京哈线秦沈段冻害整治方法的研究

翟 峰

(沈阳铁路局工务处，沈阳 110001)

1 概述

京哈线秦(皇岛)沈(阳北)段是我国建设的第一条客运专线，在我局经由山海关、绥中北、葫芦岛北、锦州南、盘锦北、台安、辽中、皇姑屯站，止于沈阳北站，线路全长391.155 km。1999年开工，2002年12月初验;2003年4月1日试运营，2003年10月12日正式开通运营。秦沈段运营的最高速度为250 km/h，2011年调整为200 km/h。

2003年2月上旬，正式投入运营前，发现轨道几何尺寸不良变化135处(其中:路堑地段38处，路堤地段97处)，当时只对路堑地段的38处确认为冻害，并于当年4月份采用了换土和铺设土工布等办法进行了整治，效果良好。

2003年10月12日正式开通运营后，当年冬季路基便出现了季节性冻害现象，大部分位于涵洞顶部，最大冻高达21 mm。由于当时列车对数少，且速度低，冻害对行车的影响还不明显，没有引起高度重视。

2003～2004年冬季，发现轨道几何尺寸不良变化264处(5 mm以上)，其中119处位于涵洞顶部，并确认为冻害。

2004～2005年冬季发现冻害370处(5 mm以上)，其中208处位于涵洞顶部，最大冻高21 mm，位于K671+365处。

2005～2006年冬季发现冻害651处(5 mm以上)，其中291处位于涵洞顶部，最大冻高20 mm，位于K671+365和K671+800处。

2006～2007年冬季发现冻害464处(5 mm以上)，其中391处位于涵洞顶部，最大冻高21 mm，位于K671+365处。

2007～2008年冬季发现冻害1242处(由于开行动车组，统计2 mm及以上冻害)，其中585处位于涵洞顶部，最大冻高18 mm，位于K591+035处。

2008～2009年冬季，经过整治后，虽然当年气温较常年偏低，出现冻害835处(2 mm及以上)，最大冻高15 mm，仅1处，位于K676+632处。

2 冻害整治情况

2.1 冻害整治方法的提出

按照2006年12月24日铁道部主持召开的京哈线(秦沈段)病害整治会议要求，由铁道第三勘察设计院与沈阳局共同进行了现场调查、收集相关资料、勘探、取样和室内试验，经综合分析研究，撰写了《秦沈客运专线冻害问题专题研究报告》;根据该研究报告，我局又委托沈阳中铁铁道勘察设计院，编制了秦沈段冻害整治工程方案设计，共提出6种方案:换土改良、铺设土工布、注浆改良土体、涵上路基平孔排水、设置保温层、人工盐化基土。2007年5月26日由沈阳中铁铁道勘察设计院在K671 km涵上进行了路基平孔排水、设置保温层的施工试验。

2.2 冻害整治方法的论证

2007年6月，聘请中铁西北科学研究院，铁道第三勘察设计院，北京交通大学，铁道部科学研究院等单位的专家对上述整治方案进行评审，评审意见认为，鉴于秦沈运营条件的限制，换土改良、铺设土工布的方法无法实施，而注浆改良土体对于治理冻害是否有效，尚需进一步实验研究确认;涵顶底面铺设EPS保温层方法，可避免涵洞顶部填土的双向冻结，对消除或减缓冻害是合理有效的，可在涵洞冻害整治工程中采用;在涵顶填土下部设渗水、通风管，可疏干路基填土，减小涵顶填土冻胀量，方案是可行的;并建议对工程整治效果进行观测。

2.3 冻害整治概况

按照专家组的意见，2007年～2008年我局对秦沈316处涵顶冻害、169处路基冻害进行了整治。共完成涵上路基平孔排水146处/91 791 m;涵顶底板贴铺EPS保温板316处/49 199 m2;道床内撒、注盐169处/23 018个枕木空/氯盐1 391 t。冻害综合整治方案如图1所示。

图1 冻害综合整治方案

2.4 整治效果

通过2008年～2009年冬季检验，路基冻害明显减缓，冻起时间后移，冻高减小，冻高10 mm以上仅15处(2006年为169处)，最大冻高15 mm仅1处，取得了预期的效果，确保了动车组250 km/h速度平稳运行。

