季节性冻土区铁路客运专线路堑路基冻害成因分析及对策研究

马荣田，仇 鹏，欧志强

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

我国陆地面积约有53.5%的地区属于季节性冻土区[1]，冻土(岩)是季节性冻土区普遍存在的一种自然现象，防治路基冻害是铁路客运专线建设过程中面临的一项世界性技术难题。经过多年研究和实践，我国在铁路工程填土路基冻害防治方面积累了一些经验，取得了一定的工程实践效果[2-4]，但石质路基冻害及岩石冻胀研究相对滞后[5-7]。在季节性冻土区铁路客运专线石质路堑路基冻胀依然存在，且防冻害措施欠缺时，岩石冻胀现象比较明显。当基床冻胀量超过无砟轨道允许值时即形成路基冻害，需采取措施消除冻害，保证动车组列车行车安全。本文通过对哈大铁路客运专线某段线路石质路堑路基冻害开展原位挖探试验、室内常规及冻胀试验，对冻胀影响因素予以分析，并提出防治石质路堑路基冻害的工程对策。

1 工程概况

哈大铁路客运专线位于东北地区，是我国在高寒地区设计、建造的第一条高速铁路，设计开通速度200 km/h，主要基础设施按350 km/h设计，采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，在世界范围内均无可靠的工程实践可以借鉴。本文研究的某段线路处于辽宁省营口市以南地区，工程地貌以剥蚀丘陵为主，地形起伏较大，地质以强风化～弱风化砂岩为主，节理裂隙发育，地下水发育，水位较高。该段线路路基长66.540 km，其中路堑路基长约27.083 km，主要为石质路基，其横断面结构形式如图1所示。该地区属于季节性冻土区，冬季寒冷漫长，1月份平均气温一般为－4℃～－12℃，极端最低气温可达－29.8℃，冰冻期长3～4个月，为11月中旬至次年3月，最大自然冻结深度达到0.93 m，按季节性冻土的冻胀性分类属于冻胀及强冻胀[2]。

图1 典型路堑路基横断面结构形式(单位:m)

2 路堑路基冻害调查

2.1 路堑路基冻胀状态调查

根据不同时期轨道高程测量数据分析，2011—2012年冬季沿线路基工程普遍发生冻胀现象，冻胀量＞5 mm的测点占总测点数的19.5%，冻胀已成为哈大铁路客运专线路基冻害的主要特征。不均匀冻胀变形造成的冻害基本分布在路堑路基地段，分布普遍且冻胀严重，其冻胀发生率和冻胀量远大于路堤路基地段。其中DK113，DK130及DK142 3个地段路堑路基冻害尤为严重，最大冻胀量达15～20 mm。冻害的产生对路基破坏影响较为剧烈，使线路轨道高程产生局部、差异化抬升，造成线路横向和纵向的不平顺，严重影响动车组列车行车安全。这既加剧列车与线路的动力作用，也给高速线路养护维修造成难以克服的困难。铁路客运专线无砟轨道结构对路基工后沉降的要求非常严格，允许的工后沉降≤15 mm，差异沉降≤5 mm[3]。

以DK130段为例，在轨道检查车检测出线路轨道状态发生显著变化后，为查清原因，通过分析绝对轨检小车在路基冻胀前后测量的轨道高程数据，可计算出基床竖向冻胀量。计算结果表明，在600～880 m里程范围内，竖向冻胀量＞5 mm的测点达22.5%，最大冻胀量为15 mm，高程偏差突变明显，清晰显示此段路基冻胀已形成冻害。

2.2 路堑路基冻胀调查分析

该段线路石质路堑路基冻胀发生率和冻胀量大于路堤路基的规律性非常明显。为了解路堑路基冻胀特征，对该段线路进行了路基冻害调查。通过对上述3个地段路基进行原位挖探试验调查，获得了路基岩土质、含水量及含冰形式等宏观信息，分析了路基各结构层的含冰形式及关系，为路基基岩冻胀影响因素分析及防治对策研究提供了依据。

2.2.1 路基冻害原位挖探试验

采用人工开挖探坑原位试验方式，每个断面分别在线间、轨道板底座外侧0.5 m处3个位置布置挖探。挖深包括40 cm基床表层级配碎石和100 cm深度内的基岩，挖探中每20 cm深度取1组试样进行室内试验。基岩每20 cm深度作为一个描述单元。表1为DK130冻害区探坑路基基床冻胀地质描述。为对比分析，在临近冻害点的非冻害区域选取典型断面，采用同样方式挖探。共选取9个典型断面，取样31组。

