建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期鐵路路基凍脹的特征

張青波 張正義 曹太平

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

無(wú)砟軌道對(duì)路基變形的要求十分嚴(yán)格。自哈大高速鐵路修建以來(lái)，廣大科研以及工程建設(shè)人員對(duì)鐵路路基凍脹變形特征及防治措施進(jìn)行了大量研究。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)相繼修建了哈齊客運(yùn)專線、沈丹客運(yùn)專線等無(wú)砟軌道鐵路，使鐵路路基凍脹變形控制技術(shù)邁上了新臺(tái)階。

趙潤(rùn)濤等［1］結(jié)合哈大客運(yùn)專線沈大段路基工程設(shè)計(jì)情況，對(duì)防凍脹處理措施進(jìn)行了闡述。張先軍［2］根據(jù)哈大高速鐵路路基凍脹測(cè)量和普查結(jié)果，提出了路基凍脹的特點(diǎn)和基本規(guī)律，分析了路基凍脹的水分、溫度、細(xì)顆粒含量等影響因素。劉華等［3］分析了路基結(jié)構(gòu)形式對(duì)凍結(jié)特征的影響。劉勇［4］分析了凍脹變形與凍結(jié)深度的關(guān)系。趙富軍［5］系統(tǒng)總結(jié)了哈大高速鐵路的凍脹特征及防治措施。趙國(guó)堂等［6］分析了哈大高速鐵路路基凍脹及凍融前后軌道不平順變化規(guī)律。杜曉燕等［7］分析了大西高速鐵路的凍脹成因及特征并提出了綜合整治方案。苗祺等［8］總結(jié)了我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹特點(diǎn)、影響因素、防凍害措施以及其適用性。趙世運(yùn)等［9］基于相似理論開(kāi)展了不同細(xì)粉含量、含水量及水泥摻量的級(jí)配碎石的凍脹特性研究。

高速鐵路路基的穩(wěn)定性和服役性能是隨著時(shí)間變化而動(dòng)態(tài)變化的。李先明等［10］對(duì)哈大高速鐵路路基面凍脹變形特征及工程意義進(jìn)行了探討，認(rèn)為現(xiàn)有的凍脹觀測(cè)結(jié)果評(píng)估和預(yù)測(cè)方法對(duì)路基面整體凍脹量估計(jì)不足，在長(zhǎng)期變形預(yù)測(cè)中并未考慮到一旦地基和基床固結(jié)完成時(shí)產(chǎn)生的凍脹量對(duì)路基和軌面變形的影響。目前無(wú)砟軌道鐵路實(shí)體工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間有限，研究實(shí)際工程中凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)凍脹變形的影響，對(duì)建立長(zhǎng)期服役性能評(píng)價(jià)體系有重要意義［11］。

沈丹客運(yùn)專線于2010年4月開(kāi)工建設(shè)，2015年9月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。建設(shè)過(guò)程中吸收了哈大高速鐵路的研究成果，對(duì)路基防凍脹措施進(jìn)行了優(yōu)化。本文對(duì)沈丹客運(yùn)專線建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期的凍脹情況進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，可為其他寒冷地區(qū)鐵路路基防凍脹設(shè)計(jì)、施工及評(píng)價(jià)提供參考。

1 路基防凍脹措施

沈陽(yáng)至丹東客運(yùn)專線位于遼寧省中東部沈陽(yáng)市、本溪市和丹東市境內(nèi)，屬寒冷地區(qū)，其中無(wú)砟軌道路基共101 段33.9 km。路基工點(diǎn)類型包括路堤坡面防護(hù)、低路堤、塹坡防護(hù)、深路塹、松軟土路基等。

1.1 基床及填料設(shè)計(jì)

基床表層采用級(jí)配碎石摻5% 水泥填筑，厚0.4 m，摻水泥前級(jí)配碎石填料中細(xì)顆粒（顆粒粒徑≤0.075 mm）含量不大于5%，壓實(shí)后細(xì)粒含量不大于7%?；驳讓犹钪嗀，B組填料，厚2.3 m。其中最大凍結(jié)深度范圍內(nèi)填料的細(xì)顆粒含量要求小于5%；壓實(shí)后小于7%（水洗法），壓實(shí)后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s。

短路基及設(shè)置滲溝排水困難地段設(shè)置混凝土基床，厚度為不小于土壤最大凍結(jié)深度加0.25 m，基床兩側(cè)填筑A，B組土。

硬質(zhì)巖地段路基面以下設(shè)置0.2 m 厚的C35 素混凝土封閉層，非硬質(zhì)巖地段基床表層底面至最大凍結(jié)深度范圍換填非凍脹A，B組土。

1.2 防排水設(shè)計(jì)

