严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术

刘伟平

（哈大铁路客运专线有限公司，辽宁沈阳110002）

严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术

刘伟平

（哈大铁路客运专线有限公司，辽宁沈阳110002）

哈大高铁是世界上第一条修建于严寒地区的采用无砟轨道的高速铁路，建设及运营管理均无成熟经验可供借鉴。本文针对哈大高铁出现的路基冻胀现象，通过广泛调查，总结发现了路基冻胀特点和规律，通过原因分析及系统性、针对性的试验研究，提出了适合严寒地区高速铁路的路基变形监测、路基接缝封堵、设置渗水盲沟等一系列路基冻胀监测与整治技术，为哈大高铁的养护维修提供了理论和技术支持，也为2015年冬季达速提供了技术保证。上述成果在哈大、哈齐、沈丹、盘营等高速铁路得到了充分应用，取得了良好效果，对我国严寒地区高速铁路的后续设计、施工和运营管理具有重要参考价值。

严寒地区；高速铁路；路基冻胀；整治技术

1　哈大高铁路基概况

1.1工程概况

哈大高铁南起滨海城市大连，经辽宁省营口、鞍山、辽阳、沈阳、铁岭，吉林省四平、长春、松原，止于黑龙江省会哈尔滨，线路纵贯东北三省，途径3个省会城市和7个地级市及其所辖区县。

线路全长903.939km，全线共设23个车站，桥梁长662.765km，隧道长9.929km，路基长231.245km，其中无砟轨道路基长181.97km。无砟轨道路基中，路堤长111.95km，路堑长70.02km。

哈大高铁沿线气候寒冷，极端最低温度-39.9℃，最大积雪厚度30cm。沿线土壤最大冻结深度在93～205cm，每年从10月开始冻结，次年4～5月份全部融化，经历时间长达5～6个月。

1.2路基防冻胀设计原则

针对哈大高铁严寒地区潜在的路基冻胀隐患，设计之初对全线的路基地段进行了较为完善的防冻胀设计。

围绕路基冻胀三要素——土质、水和温度，以基床填料防冻胀和“封排结合”控水措施并重为原则，设计时对哈大高铁基床结构表面封闭、路基填料、排水措施等提出了相关要求。主要涉及以下6个方面：

1）严控填料细颗粒含量以提高基床表层填料防冻性能。基床表层级配碎石须满足：粒径d≤0.075mm颗粒含量不大于5.0%，压实后d≤0.075mm颗粒含量不大于7.0%。最大冻结深度范围基床底层填筑层填料采用《铁路特殊路基设计规范》（TB10035—2006）规定的Ⅰ级不冻胀填料，即d≤0.075mm颗粒含量不大于15%、平均冻胀率η≤1、级配良好的A，B组填料。

2）涵洞周围最大冻结深度影响范围均填筑具有良好抗冻性能的掺水泥级配碎石。

3）路基面设置防水层以防止地表水下渗。轨道板底座外边缘至电缆槽采用现浇6～10cm厚的C25纤维混凝土。纤维混凝土伸缩缝及与轨道板底座、电缆槽、路基面的其他预埋设备（如接触网基础）的接缝处设塑料薄膜隔离层，并采用热沥青砂浆浇注。底座间伸缩缝采用聚乙烯泡沫塑料板填塞，上部用沥青软膏或聚氨酯密封。

4）基床底层表面和基床换填底部各设置一层两布一膜土工布以防止地表水下渗和地下水入侵。

5）设置防冻胀护道。为防止冻胀破坏路堤边坡，当路基填土高度＞3m时，在路堤边坡两侧设置防冻胀护道。护道高度和宽度不小于当地季节最大冻结深度。

6）全线设置系统的排水设施。根据不同情况设置了排水侧沟、渗管或渗水暗沟，并依据严寒地区特点适当加强。

1.3施工过程中设计优化

针对2个过渡段距离＜30m时的短路基，路基施工过程中发现因过渡频繁，施工质量不易控制。对这种路基基床范围内全部改为采用级配碎石掺5%的水泥进行填筑。

针对部分低路堤点，设计线路以普通路基形式通过。施工过程中如发现路基地下水位较高、接近地表，为避免因地下水上升至冻结深度范围内造成的路基冻胀变形问题，在路基两侧设置钢筋混凝土U形结构，结构采用自防水和全包防水层防水。

