的合理間距［10-11］。

（1）試驗段落地層情況（見表3）

表3 試驗段地層情況 m

（2）試驗過程

按照《鐵路工程地質手冊》相關抽水及注水試驗要求，對試驗段落內的兩處滲井分別進行抽水與注水試驗，抽水（或注水）試驗后待水位完全恢復再進行下一項試驗。

（3）滲透系數計算結果

由于滲井進入含水層僅10 m，屬于潛水非完整井，滲透系數K采用公式（1）計算。

式中，Q為涌水量（m3／s）；R為影響半徑（m）；r為滲井半徑（m）；L為過濾器有效滲透部分長度（m）；S為水位降深（m）。

由于滲井位置地質條件不同，影響半徑根據經驗取值，紅旗村取值為R＝30 m、柳毛村取值為R＝15 m、興源鎮取值為R＝50 m。各段滲井滲透系數計算結果見表4。

表4 試驗段滲井滲透系數計算結果

5 滲水盲溝措施防凍脹效果

根據牡綏沿線地區近10年降雨情況統計，最大月降雨量約為150 mm。滲水井的布設間距為120 m，沿線地勢平坦，淺層地層主要為黏性土，結合經驗考慮垂直線位方向匯水距離為10 m，匯水面積為1 200 m2。因盲溝設置于黏性土層，降雨后大部分地表水隨地表徑流排泄，少部分入滲至地下。黏性土入滲系數為0.01，根據滲井現場試驗結果，滲透系數平均值為4.5×10-5m／s。按照上述參數計算最大月降雨量為150 mm時，每個滲井段落滲入防凍層的水量為Q、滲井排水時間T可按公式（2）計算。

式中，A為滲井井口面積；K為滲井滲透系數。

如月降雨量為150 mm時，滲入防凍層的水量由滲井完全排出需要約6 d，僅為降雨時間的1／5。因此現有滲井的設置間距以及滲水能力完全可滿足雨季排水要求，不會因滲水不利而導致路基防凍層水分的補給。對21段設置滲水盲溝段落進行盲溝施作前后路基凍脹監測數據對比分析，結果如表5所示。

表5 滲水盲溝段落路基凍脹變形量統計

由表5可知，在滲水盲溝施作前，2013年冬季凍脹監測值小于4 mm的比例為83.91%，且存在多個凍脹量大于8 mm的監測點。滲水盲溝施作后，2014年冬季各監測點凍脹值小于4 mm的比例提高至94.27%，而2014年冬季上述滲水盲溝段落凍脹量全部小于4 mm。

圖6為各段落三年最大凍脹量監測結果。2014年冬季設置滲水盲溝段落最大凍脹量與2013年冬季相比明顯下降，但仍存在凍脹量大于4 mm的監測點，而2014年冬季在路基全部填筑完成并鋪軌的情況下，該段落所有監測點凍脹量均小于4 mm。尤其是DK14+950～DK17+000、DK34+000～DK35+950、DK43+300～DK44+500、DK87+500～88+150、DK117+650～DK118+250各段落最大凍脹量下降明顯，最大凍脹量基本控制在4 mm以下。在排水條件困難的區段，采用滲水盲溝措施有利于路基本體水量的疏散，對路基防凍脹起到有益作用［12］。

圖6 2013-2015年冬季各斷面最大凍脹變形量

如圖7所示，以柳毛村為例，反映了三年冬季該斷面凍脹量隨時間變化的情況。三年凍脹量最大值均出現在2月中下旬。但滲水盲溝施作前后，凍結速率及最大凍脹量均有所減小，2014年冬季凍脹規律與前兩年度稍有區別，12月底已進入凍脹維持期，且最大凍脹量維持在4 mm以下，3月中旬進入凍脹回落期，并在4月中旬凍脹變形基本回落。根據監測結果，2014年冬季各段落監測點最大凍脹量為3.9 mm，低于2013年冬季該段落最大凍脹量9.5 mm，與2013年冬季監測結果相比（最大凍脹量12.7 mm）最大凍脹量下降69%，滲水盲溝對降低凍脹量起到了一定的效果。

圖7 柳毛村2013-2015年冬季凍脹量變化情況

6 結論

（1）路基防排水措施不到位，疏排不利導致路基本體含水量高、凍脹性偏大，是嚴寒地區各線路發生凍脹的主要因素。嚴寒地區路基防凍脹結構設計中有效的防排水措施是降低路基發生凍脹變形的關鍵。防排水結構不僅包括路基表面封水以及排水溝渠，同時也應考慮路基填料的排水性能以及滲水盲溝等地下排水措施。防排水設計時應充分考慮現場地形地勢條件，確保排水通道通暢［13］。

（2）牡綏線低挖淺埋段路基地形左低右高，右側易匯水積水，通過監測普遍發現類似工點路基右側凍脹變形最大，中間其次，左側最小。說明匯水地段的低挖淺埋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。

（3）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，建議采用混凝土找平，否則表面易積水，凍脹性偏大。

（4）經過三個冬季的現場監測與結果分析，滲水盲溝措施對降低路基凍脹量起到了一定的作用，與未采用滲水盲溝措施時相比，最大凍脹量與平均凍脹量均有所下降。