3 冻害整治的实施

3.1 涵顶路基平孔排水

3.1.1 施工方法

(1)施工前准备

首先对施工现场进行实地踏勘，调查通信、信号等各种地下电缆的埋设情况，平整施工场地。

(2)施工放线

①按照设计的要求进行放线，确定施工范围。

②现场确定钻孔位置(注明孔号)并做好标记。

(3)搭拆脚手架

①脚手架的高度应按施工的需要确定，按工程的进度进行搭拆。

②靠近架空电线搭拆脚手架时，应按规定留出安全距离，确保作业中的人身安全;搭拆过程中应防止挖断电缆。

③在施工平台上安设回水池。

④施工平台上做好围栏，确保施工人员安全。

(4)钻机安装及钻孔

①钻机的位置要合理，底架应水平、稳定，不产生位移和沉降。钻机安装平稳后应先进行大马力试验，检验钻机及工作平台的稳定性。

②保持钻机水平、方向平直。钻机钻孔时必须保证水平钻进，控制出口处的上下左右误差在200 mm以内，严禁出现交叉或从路基面穿出。

(5)HDPE管(需要铺设的渗水盲管)的回拉

①回拉HDPE管时，必须保持水平方向，设备上应安装导向装置。

②钻孔完成后必须及时回拉HDPE管，防止坍孔或泥浆凝固。

③将HDPE管回拉到设计位置后，用高压水将回拉HDPE管过程中从管渗水孔渗入的细粒土冲刷干净，以保持畅通。平孔排水整治施工见图2。

图2 平孔排水整治施工

3.1.2 技术要求

(1)HDPE管性能

高密度聚乙烯(HDPE)管，外径63 mm，壁厚4.7 mm，拉伸屈服强度≥22.0 MPa，断裂伸长率≥350%，氧化诱导时间(200℃)≥20 min。

(2)HDPE渗水管制作要求

在HDPE管上钻渗水孔，孔径φ8 mm，设计间距15 mm，梅花布置。HDPE管设计长度两端各留有0.5 m不钻孔(两侧外露路基边坡各0.3 m)。

(3)平孔排水布置孔位

①钻孔位置:在基床表层下0.1 m处布孔，可视路基土质情况进行调整。

②在垂直线路方向的涵洞顶面外轮廓平面投影范围内布孔(采用垂直线路方向钻孔)，孔间距0.5 m;涵外两侧各3 m为过渡段，采用0.6 m、1.0 m、1.4 m孔距递增布置。平孔排水孔位布置范围见图3。

图3 平孔排水孔位布置范围(单位:m)

3.1.3 施工注意事项

(1)做好施工监测，钻孔施工过程中应当实时观测铁路的轨道高程和路基变化情况，根据观测情况随时调整施工进度;来车时应停止施工。

(2)钻孔施工时，要严格控制水压和钻孔速度，防止水压过高造成淘空路基、速度过快造成方向偏离。开钻时宜慢速低水压钻进，控制水压和进度，监测钻机的声音是否正常，观察钻杆的位置并随时纠偏。

(3)不得使用弯曲的钻杆，钻具要安装牢固，并随时校对方向和角度。

(4)钻孔应一次成孔，防止泥浆凝固。当钻进异常时(如遇大块石头)必须停钻，以防钻头偏离方向穿出路基，并对废弃孔采用注浆充填，防止坍塌。

(5)当钻头直径磨耗超过5 mm时，应更换钻头。

(6)回拉HDPE管时，应保持水平的方向。

(7)为防止冷空气进入HDPE管，引起路基冻害，入冬前将管口用专用的封盖进行封堵。

3.1.4 整治效果

以2007年完成的34座平孔排水整治的涵洞为例，当年冬季的冻害情况如下。

(1)有9座涵上路基未发生冻害，整治效果显著率26.5%。

(2)有冻害但冻高小于历年冻高的有20座，整治有效率58.8%。

(3)另外5座涵的冻高没有降低，整治后没有效果，占14.7%;其中4座涵的冻高与往年持平，只有K675+308涵的冻高大于历史上最大冻高，经分析，此涵的成孔较晚，施工时注入的水分未得到疏干，土中含水过高导致冻害加剧。

3.2 涵顶底板贴铺保温板

3.2.1 施工方法

(1)清除涵顶底板的浮灰，对涵顶底板存在的凹凸不平处用1∶2水泥砂浆找平，抹高分子聚合乳液与等量水泥经均匀搅拌而成的黏结剂。

(2)苯板应密贴于涵洞板底，接缝处相邻苯板高差不大于1 mm，接缝处应严密无缝。

(3)贴铺于苯板下的彩色压型钢板应平整，相邻彩板搭接长度不小于50 mm，用拉铆钉固定。彩钢板用膨胀钉穿透苯板固定于涵洞钢筋混凝土底板，进入板内应不小于60 mm，膨胀钉间距0.6 m，并应牢固。

(4)涵洞板底伸缩缝处设置U形PVC排水槽，与底板联接，并采取可靠措施确保接缝密闭。通过排水槽把渗水引到涵洞两侧，沿涵洞侧墙排到地面。

(5)涵洞进出口处、伸缩缝处、板底变高处和涵洞侧墙向下延伸1 m处均采用冷弯薄壁C形檩条封边，檩条截面为C100 mm×50 mm×2 mm，安装前涂刷防锈漆2道。