2.2.2 路基病害挖探调查分析

原位试验揭示:路堑路基结构层符合设计要求，级配碎石已冻结，含冰结构以均质冰为主，呈冰霜状存在于孔隙内部，聚集于碎石周围。基床基岩节理裂隙发育，含冰结构以横向层状冰和间隙冰为主，40～120 cm深度范围内基岩冻胀开裂分层明显，普遍存在0.5～2.0 mm厚度不等的冰夹层及冰晶体，积聚明显。冻结深度一般在130～135 cm，大部分探坑基岩在135 cm深处冻结仍明显。

表1 DK130冻害处原位挖探地质描述

分析看出:①基岩风化破碎程度明显比路堑开挖时岩石的风化程度严重，这与工程岩体已经历4～5次自然冻融循环及工程荷载、应力状态改变有关，这些因素加剧了岩体裂隙的损伤扩展，导致岩体物理力学性质降低，即岩体加速劣化[7]。②基床实际冻结深度达135 cm，基岩部分为95 cm左右，路基实际冻结深度与设计冻结深度差距较大。如设计冻结深度选取不当，对季节性冻土区工程实践及防冻害措施应用将会产生较大影响，往往造成工程措施效果降低或失效。

3 室内冻胀相关试验分析

为分析路堑路基各结构层冻胀对冻害的贡献度，在现场挖探取样基础上，对级配碎石与岩石样品做了室内试验。通过对级配碎石进行相关试验，获得了级配碎石的含水率、冻胀率等数据。通过岩样的含水量试验，获得了基岩含水率指标。

3.1 级配碎石及岩石相关试验结果

基床表层级配碎石颗粒分析及细粒含量试验结果见表2，冻害区与非冻害区级配碎石含水率及其它物理指标试验结果见表3、表4、图2，冻害区基床基岩含水率试验结果见图3，不同含水率下级配碎石冻胀率时程曲线见图4。

表2 基床表层级配碎石颗粒分析及细粒含量试验结果

表3 冻害区基床表层级配碎石含水率及其它物理指标试验结果

表4 非冻害区基床表层级配碎石含水率及其它物理指标试验结果

图2 冻害区基床表层级配碎石含水率分布

图3 冻害区基床基岩含水率试验结果

图4 不同含水率下级配碎石冻胀率时程曲线

3.2 试验结果分析

从表2可以看出，基床表层级配碎石颗粒级配满足规范要求，0.075 mm以下细粒含量满足抗冻性设计要求，属于非冻胀性填料[4]。

从表3、表4及图2中可以看出，级配碎石含水率总体不高，0～20 cm范围碎石含水率总体上高于20～40 cm范围，冻害区与非冻害区含水率基本相同。

从图3中可以看出，基岩岩样含水率基本都在10%以上，最大含水率达22.9%，在路基结构竖向上基岩含水率呈上小下大规律。根据经验砂岩饱和含水率为0.24% ～0.66%[8-9]，可见基岩的整体含水率高，已超饱和状态。

从表2和图4中可知，级配碎石随着含水率增加，冻胀率逐渐增大。在含水率不超过8%的情况下，冻胀率＜0.5%。但含水率为10%时(已接近级配碎石塑限)，在冻结起始后约17 h内冻胀率增长很快超过0.8%，此后冻胀率增长不明显，趋于平缓。

根据试验结果结合2.2节分析表明:①级配碎石含水率为其塑限的30% ～50%时，级配碎石已冻结，但冻胀变形不明显。在封闭不饱和状态下，级配碎石冻胀率要小于由 Mellor公式(η=9%n，n为含水率)[10]计算的理论值。②基岩含水率超过饱和含水率15～34倍，岩体中冰夹层与冰晶体的体积占比大，在基床竖向上呈现多个聚冰带，冻胀非常明显。③路堑路基地下水位浅，属高位潜水。

总之，该段线路路堑路基基床表层级配碎石结构层冻胀不明显或无冻胀，不是引起冻害的主要原因。基床基岩及裂隙充填物饱和度高，基岩冻胀非常明显，且岩体冻胀敏感性属于冻胀～强冻胀，是路基冻胀量的主要贡献源，是造成路基冻害的主体部分。

