季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀的预防

王应铭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀的预防

王应铭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

围绕季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基冻胀预防问题，简述了无砟轨道的特性及冻害对无砟轨道的影响。分析了气候环境、地形条件、冻结深度、填料类别及含水率、水、积雪、路基类型、路堤高度等使路基产生冻胀的因素，并重点对线路选线、标准冻结深度综合修正、路基面高程、抗冻填料等进行了论述，提出了有待试验研究的问题。

季节性冻土 冻结深度 高速铁路 无砟轨道 路基 冻胀

季节性冻土是指冬季冻结、春季开始融化的土，该类土在我国东北、华北及西北等地区分布很广，以往这些地区的普速铁路路基或多或少存在冻胀、融沉问题。冻融逐年反复会使路基面出现翻浆冒泥、道砟囊等病害。由于这些冻涨或融沉具有不均匀性，往往导致钢轨顶面沿纵向出现忽高忽低的不均匀变形，使左右两根钢轨产生差异变形，严重影响行车安全。如某铁路一个区间内的最大冻胀量达50 mm，其中冻胀量＜5 mm的比例仅为0.1%，5～10 mm所占的比例达40%以上，10～15 mm所占比例为28.2%，15～20 mm的比例为16.5%，20～30 mm的比例为12.7%，30～50 mm 的比例为 2.4%［1］。

运营铁路的冻害整治实践证明，冻害处理的过程相当复杂，难度很大，而且是持久战。今后一定要高度重视高速铁路无砟轨道路基的防冻胀。

1 无砟轨道与冻害

1.1 无砟轨道的特性

我国把新建设计开行速度250 km/h(含预留)及以上动车组列车，初期运营速度不小于200 km/h的客运专线定为高速铁路。已通车运营的大部分高速铁路的运营速度为300 km/h左右，且以无砟轨道铁路居多，无砟轨道铁路的路堤标准断面结构［2］见图1、路堑标准断面结构见图2。

图1 无砟轨道路堤断面(单位：m)

无砟轨道由水硬性支承层(素混凝土)、轨道板(钢筋混凝土)、钢轨及用于连接钢轨与轨道板的扣件系统组成。无砟轨道与有砟轨道相比有其显著的特性：

1)钢轨的基础由钢筋混凝土和素混凝土组成，耐久性好，其主体结构设计使用年限至少为60年。

2)对下部路基的变形要求非常严。路基面产生轻微的下沉和上鼓，可以通过调节扣件，增加垫板或抽取垫板予以解决，但其调节能力是非常有限的。扣件能解决路基下沉的调高值一般规定不超过15 mm，扣件能解决路基冻胀的调低值非常小，在《高速铁路无砟轨道养护维修管理办法》中规定最大值为4 mm。

图2 无砟轨道路堑断面(单位：m)

1.2 冻害对无砟轨道的影响

在严寒、寒冷地区，路基面产生的冻胀直接传递到无砟轨道上，而且冻害变形一般是不均匀变形。反复冻融会使无砟轨道结构产生很多裂缝，对其使用寿命不利。而且冻胀一旦超限只能采取限速慢行或彻底进行整治，高速铁路冻害的彻底整治是非常复杂的。由于其行车速度高、行车密度非常大，几乎无法在白天运营期间进行检查和维修，只能选择在晚上停运期间进行。晚上整治的时间短、光线暗、作业条件不好、效率低，同时无砟轨道冻害整治的工序很多、精度要求非常高。受这些因素的制约，其整治周期较长、费用较高，有些可能还是持久战，直接影响运营成本和运输效率。

2 路基冻胀因素

引发路基冻害的因素很多，经归纳主要受气候环境条件、冻结深度、填料性质、水、路堤高度等因素的影响。这些因素中有些很难采用精确的数值进行定量分析，以下结合相关标准规定进行初步分析。

2.1 气候环境

冻土与地理位置、气候环境的关联性非常大。我国青藏高原地区大量分布多年冻土，其他气候带中的寒温带、中温带及暖温带地区都分布有不同程度的季节性冻土［3］。

国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476—2008［4］和《铁路混凝土结构耐久性设计规范》TB 10005—2010［5］，均将冻融环境按当地最冷月平均气温划分为微冻地区、寒冷地区和严寒地区，其平均气温分别为-3.0℃～2.5℃，-8℃～-3℃和-8℃以下。在严寒地区、寒冷地区修建无砟轨道高速铁路时，特别要对最冷月平均气温低于-8℃的严寒地区路基采取有效措施以避免或减小路基冻胀的影响。

