沈 鑫，朱生憲，宋小齊，楊有海

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，蘭州 730000)

蘭新高鐵正線長(zhǎng)1 776 km，是國(guó)家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)主要組成部分。本線建成后新疆與內(nèi)地間形成一條全天候、大能力的高速鐵路通道。

蘭新高鐵蘭州鐵路局管段2014～2016年冬季無(wú)砟軌道精測(cè)精調(diào)時(shí)發(fā)現(xiàn)K2005～K2030區(qū)間的路基存在不同程度凍脹變形，為保持高鐵的正常運(yùn)營(yíng)，發(fā)生凍脹段落需要反復(fù)精測(cè)精調(diào)才能使軌道平順性符合要求，因此要投入大量人力物力對(duì)線路進(jìn)行維護(hù)。

對(duì)于季節(jié)性凍土地區(qū)鐵路路基凍脹影響因素以及路基凍害治理措施已經(jīng)有一定的研究。葉陽(yáng)升等[1]在分析路基的凍脹特性、影響路基凍脹的因素、路基凍害整治中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，認(rèn)為路基防凍層應(yīng)用細(xì)粒含量<5%的砂類和細(xì)粒含量<15%的礫類、碎石類等不凍脹土填筑。田亞護(hù)等[2]根據(jù)京包鐵路、包蘭鐵路路基在1月～6月的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和路基土的級(jí)配試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)鐵路路基的凍脹變形情況及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，認(rèn)為路基填土的級(jí)配不良是引起路基凍害的首要原因，路基多年的凍害效果累積和基床土質(zhì)不均導(dǎo)致不均勻凍脹變形發(fā)生。劉華等[3]通過(guò)哈大客運(yùn)專線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析凍脹量沿路基凍深的分布狀況，發(fā)現(xiàn)高速鐵路路基凍脹變形量的70%出現(xiàn)在路基基床底層上部。田亞護(hù)等[4]結(jié)合客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基的工程結(jié)構(gòu)及我國(guó)東北地區(qū)季節(jié)凍土的工程特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)粗顆粒土的室內(nèi)凍脹試驗(yàn)，得出隨著細(xì)顆粒含量的增加粗顆粒土的持水性和凍脹率都相應(yīng)增大。趙洪勇等[5]選取東北某客運(yùn)專線路基基床底層A、B組填料進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該填料凍脹率隨著含水率的增加而增大，即使細(xì)粒含量<15%的粗顆粒土仍會(huì)發(fā)生凍脹且該填料凍脹率隨著細(xì)粒含量的增加而增大。熊治文等[6]從路基的粗顆粒填料入手，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入的粉土達(dá)到一定摻入量后，凍脹率增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，當(dāng)粉土摻入量超過(guò)15%后，粗顆粒填料的凍脹率明顯增大。牛富俊等[7]根據(jù)蘭新客專浩門區(qū)間運(yùn)營(yíng)期4個(gè)路基斷面不同深度的溫度、水分及凍脹變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)路基填料細(xì)顆粒(粒徑小于0.25 mm)含量越高，凍脹率越大，并建議將細(xì)顆粒料控制在15%以內(nèi)。許健等[8]以沈哈高速鐵路沿線的黏質(zhì)黃土為研究對(duì)象，在恒溫狀態(tài)下進(jìn)行了開(kāi)放系統(tǒng)水分遷移試驗(yàn)，利用灰色理論預(yù)測(cè)模型并結(jié)合室內(nèi)凍脹敏感性試驗(yàn)資料以及長(zhǎng)春地區(qū)的最大凍深資料，計(jì)算出要保證黏質(zhì)黃土不產(chǎn)生凍脹，其距離地下水位的最小高度約為2.92 m。邰博文等[9]通過(guò)哈齊客專路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)路基表面的最大凍脹量發(fā)生在地表溫度處于-1～-2 ℃，在此地溫值下，路基凍結(jié)層范圍內(nèi)易發(fā)生水分積聚現(xiàn)象，建議做好基床表層的防排水措施，以避免路基凍害發(fā)生。閆宏業(yè)等[10]、杜曉燕等[11]根據(jù)寒區(qū)高速鐵路沿線不同區(qū)段大氣溫度和路基凍深數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)路基最大凍深要普遍大于土壤最大凍深。張先軍[12]根據(jù)哈大高速鐵路路基凍脹的測(cè)量和普查結(jié)果，對(duì)路基凍脹的水分、溫度及細(xì)顆粒含量等影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為路基本體的水分條件是路基凍脹的主要影響因素，提出應(yīng)系統(tǒng)梳理嚴(yán)寒地區(qū)無(wú)砟軌道路基防排水結(jié)構(gòu)存在的系統(tǒng)問(wèn)題并優(yōu)化防排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高以健等[13]以軟式透水管整治蘭新鐵路路基凍害，通過(guò)軟式透水管排除路基體內(nèi)水分降低含水率，有效抑制了路基凍脹，取得了良好的效果。劉彬、魏永幸[14]研究客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道路基工程防排水體系構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)或參數(shù)，并提出了客運(yùn)專線無(wú)砟軌道路基防排水體系構(gòu)成，以及需要進(jìn)一步深入研究解決的路基填料水穩(wěn)性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、路基面瀝青混凝土防水層技術(shù)條件、地下排水結(jié)構(gòu)及其維修、路基防排水工程系統(tǒng)優(yōu)化4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。劉偉平[15]通過(guò)對(duì)哈大高鐵路基凍脹原因分析及系統(tǒng)性、針對(duì)性的試驗(yàn)研究，提出了適合嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的路基變形監(jiān)測(cè)、路基接縫封堵、設(shè)置滲水盲溝等一系列路基凍脹監(jiān)測(cè)與整治技術(shù)，為哈大高鐵的養(yǎng)護(hù)維修提供了理論和技術(shù)支持。杜曉燕等[16]對(duì)大西高速鐵路路基從土質(zhì)、氣溫、水分三方面進(jìn)行凍脹原因分析，提出軌道封閉、疏通基床表層泄水孔、側(cè)溝與明洞排水管順通、設(shè)置滲水盲溝、線間排水的綜合整治方案，以及高路塹段基床底層盲溝滲水和明洞過(guò)渡段隔離開(kāi)槽順接側(cè)溝排水的整治措施。

