季節凍土區高鐵路基凍脹變形控制技術研究現狀及展望

王澤成，張潮潮，郭 磊，卜文杰，郭方雨

東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013

0 引 言

近年來，我國鐵路建設高速發展，乘客量持續增加，運輸規模不斷擴大，列車時速也大幅提髙，高鐵已然成為當今世界鐵路發展的共同趨勢。技術的快速更新換代推動著鐵路網規模不斷擴大，這使得人們將目光投向季節凍土地區。不同于一般地區的是，季節凍土區經受凍融循環作用，從而使高鐵路基反復凍脹融縮，影響其平整性，對高鐵的順利建設和安全運營產生威脅［1］。我國作為世界排名第三的凍土大國，季節性凍土是我國凍土的主要類型，在我國分布較為廣泛。主要分布在我國緯度較高的東北、西北以及華北等地區，約占國土面積的53.5%。

當土體溫度降至0℃以下，土體孔隙中的水就會發生水分遷移，或者原位凍結，而未凍區域的水分就會向已凍結區域的邊緣聚集，凍結成冰，使土的體積膨脹，從而引起土顆粒運動，發生相對位移，產生凍脹現象。處于季節性凍土區的鐵路路基，會經常暴露在外部，受到大氣干擾，從而經受周期性凍融循環的作用，使路基反復產生抬升和下沉，不均勻的凍脹會造成軌道偏差，當偏差尺寸超過容許偏差尺寸時就形成了凍害［2-3］。

高鐵路基變形的要求在我國非常嚴格，規定其工后沉降不得超過5mm。盡管已經采取弱凍脹或者非凍脹路基填料以及保溫、封縫等各種防凍脹措施，路基凍脹變形依然普遍存在。

1 凍脹機理

季節凍土區地下水埋藏比較淺，地層一般為粘性土，特別是濕地地段，地下水水位維持在0～0.5m之間，地表表層為含有大量腐殖質的粘土，當地基土的溫度跟隨大氣的溫度降至0℃以下時，表面的粘土開始產生凍結，當土體被凍結成冰晶體后，開始繼續凍結最外層的弱結合水，冰晶體的范圍逐漸擴大，從而引起土顆粒間的水膜變薄。當土體溫度繼續下降時，與外層冰晶體接觸的薄膜水離子受到了冰的作用和弱結晶水吸附壓力的作用，遷移的離子落到冰晶體上面繼續發生凍結，打破了土體原有的平衡狀態。土顆粒間結合水水膜變薄，從而增加離子濃度產生滲透壓力差，而土體下部未凍結的區域仍保留有較厚水膜，水膜較薄處的凍結區特別容易吸附弱結合水，并因此發生凍結。

2 凍土區鐵路現狀

21世紀初期起，我國已在凍土區建設的鐵路里程數高達數千公里，在地質情況極其復雜的青藏高原上建成了世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路——青藏鐵路，還在大小興安嶺地區建設了牙林線和嫩林線兩條主要鐵路干線。隨著西部大開發和東北老工業基地振興戰略，凍土區的鐵路建設正在快速推進。我國現已開通運營的季節區高速鐵路有哈大、哈齊、沈丹、盤營、哈牡、京沈等（見表1）。

以哈大高鐵為例，哈大高鐵于2012年底正式開通，是我國自主建設的第一條季節凍土區高速鐵路，其沿線氣候極其嚴寒，冬季最低溫度可以達到-40℃，土壤的最大凍結深度可以達到205cm，這些特殊環境給哈大高鐵的建設帶來一系列技術難題。最終哈大高鐵的成功運營在我國乃至全世界都產生了巨大影響，也為我國其他季節凍土區高鐵的建設提供了參考價值。

表1 季節凍土區現運營高鐵

3 影響因素及凍脹規律

3.1 影響因素

路基凍脹變形的因素有很多種，包括水分、氣溫以及土質等，而路基凍脹變形發生的主要條件則是水分［4］，環境氣溫為輔助因素。由于降雨等產生大量地表水，地表水通過路基面上存在的各種縫隙下滲至路基基床表層，匯集后留存，從而導致基床表層的級配碎石含水率增高，在冬季溫度極低的情況下，基床受到外界環境影響，凍結結冰現象會更加明顯。