4 路堑路基基岩冻胀影响因素分析

有冻土存在的地方一般都存在冻结岩石的问题，目前对路基冻岩问题的认识和研究还相对薄弱。铁路工程传统理念认为，季节性冻土区石质路堑路基通常不会发生冻胀现象，一般采用零换填或浅换填的结构形式，基本不考虑防冻害工程措施。但有关研究表明[11-12]，非冻胀岩石在破碎情况下也会表现出冻胀性，裂隙发育程度对岩体冻胀性的影响至关重要。通过研究可知，冻岩是复杂的多相和多成分综合体，岩体冻胀是岩石与裂隙两者冻胀叠加的结果，涉及低温环境下裂隙岩体的THM多场耦合问题。影响路基基床基岩冻胀的因素众多且复杂，岩体渗透性、地下水、温度以及工程条件是主控因素。

4.1 岩体渗透性对基岩冻胀的影响

岩体的渗透性指岩体允许流体透过的能力。一般情况下，完整砂岩的渗透性在10－6～10－7cm/s以下，而岩体渗透性约为10－2cm/s[13]，二者之间相差4 ～5个数量级，这说明裂隙在其中起到了主要作用。实际工程岩体渗透性强弱及特征受岩性、断裂构造、风化程度及应力状态等因素控制，直接影响岩体冻胀变形的严重程度，是基岩冻胀的内在条件。在低温环境下，岩体中的水分迁移主要依赖岩体渗透性的强弱，也直接控制同一时期水分迁移量的多少，水分迁移积聚越多，岩体冻胀量越大。岩体冻胀量与其渗透性呈线性规律，同时岩体渗透的各向异性、不均匀性等特征也决定了冻胀变形的不均匀性。如果实体工程岩体中存在断层破碎带、裂隙密集带或局部节理发育，则会加剧岩体冻胀的不均匀性，造成路基顶面不均匀隆起变形，加大冻害的危险性。

4.2 地下水对基岩冻胀的影响

低温环境下，岩体含水量、地下水的补给是引起岩体冻胀性强弱的基本因素之一。封闭条件下岩体含水不与外界发生交换，低温环境出现时水分仅发生原位冻结，其冻胀率只取决于岩体的饱和程度，干燥状态时反而产生冻缩。开放条件下，由于存在地下水的补给，受水头势(重力势)的影响，地下水在岩体中直接迁移，对岩体冻胀变形影响显著，迁移水量越多，冻胀量越大。在天然情况下，岩体中水分补给主要来源于地下水(含大气降水)，如秋末降水多，冬季岩体的冻胀量就会增大。另外，因路堑开挖，使得原地下水渗流途径、动静水压力发生改变，导致路基地下水位升高。地下水位越浅，基岩的冻胀量也越大。可以认为，在荷载作用力小到可以忽略不计时，冻胀量与距地下水位距离的平方成反比。

4.3 温度对基岩冻胀的影响

随着环境温度下降，岩体温度也会随之降低，当温度低至水冰相变点温度以下时，岩体中的水分开始冻结膨胀。岩体的冻胀过程实际上是岩体中温度的变化过程，温度梯度变成水分迁移的主要驱动力。另外，岩体冻结速度取决于温度降幅强度，对岩体冻胀影响显著。如果气温降温速度较快，冻结速度随之加快，冻结锋面迅速向未冻区推移，岩体很快冻结到最大冻深处，水分来不及迁移积聚，冻胀量较小;如果气温缓慢下降，则冻结速度缓慢，冻结锋面推移慢，水分达到充分迁移，形成冰夹层与聚冰带，冻胀量会显著增大。因此，降温幅度相同时，降温速度快，则冻结速度快，冻胀量小;相反，温度缓慢下降，则冻结速度慢，冻胀量大。有关研究表明[14]，无约束条件下岩石的冻胀变形主要发生0℃ ～－10℃，低于－10℃后几乎没有冻胀。