2.2 地形条件

同一地区的自然现象表明，海拔高处的山顶及阴坡处冬天容易积雪，积雪不但很厚，而且其融化的速度非常慢。

2.3 冻结深度

根据标准冻结深度把季节性冻土区划分为：冻深＜1 m的浅季节性冻土区，冻深1～2 m的中厚季节性冻土区和冻深＞2 m的深厚季节性冻土区。

根据已建高速铁路路基的情况，对照《建筑地基基础设计规范》［6］附录F“中国季节性冻土标准冻深线图”分析，无砟轨道路基防冻胀的重点区域为标准冻深≥1 m的中厚季节性冻土区和深厚季节性冻土区。

2.4 填料类别及含水率

填料中的粉黏粒含量、含水率、孔隙、渗透性、级配等都影响其抗冻性。

2.5 水

路基面水(雨水、积雪融化)下渗、边坡水(雨水、积雪融化)向路堤内部渗透，以及地下水在路基内部产生的毛细水上升等都会引起冻害发生。

2.6 积雪

积雪与线路所处地形、路基形式及填挖高度有关。位于山腰的线路，通常积雪严重，特别是填挖零断面和浅路堑。

2.7 路基类型

在以往路基雪害防治中发现路堑地段容易积雪，因此铁路路堑的防冻不能忽视。

2.8 路堤高度

普通铁路养护维修人员发现，低路堤易出现冻害，而高路堤的冻害较少。

3 路基防冻胀措施

3.1 线路平纵断面要满足路基防冻胀要求

在季节性冻土地区勘察期间，要根据现场调查掌握的具体情况，按以下要求选择适宜的线路平面位置，并控制好路肩高程。

1)线路平面位置应远离大范围的湖塘及低洼积水区域，必须通过时宜采用桥梁方案。

2)陡坡挂线地段要按实测横断面确定合理的线路位置和高程，积雪严重地区要避免采用半填半挖路基断面形式。

3)落实路堤地段地表积水的范围，实测其水面高程，分析水面高程的变化幅度，确定最高水位高程。

4)从区域资料分析，对可能有地下水的路堑，通过勘探查清地下水位高程，并标示出最高水位。

5)调查沿线抗冻材料的来源。

6)计算确定路堤的最小高度并根据地下水位确定路堑的最低路肩控制高程。

7)线路纵断面高程应根据路基抗冻所需高程严格进行控制。

3.2 对标准冻结深度进行综合修正

冻结深度与气候、土质、地理位置、朝向、有无覆盖等因素有关。无砟轨道高速铁路路基设计时，其冻结深度的大小在参考《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)第5.1.7条规定的基础上，结合路基工程所处位置的阴、阳坡朝向存在差异的实践经验，建议增加阴、阳坡朝向修正系数，具体确定步骤如下：

1)在《建筑地基基础设计规范》附录F中查得路基所处位置的标准冻结深度;

2)按《建筑地基基础设计规范》中的公式5.1.7对标准冻结深度进行修正;

3)根据路基所处位置的地形，对冻结深度再进行修正，其地形修正系数采用《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118—2011)［7］中的值：平坦 1.0、阳坡0.9、阴坡1.1。

为便于设计者快速确定路基的冻结深度，根据以上建议，将各种情况下的所有修正系数的乘积作为一个综合修正系数，并对综合修正系数值进行分析后，得出了标准冻结深度的综合修正系数ψ，见表1。今后设计者只要在《建筑地基基础设计规范》附录F中查得标准冻结深度后，直接采用表1中的值进行修正即可。

表1 标准冻结深度综合修正系数

3.3 路基面高程应满足有关规定

路肩高程与冻前地下水水位或冻前地面积水水位的关系应满足《铁路路基设计规范》［8］的要求，路基面高程控制值(Hmin)按式(1)进行估算

式中，Hw为冻胀期地下水或地面积水水位高程;Hc为毛细水强烈上深高度，m;Δh为安全高度，一般取0.5 m;Z为修正后的冻结深度，m。

路堤高程低于式(1)时，要采取措施将地面积水进行引排，降低地下水水位，并设置毛细水隔断层。

3.4 冻结深度范围采用抗冻填料

普通细粒土填料的水稳性差、最优含水率大、孔隙率小，土中的水结冰时体积要增大9%，势必引起冻胀问题。因此抗冻填料应选用水稳性好、孔隙率较大的粗颗粒填料，并对以下因素进行严格控制：