1）無(wú)砟軌道底座間及兩側(cè)路肩范圍設(shè)置8 cm 厚C30纖維混凝土封水層。

2）地下水位較高或疏排條件較差的路塹地段設(shè)置單側(cè)或雙側(cè)滲水盲溝。

1.3 施工質(zhì)量要求

防凍層應(yīng)填筑滿足細(xì)顆粒含量、滲透系數(shù)等技術(shù)要求的合格填料，應(yīng)嚴(yán)格按填筑試驗(yàn)確定的施工工藝施工，并逐層檢測(cè)。材質(zhì)、顆粒級(jí)配及滲透系數(shù)檢測(cè)每個(gè)料源不少于3 組；細(xì)顆粒含量檢測(cè)每段路基每層不少于3 點(diǎn)，間距不大于50 m，按線路左線中心外側(cè)、線路中心、線路右線中心外側(cè)的之字形布置。

1.4 變形監(jiān)測(cè)方案

建設(shè)期內(nèi)采用人工水準(zhǔn)測(cè)量和自動(dòng)觀測(cè)的方式進(jìn)行路基凍脹變形觀測(cè)。每個(gè)自動(dòng)觀測(cè)斷面在左、右線底座板右側(cè)外緣下布設(shè)觀測(cè)元器件，其中左線底座板右側(cè)下的測(cè)點(diǎn)為路基面中間測(cè)點(diǎn)，右線底座板右側(cè)下的測(cè)點(diǎn)為路肩測(cè)點(diǎn)。分別對(duì)路基面以下0.5，1.1，2.1 m 深度范圍內(nèi)的凍脹變形進(jìn)行觀測(cè)，共布置14 個(gè)自動(dòng)觀測(cè)斷面，并于運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)。

2 建設(shè)期凍脹變形

2.1 建設(shè)期凍脹變形趨勢(shì)

建設(shè)期進(jìn)行了3 個(gè)年度的凍脹變形觀測(cè)，不同年度的凍脹變形統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1?？芍?，建設(shè)期間，隨著路基防凍脹措施逐步施工完善，路基凍脹情況得到逐步改善。尤其是2014—2015 年度軌道結(jié)構(gòu)和路基面防排水結(jié)構(gòu)施作完成后，凍脹變形不超過(guò)4 mm 的測(cè)點(diǎn)比例由2012—2013 年度的56.5%上升至2014—2015 年度的99.52%，且最大凍脹變形也顯著減小。這說(shuō)明建設(shè)期路基防凍脹措施是有效的，全線路基凍脹變形整體上處于可控范圍。

表1 全線路基面凍脹變形統(tǒng)計(jì)

2.2 工點(diǎn)類型

水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2014—2015 年度凍脹變形大于4 mm 的測(cè)點(diǎn)在路堤、路塹及過(guò)渡段均有分布。這說(shuō)明填料基床在采取控制細(xì)顆粒含量+防排水措施后，超限凍脹變形出現(xiàn)的位置具有隨機(jī)性?；炷粱捕温錅y(cè)點(diǎn)的凍脹變形均小于4 mm，說(shuō)明混凝土基床具有極好的抗凍性。

2.3 滲水盲溝

滲水盲溝主要起排除地下水的作用，同時(shí)可疏排部分基床下滲水。相比于原狀地基或壓實(shí)路基，洗凈碎石盲溝協(xié)調(diào)變形的能力也較強(qiáng)，對(duì)路塹地段測(cè)點(diǎn)的路基面凍脹變形按不同盲溝類型進(jìn)行對(duì)比，2014—2015 年度不同盲溝類型路基面變形見(jiàn)表2?？芍?，設(shè)置雙側(cè)盲溝或者線間盲溝的地段，所有測(cè)點(diǎn)的凍脹變形均小于4 mm，說(shuō)明設(shè)置滲水盲溝對(duì)減小凍脹變形有顯著作用。

表2 2014—2015年度不同盲溝類型路基面變形

為了達(dá)到截?cái)嗟叵滤鲝降哪康?，理論上在基床地下水滲流的上游設(shè)置單側(cè)盲溝即可。但是在實(shí)際工程中，地下水環(huán)境往往會(huì)隨著施工進(jìn)程而不斷變化，致使個(gè)別地段單側(cè)盲溝未達(dá)到理想效果。因此，運(yùn)營(yíng)期地下水流路徑較難確定時(shí)宜優(yōu)先采用雙側(cè)盲溝的形式。

2.4 最大凍結(jié)深度

凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)鋒面從地表逐漸往土體內(nèi)部發(fā)展，而融化過(guò)程中凍結(jié)鋒面從土體內(nèi)部最大凍結(jié)深度處和地表逐漸向中間靠攏。將整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中凍結(jié)鋒面的最大埋深稱為最大凍結(jié)深度，則上下鋒面之間的土層厚度為實(shí)際的凍結(jié)厚度。

