高速铁路季节性冻土路基冻胀时空分布规律试验

蔡德钩

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081；2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)

我国正在季节性冻土地区展开大规模的高速铁路建设。截止到2015年12月，东北和西北地区已建和在建的高速铁路有哈大、盘营、沈丹、吉图珲、哈齐、长吉、哈牡、京沈、兰新、大西、西宝、宝兰等线路，共约7 000 km。此外，我国于2013年向世界提出了“一带一路”倡议，涉及北京到莫斯科的欧亚高速运输走廊，全长超过7 000 km。中俄已就莫斯科—喀山高速铁路签订合同，目前已进入初步勘察设计阶段。这些穿越广袤季节性冻土地区的高速铁路都必将面临路基冻胀问题。

高速铁路对线路变形要求极高，路基冻胀会降低线路平顺性和运营安全性。但由于区域气候环境的多变性、水文地质条件的复杂性及建设过程中水控制措施的粗放性等诸多不利因素的影响，季节性冻土地区高速铁路路基的冻胀往往不可避免。因此，开展高速铁路路基长期冻胀监测以获取冻融时空分布规律至关重要。一方面，建设阶段通过分析高速铁路路基冻胀水平和分布情况，可评价路基土水控制措施的施工质量及设计合理性，为高速铁路路基动态设计、施工验收提供依据，为完善防冻胀结构设计提供支撑；另一方面，运营阶段通过分析冬季时线路的平顺性和路基冻胀发生发展的规律，可明确冬季的线路维护时机，有利于调配有限的人力物力，制定合理的维护措施，提升高速铁路的冬季科学维护水平，促进我国季节性冻土地区高速铁路冻胀维护标准的完善。

哈大高速铁路是我国第1条季节性冻土地区的高速铁路，掌握其路基冻胀时空分布规律对我国其他季节性冻土高速铁路的建造和运营具有重要的意义。针对哈大高速铁路路基冻胀问题，哈大公司和沈阳铁路局组织开展了重点和典型地段的长期自动监测、全部路基地段分期水准观测和全线高频次轨道平顺性动态检测，获得了大量宝贵数据。本文基于哈大高速铁路的监测数据，研究高速铁路季节性冻土路基的冻胀时空分布规律。

1　高速铁路路基冻胀综合监测

经过几年实践，我国已形成集冻胀自动监测、水准观测和轨道动态检测相结合的综合冻胀监测体系[1]。这些监测手段相辅相成，可从不同方面反映高速铁路路基的冻胀时空分布情况。

水准观测主要是对全线进行定期观测以掌握全线的冻胀水平分布情况，明确重点监测和整治地段。轨道动态检测主要是对全线进行定期平顺性检测以掌握全线的平顺性情况，是运营阶段高速铁路冻胀监测最基本、最重要的手段，是制定冬季线路维护措施的依据。自动监测主要是对重点和典型地段进行实时监测以掌握冻胀冻深发生发展的规律，监测内容包括冻胀、冻深及水分等。轨道检测结果与冻胀自动监测、水准观测结果相结合，从不同角度进行关联分析，可全面掌握高速铁路路基的冻胀时空分布规律。

针对哈大高速铁路，共设置了62个自动监测断面，分布在13个区段，涵盖了全线重点和典型的路基冻胀区段，共开展了3个周期的监测；全线共布设了水准观测点9 000多个，开展了2012—2015年3个冻胀周期的观测；采用综合检测列车380B002对哈大全线进行了高频次平顺性检测，开展了2个周期621次检测，检测里程超过23万km。

2　路基冻胀变形发生发展规律

2.1　自动监测结果分析

2.1.1典型冻融发展变化过程

图1为哈大高速铁路典型断面冻胀自动监测结果。由图1可知，冻融发展变化过程主要表现为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀、融化回落4个阶段。各阶段具体特征如下：

初始波动阶段：入冬初始，气温在零度上下波动，冻胀随路基面层(20 cm范围之内)反复冻融而时有时无，冻胀量值一般较小，不超过5 mm。

快速冻胀阶段：随着气温继续降低且在0 ℃以下的持续时间增长，冻胀随基床浅层冻深的增加而快速增长，持续10～20 d左右，冻胀变形出现拐点。该阶段的冻胀量一般约占总冻胀量的60%左右。

稳定冻胀阶段：冻胀变形经过拐点之后，冻深随着低温持续而进一步增加，但冻胀增长的速度骤减，冻胀变形呈低速稳定发展状态。冻胀主要为基床深层冻胀，基床浅层冻胀不再变化。该阶段的持续时间较长，沈大段从当年12月中旬持续到次年2月底或3月初，约2～3个月；沈哈段从当年11月底或12月初持续到次年3月底，约4个月。

