孫英潮

黑龍江鐵路發(fā)展集團有限公司，哈爾濱 150000

鐵路路基季節(jié)性凍脹變形對列車運營安全性、平穩(wěn)性有直接影響。近年來在我國季節(jié)性凍土區(qū)鐵路建設(shè)大規(guī)模開展，對路基凍脹變形的控制十分嚴格，設(shè)計階段制定了一系列防凍脹方案，防凍脹效果需要通過嚴格的施工質(zhì)量控制來保證，以及長期監(jiān)測來驗證［1-3］。關(guān)于高速鐵路路基凍脹變形特性及監(jiān)測已有研究。陳則連等［4］以哈齊高速鐵路為依托，研究其凍脹變形發(fā)展隨著時間的變化規(guī)律。孫英潮等［5］結(jié)合自動監(jiān)測、水準觀測和軌道動態(tài)檢測相結(jié)合的綜合凍脹監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用要求，探討了高速鐵路建設(shè)與運營各階段不同監(jiān)測方式的相互關(guān)系。楊有海、夏瓊等［6-7］以蘭新高速鐵路為研究對象，研究了路基土分層凍脹變形與凍結(jié)深度的關(guān)系，分析了凍脹率隨凍結(jié)深度的變化規(guī)律，提出了抑制凍脹發(fā)展的措施。張正義［8］以沈丹客專為背景，系統(tǒng)研究了嚴寒地區(qū)山區(qū)高速鐵路路基防凍脹技術(shù)措施，得出合理的防凍脹措施可以有效控制凍脹變形發(fā)展。

綜上所述，季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹是存在的，但采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢杂行б种苾雒涀冃蔚陌l(fā)展。牡佳高速鐵路位于黑龍江省東部，全線處于嚴寒地區(qū)，線路長度374.744 km，路基176.079 km，占線路全長的47.5%。路基處于季節(jié)性凍土區(qū)，易發(fā)生凍害，掌握其路基凍脹的發(fā)展變化規(guī)律可為牡佳高速鐵路后期運營維護提供依據(jù)，為我國季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路設(shè)計施工提供參考。

1 牡佳高速鐵路路基防凍脹措施

1.1 路基防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計

基床表層填筑級配碎石，其顆粒粒徑d≤0.075 mm含量小于5%，壓實后小于7%，同時滿足壓實后的滲透系數(shù)大于5 × 10-5m∕s，并摻入5%水泥。無砟軌道路基基床表層底面以下至設(shè)計凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑級配碎石。有砟軌道基床底層采用A、B 組填料，其中基床表層底面以下至設(shè)計凍結(jié)深度范圍內(nèi)，填筑非凍脹A、B 組填料。

1.2 防凍脹護道

對水稻田、雨季滯水或地下水位高（地下水位距地表0.5 m）的低洼谷地路堤地段及地勢平坦、排水條件困難地段，且地基土為凍脹性土層時，兩側(cè)邊坡設(shè)防凍脹護道，護道高寬均為3.0 m。路堤填高小于3.0 m 的低路堤，兩側(cè)邊坡基床表層底面處設(shè)置寬3.0 m的保溫護道。

1.3 限制路堤最小高度

路堤高度原則上應(yīng)大于基床厚度，常年積水地段路肩高程應(yīng)位于常水位以上不小于設(shè)計凍結(jié)深度+0.5 m。對于低路堤及路塹段落設(shè)置滲水盲溝，盲溝出口采取保溫措施。

2 路基凍脹變形觀測方法

2.1 人工觀測

沿線路方向每50 m 設(shè)置一個觀測斷面，路橋及路涵過渡段內(nèi)應(yīng)布設(shè)不小于1個觀測斷面，涵頂布設(shè)一個觀測斷面，共布設(shè)3 185個斷面。每個斷面布設(shè)3個觀測點，即線路中心和左右線軌道外側(cè)各設(shè)一個觀測點，測點位置如圖1 所示。首次觀測應(yīng)聯(lián)測線下深埋水準點和線路水準基點，進行構(gòu)網(wǎng)觀測，建立線上監(jiān)測基準網(wǎng)。首次觀測應(yīng)編制好水準線路圖，以后每次觀測均固定水準路線，并且規(guī)定儀器的擺放位置。后期每次路基變形監(jiān)測前，應(yīng)采用二等水準測量方式對線上基準點進行檢核。如果各個基準點間滿足二等水準的限差要求，則采用原值。如果不滿足可采用內(nèi)插法進行調(diào)整，當(dāng)內(nèi)插法無法調(diào)整時，需重新聯(lián)測線下基準點并對線上基準點進行檢核及調(diào)整。常規(guī)監(jiān)測時間為 11 月以及次年的 1、3、5 月，每隔 1個月中旬觀測1次，共觀測4次。

