大西客运专线路基冻胀监测与分析

刘海江（大西铁路客运专线有限责任公司，山西 太原　030027）

大西客运专线路基冻胀监测与分析

刘海江
（大西铁路客运专线有限责任公司，山西 太原030027）

高速铁路对轨道的平顺性要求高，路基冻胀产生的不均匀变形会传递给轨道，影响列车运行安全性与舒适度。大西客运专线原平—运城段属于寒冷地区，为了控制该段路基冻胀变形，采取了不同的冻胀控制措施，并选择了4段典型段落开展了冻胀监测。经过一个冻融周期监测发现：冻融循环周期内地温发展变化大致可以分为快速降温、慢速降温和升温3个阶段；绝大部分测试的最大冻结深度小于设计的最大冻结深度；基床底层采用A，B组填料的路堤工点的最大冻胀变形略小于基床底层采用改良土的路堑工点；冻胀变形均＜8 mm，冻胀变形主要集中在≤4 mm范围内，说明防冻胀措施是有效的。

客运专线；路基冻胀；监测；冻结深度；冻胀变形

寒区铁路路基冻害产生的主要原因是土壤中的水（包括原位水和迁移水）在冻结形成冰晶时会发生体积的膨胀，使路基发生冻胀。通常情况下由于路基填料或其特性不均匀，往往造成路基表面纵横向冻胀高度的差异，从而使轨面高度产生不均匀的变化，影响行车。路基冻胀影响因素众多，但对于我国大部分寒区铁路路基冻害来说，其主要可归纳为土质、水、温度、附加应力等。

在寒冷地区修建无砟轨道，路基冻胀问题是必须解决的关键技术之一。路基冻胀的危害主要体现在冬季冻胀和春季融沉。为了降低填料含水量，进而降低冻胀危害，沈丹、哈齐等高铁施工过程中采用了 A，B组土（细颗粒含量控制在5%以内）作为填料。针对大西客专区域工程地质条件和气候特点，采取不同填料控制路基冻胀，监测结果验证了所采取的冻胀控制措施的有效性。本文对此予以总结。

1　线路概况

大西客运专线原平西—运城北段全长477.51 km，正线采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道。沿线河流分属海河及黄河水系。河流水流量受季节影响变化大，河流均具有典型的雨洪特征，流量、水位与降水量成正比，动态极不稳定。除较大河流常年有水，流量较大外，山间沟谷多为深沟峡谷，呈树枝状，旱季流量很小甚至干涸，雨季流量大。沿线受极地大陆性冷空气团控制时间长，受海洋热带暖气团影响时间短，冬季长，热天短，日照富，温差大，降水少，风沙大，季风气候特征明显，四季干湿冷热分明。近年来气候趋向转暖。

大西客运专线原平西—晋中段最冷月平均气温为-5～-15℃，最大冻结深度为0.81～1.21 m，按对铁路工程影响的气候分区属于寒冷地区。地层以黄土为主。冬季在负温条件下，路基易产生不均匀变形，因此采取相应的防冻胀措施是关键。

2　路基冻胀影响因素与防冻胀措施

2.1路基冻胀的影响因素

路基填补土体的矿物成分、密实度及粒度成分是路基减小冻胀的主要影响因素。随着路基土土颗粒粒径的减小，土颗粒与水之间的相互作用增强，土壤渗透性减弱。颗粒粒径由大变小时，其比表面积由小变大，与水的作用和土在冻结过程中水分迁移的能力也随之加大。路基土中的水分是产生冻胀的必要条件。负温是土体冻结的前提条件，是决定土的冻结过程、路基冻胀以及冻土物理力学性质的基本因素。

2.2路基防冻胀措施

针对大西线地理位置、地层条件、气候条件以及路基类型，路堤表层采用0.4 m级配碎石填筑、底层冻深影响范围内采用非冻胀填料填筑（非冻胀填料是指粒径＜0.075 mm颗粒含量 ＜15%的 A，B组土或改良土）。基床底层下部及基床以下路堤均采用A，B组土或改良土。路堑段落基床表层采用0.4 m级配碎石填筑，基床底层2.3 m或至基岩范围内换填A，B组土或改良土。