融化回落阶段：随着大气温度上升至零度附近，基床冻土层开始双向融化，冻胀变形呈现迅速减小且夹带偶尔波动回升的状态。其波动原因与初始波动阶段相同，均是路基面层冻融引起的。之后随着气温持续升高，基床融透，冻胀消除，变形不再变化，但存在残余变形，一般不超过4 mm。该阶段持续约1～2个月。

图1　典型断面的冻胀发展过程

高速铁路运营对线路平顺性要求极高，路基冻胀会造成线路平顺性和运营舒适性下降。由上述分析可知，在快速冻胀阶段和融化回落阶段冻融变形的变化剧烈，线路平顺性必随之降低，为线路维护的重难阶段。

2.1.2冻胀统计分析

图2给出了2012—2015年3个冻融周期全线自动监测断面的最大平均冻胀变形。由图2可见：2013—2014年的最大冻胀变形整体上小于2012—2013年，2014—2015年的最大冻胀变形介于两者之间；2012—2013年自动监测断面路基最大冻胀变形发生在K186+650断面，达35.2 mm；2013—2014年最大冻胀变形发生在K1 004+384断面，达25.4 mm，2014—2015年最大冻胀变形发生在K186+630断面，达33.8 mm。

图2　3个冻融周期最大冻胀变形

图3给出了2012-2015年3个冻融周期的冻胀变形区间分布情况。由图3可知，在2012—2013年，大变形区间(20 mm,30 mm]所占比例较高，达到14%，而(0 mm,10 mm]区间则相对后2年较低，为38%；后2年各冻胀区间分布较为接近，(0 mm,10 mm]区间约占60%，而(20 mm,30 mm]区间所占比例下降到2%。上述分析说明，经过第1个冻融周期(2012—2013年)之后，全线的冻胀趋于稳定。

图3　3个冻融周期冻胀量区间分布

图4给出了2012—2015年3个冻融周期基床表层级配碎石冻胀所占比例情况。由图4可知，3个冻融周期的基床表层冻胀所占比例整体偏大且基本持平，平均值分别为68%，65%和67%。究其原因：一是路基面纵横向结构缝的封闭措施部分失效，导致表水入渗基床表层；二是基床表层级配碎石细粒含量较大，自然持水能力和冻胀敏感性较高，同时也造成高压密条件下渗透系数偏小，导致渗入的水不易排出；三是基床表层底部两布一膜的存在阻止了水分向下扩散，同时路肩电缆槽为后开挖设置，造成水分侧向排出困难。总之，上述因素使基床表层成为“易积水的封闭系统”，致使冻胀比例偏大。

图4　基床表层冻胀占比情况

图5给出了各断面冻胀比(冻胀与该点最大冻胀之比)为0.9时冻深的统计结果。由图5可知，监测点冻胀比达到0.9时的冻深不超过110 cm的占90%，该深度可作为基床浅层冻胀划分的界限。说明基床浅层应是高速铁路路基防冻胀设计的重点。

图5　哈大高速铁路路基冻胀比达0.9时冻深统计

基床防冻胀设计是季节性冻土地区高速铁路路基设计的关键[2,6]。上述分析充分说明高速铁路基床防冻胀设计还有进一步的完善空间。基于哈大高速铁路的监测结果对后续季节性冻土区高速铁路，如盘营、沈丹、哈齐、京沈、兰新等线路的防冻胀结构设计均进行了改进，主要在以下几方面：严格控制基床表层和底层冻深范围内的细粒含量，明确渗透性要求，相关技术条件已纳入相关铁路规程[7-8]；基床表层采用掺水泥级配碎石，大幅降低基床表层冻胀占比；取消基床底层两布一膜隔水层，同时尽可能将电缆槽设置在边坡台阶上，使基床渗排水通畅；提升路基面各种结构缝嵌缝材料的密封性能，改进封闭施工工艺。总之，哈大高速铁路路基冻胀规律及其原因分析，为后续季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计的改进提供了重要依据。

2.2　水准观测结果分析

表1给出了2012—2015年3个冻融周期哈大高速铁路路基冻胀变形水准观测统计结果。由表1可知：2012—2013年冬季全线路基冻胀量≤4 mm的约占61%，4～10 mm范围的约占33%，≥10 mm的约占6%，且冻胀量≥10 mm的路基主要集中在鲅鱼圈、长春西等个别特殊地段；后2个冻融周期各个冻胀区间所占比例与2012—2013年基本持平。后2个冻融周期的检测范围均依据上一冻融周期路基冻胀量≥5 mm的区间确定，因此，虽然3个冻融周期各量值空间占比基本持平，但间接说明了全线路基冻胀整体呈逐步改善的趋势。

