高寒環境下鐵路路基凍害成因及處治對策

劉偉鋒

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年我國東北高寒地區高速鐵路開通運營線路逐年快速增加，相繼建設了長白鐵路、哈佳鐵路、京沈鐵路等多條高速鐵路，進一步促進了整個鐵路網絡的完善、安全和暢通。但由于東北高寒地區獨特的氣候環境，鐵路路基易產生凍害問題，嚴重影響了高鐵正常運行，給高鐵的運行帶來了極大的安全隱患[1]。因此，有必要圍繞凍害現象的具體成因展開探討，提出針對性的處治對策，以給鐵路運營安全創設良好的條件。

1 路基工程凍害類型及成因

1.1 路基凍脹

路基凍脹成因具體包括以下6 個方面：①路基基床設計填筑厚度小于該地區的最大凍結深度；②路基填筑填料不滿足非凍脹填料要求，路基填料細顆粒含量超標，造成路基透水性差，不滿足填料內細顆粒（細顆粒粒徑≤0.075 mm）含量＜5%（重量比）、壓實后＜7%（重量比），壓實后透水系數≥5×10-5m/s 的要求；③路基基床下或路基基床表層未設置土工防水材料，或施工不當造成土工防水材料破損、失效，土壤中地下水由于毛細作用而上移或大氣降水滲入造成路基含水量升高[2]；④路塹地段滲水盲溝、盲管堵塞，排水不暢，造成路基含水量升高；⑤施工過程中路基頂面橫坡控制不嚴，路基排水不暢，造成路基含水量升高；⑥氣候、降雨等其他原因造成路基含水量升高。

1.2 路塹側溝平臺凍脹鼓裂、側溝凍脹傾倒

鐵路路基路塹地段坡腳設2～3 m 寬側溝平臺，再依次為側溝、混凝土路肩、路基。其凍害主要影響因素有：①路塹地段土質為粘性土、黏土等含水量高透水性差的土，及膨脹土等工程性質差的土；②側溝平臺漿砌片石砌筑橫坡不足造成積水及漿砌片石防水性差，水滲入平臺下土內含水量升高；③春融季節，平臺及邊坡上積雪融化，凍融循環造成凍害。

1.3 路塹邊坡防護凍融造成溜塌

路塹邊坡采用帶截水槽的M10 漿砌片石拱形骨架護坡，內鋪六邊形空心塊，塊內種紫穗槐灌木防護。其病害主要成因為：①春融季節，融化的雪水來不及蒸發，通過漿砌縫隙向下滲透，沿骨架縫隙進入土體，致使土體含水量增加，上體軟化，強度降低，引起路塹邊坡局部淺層溜塌或防護變形；②春融季節，冷熱交替氣溫變化大，土壤含水量高，凍土表層融化，產生淺層溜塌；③塹頂低洼處，形成凹坑，連續集中降雨積水，積水滲入路塹邊坡，致使邊坡土體含水量增加，土體軟化，邊坡局部產生淺層溜坍；④邊坡漿砌片石骨架圬工整體性差，骨架內灌木紫穗槐成活率低，植物防護效果欠佳，雨水易于骨架內進入邊坡，軟化土體[3]；⑤路塹邊坡防護截水槽預制塊間砌筑砂漿不飽滿，雨水流入邊坡內含水率升高，軟化土體；⑥路塹邊坡坡率過陡，自穩性能差，造成局部溜塌；⑦路塹邊坡巖層傾角與路塹邊坡平行或夾角小，自穩性能差，造成局部溜塌。

通過對以上路基凍害分析發現，水是引起路基凍害的最不利因素，通過防、排、堵、截等方法，綜合治理，消除、減小凍害對路基的影響。

2 路基工程凍害處治對策

高寒地區鐵路路基在運營階段不可避免會發現以上凍害問題，在確保不影響鐵路正常安全運營情況下，可利用鐵路施工維護天窗時間，對路基工程凍害進行處理。

2.1 路基凍脹處理

路基設計寬度12.8 m，兩側設電纜槽及混凝土路肩。路基基床表層為0.6 m 厚級配碎石，基床底層為1.9 m 厚非凍脹A、B 組填料。該地區凍結深度2.2 m。不同構造路基凍脹處理措施如下：

2.1.1 路堤

（1）中心凍高8～12 mm 一般填方地段。檢查并疏通護肩泄水孔，結合兩側監測點凍高情況，采取檢查并疏通護肩泄水孔或路堤兩側交錯設置雙排泄水孔，深度至中心點交叉1.0 m。盡快疏干基床內滲水，減小凍害。第1 排距路基面豎向1.5 m，沿線路方向間距3.6 m；第2 排距路基面豎向2.3 m，沿線路方向間距1.8 m。

（2）中心凍高≥12 mm 的一般填方地段。單個散點或連續段落，路堤兩側交錯設置雙排泄水孔，深度至中心點交叉1.0 m。盡快疏干基床內滲水，減小凍害。第1 排距路基面豎向1.5 m，沿線路方向間距3.6 m；第2 排距路基面豎向2.3 m，沿線路方向間距1.8 m。同時結合填料細顆粒含量情況采用挖除基床表層（0.6 m 厚），換填級配碎石摻5%水泥措施。