本文通過(guò)對(duì)蘭新高鐵K2005～K2030區(qū)間7段典型段落現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)研究，探究該區(qū)間路基凍脹變形的原因，從路基填料的顆粒組成、水分、低溫三方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并對(duì)各種治理凍害措施進(jìn)行比較，提出相應(yīng)的工程整治措施。

1 工程概況及路基凍害基本情況

蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間7段典型段落發(fā)生路基凍脹變形：K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100，K2 028+689～K2 029+844。路基多為路塹、零斷面換填、小于3 m矮路堤結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 路堤結(jié)構(gòu)形式

線路位于山丹軍馬場(chǎng)一場(chǎng)～三場(chǎng)之間，祁連山北側(cè)高海拔地段，地貌為河西走廊山前傾斜沖、洪積平原，地形平坦、開(kāi)闊，地勢(shì)南高北低，海拔在3 129～2 620 m。路基所在段地層主要為第四系上更新統(tǒng)(Q3)，主要由洪積層組成，其土層個(gè)別段落有缺失，總體從上至下的具體情況如下[17]。

(1)粉質(zhì)黏土(腐殖土Q3pl1)：表層分布，厚0.7～1.8 m，灰褐色，有機(jī)質(zhì)含量高，含植物根系，軟塑，局部硬塑，Ⅱ級(jí)普通土。

(2)砂質(zhì)黃土(Q3pl3):層狀分布，厚0.5～3.0 m，淺黃色至褐色至褐黃色，土質(zhì)較均勻，夾砂礫、中細(xì)砂及植物根系，稍密～中密，稍濕～潮濕，II級(jí)普通土。

(3)細(xì)圓礫土(Q3pl6)：層狀分布，厚2～5.0 m，雜色～灰褐色，顆粒不均，粒徑2～20 mm的顆粒占40%～60%，大于20 mm的顆粒占20%左右，渾圓狀成分以硅質(zhì)砂巖、片巖為主，余為雜巖和砂質(zhì)填充，稍濕，稍密～中密，Ⅱ級(jí)普通土。