1.4施工过程质量控制

哈大高铁处于严寒地区，路基工程质量控制是重中之重。项目开工建设前，哈大公司多次组织设计交底会，由设计人员对施工图纸进行讲解，使施工、监理单位充分了解设计意图，把握设计原则，保证现场施工科学合理，有序可控。现场作业时，路基填筑严格按“三阶段、四区段、八流程”的工艺流程进行。针对严寒地区路基冻胀隐患，施工过程中对填料的含水量、粒径、细颗粒含量进行了重点控制，并严格按照压实工艺碾压至规定的压实标准。

2　哈大高铁路基冻胀情况及原因分析

2.1路基冻胀变形情况及基本规律

2012年2月9日，哈大公司安排轨检车对哈大高铁沈大段（DK27—DK391）进行了动态检测。本次动态检测共检测337km线路，每1km平均扣分23.49，发现Ⅳ级超限15处，Ⅲ级超限26处，Ⅱ级超限90处，Ⅰ级超限351处。轨检数据统计结果及现场核查情况显示路基发生了不均匀冻胀变形。

为掌握全线路基冻胀情况，系统地分析冻胀规律，确定整治段落，公司组织施工单位采用安博格轨检小车和CPⅢ精测网对全线路基地段左线轨面高程按承轨台逐一进行了复测，同时与2011年测量数据进行对比，得到的路基冻胀量统计结果见表1。

表1　哈大高速铁路路基冻胀量统计结果%

由表1可知，路基冻胀量＞0的测点占全线的76.22%，＞5mm的测点占全线的19.86%，＞10mm的测点占全线的3.13%。冻胀量主要集中在0～10mm。这说明全线路基冻胀具有普遍性，路基冻胀量大部分处于较低水平。

对于个别冻胀量较大的地段，路基的不均匀冻胀变形直接反映为轨道不平顺性，影响旅客舒适度甚至存在安全隐患。因此，对于路基冻胀重点段落应及时给予整治。

2.2路基冻胀原因分析

土性、温度和含水量是土体冻胀的三要素。土性和含水量是高速铁路路基设计、施工、监理整个建设过程的控制重点。

哈大高铁自发生路基冻胀现象以来，通过系统的试验研究发现，对路基填料冻胀特性认识不足和冻结深度范围内路基本体含水量过大是路基冻胀的根本原因。此外路基工程施工质量控制不严一定程度上加剧了路基冻胀变形。以下从4个方面加以分析：

1）TB10035—2006规定冻胀率＜1%即为不冻胀土，其对应的细颗粒含量（d≤0.075mm）不大于15%。如果采用冻胀率0.8%、季节冻结深度1.5m计算，理论冻胀量达到12mm。这对于有砟轨道或许能够满足要求，但对于高速铁路而言则过大。因此，在后续高速铁路路基设计过程中应重新考虑填料的冻胀特性和对细颗粒含量的要求。

2）哈大高铁沿线存在大量的路堑地段，路堑开挖会改变局部水文地质条件，增加线路汇水面积，从而影响地下水的渗流途径，导致路基更易受到地下水的入侵，造成基床中水分较大，加剧路基冻胀变形。根据哈大高铁现场挖探结果可知，在冻结深度范围内出现了地下水渗出的现象，说明基床范围内水分充足且有补给来源。另外，既有渗水盲沟设计时仅依据气象部门提供的当地最大冻结深度确定盲沟深度，可能导致盲沟深度不足，造成排水不畅，地下水渗入路基。从现场排查结果来看，个别渗水盲沟检查井冬季出现了冻结现象，说明其不能有效降低和排除地下水。

3）哈大高铁在设计之初为避免地表水下渗，在路基表面采用纤维混凝土进行了封闭，同时对其接缝采用沥青软膏或聚氨酯进行了密封。但是由于受制于标准、规范，加之原有材料工艺的局限性，原施工采用密封材料的老化性能、低温延伸率等指标并不适应哈大高铁严寒气候的特点，在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂，导致接缝封堵失效，地表水下渗。根据哈大高铁现场挖探结果可知，在级配碎石底层出现了明显冰碴，说明地表水通过结构缝渗入路基后在两布一膜处聚集冻结，是路基表层冻胀的水分补给来源。

4）铁路作为一项系统工程，多种专业相互交叉。以哈大高铁为例，在路基施工成型后，会在路基表面重新开挖施作电缆槽、接触网基础等工程。这就不可避免地破坏了路基结构的整体性和完整性。同时，由于缺乏对路基冻胀等问题的警惕性，在上述工程交叉作业时，建设、施工、监理单位可能都不同程度地忽略了专业衔接的重要性，从而造成了排水口堵塞、两布一膜隔断层被破坏的问题，加剧了地表水下渗的程度，从而引发路基冻胀。