滲水盲管采用空心型RCP-10NC（A）滲排水管材，管徑100 mm，環剛度≥32 kPa，管壁空隙率≥80%，外包透水土工布，鉆孔直徑110 mm。

2.1.2 路塹

（1）中心凍高8～12 mm 低填及路塹地段。檢查并疏通側溝、滲水盲溝、滲水盲管及護肩泄水孔。

（2）中心凍高≥12 mm 的低填及路塹地段。單個散點斷面，結合細顆粒含量及凍高情況，采用挖除表層，換填級配碎石摻5%水泥的措施。

（3）中心凍高≥12 mm 的低填及路塹地段。連續段落，考慮其兩側側溝平臺或坡腳設置滲水盲溝，并結合細顆粒含量及兩側監測點凍高情況，挖除表層，換填級配碎石摻5%水泥措施。

對路基進行動態的沉降（凍脹）監測，對路基的凍脹前、凍脹后、融解后3 個時段進行監測，進而了解路基的防凍脹能力與路基質量。對路基的沉降（凍脹）變形進行動態監測，設置合理的沉降（凍脹）觀測點，并對觀測點進行保護，利用北斗、GPS 等，設置自動觀測斷面，確保觀測的準確、連續、便利、長周期觀測。通過觀測的數據判斷路基穩定狀態，保證路基正常使用。

2.2 路塹側溝平臺凍脹鼓裂、側溝凍脹傾倒處理

側溝平臺設計為0.3 m 厚漿砌片石，側溝為0.6 m×1.2 m（寬×深）厚0.2 m 的C30 鋼筋混凝土矩形側溝。目前由于附屬防護結構已施工完成，線路已開通運營，因此采取如下措施對側溝平臺凍脹及變形進行處理：①側溝平臺拆除既有側溝平臺漿砌片石防護，按原結構、材料、尺寸重新砌筑，側溝平臺下鋪設一層EPS 保溫板，板厚0.05 m，其下設0.3 m 厚碎石墊層，并于碎石墊層底部側溝外壁設泄水孔，孔徑0.1 m、縱向間距2.0 m；②側溝平臺漿砌片石防護與護坡基礎及側溝連接處設置伸縮縫，縫寬0.02 m，縫內填塞瀝青麻筋；③側溝傾斜處，鑿除后重新澆筑鋼筋混凝土側溝，側溝內0.8 m 高處設置斷面10 cm×10 cm 鋼筋混凝土橫撐，間距2.0 m，防止側溝傾斜；④側溝平臺的漿砌片石防護、碎石墊層及泄水孔，須按設計要求的結構、尺寸、坡度等施工，確保施工質量；⑤模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保溫板性能指標板厚≥5 cm，表觀密度≥50 kg/m3，壓縮強度≥300 kPa，導熱系數≤0.039 W/m·K，吸水率（體積分數）≤2%。

2.3 路塹邊坡防護凍融造成溜塌處理

路塹邊坡采用帶截水槽的M10 漿砌片石拱形骨架護坡，漿砌片石0.6 m 厚，拱圈3 m×3 m，主骨架寬度0.6 m，內鋪六邊形空心塊，塊內種紫穗槐灌木防護。目前由于附屬防護結構已施工完成，線路已開通運營，因此采取如下措施對路塹邊坡防護溜塌處進行處理：①清除溜坍部分坡體，沿底面挖臺階，臺階寬度1.0 m；②路塹邊坡坡率恢復1∶1.75，邊坡坡面至原坡面或坍塌底面夯填粗顆粒土，壓實系數不小于0.9；路塹邊坡采用恢復原骨架護坡防護，骨架采用C35 混凝土澆筑；③基礎采用條形基礎，頂寬0.6 m，深2.0 m，外露側溝平臺以上0.5 m，面坡1∶0.15，背坡垂直，基礎外露側溝平臺以上部分每隔1.8 m（主骨架及拱中部）設置PVC 管泄水孔，直徑0.1 m，泄水孔采用透水土工布包裹，骨架后設置0.3 m 厚碎石墊層；④每隔7.5 m 設置1 道邊坡滲溝，邊坡滲溝內碼砌干砌片石，及時排除土壤中水分；⑤在施工過程中發現的路塹邊坡巖層傾角與路塹邊坡平行或夾角小的路塹段落，通過坡腳設置樁板式擋土墻，坡面采用菱形錨桿框架梁防護，防止邊坡溜塌；⑥及時恢復植被，防止雨水沖刷、掏空骨架內填土。

3 路基凍害整治時的注意事項與安全措施

施工過程中堅持“安全第一，預防為主”的方針，和貫徹落實“科學施工，安全生產”的原則，全面落實營業線施工安全保證措施。

施工注意事項：①在施工前仔細核對設計文件和施工記錄，辦理各種施工審批手續，做好人員培訓；②嚴格按方案來組織施工，整治過程要保存資料與影像資料，驗收合格每一道工序后，才可以進行下道工序施工；③做好現場文明施工，及時清理施工垃圾，專人負責施工用的照明工具和小型機具等。

安全保證措施：①建立、健全安全生產保證體系，配齊安全管理人員；②做好現場防護、硬隔離、現場監測等工作確保施工安全；③做好個人安全防護。

4 結束語

為防止嚴寒地區的高鐵路基發生嚴重的凍害，就要在設計階段對施工區域氣候條件、路基結構設計、路基填料要求、路基防排水措施、路基防護設施等進行精細設計。施工階段嚴格按照設計要求進行施工，并加強檢驗和監測，及時發現凍害問題并及時處理，確保線路開通運營后線路狀態良好。