吉珲客运专线路基冻胀变形及影响因素分析

黄新文,崔俊杰,易菊香

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

吉珲客运专线路基冻胀变形及影响因素分析

黄新文,崔俊杰,易菊香

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着我国在严寒地区高速铁路的发展,路基冻胀变形对高速铁路的影响凸显出来,针对路基冻胀变形规律及影响因素的研究尚不完善,根据吉珲客运专线路基冻胀变形监测数据,采用综合分析方法分析了本线路基冻胀变形的一些规律,并对冻胀变形影响因素进行分析。通过分析得出吉珲客运专线路基冻胀变形规律及基床表层变形所占比例的不同与产生原因的对应关系。

吉珲客运专线；路基；冻胀；监测

严寒地区高速铁路的路基冻胀变形控制，是我国在高速铁路建设过程中遇到的一大技术难题。路基季节性冻胀、融沉带来的不均匀变形会引起轨面不平顺，直接影响列车行驶的舒适度和设计目标值的实现，严重时甚至会危及高铁的行车安全[1]。根据东北既有铁路及公路的冻害调查结果，路基冻胀现象在东北地区存在普遍性、不确定性和难以避免的特点[2]。从吉珲客运专线的路基冻胀监测数据着手，对冻胀变形规律进行总结，对冻胀影响因素进行分析。

1 概述

1.1 工程概况

新建吉珲客运专线位于吉林省中东部，自吉林站引出，途经蛟河、敦化、安图、延吉、图们，止于珲春市，线路全长360.602 km。设计速度250 km/h，有砟轨道。正线路基长度114.546 km，占正线长度31.77%。2013～2014年监测周期监测路基段落长91.218 km。

1.2 气象特征

按照对铁路工程影响的气候分区，该区为严寒地区。最冷月平均气温-10.3～-23.4 ℃，极端最低气温-29.2～-42.5 ℃，年平均降水量528～670 mm，主要集中于6～8月，土壤最大冻结深度： 168～192 cm。每年从10月底开始冻结，次年4～5月全部融化，历时长达5～6个月。

1.3 监测方法和监测点布置原则

采用埋设冻胀观测桩，人工精密水准测量的监测方式进行监测。监测断面设置原则一般按照不大于50 m布设1个监测断面，长大路堤段落人工观测桩按照100～200 m布设1个监测断面。路涵过渡段布设5个断面，其中涵洞中心布设1个断面，涵洞中心两侧各布设2个断面，一般在其边墙外1、5 m左右。路桥(隧)过渡段在路基上设置2个监测断面，分别距桥台(隧道口)2、10 m。每个监测断面布设3个监测点，分别位于路基线路中心及两侧砟脚附近。

2 吉珲客运专线路基冻胀规律

2.1 冻胀量分布情况

根据2013～2014年监测周期监测到的数据，吉珲客运专线的冻胀变形整体不大，但局部存在冻胀变形较大的情况，具体分布情况详见表1。

表1 全线路基变化情况统计

从表1可以看出，变形在0 mm以上的测点占总测点80.12%，说明路基冻胀现象存在的普遍性；冻胀量小于8 mm的点占总监测点数的83.10%，说明吉珲客运专线的工程质量整体较好；冻胀量大于12 mm的点占总监测点数的6.01%，说明局部冻胀量较大。

2.2 路堤及路堑冻胀变形情况分析

对监测点所处的工点类型分析，本线路堤、路堑冻胀变形发生率并不一致，总体反映出的规律与哈大高铁基本一致，即路堑地段测点比率明显大于路堤比率。根据监测数据统计(剔除了数据异常点和因观测桩受施工扰动导致数据不完整的点)，路堑变形>8 mm的发生率为25.79%，路堤变形>8 mm的发生率为12.71%，路堑较路堤的发生率高2.0倍。路堑变形>12 mm的发生率为10.41%，路堤变形>12 mm的发生率为3.93%，路堑较路堤的发生率高2.6倍。详见表2。

表2 全线路堤、路堑变化情况统计

2.3 冻胀量随时间变形情况分析

2013～2014年监测周期共进行了7次人工精密水准监测，选取全线大于8 mm点的平均值进行统计，分析全线整体冻胀过程，全线大于8 mm点平均冻胀变形过程见图1。

图1 全线大于8 mm点平均冻胀变形过程

根据监测数据及图2综合分析，第1次测量(2013年10月底至11月初)时观测点尚未冻胀，基本认定此次测量为初始值，第2次测量(2013年11月中下旬)时冻胀量尚不明显，冻胀量平均值约2.9 mm。第3次测量(2013年12月中旬)时部分冻胀已开始发生，冻胀量平均值约5.7 mm，冻胀量大部分在第四次(2014年1月初)至第五次测量(2014年3月)时达到最大值，第4次冻胀量平均值约7.5 mm，第5次冻胀量平均值约11.2 mm。第6次测量(2014年4月)时随着温度的逐渐回升，大部分开始进入融沉阶段，冻胀量平均值约2.6 mm，第7次测量(2014年5月)时整体融沉过程结束，融沉残值约1.0 mm。