3　监测段落选择

根据大西客运专线路基段落的气候气象条件、冻结深度、地下水位深度、路基填料、路基填挖形式以及不同冻胀控制措施选择监测段落。

太原以北冻结深度＞1 m，是全线最寒冷和冻结深度最大的地区，分别选取一段填方、基床底层填料为A，B组土和一段挖方、基床底层填料为水泥改良土路基作为冻胀监测代表性段落。通过监测能够掌握大西客专经过的最寒冷地区的路基冻胀变形情况，并对不同基床填料对冻胀的影响作对比分析。

晋中站附近路基地下水位较高，选取晋中一段路基作为冻胀监测代表性段落。分析沿线的气象特点可知，灵石地区的降水量大，且冻结深度比相邻的南北区域都大，考虑到降水量大是影响冻胀发生的重要因素，因此在灵石附近选择一段路基作为冻胀监测代表性段落。

最终在原平、忻州、晋中、灵石各选1段作为路基冻胀监测段落，各段落基本情况见表1。

表1　路基冻胀监测段落基本情况

4　监测方案

监测内容主要包括冻胀变形、地温和路基填料含水量，通过在路基表面基床内不同深度埋设传感器来监测。冻胀变形监测、地温监测和含水量监测均采用自动实时采集、存储和传输的方式。

4.1路基冻胀变形监测

路基冻胀变形监测采用横向定点分层测试方法和纵向连续冻胀变形监测2种方式。对每1观测断面在路基两侧底座板中心处或路基两侧底座板外侧埋设变形测试元件。纵向连续式测试路基面（底座板）冻胀变形。开展至少一个冻融周期的监测，比较分析不同类型、不同位置路基的变形情况。

在选取的4个区段内沿线路共设置了34个监测断面，每个监测断面在线路左右线对称布置分层冻胀传感器，对不同冻结深度区、不同填料类型的路基进行纵向连续冻胀变形监测。共布设5段纵向连续变形传感器，分别安装在底座板两侧，每个测试断面设1根测线，每根测线3个测点，测点间距5 m。

4.2路基温度场监测

对试验段路基不同部位和深度进行温度监测，分析路基温度场变化规律及其与结构和环境温度变化的关系。每个观测断面在路基两侧底座板中心处或路基两侧底座板外侧设置地温监测孔，采用钻机成孔，埋设地温传感器并采用原土回填密实。

每段路基地温计安装在两侧底座板外侧或线路左右线中心线处，元器件在级配碎石顶面以下 0.2～2.0 m布设，每孔8～10个。

4.3路基含水量监测

对试验段各断面路基不同部位和深度进行含水量监测，分析路基内水分场的变化规律。每个观测断面在路基两侧底座板中心处或路基两侧底座板外侧设置含水量监测孔。每段选择2个断面布设含水量监测元件，自路基级配碎石顶面以下0.2 m垂直向下布设，间距0.6～0.8 m，每孔3个。监测断面测点布置如图1所示。

图1　监测断面测点布置（单位：m）

5　监测结果分析

5.1地温

原平段地温随时间变化典型曲线见图2，其余4个测试工点大部分监测断面的地温随时间发展变化规律基本与此一致。可见，一个冻融循环周期内地温发展变化大致可以分为快速降温、慢速降温、升温3个阶段。2013年12月中旬—2014年1月初表现为地温降低快速发展期；2014年1—2月为地温缓慢降温阶段，至3月上旬地温普遍＞0℃。距离地面0.2，0.4 m深的地温受短期外部气温升降影响较大，而距离地面0.6 m以下的地温受短期外部气温的升降影响较小，地温变化延迟效应相应增大。