圖1 監(jiān)測點橫斷面布設(shè)

2.2 自動監(jiān)測

根據(jù)路基工點類型、地貌類型、地質(zhì)條件、地下水分布情況以及現(xiàn)場施工情況選擇具有代表性的監(jiān)測斷面進行監(jiān)測元器件布設(shè)。每個自動監(jiān)測斷面在路基表面橫向布設(shè)2 排平行監(jiān)測孔，分別位于路基中心和路堤左線外側(cè)1 m 或路塹右線外1 m；縱向布設(shè)5 排平行監(jiān)測孔，相鄰兩孔間距1 m，由小里程到大里程方向孔深分別為0.7、1.7、2.7、5.0、5.0 m，進行凍脹變形、含水率、地溫監(jiān)測，測點布設(shè)如圖2 所示。共計30個監(jiān)測斷面，所有元器件埋設(shè)后必須至少測試5 次初始讀數(shù)，穩(wěn)定后確定初值。測讀頻率可根據(jù)需要設(shè)定。待穩(wěn)定后，每天采集 4 次，分別于00：00、06：00、12：00、18：00 四個時刻進行自動采集，可根據(jù)實際情況加密監(jiān)測頻次，頻次增加時可等間隔采集，時間起點為00：00。

圖2 路基自動監(jiān)測斷面元器件布設(shè)平面示意

3 路基凍脹變形分析

3.1 路基面凍脹觀測分析

2020—2021 年全線監(jiān)測路基段落169個，人工監(jiān)測四個期次，分別為 2020 年 11 月，2021 年 1 月、3 月、5月，統(tǒng)計每個測點凍脹最大值所在期次。不同期次對最大凍脹變形的貢獻率，在第三期（2021 年3 月）達到最大值測點占 68.8%，在第二期（2021 年 1 月）占31.2%，第一期和第四期沒有，可知凍脹變形主要在三月份達到最大值。全線測點平均變形量隨期次的變化曲線見圖3?？芍?，在第四期出現(xiàn)凍脹回落，部分測點經(jīng)過一個凍融周期路基凍土層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并表現(xiàn)為表面相對疏松?，F(xiàn)場施工機械（整平、鋪軌等）在第四期現(xiàn)場測量之前進場施工，來回重載碾壓引起路基出現(xiàn)再次壓實而產(chǎn)生一定沉降，但沉降變形總體上不大。

圖3 全線測點平均變形量隨期次的變化曲線

統(tǒng)計了每個段落不同部位的變形值，沿線部分斷面不同部位最大凍脹變形隨里程的變化曲線見圖4。可知，每個斷面不同部位凍脹差異整體較小，個別斷面有明顯差異，路基左側(cè)、中心、右側(cè)凍脹隨里程變化曲線趨勢基本一致，路基變形較大斷面相對集中。統(tǒng)計了部分斷面最大值最小值隨里程變化曲線，兩者隨里程變化趨勢一致，整體差異不大，個別斷面差異明顯。因此，凍脹變形差異在縱向上比在橫向上明顯。這是由于縱向的路基工點類型、地形地貌、地下水分布、施工質(zhì)量等多種因素都存在一定差異，這些因素往往是凍脹變形的控制因素或間接影響因素。

圖4 部分斷面不同部位最大凍脹變形隨里程變化曲線

綜合分析了2019—2021 兩個年度路基最大凍脹變形、沉降變形，對比情況見圖5?？芍?019—2020年凍脹變形最大值、沉降變形最大值均較大，表現(xiàn)為點位分布較為離散，變形區(qū)間較大，極端變形值也較多。相比而言，2020—2021 年各監(jiān)測點位變形相對較小，點位集中分布于0～4 mm，凍脹變形和沉降變形相對較小。主要原因在于2020—2021年，牡佳高速鐵路各路基段落基本完成砟石和鐵軌鋪設(shè)工作，地基、路基上覆工程層厚度增加，同部位地溫相較于上年度有所升高。此外，路基配套排水設(shè)施完成度和暢通情況較上年度施工期顯著提高，場地排水條件改善明顯。2020—2021 年凍脹變形的測點占總測點數(shù)量的78.2%，沉降變形的測點數(shù)量占21.8%，全線人工監(jiān)測點位主要表現(xiàn)為凍脹變形。2020—2021年全線變形小于等于4 mm的測點、4～8 mm 的測點、大于8 mm 的測點占比分別為99.7%、0.3%、0%。