表2给出了2012—2015年3个冻融周期哈大高速铁路路基重复水准观测段冻胀变形统计结果。由表2可知，小量值区间占比逐年增大，而大量值区间则逐年减小，说明全线路基的冻胀逐年趋于稳定。上述大范围水准观测结果表明，季节性冻土区高铁路基的冻胀虽不可避免，但能控制在合理范围内。

另外，通过上述水准测量发现冻胀发生的位置和量值具有重复性特征，这为制定冻害地段的维护措施提供了重要依据。沈阳铁路局建立了以入冬之前轨面高程预设为主的维护措施[9]。入冬前采用预垫板和预撤板，调整冻胀处所一定范围内的轨面高程，使其在冻胀前后均满足平顺性要求，实现动态检测不超限。该措施有效控制了高速铁路路基冻害，降低了维护工作量。

表1　3个冻融周期哈大高速铁路路基冻胀变形统计结果

表23个冻融周期哈大高速铁路路基重复水准观测段冻胀变形统计表

变形区间/mm测点共计/个2012—2013年2013—2014年2014—2015年测点/个比例/%测点/个比例/%测点/个比例/%<44～66～88～1010～12>1218478654683107758311195647029716082941592278150521911861739371991077168910117633834491136127842250271185100210858542227

注：测点为轨道结构凸台上的测点，不含路肩和和线间的测点。

2.3　轨道检测结果分析

哈大高速铁路采用综合检测列车进行高密度的轨道平顺性检测。图6和图7为全线2012—2015年2个冻融周期内检测同期Ⅰ、Ⅱ级超限分布对比情况。由图6和图7可知，2012—2013年，全线累积Ⅰ级超限15 960次、Ⅱ级超限1 031次。通过线路维护，没有出现Ⅲ级及以上超限和临时限速处所。2013—2014年，全线累积Ⅰ级超限5 329次，Ⅱ级超限191次，整个冬季动态检测过程中Ⅰ级和Ⅱ级超限总数量较2012—2013年显著减小。

图6　哈大高速铁路全线每次动检Ⅰ级超限数量

图7　哈大高速铁路全线每次动检Ⅱ级超限数量

图8和图9为哈大高速铁路沿线每100 kmⅠ级和Ⅱ级超限累加统计结果。由图8和图9可知，2013—2014年全线Ⅰ级和Ⅱ级超限个数整体上均有所减小，尤以沈大段最为明显。沈哈段Ⅱ级超限分布基本上与2012—2013年一致。上述情况说明沈哈两局采取了有效措施，控制了线路超限情况的发生。

图8　哈大高速铁路沿线Ⅰ级超限数量(每100 km累加)

图9　哈大高速铁路沿线Ⅱ级超限数量(每100 km累加)

图10为全线冻深与冻害数量趋势图。由图10可知：当冻深小于50 cm时冻害数量很少；而冻深在50～160 cm时，冻害数量快速增加；冻深大于160～250 cm时冻害数量趋于稳定，之后冻害数量开始逐渐减少；回落期冻深在200～50 cm变化时，冻害数量减少较快，当冻深融化至50 cm以下时冻害数量趋于0，其发展形态与自动监测的冻胀发展过程完全一致，在冻深上存在50 cm左右的错位。

图10　冻胀深度与冻害数量趋势图(2012—2013年)

这主要是由于图9采用的是自动监测的路肩冻深，轨道检测的是轨道结构位置。由于50 cm厚轨道结构的覆盖，路肩冻深的发展必然先于轨道结构下方。除去该影响，则冻胀自动监测结果与全线冻害发展过程是非常一致的。

3　结　论

(1)高速铁路路基冻胀综合监测体系具有重要作用，可为获得季节性冻土地区高速铁路路基冻胀的时空分布规律提供技术支撑。

(2)冻融发展变化过程主要表现为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀、融化回落4个阶段，其中快速冻胀和融化回落阶段对线路平顺性的影响最大，是线路维护的重难阶段。

(3)哈大高铁路基冻胀的主要部位为基床浅层，基本上在110 cm冻深范围产生90%的冻胀量，其中基床表层冻胀占比近70%。基床浅层是高速铁路路基防冻胀设计的重点。

(4)季节性冻土区高速铁路路基的冻胀不可避免，但能够控制在合理范围之内。哈大高速铁路路基冻胀整体上呈逐渐减缓的趋势。冻胀发生位置和量值具有一定的重复性特征。

(5)季节性冻土区高速铁路路基冻胀的时空分布规律对于高铁路基防冻胀设计和运营维护具有非常重要的指导意义，可为冻害地段线路维护措施的制订提供依据。

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