3　哈大高铁路基冻胀整治措施

3.1路基冻胀整治原则

既有铁路路基冻害整治主要采取限速行车、抬高路基、换填、保温、排水、道砟清筛、加冻胀垫板、注盐等措施，其处理效果不尽相同但均不能有效控制路基冻胀变形。哈大高铁作为严寒地区修建的首条无砟轨道高速铁路，其轨道变形控制条件更为严格，从而对路基冻胀的整治效果提出了更高要求。

综合考虑哈大高铁路基结构形式、冻胀变形情况、原因等因素可知，路基冻胀变形主要由路基表层冻胀和路基本体冻胀组成。路基表层冻胀主要是地表水下渗导致的级配碎石层冻胀变形；路基本体冻胀主要是地下水侵入路基并形成持续不断的水分补给来源而导致的路基冻胀变形。鉴于哈大高铁已建设完成，从尽量避免线路扰动、保障结构完整等方面考虑，根据原铁道部鉴定中心、工管中心等部门的要求，结合数次专家论证意见，通过系统的试验研究，确定了对哈大高铁路基冻胀以“上封下疏、适时监测”为主的整治原则。具体措施为：①根据现场地质勘查情况和路基复测结果，对沿线施工导致汇水条件改变而存在冻胀隐患的路基地段均补充设置渗水盲沟，对已设置盲沟地段加强冬季排水情况调查，采取必要的措施保证排水通畅；②对重点路基地段的表面接缝采用适应严寒地区的材料进行封堵；③采取精确的监测手段对沿线路基冻胀变形进行监测，适时掌握路基冻胀变形情况，验证冻胀整治效果，指导线路运营维护工作。

3.2路基冻胀整治方案及实施情况

3.2.1开通运营前增设渗水盲沟

1）增设渗水盲沟方案是指在既有侧沟下面增设一条盲沟，在盲沟底部铺设透水盲管，并在盲沟内充填碎石等粗粒材料的截排水方案。增设渗水盲沟是有效降低地下水位、解决地下水位上升问题的首要措施。但是渗水盲沟的开挖可能对路堑边坡稳定造成影响，此外拆除线路两侧的既有排水沟，需使用大型机械，对行车影响较大，难以保证运营期间的设备安全。因此，增设渗水盲沟应尽量在铁路开通前完成，进入运营期后不宜实施。

2）调查研究显示，路基成型后其地形地貌、地表（下）水径流条件都发生变化，很多原勘察设计中显示无水的地段发生了不同程度的冻胀变形。根据哈大高铁路基冻胀的原因，结合专家论证结果，确定对沿线路基补充设置渗水盲沟以降低沿线地下水位，切断路基本体持续冻胀的水分补给来源。

3）增设渗水盲沟地段的选择主要依照以下原则：①地形地貌有利于向路堑汇水的地段；②路堑内线路纵坡与天然地形坡度相反，易造成排水困难的地段；③路桥、路涵过渡段可能阻挡路堑基床内水流纵向流动的地段；④补充勘探中发现基床内赋水的段落；⑤路基冻胀量较大段落。按照上述原则，全线共增设渗水盲沟91段、63.5km（单侧）。其中沈大段有47段、38.18km（单侧），沈哈段有44段、25.397km（单侧）。

3.2.2开通运营后采取封水措施

1）哈大高铁建设之初已考虑到地表水下渗路基的危害，并采取了措施进行封堵。但受制于严寒地区高寒、大温差的恶劣环境条件，加之高速列车通过时的冲击疲劳荷载作用，传统的沥青软膏、聚氨酯等嵌缝材料并不能满足高速铁路的使用要求，直接导致接缝密封失效，造成地表水下渗，从而加速路基冻胀发生。

2）密封材料能否发挥应有的密封防水效果，除了与密封材料本身的性能有关之外，还与被粘结体的材质、接缝位置与形状、环境条件、施工水平等因素密切相关。哈大高铁选用的封水材料面临-40℃的低温环境、较强的紫外线老化环境、高速列车运营过程中的冲击疲劳荷载作用以及有水情况下的高低温冻融循环作用。此外，路基表面封水施工是根据路基冻胀情况和线路维修计划逐年进行的，不可避免地面临营业线施工问题：①受施工条件限制，冻胀整治只能利用夜间“天窗点”作业，给施工单位的管理、施工机具设备的选用、施工方案的制定等增加了难度；②材料灌注质量控制难度大，灌注的饱满程度和结构物的阻碍都是影响质量和效率的直接因素；③安全风险问题。