图2 不同变形区段冻胀量发生位置

全线冻胀量大于8 mm点最大变形平均值为11.5 mm，冻胀量大于8 mm点中在第4次测量时达到最大冻胀量的点占24.9%，第5次测量时达到最大冻胀量的点占75.1%，但第4次测量与第5次测量虽然经历时间较长，但该阶段却只冻胀了3.7 mm。

以上分析结果说明，本线冻胀量主要发生在第四次测量之前。

2.4 路基冻胀变形量发生部位分析

为了更准确地分析冻胀量发生部位，分析仅采用冻胀量大于8 mm的观测点进行分析，本线冻胀量主要发生在第4次测量之前，根据本线地温监测显示，全线第4次测量(2014年1月初)时，地温零度线基本在0.9 m左右，因此可初步判断第4次测量的冻胀量基本发生在基床表层，而第5次测量(2014年3月)时，地温零度线基本在最大冻深1.6～2.3 m，因此第5次测量与第4次测量的冻胀量差值主要发生在基床底层。据此分析，再根据冻胀量不同对全线冻胀量发生位置进行统计，详见表3及图2。

表3 不同变形区段冻胀量发生位置统计

根据统计可知，冻胀量发生在8～10 mm时，基床表层变形占69.57%；冻胀量发生在10～12 mm时，基床表层变形占73.08%；冻胀量发生在12～14 mm时，基床表层变形占64.78%；冻胀量发生在14～16 mm时，基床表层变形占67.27%；冻胀量发生在16～20 mm范围内时，基床表层变形占57.25%；冻胀量发生在大于20 mm范围内时，基床表层变形占67.60%。

综合分析可知，发生在基床表层变形量总体占66.59%，发生在基床表层与基床底层所占比例随着冻胀量的增大变化不大。

为了进一步分析冻胀变形发生在基床表层和基床底层的观测点分布情况，针对本线冻胀量大于8 mm的冻胀观测点统计结构见表4。

表4 表层占比统计

根据统计数据可知，基床表层冻胀量占比大于2/3的点为53.19%，占比2/3～1/2的点为17.65%，占比1/2～1/3的点为16.72%，占比小于1/3的点为12.43%。由此可见，该线表层冻胀变形占比超过1/2的观测点达到70.85%，仅29.15%的观测点主要冻胀量发生在基床底层。

2.5 冻胀变形量>8 mm点不同线路侧别分析

根据冻胀变形>8 mm观测点的相对位置，线路左侧占46.03%，线路中心占20.79%，线路右侧占44.86%。由此可见，线路中心处冻胀变形量>8 mm总数占比较小，线路两侧冻胀变形量>8 mm总数比例较高，初步分析主要由于以下原因所致，第一，两侧护肩处排水不通畅造成护肩内侧两布一膜顶部积水；第二，在施工电缆槽过程中开挖过大造成两侧回填压实度不够易渗水。

2.6 冻胀变形段落长度分析

吉珲客运专线正线路基长114.546 km，2013～2014年冬季对存在冻胀风险的路基工点共计91.218 km进行了人工或自动监测。由于路堤、路堑、过渡段等不同工点类型的监测点布置间距差异很大，单纯按监测点的观测数据进行统计分析，有可能造成偏差，对全线冻胀量按分布段落进一步统计分析如下：

全线冻胀量连续变形大于12 mm段落占总监测长度2.65%，连续变形8～12 mm段落占总监测长度8.03%。详见图3。

图3 冻胀变形段落长度分布

2.7 取消两布一膜段落冻胀情况

施工过程中，将部分段落基床表层原设计0.7 m厚级配碎石变更为0.3 m厚掺3%水泥的级配碎石+0.4 m厚级配碎石，取消了基床底层顶部的中粗砂夹两布一膜。根据监测数据分析，冻胀量大于8 mm的点仅有1个，为9.5 mm；融沉量大于8 mm的点有9个，其中5个点位于线路中心，根据变形情况及现场调查分析，这5个点均为后期施工扰动所致，另4个点均位于线路左侧，且位于涵洞过渡段内，融沉量最大为12 mm。

根据监测结果分析，该段的冻胀变形明显小于其他段落的冻胀变形。但这与本段填料较好、工点均为路堤等外部因素也有一定关系。

2.8 不同最大冻结深度区段内路基冻胀变形分析

根据不同最大冻结深度区段，统计冻胀变形>8 mm观测点所占比例，详见表5。

表5 不同最大冻结深度区段冻胀量大于8 mm占比

通过表5分析，冻胀变形大于8 mm的观测点占比与所处区域的最大冻结深度之间并无明显的对应关系。根据后续补充调查和勘察资料的进一步分析，冻胀量与施工过程中填料的细颗粒含量、含水率控制以及基床表层及底层排水是否通畅等因素的对应关系更为明显。

3 路基冻胀影响因素分析[3-12]