(6)彩色压型钢板外均匀喷涂真石漆两遍，其颜色近似于混凝土颜色。

3.2.2 技术要求

(1)保温苯板厚度为100 mm，密度不小于20 kg/m3。

(2)彩色压型钢板厚不小于0.6 mm，波高应满足安装及贴铺于涵洞板底的刚度要求。

(3)压型钢板热镀铝锌合金层含量为150 g/m2，彩色涂层选用聚脂类涂层。

(4)保温板要有防刮措施，安设相应的限高架。

(5)施工气温:5℃以上。

涵顶底板贴铺保温板施工见图4。

图4 涵顶底板贴铺保温板

3.2.3 整治效果

2007年共完成贴铺保温板工程316座涵洞，全部保温板贴铺的整体性、牢固性、密实性均达到了设计标准。

经2007～2008年冬季检验，上述316座涵洞贴铺保温板后的冻害情况如下。

(1)未发生冻害有154座涵，保温效果显著占48.7%。

(2)有121座涵虽有冻害，但冻高小于历年冻高值，有效率占38.3%。

(3)有41座涵冻高没有降低，整治无效占13%;其中21座涵的冻高与往年持平没有变化，另20座涵的冻高大于历史上最大冻高，经分析，由于当年气温较常年偏低，过于寒冷导致这部分涵洞出现冻害。

3.3 盐化路基

结合涵上路基平孔排水和设置保温层的施工，对涵上路基填土厚度较薄的地段和路基地段的冻害采取传统的盐化路基方法，在雨季前将氯盐撒到道床内，待雨季时可渗入路基，减轻路基的冬季冻害。全线共完成道床内撒、注盐 169处/23 018个枕木空/氯盐1 391 t。

4 冻害的观测

根据涵顶路基冻害分析，按纵向形态为不均匀冻胀，一般为顺线路方向长3～10 m的冻起地带，中间为冻峰，向两侧递减;按横向形态主要为沿路基横断面形成冻胀高度大体一致的双峰冻害，南侧略低于北侧;多数涵顶路基冻害是受地表水影响产生的表层冻害。

为进一步探索京哈线秦沈段涵顶路基冻害规律，检验平孔排水、保温板、盐化路基方法的效果，在17座已整治完工的涵洞上设置固定观测点进行定点观测，分别在涵洞端墙帽石上、圬工路肩上、道床中心和两线间埋置钢筋桩作为测点，见图5。

从中选取只有盐化路基整治的K672+697涵、只有保温板无平孔排水整治的K624+801涵和既有平孔排水又有保温板整治的K625+366涵，对3种情况的冻高断面图进行分析，如图6～图8所示。

图6 K672+697涵冻高断面

可以看出，经过综合整治后的涵洞冻高显著降低，表明平孔排水、贴铺保温板的冻害整治方法，对降低冻害的冻高具有明显效果。

图7 K624+801涵冻高断面

图8 K625+366涵冻高断面

5 3种冻害整治方法的优缺点和适用范围

盐化路基整治法:是传统的路基冻害整治方法，具有操作简便、经济实用的优点，缺点是注盐量不好把握，整治的效果得不到保障;适用于既有线冻害不严重的路基地段的整治。

贴铺保温板法:具有不影响行车、施工简便、造价经济、见效快的优点，缺点是易被车辆刮损;适用于既有线涵上的冻害整治。

平孔排水整治法:具有疏干路基、减缓冻胀的优点，缺点是施工难度较大、造价较高，对既有线的路基有一定的影响;适用于既有线的涵上或路基地段的冻害整治。

6 结论

(1)通过现场观测、试验及理论分析，明确了京哈线秦沈段路基土体冻害发生的原因:由于在涵顶面防水层的上部铺设了黏土保护层，造成路基土体中的水不能渗出，储存在该黏土保护层中，引起冬季的路基冻胀。

(2)通过采取平孔排水整治，可将黏土保护层中的水分疏干或降低含水量，达到减少冻胀的目的;贴铺保温板可延缓涵上路基的冻胀时间和降低冻胀量;盐化路基可降低路基土体的含水量，减少路基表层的冻胀。

(3)解决土体冻胀问题是一个复杂的系统工程，要研究土体的冻融特性与含水量、气温之间的关系，综合考虑各种影响因素，确定切实可行的工程措施，才能有效地防止土体冻害发生。

［1］沈阳铁路局科研所.铁路路基冻害机理与防治措施的研究鉴定材料［Z］.沈阳:沈阳铁路局科研所，2010.

［2］尚奇.路基基床冻害整治措施［J］.北方交通，2011(10):9-11.