4.4 工程条件对基岩冻胀的影响

在季节性冻土区建设铁路客运专线时，路基形式也是影响路基冻胀的一个不可忽视的因素。路堑路基因地下水活动的活跃性，更易产生冻胀，引发路基冻害。因此，应把路堑路基作为抗冻胀设计的重点关注对象。另外，在工程活动(如爆破震动、机械设备扰动等)中，一方面由于路堑开挖，工程荷载施加于岩体之上，会破坏岩体结构及完整性，降低岩体物理力学性质，造成岩体劣化加快，促使岩体冻胀敏感性转强;另一方面，由于路堑结构改变了区域或局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成人工干扰下的新地下水渗流场，抬高地下水水位，向有利于岩体冻胀发生的方向发展。

5 路堑路基冻害治理措施

综合前述分析，季节性冻土区路堑路基冻害主要由基床基岩冻胀引起。因此，研究路堑路基冻害治理对策，应从引起基床基岩冻胀的主要影响因素着手分析。在今后铁路客运专线工程实践中，设计可以从加强降水排水、优化路基结构形式、控制基床低温及弱化地下水渗透作用等方面考虑，采取必要的工程对策减弱基床冻胀，防治路堑路基冻害的发生。

5.1 设置地下降排水设施和加强路堑边坡排水

1)设置地下降排水设施，降低地下水位，切断地下水横向迁移的渗流通道，减小岩体含水量。在路基两侧增加渗水盲沟，将基岩中的地下水通过盲沟积聚并引排到路堑之外，并增设保温出口，保证低温下排水畅通。渗水盲沟深度Hmin必须大于产生冻胀的地下水位临界深度，可根据经验公式Hmin=hf+d选取，其中hf为最大冻结深度，d为地下水位低于冻结深度的最小距离，要大于毛细水上升的高度，建议岩石类取0.4 m。

2)加强路堑边坡排水，排出边坡体内的地下水，降低静动水压力，可有效降低路堑基床地下水位。在工程实践中，为了保持边坡稳定，都要采用挡土墙、抗滑桩、锚索(杆)、浆砌片石、喷射混凝土等措施对边坡进行加固和防护。这些措施的运用也会在边坡体内或体外形成挡水结构，抬高路堑边坡的地下水位，增大地下水压力。因此，可在已施工完成的边坡坡脚处布设多排水平疏干排水孔，尽可能降低边坡的地下水位。

5.2 优化路基结构形式，增设防冻层和隔断层

对现有路堑路基结构形式进行优化设计，增设路基防冻结构层和隔断层。当基床范围内为冻胀敏感性岩石时，可挖除一定深度的岩体，换填非冻胀性AB组填料，形成路基防冻层，能有效减小路基总冻胀量，降低冻害程度。防冻层最小换填厚度(Zmin)取决于产生冻胀的地下水位临界深度，建议根据公式Zmin=hf+d确定，建议岩石类d取0.4 m。另外，为切断岩体中水分竖向迁移通道，在防冻层底部铺设防渗复合土工膜形成路基隔断层。在哈大铁路客运专线建设中，个别路堑地段路基结构也采用了换填法，但换填厚度不足与隔断层铺设位置不当，致使预防冻胀效果不佳。因此，防冻层厚度和隔断层铺设位置是换填法能否有效抑制路基冻胀的关键。

5.3 设置隔热层，控制基床低温

保温法是最早应用于工程冻胀防治的措施之一，寒区路基应用广泛[15]。但在季节性冻土区，保温法采用较少。在路堑路基基床表层防水层下部设置保温隔热层，通过人工干预控制路基内温度降低幅度，降低路基冻胀变形，可减少冻害程度。如配合5.2节中提出的工程措施共同使用，可以很好地消除或减小路基冻胀量，有效降低路基冻害。在哈大铁路客运专线冻胀整治实践中，选取1 km长度路堑路基做了试验，试验段在基床表层防水层上部与边坡处铺设聚苯乙烯泡沫保温板形成保温隔热层。现场监测数据分析显示，试验段预防冻胀效果不理想，这可能与隔热层铺设位置、保温材料性能以及施工工艺要求较高有关。