冻土是复杂的多项和多成分体系，路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下，路基本体内水分向冻结面迁移冻结，冻结后路基土体体积增大导致路基顶面发生变化的现象[4]。影响土体冻胀的主要因素为温度、水分、岩性[5]。

根据冻胀变形发展情况，结合地温等监测数据综合分析，吉珲客运专线路基主要冻胀位置大致可以分为基床表层产生的冻胀量占总冻胀量的2/3以上，基床表层产生的冻胀量占总冻胀量的2/3～1/2，基床表层产生的冻胀量占总冻胀量的1/2～1/3，基床表层产生的冻胀量占总冻胀量的1/3以下等几类。依据勘察成果综合分析各种冻胀变形情况，其主要影响因素如下。

3.1 基床表层冻胀

(1)针对已完成护肩及电缆槽段落调查分析，基床表层冻胀原因主要为，基床底层顶部两布一膜铺设不规范(局部坑洼或横向排水坡度不足)、两侧泄水孔排水不通畅等导致基床表层局部含水率过高所致。在挖探过程有部分试坑靠近电缆槽一侧两布一膜处有水不断的渗入试坑。说明基床底层上部的两布一膜横向坡度不能满足排水要求，以及基床底层排水管排水不通畅。

(2)针对未施做护肩及电缆槽段落调查分析，基床表层冻胀的原因为，结冻初期降雨后路基面及侧面迅速冻结，导致基床表层含水量较大所致。

3.2 基床底层冻胀

(1)基床底层含水量偏高及地下水位高，这种情况多见于地下水位较浅的地下水路堑段落。挖探过程中个别勘探点挖至基床底层底部时有地下水渗出；部分截水渗沟管底高程达不到设计要求。基床底层含水量偏高的另一原因是，路堑换填施工期间，正值雨季，基底潮湿或填料含水率控制不好所致。

(2)局部填料细颗粒含量较大。根据挖探及试验情况，部分工点路基填料细颗粒含量过大，是造成路基地段冻胀量偏大的内因。

4 结论及建议

对吉珲客运专线路基冻胀变形监测的分析表明，吉珲线路基冻胀存在普遍性；变形>8 mm的发生率路堑较路堤高。本线的冻胀量主要发生在表层，表层冻胀变形占比超过1/2的点达到70.85%。此外，冻胀量与最大冻结深度无明显对应关系。

通过以上分析，基床排水不畅是引起路基冻胀变形较大的主要影响因素，而基床底层的排水不畅及细颗粒含量超标也是引起个别区段路基冻胀量较大的重要影响因素。

[1]余雷.哈大客运专线路基冻胀变形的观测与分析[J].路基工程，2013(3)：54-58.

[2]张先军.哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(7)：2-12.

[3]马红绛，郭彦荣，杨有海.兰新铁路路基土冻胀特性试验研究[J].铁道建筑，2010(11)：78-80.

[4]杜兆成，孙瑛琳，蒋大恩.季节性冻土区路基土的冻胀特性分析[J].长春工程学院学报：自然科学版，2006(2)：17-20.

[5]章金钊，李祝龙，武憼民.冻土路基稳定性主要影响因素探讨[J].公路，2000(2)：17-20.

[6]杨君波.齐齐哈尔地区路基冻胀成因浅析与治理措施[J].黑龙江交通科技，2013(3)：42-44.

[7]杨雍.严寒地区客运专线路基冻胀原因及处治措施[J].路基工程，2013(1)：188-192.

[8]高志华，石坚，罗丽娟.青藏铁路路基冻胀变形特点的研究[J].铁道建筑，2010(6)：94-96.

[9]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.

[10]赵润涛，李季宏，李曙光.客运专线路基工程的防冻胀处理措施[J].铁道勘察，2011(4)：70-71.

[11]程静.寒冷地区建筑工程抗冻胀问题浅谈[J].建筑技术研究，2012(4)：71-72.

[12]卞晓琳，何平，施烨辉.土体冻胀与地下水关系的研究进展[J].中国农村水利水电，2007(4)：24-27.

Analysis of Frost Heave Deformation of the Subgrade on Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway Line

HUANG Xin-wen, CUI Jun-jie, YI Ju-xiang

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

With rapid development of high speed railway in cold area, the effect of subgrade frost heaving deformation is becoming more prominent. In view of the insufficient researches on the patterns of subgrade frost heaving deformation and the influencing factors, and with respect to Jilin-Hunchun passenger dedicated railway for subgrade frost heave deformation monitoring data, this paper analyzes comprehensively the laws and influencing factors related to the subgrade frost heaving deformation of this railway line. The results demonstrate the laws in question and the correlation between the percentage of the bed surface deformation and the causes of deformation.

Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway; Subgrade; Frost heave; Monitoring

2014-12-26；

2015-02-03

黄新文( 1979—)，男，高级工程师，2007年毕业于西南交通大学地质工程专业，工学硕士，E-mail：33037032@qq.com。

1004-2954(2015)08-0039-04

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.009