圖5 2019—2021兩年度最大凍脹變形、沉降變形對比

3.2 路基凍脹變形統(tǒng)計分析

以斷面DK133+686 為例，分析該斷面右側(cè)凍脹變形隨時間變化曲線，見圖6?？芍簭淖冃伟l(fā)展階段來看，變形發(fā)展過程主要表現(xiàn)為初始波動、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個階段［9］；從分層變形量值來看，表層（0～0.7 m）變形最大，占總凍脹變形量的50%左右，中部及以下變形較?。粡漠a(chǎn)生原因上分析，監(jiān)測期間表層為A 組填料，上部覆蓋冰雪在白天融化晚上上凍過程中增加填料含水（冰）率，凍脹比較明顯。隨著深度增加，上部融化的水難以到達而含水率較小，凍脹較小。中部（0.7～1.4 m）位于凍結(jié)深度范圍內(nèi)，含水率小，所以增加的凍脹變形不明顯，1.35 m 以下含水率較大并逐漸增加，卻不具備負溫條件，所以對凍脹變形貢獻不大，可見凍脹變形需要含水率、地溫、填料結(jié)構(gòu)、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

圖6 DK133+686 右側(cè)凍脹變形隨時間變化曲線

3.3 路基地溫及凍結(jié)深度

以斷面DK133+686為例，2020—2021年該斷面右側(cè)不同深度地溫隨時間變化曲線見圖7?？芍?，路基表層溫度隨時間的波動較大，與氣溫隨時間變化曲線相關(guān)性較強，隨著深度增加波動幅度逐漸降低，地面1.1 m 深度及以下幾乎平滑，波動較小，2 月中旬至3月上旬以后（受當(dāng)年氣候影響）表層溫度逐漸由降低開始變?yōu)樯?，但深部溫度還在緩慢降低，說明地溫從路基表層往下的增減存在明顯的時間滯后。

圖7 DK133+686右側(cè)不同深度地溫隨時間變化曲線

DK133+686 右側(cè)不同部位凍結(jié)深度隨時間變化曲線見圖8。可知，在路基凍脹過程中，受外界氣溫?zé)醾鲗?dǎo)作用從路基表面和側(cè)面向路基體內(nèi)凍結(jié)，進入融化期則從路基表層、側(cè)面以及路基底部向凍結(jié)體中心解凍，因此存在兩個凍結(jié)深度變化曲線。在凍脹初期路基表面為負溫，僅存在一個凍結(jié)深度變化曲線，凍結(jié)深度隨時間變化相對較快。進入2 月中旬—3 月初以后凍脹速率開始變緩，凍結(jié)深度發(fā)展到最大，之后開始減小，減小速率較大。3 月下旬隨著氣溫的回升表層開始解凍，凍結(jié)深度變化曲線下降速率比底層凍結(jié)深度變化曲線速率快。3月底兩條曲線開始靠近或連接，凍結(jié)層由最初的較快增大，到中期的緩慢增大，再到后期的快速減小，最后消失。在凍脹監(jiān)測周期內(nèi)凍結(jié)融化規(guī)律大致相似，凍結(jié)深度變化略有差異。

圖8 DK133+686不同部位凍結(jié)深度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

1）2020—2021 年各監(jiān)測點位凍脹和沉降變形比2019—2020 年小，且點位分布相對集中，其中凍脹變形量呈現(xiàn)逐年降低趨勢，主要是路基填土經(jīng)過了較長時間自然沉降、氣溫回升、路基上覆層（砟石、軌道板等）厚度增加、路基凍脹歷史等多因素共同作用的結(jié)果。

2）基床表層的凍脹分層變形量最大，約占總凍脹變形值的50%，凍脹變形需要含水率、地溫、填料結(jié)構(gòu)、水分變化遷移共同作用才能發(fā)生。凍脹變形在不同深度有一定差異，大致表現(xiàn)為隨深度增加而增大。

3）凍結(jié)深度的發(fā)展表現(xiàn)為隨時間先增大后減小直到消失的規(guī)律，其中在凍脹初期和中期，凍結(jié)深度增加速率相對較小，后期由于表層溫度升高，上部融化導(dǎo)致凍結(jié)深度減小，由于融化速率較快，凍結(jié)深度減小速率比前期和中期增加速率明顯快，路基中心和路基一側(cè)凍結(jié)深度數(shù)值及變幅基本一致。