图2　原平段地温随时间变化典型曲线

5.2冻结深度

原平段、忻州段、晋中段、灵石段最大冻结深度分别为1.10，1.09，1.14，0.93 m。原平段冻结深度随时间变化典型曲线见图3。可见，2013年12月—2014 年3月完成一次冻融循环，2013年12月中旬—2014 年2月，冻结深度总体呈现逐渐增大的趋势。2014年2月下旬地温开始逐渐升高，冻结深度开始减小，2014 年3月初冻结深度减小到基本为0。

图3　原平段冻结深度随时间变化典型曲线

5.3冻胀变形

原平路堤工点冻胀变形最大值为2.45 mm，忻州路堑工点冻胀变形最大值为7.91 mm，晋中路堤工点冻胀变形最大值为6.60 mm，灵石路堑工点冻胀变形最大值为7.97 mm。原平段冻胀变形与冻结深度的关系典型曲线见图4。

4个监测段落冻胀变形总体较小，最大冻胀变形均＜8 mm，最大冻胀变形主要集中在≤4 mm范围内，原平、忻州、晋中和灵石工点最大冻胀变形在≤4 mm范围内的测点数分别占总测点数的100%，68.2%，94.4%和77.8%。冻胀量较小，说明冻胀控制措施效果明显。

分层冻胀监测数据表明，路基顶以下0.5 m范围内冻胀量占总冻胀量的65%以上，表明浅表层冻胀是主要的，浅表层也是控制路基冻胀的关键部位。

图4　原平段冻胀变形与冻结深度的关系典型曲线

5.4路基体积含水量

原平段体积含水量随时间变化典型曲线见图5。可以看出：0.2 m深处的体积含水量受外部环境影响较大，监测时间内体积含水量最大变动约5%，同一监测区段2个监测断面表现出很好的一致性；深层处的体积含水量在监测时间内总体表现出减小的趋势，但减小甚微，表明地下水对冻结锋面补给不明显。

图5　原平段体积含水量随时间变化典型曲线

6　结论

1）1个冻融循环周期内地温发展变化大致可以分为快速降温、慢速降温和升温3个阶段。12月中旬到次年1月初表现为地温降低快速发展期，1—2月为地温缓慢降温阶段，至3月上旬地温普遍＞0℃。

2）除个别监测点外，绝大部分监测点的最大冻结深度小于设计的最大冻结深度，4个监测段落各测试孔的最大冻结深度平均值忻州段（0.83 m）＞原平段（0.80 m）＞晋中段（0.69 m）＞灵石段（0.61 m）；

3）基床底层采用A，B组填料的路堤工点的最大冻胀变形略小于基床底层采用改良土的路堑工点。

4）冻胀变形均 ＜8 mm，冻胀变形主要集中在≤4 mm范围内，说明防冻胀措施是有效的。

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（责任审编李付军）

Monitoring Technology of Subgrade Frost Heaving for Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway

LIU Haijiang
（Datong-Xi'an Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi，030027，China）

High speed railway raises the requirement for track regularity，as the frost heaving of the subgrade results in the irregularityof track，therefore undermines operational safetyandpassengercomfort.Giventhat the Yuanping-Yuncheng section on Datong-Xi'an railway locates in cold area，the paper takes it as the study objects and adopts different approaches of frost heaving control to mitigate the hazard induced.Afterwards，it puts 4 sections under a complete cycle of frost heaving monitor.T he results indicated that in terms of the development of ground temperature，the freezing-thawing cycle could be generally divided into three stages，namely the stage of temperature slump，that of temperature decrease and that of temperature rise.In most cases，the maximum freezing depths fell below the designed depth obtained.At the same time，the frost heaving deformation occurred at the sampled points at the embankment，where set A and set B fillings were applied to the bottom layer of the subgrade，fell behind that occurred at the cut points-where improved soil was applied to the bottom layer-by a small margin，yet both stood below 8 mm.Given that most data collected stood at or below 4 mm，it could be said that the measures were effective.

Passenger dedicated railway；Frost heaving performance of subgrade；M onitor；Freezing depth；Frost heaving deformation

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.27

1003-1995（2016）08-0108-04

2016-03-22；

2016-05-26

刘海江（1975— ），男，高级工程师。