1)抗冻安全填料应具有一定的孔隙，孔隙中少量的水结冰时其冻胀不明显，而且解冻后土的状态不变。

2)粗颗粒填料的孔隙大小与不均匀系数U成反比，因此当细颗粒含量较大时，其不均匀系数U不宜偏大。

3)尽量减少填料中的细粒含量和含水率，以留出足够多的孔隙满足水的体积增大时占用。

4)完善路基面的防水措施，以免水流下渗。

《铁路特殊路基设计规范》［9］对所有不冻胀土(平均冻胀率≤1%的土)的规定中，对抗冻性好的填料规定如下：

1)粒径＜0.075 mm的粉黏粒含量≤15%的碎石类土、砾砂、粗砂及中砂。

2)粒径＜0.075 mm的粉黏粒含量≤10%的细砂。

德国对冻胀不敏感填料［10］的类别限定于砾、砂填料，要求粒径＜0.063 mm的颗粒含量≤15%，且对细颗粒含量与不均匀系数的对应关系进行了规定：

1)当＜0.063 mm颗粒含量＜5%时，无论不均匀系数U的大小如何，砾、砂填料均对冻胀不敏感。

2)当＜0.063 mm颗粒含量为5%≤x＜15%时，不均匀系数应满足U≤5+100(15%-x)。

我国寒冷地区的冻胀主要影响路基基床表层，严寒地区的冻胀不但对基床表层有影响，而且会影响基床底层。

目前基床范围填料的规定为：基床表层采用级配碎石;基床底层采用A，B组填料或化学改良土，并要求冻结影响范围填料应符合防冻胀要求［11］。基床表层级配碎石的各项技术参数，均满足冻胀不敏感填料的各种判断标准。冻结深度范围内的基床底层抗冻填料需进一步细化为：

1)严寒地区优先采用渗水土填料：A，B组填料，即细粒含量η≤10%、渗透系数＞10-3cm/s的砾石、砾砂、粗砂、中砂;

2)寒冷地区可选用粒径＜0.075 mm的细粒含量η≤15%的A，B组填料;

3)抗冻填料的不均匀系数U≤5+100(15%-η)。

4 结论

1)路基防冻胀是一项系统性很强的工作，线路选线阶段就需引起重视。

2)路基的冻结深度非常复杂，有必要开展相关测试和研究，目前可对标准冻结深度进行综合修正后作为设计依据。

3)施工中应充分调查落实抗冻填料来源和质量检验，并严格控制填料的细粒含量和含水率，并做好路基面的防水。

4)有必要对严寒地区的路基基床结构进一步进行研究。

5)建议对抗冻填料进行系统试验研究，并制定抗冻填料标准。

6)建议对级配碎石掺水泥的导热性能、路基面防水及保温措施进行试验研究。

［1］兰州铁路局，中铁西北科学研究院有限公司，兰州交通大学，等.兰新铁路既有线路基基床病害整治技术研究［R］.兰州：兰州交通大学，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10020—2009 高速铁路设计规范(试行)［S］.北京：中国铁道出版社，2010.

［3］铁道部第一设计院.铁路工程地质手册［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［4］中华人民共和国建设部.GB/T 50476—2008 混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2010.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50007—2011 建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 118—2011 冻土地区建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［8］中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［9］中华人民共和国铁道部.TB 10035—2006 铁路特殊路基设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2006.

［10］GÖBEL C，LIEBERENZ K，RICHTER F.铁路路基工程［M］.铁道第二勘察设计院，德国PEC+S集团公司，译.北京：中国铁道出版社，2007.

［11］石刚强，王珣.哈大铁路客运专线路基填料冻胀性试验研究［J］.铁道建筑，2011(10)：61-63.

Prevention of frost heaving in ballastless track subgrade on high speed railway in seasonal frozen soil region

WANG Yingming
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The paper outlines the general features of ballastless track and its reaction to frost hazard.Possible reasons behind，including climate，environment，geological conditions，depth of freezing，type of filling，moisture content，subgrade structure and embankment height are studied.Alongside that，it studies issues like line selection，correction of freezing depth，elevation of subgrade surface and anti-frost filling，so as to underline the key topics in experimental study.All in all，the paper intends to conclude favorable solutions to the frost heaving problems ballastless track suffers in areas with seasonal frozen soil and lay out ground for future study.

Seasonal frozen soil;Depth of freezing;HSR;Ballastless track;Subgrade;Frost heaving

(责任审编 赵其文)

U213.2+44

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2014.10.15

1003-1995(2014)10-0062-04

2014-06-10;

2014-08-20

王应铭(1965— )，男，甘肃天水人，教授级高级工程师。