圖1 DK34+261斷面凍結(jié)深度和凍結(jié)厚度的變化

沈丹客運(yùn)專線典型測(cè)點(diǎn)的凍結(jié)深度和凍結(jié)厚度隨時(shí)間的變化如圖1所示。一般情況下最大凍結(jié)深度與最大凍結(jié)厚度是一致的，且填料及土壤的凍結(jié)深度受凍結(jié)指數(shù)的影響較大，不同年度的最大凍結(jié)深度不同。2014—2015 年度實(shí)測(cè)最大凍結(jié)深度為0.82～1.49 m，2015—2016 年度為0.95～1.76 m，2016—2017年度為0.88～1.69 m，2017—2018年度為1.00～2.02 m，2018—2019年度為0.95～1.88 m。多數(shù)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凍結(jié)深度值。

2.5 凍脹變形發(fā)展規(guī)律

路基凍脹變形大致可分為初始波動(dòng)、快速發(fā)展、變形穩(wěn)定、波動(dòng)融沉、變形穩(wěn)定5 個(gè)階段，在一定的范圍內(nèi)凍脹變形與凍結(jié)深度顯著正相關(guān)，超出特定范圍則關(guān)系不大。

為討論凍脹變形沿深度方向的分布情況，對(duì)路基面下 0.5，1.1 m 深范圍內(nèi)的凍脹量V0.5，V1.1與路基面下2.1 m 深范圍內(nèi)的凍脹量V2.1的比值平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。可知，建設(shè)期大部分的凍脹變形主要發(fā)生在路基面下0.5 m以下的底層范圍內(nèi)。

表3 不同深度范圍凍脹量比值平均值的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

3 運(yùn)營(yíng)期凍脹變形

3.1 凍害調(diào)查

沈丹客運(yùn)專線借鑒了哈大高速鐵路的成功經(jīng)驗(yàn)，并采用“上堵下疏、對(duì)癥下藥”的綜合防治理念進(jìn)一步優(yōu)化了路基防凍脹措施。開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，除2015—2016 年度極個(gè)別地點(diǎn)出現(xiàn)路基凍害外，其他運(yùn)營(yíng)年度路基地段均未出現(xiàn)凍脹變形，說(shuō)明沈丹客運(yùn)專線路基凍脹變形控制措施取得了較好效果。

3.2 凍脹變形規(guī)律

路基凍脹是一個(gè)緩慢積累和發(fā)展的過(guò)程，路基面以下2.1 m 深范圍內(nèi)典型測(cè)點(diǎn)不同年度的凍脹變形情況見(jiàn)圖2?？芍鄶?shù)測(cè)點(diǎn)的凍脹變形規(guī)律與建設(shè)期間一致（如DK171+841 斷面），凍脹變形快速發(fā)展、變形穩(wěn)定、波動(dòng)融沉階段劃分十分顯著；部分測(cè)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)期凍脹階段劃分不明顯（如DK40+323 斷面）；部分測(cè)點(diǎn)每個(gè)凍脹周期結(jié)束時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一定量的凍脹累計(jì)變形。這反映了路基凍脹的復(fù)雜性。

哈大高速鐵路的相關(guān)研究指出，建設(shè)期所得路肩處路基面的凍脹量包括凍脹變形和沉降，較運(yùn)營(yíng)期的實(shí)際凍脹量?。?2-13］。沈丹客運(yùn)專線觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，運(yùn)營(yíng)期的凍脹量與運(yùn)營(yíng)時(shí)間的關(guān)系不大?？紤]到對(duì)無(wú)砟軌道的工后變形控制有很高的要求，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)沉降不符合要求的軟土及松軟土地基會(huì)進(jìn)行必要的地基加固處理，且路基本體的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)較高。對(duì)于非極端氣候條件，在保證地基處理和路基壓實(shí)質(zhì)量的前提下，采用建設(shè)期的凍脹觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估路基凍脹是可行的。