3.2 凍脹規律

一般情況下凍融發展規律的變化分為以下四個階段［5］：

初始階段：10月中下旬，氣溫在0℃上下波動，路基的表層開始出現小幅度的反復凍融現象，凍脹變形也隨之小幅度反復波動，該階段持續約20d左右。

快凍脹階段：11月上中旬，氣溫大多時候集中在0℃以下，凍脹持續時間增長，凍深和凍脹變形呈線性快速增長，該階段持續15d左右。

慢凍脹階段：12月上旬，凍脹經過拐點后，凍深持續增加，但增長速度驟減，凍脹變形呈低速穩定發展趨勢。該階段持續4個半月（130d）左右，是持續時間最長的階段。

融化階段：4～5月份，隨著氣溫逐步上升回到0℃左右，路基開始融化，凍脹變形迅速下降，直至最終全部融透，凍脹消失，但存在較小的殘余變形，該階段持續約1～2個月。

4 凍脹變形危害及防治

4.1 危害

圖1 凍脹變形對高鐵路基的影響

凍土具有對溫度敏感性高、低溫易變等特殊性質，因此在凍土地區修建鐵路挑戰極大，特別容易產生路基凍脹變形等病害，嚴重威脅列車行駛安全（見圖1）。凍脹是由于土顆粒空隙間的水發生凍結形成結冰體從而引起土體膨脹、地表不均勻隆起的現象，造成路基強度衰減、變形等變化，導致路面結構層的應力大幅增加，導致路基使用壽命降低，甚至出現鐵軌變形等損壞現象，影響正常運營［6］。

4.2 防治措施

高鐵路基凍脹變形對鐵路影響巨大，會對國家財產以及乘客生命安全造成破壞。由于鐵路所在的區域條件不會輕易改變，根據凍脹規律，可知溫度和水分是影響路基凍脹的主要因素。因此，在建設和整治中應該貫徹“保溫防水優先”的主要思路，采取保溫、封縫、蓋縫、增設滲水盲溝等綜合防治措施［7］：

4.2.1 保溫措施

在原有纖維混凝土防水層的基礎上，添加XPS保溫板和PVC真空膜，以保證防水層的頂面面積大于排水橫坡的4%，從而加強對保溫板的使用（圖2）［8］。

圖2 路堤保溫示意圖（單位:m）

4.2.2 封縫措施

圖3 橫向封縫示意圖（單位:m）

均勻設置橫向和縱向伸縮縫，沿著纖維混凝土線路方向每五厘米設置一處，并通過密封膠對橫向封縫以及縱向封縫進行粘合處理，可以有效防止地表水沿著伸縮縫下滲（圖3）［8］。

4.2.3 蓋縫措施

采用防水鋼片或者其他防水耐用材料，對路基軌道底座以及使用的纖維混凝土防水層之間進行蓋縫處理?？梢杂行У姆乐沟乇硭ㄟ^孔縫下滲，但是必須要對一些微小的縫隙進行有效封堵，這樣才能實現更有效的防水。

4.2.4 增設滲水盲溝

對于部分路塹地段，可能會存在地下水位較高，或者地下水位升高的情況，可以增設滲水盲溝，這種措施可以有效降低地下水的水位，基床中的積水同時也可以被疏通排放。但是每隔三十厘米要設置檢查井，以便排查，同時也要合理設置出水口，以保證能夠及時排水（圖4）［8］。

圖4 滲水盲溝示意圖（單位:m）

5 問題與展望

(1)各方學者對季節凍土區高鐵路基研究較多，但研究不全面。許多學者主要以哈大（中國第一條凍土區高鐵）為研究對象，目前我國已開通運營了多條凍土區鐵路，研究較少。并且對凍脹因素的研究較為單一，沒有把氣候、溫度、土的類別、水分遷移以及重分布等多因素結合起來研究，這樣得出的結果具有片面性。

(2)目前大都是以保溫、封縫、蓋縫、增設滲水盲等防護措施來控制高鐵路基變形，具有局限性，缺乏創新，并且不同的凍土區高鐵影響因素不同，沒有做到因地制宜，沒有與多年凍土區的路基變形控制技術相結合。

(3)隨著社會進步和人民生活水平的提高，對出行有了更高的要求，進而高鐵建設面臨著更智能化、更安全快捷等方面的挑戰，也會對路基的凍脹變形要求更加嚴格。所以我們應該研究出更先進、更智能的方法應對路基凍脹變形。