5.4 注浆加固岩体，弱化地下水渗透

利用注浆加固方式对路堑坡顶、边坡及路堑底岩体进行水泥浆高压灌浆，浆液凝结后充填在岩体裂隙、节理及岩石孔隙等结构面中，将破碎岩块重新胶结成整体，从而降低岩体渗透性和冻胀敏感性。注浆加固能够减弱岩体中的水分迁移，也能有效阻断地下水的渗透。岩体中含水量减少，致使路基冻胀量减弱或无冻胀。文献[16]通过冻融损伤试验证明，注浆方法对提高岩体持久抵抗冻害能力有显著效果，是防治岩体冻害的有效途径。目前，注浆加固在地下岩土工程实践中应用广泛，效果显著。但在防治石质路堑路基冻害方面少有工程实例。在季节性冻土区铁路建设中，可以尝试采用注浆加固方式对路堑路基冻害防治进行有益的探索。

6 结论与建议

1)通过原位和室内试验表明:基床表层级配碎石各项物理指标符合非冻胀性填料要求，无明显冻胀;基岩冻胀变形非常明显;基岩风化程度比设计给定的岩石等级严重;基床实际冻结深度超过设计冻结深度40 cm左右。建议工程设计时，岩体等级确定应考虑岩石劣化加快的影响;设计冻结深度选取应对标准冻深进行修正，根据调查和经验确定修正系数为1.3～1.5。

2)低温环境下，路堑路基表层级配碎石结构层仅发生孔隙水原位冻结。而基床基岩冻胀是造成路基冻害的主体部分。岩体冻胀影响因素众多且复杂，岩体渗透性、地下水、温度以及工程条件等是主要影响因素，是石质路堑路基的重点研究对象。

3)通过路堑路基基床基岩冻胀成因和影响因素的分析，研究提出了几种有效的路基冻害防治对策。建议在今后铁路客运专线建设中，重点从以下几方面加强抗冻胀设计防治路堑路基冻害产生。

①路基两侧设置渗水盲沟，盲沟深度Hmin可根据公式Hmin=hf+d选取，建议岩石类d取0.4 m。

②路堑边坡坡脚处布设多排水平疏干排水孔，降低边坡地下水位。

③优化路基结构形式，增设防冻层和隔断层。防冻层最小换填厚度Zmin可根据公式Zmin=hf+d确定，建议岩石类d取0.4 m。路基隔断层铺设在防冻层底部。

④在路堑路基基床表层防水层下部设置保温隔热层，控制基床低温，减少冻害程度。

⑤尝试采用注浆加固岩体方式对路堑路基冻害防治进行有益的探索。

[1]徐敩祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京:科学出版社，2001.

[2]铁道第四勘察设计院.TB 10035—2006 铁路特殊路基设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2006.

[3]中国铁道科学研究院.寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究[R].北京:中国铁道科学研究院，2011.

[4]叶阳升，王仲锦.路基的填料冻胀分类及防冻层设置[J].中国铁道科学，2007，28(1):1-6.

[5]杨更社.冻结岩石力学的研究现状与展望[J].分析力学与实践，2009，31(6):9-16.

[6]邓卫红，田维刚，周科平，等.2001—2012年岩石冻融力学研究[J].科技导报，2013，31(24):74-79.

[7]刘泉声，康永水，黄兴，等.裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况[J].岩土力学，2012，33(4):971-978.

[8]何国梁，张磊，吴刚.循环冻融条件下岩石物理特性的试验研究[J].岩土力学，2004，25(增):52-56.

[9]陈卫忠，谭贤君，郭小红，等.特殊地质与环境下地下工程稳定性研究[M].北京:科学出版社，2012.

[10]MELLOR M.Phase composition of pore water in core rocks[R].DTIC Document:Carrel Research Reports，1970.

[11]北川修三，川上義辉.凍上試驗にょる地山の凍上性の判定[J].応用地質，1986，27(2):11-20.

[12]夏才初，黄继辉，韩常领，等.寒区隧道岩体冻胀率的取值方法和冻胀敏感性分级[J].岩石力学与工程学报，1986，27(2):11-20.

[13]徐志英.岩石力学[M].北京:中国水利水电出版社，1993.

[14]陶履彬.隧洞围岩低温物理力学性质的试验研究[C]//首届全国青年岩石力学学术研讨会论文集.上海:中国岩石力学与工程学会，1991.

[15]许健，牛富俊.季节冻土区保温法抑制铁路路基冻胀效果研究[J].铁道学报，2010(6):124-130.

[16]YONEDA M，SUGIYAMA A，ISHIKAWA Y，et al.Freezethaw resistance of the bond-mortar used in rock-bond method[J].Advances in Concrete Structural Durability，2008(1-2):488-492.