圖2 典型測(cè)點(diǎn)不同時(shí)期凍脹變形發(fā)展情況

分層監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，運(yùn)營(yíng)期路基面以下0.5 m 深范圍內(nèi)的凍脹變形所占比例具有較大的離散性，中間測(cè)點(diǎn)V0.5/V2.1大于0.5的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)由建設(shè)期的1個(gè)增加為 6～7 個(gè)，路肩測(cè)點(diǎn)由建設(shè)期的 2 個(gè)增加為 8 個(gè)，顯示出運(yùn)營(yíng)期和建設(shè)期凍脹變形沿深度的分布規(guī)律不同，運(yùn)營(yíng)期表層凍脹變形所占比例較建設(shè)期有增大的趨勢(shì)。由于路基表面封水作用，運(yùn)營(yíng)期地表水下滲的距離進(jìn)一步減少，表層以下路基土中的含水量得到控制，表層以下土體的凍脹相對(duì)較小，凍脹變形主要發(fā)生在路基表層。部分地段由于表面封水作用存在缺陷，地面水下滲距離較深，致使表層以下土體凍脹變形所占比例也較大。

3.3 最大凍結(jié)深度與最大凍脹量

統(tǒng)計(jì)沈陽(yáng)、本溪和丹東地區(qū)2015—2019年的凍結(jié)指數(shù)可知，2017—2018年度最冷。2015—2019年各年度實(shí)測(cè)最大凍結(jié)深度平均值與設(shè)計(jì)凍結(jié)深度的比值分別為0.99，0.92，1.09，1.03。影響凍脹變形的三要素為水、可凍脹的填料和低溫。凍結(jié)深度也是這3 個(gè)因素共同作用的結(jié)果，一般情況下凍結(jié)指數(shù)越大，凍結(jié)深度越深。

與建設(shè)期不同，由于采取了有效的防凍脹措施，運(yùn)營(yíng)期實(shí)測(cè)最大凍脹量與凍結(jié)指數(shù)的關(guān)系不明顯。14個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)斷面中，運(yùn)營(yíng)期間最大凍脹量大于4 mm的監(jiān)測(cè)斷面 1 個(gè)，最大凍脹量為 2～4 mm 的 3 個(gè)；最大凍脹量小于2 mm的有10個(gè)。

通過(guò)對(duì)比各年度最大凍脹量的變化情況可知，運(yùn)營(yíng)期凍脹量的大小與建設(shè)期凍脹量呈正相關(guān)，即建設(shè)期凍脹量大的斷面運(yùn)營(yíng)期凍脹量也較大。因此，加強(qiáng)建設(shè)期施工質(zhì)量控制是保證運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)，建設(shè)后期應(yīng)對(duì)凍脹量較大斷面開(kāi)展長(zhǎng)期變形觀測(cè)。

此外，運(yùn)營(yíng)期凍脹量的大小與運(yùn)營(yíng)時(shí)間（凍融循環(huán)次數(shù)）的關(guān)系不大，隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，最大凍脹量有的逐年增大，有的保持不變，有的呈波動(dòng)變化。

4 結(jié)論

沈丹客運(yùn)專線于2010 年4 月開(kāi)工建設(shè)，2015 年9月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，通過(guò)采用“優(yōu)化填料、上堵下疏、對(duì)癥下藥”的綜合防治理念開(kāi)展設(shè)計(jì)，有效地控制了路基凍脹變形。建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期變形觀測(cè)結(jié)論如下：

1）凍脹變形和凍結(jié)深度是水、可凍脹的填料和低溫三個(gè)因素共同作用的結(jié)果。建設(shè)期間在一定的范圍內(nèi)，凍脹變形與凍結(jié)深度、凍結(jié)指數(shù)顯著正相關(guān)，超出特定范圍則關(guān)系不明顯；隨著防凍脹措施逐步完善，路基凍脹情況也逐步改善，尤其是防排水結(jié)構(gòu)施作完成后，凍脹變形情況顯著好轉(zhuǎn)，運(yùn)營(yíng)期凍脹變形與凍結(jié)深度、凍結(jié)指數(shù)無(wú)明顯關(guān)系。

2）填料基床出現(xiàn)路基凍脹變形的位置具有隨機(jī)性，在路堤、路塹及過(guò)渡段均有分布；混凝土基床的抗凍脹效果較好，滲水盲溝也可有效減緩凍脹變形。

3）建設(shè)期路基凍脹變形大致可分為初始波動(dòng)、快速發(fā)展、變形穩(wěn)定、波動(dòng)融沉、變形穩(wěn)定5 個(gè)階段，凍脹變形主要發(fā)生在基床底層范圍內(nèi)。

4）運(yùn)營(yíng)期凍脹變形情況更復(fù)雜。部分測(cè)點(diǎn)凍脹變形的發(fā)展不具有明顯的階段性，部分測(cè)點(diǎn)基床表層凍脹變形所占比例較建設(shè)期增大。

5）運(yùn)營(yíng)期凍脹量大小及分布與建設(shè)期凍脹情況有顯著相關(guān)性，與運(yùn)營(yíng)時(shí)間關(guān)系不大，采用建設(shè)期的凍脹觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估路基長(zhǎng)期凍脹情況是可行的。