(4)粗圓礫土(Q3pl6)：為段內(nèi)主要地層，厚度大于30 m，雜色～棕紅色～灰色，顆粒不均勻，粒徑大于20 mm的顆粒占65%左右，局部可以達(dá)到卵石，渾圓狀，成分以棕紅色硅質(zhì)砂巖、灰色片巖、石英巖等硬質(zhì)巖石為主，余為雜巖和砂質(zhì)充填，稍濕～潮濕，中密～密實(shí)，Ⅲ級(jí)硬土。

路基填料多為粗圓礫土、細(xì)圓礫土等，屬于含有細(xì)顆粒的粗顆粒填料(B組)。

該區(qū)間所在地冬季氣候寒冷且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，最冷月平均氣溫達(dá)到-8.4 ℃，極端最低氣溫可達(dá)-31.5 ℃，年平均氣溫4.8 ℃；土壤標(biāo)準(zhǔn)最大凍結(jié)深度為1.84 m，屬于深季節(jié)凍土區(qū)。

通過(guò)以CPⅢ樁網(wǎng)為基準(zhǔn)，以安博格小車等進(jìn)行人工測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集、分析，并根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，兩股鋼軌水平面偏差不得大于4 mm、10 m內(nèi)鋼軌的凍脹差不得大于4 mm為依據(jù)，將4 mm作為凍脹與不凍脹的界限。2014～2015年冬季精測(cè)精調(diào)時(shí)發(fā)現(xiàn)K2005～K2030區(qū)間7段典型段落發(fā)生路基凍害15處，其中上行線8處，下行線7處，最大凍起高度15.23 mm。具體情況見(jiàn)表1。與寒區(qū)蘭新鐵路等其他普速鐵路、哈大及哈齊客專等相比，路基凍脹高度相對(duì)較小，但已經(jīng)影響高鐵軌道平順性，需要進(jìn)行治理。

表1 2014～2015年K2005～K2030段凍害情況

2 路基凍害原因分析

路基填料顆粒組成、水分、負(fù)溫是形成路基凍害的3個(gè)基本條件，路基填料物理性質(zhì)是內(nèi)因，水分是條件，溫度是外因，只有三者的不利組合才能形成凍害。

2.1 路基填料細(xì)粒含量對(duì)凍脹變形的影響

通過(guò)對(duì)蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間內(nèi)路基基床底層填料隨機(jī)取樣10組，進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A組填料2組，粒徑小于0.075 mm的土顆粒含量分別為3.76%、6.56%；B組填料8組，粒徑小于0.075 mm的土顆粒含量在10%～15%的占2組，分別為10.96%、14.1%，大于15%的占6組，在15.6%～21.46%之間。故該段路基基床底層及以下多為細(xì)顆粒含量較高的B組粗顆粒填料。文獻(xiàn)[1-7]認(rèn)為細(xì)粒含量較高的填料會(huì)有利于凍脹的發(fā)育，產(chǎn)生不均勻的凍脹變形，影響高速鐵路線路的平順性。所以，該段路基填料在水分、溫度合適條件下會(huì)發(fā)生一定程度的凍脹，造成高鐵軌面不平順。

2.2 路基土體含水率對(duì)凍脹的影響

水的作用是造成路基凍害最主要的原因。K2 005～K2 030區(qū)間所處軍馬場(chǎng)至民樂(lè)區(qū)間降雨(雪)量較大，年平均降雨量381.2 mm，遠(yuǎn)高于臨近張掖市甘州區(qū)年平均降雨量133.9 mm。于軍馬場(chǎng)至民樂(lè)區(qū)間K2 020處及2038處測(cè)得近兩年年降雨量，如圖2所示。

圖2 K2 020與K2 038處近兩年降雨量

圖3為該段路基邊坡積雪情況。該區(qū)間年降雪量在22 cm以上，由于溫度時(shí)起時(shí)落的影響，融化的雪水會(huì)從路基邊坡滲入路基中，也是路基土體水分來(lái)源之一。而且個(gè)別段落地表90%為耕地，灌溉水使得地下水位升高，從而提供了水分來(lái)源。

圖3 高鐵路基附近積水結(jié)冰

雨(雪)水、農(nóng)田灌溉水等從邊坡、天然護(hù)道、排水溝兩側(cè)等進(jìn)入路基，造成路基體內(nèi)水分較高。通過(guò)對(duì)該處斷面基床不同深度處土體隨機(jī)取樣進(jìn)行含水率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段路基粗顆粒填料的含水率在9.8%～11.3%，這為路基在冬季發(fā)生凍脹提供了有利條件。

文獻(xiàn)[18]對(duì)該線各處粗顆粒填料在封閉系統(tǒng)下進(jìn)行凍脹特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在壓實(shí)系數(shù)為0.93、含水率在6%～8.91%的情況下，填料凍脹率為0.15%～1.49%，且隨著含水率的增大凍脹率也隨之增大，如圖4所示。由于路基凍深在2.5 m以上，當(dāng)平均凍脹率超過(guò)0.2%時(shí)，其凍脹變形將超過(guò)5 mm，影響軌道表面平順性。因此將路基體水分降低在一定限度下，消除凍脹量，才能保證軌道平順性。

圖4 含水率與凍脹率的關(guān)系

2.3 低溫對(duì)凍脹的影響

該區(qū)間所在地氣候?qū)儆诖箨懶詺夂?，由于海拔較高使得冬季氣候寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是本區(qū)的主要?dú)庀筇攸c(diǎn)，自每年10月下旬至次年3月下旬，長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月處于冬季時(shí)間段內(nèi)。近3年寒冷月份日最低氣溫如圖5所示。

由文獻(xiàn)[10-11]可知，因線路路基結(jié)構(gòu)及填料與天然地基土熱力參數(shù)存在較大的差異性，故路基的凍結(jié)深度要大于土壤的凍結(jié)深度。該區(qū)間海拔高、冬季氣溫低且負(fù)溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使得路基的凍結(jié)深度普遍較大，該段路基相鄰處實(shí)測(cè)凍深2.5～3.4 m[7]。

圖5 近3年寒冷月份日最低氣溫

3 路基凍脹整治措施及效果

因?yàn)樘m新高鐵業(yè)已建成通車，基床填料性能難以改變，在路基面施做保溫措施已無(wú)可能。為了不影響高鐵的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)各種凍害治理方案進(jìn)行比選，決定從防、排水角度出發(fā)，通過(guò)降低路基土體含水率、切斷水源補(bǔ)給來(lái)對(duì)路基凍害進(jìn)行整治。

由于降雨、積雪融水以及農(nóng)田灌溉水等地表水從邊坡、天然護(hù)道、排水溝兩側(cè)滲入路基體內(nèi)，當(dāng)冬季來(lái)臨時(shí)，這些水分在低溫等作用下向凍結(jié)鋒面遷移。為快速排除地表水以及滲入到地面下、路基體內(nèi)的水分，通過(guò)采取滲水盲溝進(jìn)行排除，防治冬季凍結(jié)時(shí)發(fā)生水分遷移造成路基凍脹。

2012年至2014年施工中對(duì)部分低路堤地段為阻止坡腳積水下滲，避免路基凍脹，增設(shè)了防凍脹護(hù)道，雖有一定作用，但是位于祁連山北側(cè)高海拔地段個(gè)別段落其作用較小。為防止路基凍脹，于7處段落修建滲水盲溝，盲溝建在排水溝底部，可以有效降低或排除路基內(nèi)部水分并截?cái)嘀車盅a(bǔ)給。滲水盲溝如圖6所示。

圖6 滲水盲溝(單位：m)

(1)滲水盲溝溝底寬1.0 m，深2.9 m；

(2)排水管采用φ315 mm PE帶孔雙壁波紋管，底部設(shè)0.2 m厚C35混凝土基礎(chǔ)，中間填充洗凈碎石，反濾層采用0.1 m厚無(wú)砂混凝土板，外側(cè)包裹針刺無(wú)紡?fù)凉げ迹?/p>

(3)沿滲水盲溝每隔30 m設(shè)置1處檢查井，檢查井采用C30預(yù)制管節(jié)拼裝，滲水盲溝出水口設(shè)置1處檢查井，檢查井外接排水溝將水引入附近河溝中，排水出口做好保溫措施；

(4)為防止?jié)B溝開(kāi)挖過(guò)程中坑壁坍塌，在開(kāi)挖時(shí)于滲溝兩側(cè)加設(shè)φ89 mm鋼管加固，鋼管底深入滲溝底不小于3.5 m，鋼管頂與基坑頂平齊，鋼管間距1 m，順滲溝方向鋼管與滲溝基坑壁間加設(shè)1 cm厚的鋼板擋護(hù)，鋼板設(shè)置高度為自滲溝基底至基坑頂，必要時(shí)于鋼管頂架設(shè)橫向支撐。

K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100六段于2012～2014年建成，K2 028+689～K2 029+844段滲水盲溝于2015年建成。由于滲水盲溝疏干路基中的水分需要一定時(shí)間，故當(dāng)年高鐵開(kāi)通路基發(fā)生了不同程度的凍脹變形。

2014～2015年冬季，K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 020+900～K2 021+100三段路基凍脹量較小，在2015年～2016年冬季未發(fā)生凍脹，對(duì)以上段落取土測(cè)得含水率為5.6%～6.2%。K2 009+250～K2 010+200、K2 017+854～K2 019+923兩段路基平均凍脹量隨著時(shí)間的延續(xù)，路基土體內(nèi)水分逐步減少，路基凍脹量隨著時(shí)間減小，對(duì)以上段落取土測(cè)得含水率為5.5%～7.6%。K2 017+100～K2 017+500、K2 028+689～K2 029+844兩段2014～2015年冬季凍脹量較大，2015～2016年冬季減小，2016～2017年冬季略有增大，對(duì)以上段落取土測(cè)得含水率為9%～11%，含水率略有降低，但仍會(huì)使為土體產(chǎn)生凍脹提供有利條件?？傮w上路基凍脹量呈減小的趨勢(shì)，K2005～K2030區(qū)間近3年凍脹量具體情況見(jiàn)表2。

表2 蘭新高鐵K2 005～K2 030區(qū)間近3年平均凍脹量 mm

可見(jiàn)修建滲水盲溝是降低路基體內(nèi)水分的有效措施，在該段凍害治理中發(fā)揮了良好的作用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蘭新高鐵K2005～K2030區(qū)間路基凍害情況調(diào)查、試驗(yàn)，從路基填料細(xì)粒含量、水分、溫度三方面對(duì)凍害原因進(jìn)行了分析，并實(shí)施了凍害治理措施，得出以下結(jié)論。

(1)基床底層填料多為B組粗顆粒填料，其粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒含量為10.96%～21.46%，細(xì)粒含量較高會(huì)有利于凍脹的發(fā)育，產(chǎn)生不均勻的凍脹變形，在水分、溫度等條件滿足時(shí)會(huì)發(fā)生影響高鐵線路平順性的凍脹變形。

(2)該區(qū)段雨(雪)水、農(nóng)田灌溉水等水資源豐潤(rùn)，水分將從路基邊坡、天然護(hù)道、排水溝兩側(cè)等進(jìn)入路基，造成路基體內(nèi)水分較高，基床底層含水率達(dá)9.8%～11.3%，為路基在冬季負(fù)溫作用下發(fā)生凍脹提供了有利條件。

(3)因線路結(jié)構(gòu)及路基填料與天然地基土熱力學(xué)參數(shù)存在較大的差異性，加之該區(qū)間海拔高、冬季氣溫低且負(fù)溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使得路基的凍結(jié)深度普遍較大，路基凍結(jié)深度達(dá)到2.5 m以上，大于土壤凍結(jié)深度。

(4)基于該線已運(yùn)營(yíng)，通過(guò)修建滲水盲溝、反壓護(hù)道與隔水墻，用以降低天然地面以下路基體水分、改善路基溫度場(chǎng)，并將對(duì)路基有危害的地面水?dāng)r截引排至路基范圍之外，截?cái)嗨盅a(bǔ)給來(lái)源，降低路基含水率，以減少甚至消除凍害；滲水盲溝疏干路基中的水分需要一定時(shí)間，建成后當(dāng)年并未完全消除凍害，隨著疏干排水時(shí)間增加，路基土體內(nèi)水分逐步減少，路基冬季凍脹量消失，路基凍害得到有效治理。

[1] 葉陽(yáng)升，王仲錦，程愛(ài)君，等.路基的填料凍脹分類及防凍層設(shè)置[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(1)：1-7.

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