3）在原有封堵材料失效的情况下，研究并应用新的嵌缝密封技术和密封材料是缓解路基表层冻胀变形的必要手段，也可为以后严寒地区高速铁路建设提供借鉴。

4）根据路基冻胀变形情况，哈大高铁沿线选取了4段典型路基进行了封缝试验。其中K129+800—K130+877，K186+551—K187+100，K977+456—K978+000这3段于2013年8—10月份施工，K146+ 550—K148+740段于2014年9月份施工。

3.3路基冻胀监测

哈大高铁作为我国乃至世界上第一条严寒地区无砟轨道高速铁路，路基变形对其高平顺性、高舒适性的影响尤其明显，因此有必要对全线路基进行系统、全面的监测。这既是为路基冻胀变形分析和线路养护维修提供依据，又是为分析路基冻胀变形规律和验证评估路基冻胀整治效果提供数据支持。

综合考虑哈大高铁特点及运营管理模式，采取了人工测量、自动监测、动态检测3种方式，全方位、全过程地对路基变形情况进行监测。

在防治玉米病虫害期间，可以利用化学除草的方式，在播种后可以进行封闭灭草，每亩用玉米草净100ml，并且兑水25kg，在播种之后的三天之内进行封闭灭草，另外土壤墒情较好时也可以采用播后苗前土壤封闭除草。

1）人工测量是以线下精密水准网为基准，对全线路基变形观测点进行二等贯通测量，在测量过程中同时建立变形监测数据库，对路基冻胀变形数据进行分析、评估，用于指导运营维护。

2）自动监测是在沿线路基冻胀典型地段设置了62个自动监测断面，对路基冻结深度、路基变形等进行全过程自动监测。采用远程控制，数据自动采集、传输，信息集中管理等方式进行监测。监测数据具有良好的可靠性、准确性和时效性。

3）动态检测是在路基冻胀变化期，利用综合检测列车定期对线路轨道状态、动力学指标等进行高速、动态、时空同步检测。其具有实时数据传输、储存和分析处理功能，能准确掌握哈大高铁沿线路基冻胀和轨道几何状态变化情况。

4　哈大高铁路基冻胀整治效果

哈大高铁自2012年12月1日开通运营以来，已经历了3个严寒冬季气候的考验，通过近3年的系统观测数据可知，哈大高铁路基段在增设渗水盲沟后，路基排水条件得到了改善，基本切断了冻结过程中水分补给来源；而路基接缝封闭又有效阻止了地表水通过结构缝渗入路基表层，整体上控制住了路基冻胀发生的程度。在采取“上封下疏、适时监测”冻胀整治措施后，路基冻胀现象得到了明显缓减，路基状态稳定，轨道几何状态良好，哈大高铁的安全运营得到了保证。

4.1路基冻胀整治总体效果

4.1.1路基冻胀人工测量结果

通过对近3年重复观测段落的数据进行统计分析可知，全线路基冻胀情况在逐年减缓，具体体现在绝对冻胀量＞6mm的段落数量在逐年减小，尤其是路堑段落数量减小明显。

近3年最大冻胀量依次为26.8，23.3，23.4mm；近3年冻胀量＜4mm的比例依次为46.8%，60.3%，64.7%；冻胀量＞8mm的比例依次为25.2%，12.2%，9.3%。由此可知，无论从比例还是从绝对冻胀量来看，哈大高铁开通3年的冻胀情况都在逐年好转。

4.1.2路基冻胀自动监测结果

根据近3年的统计数据可知，2012—2013年冻胀量最大，2014—2015年冻胀量与2012—2013年基本相当，其冻胀规律也较为相似，说明路基冻胀量趋于稳定。冻胀量＜10mm的断面比例依次为38%，57%，59%；冻胀量＞20mm的断面比例依次为14%，2%，2%。

4.1.3路基冻胀动态检测结果（表2）

表2　路基冻胀动态检测结果

从全线综合检测列车总体数据统计来看，超限处所在逐年降低，近2年逐渐趋于稳定。

4.1.4路基冻害现场核查结果（表3）

从现场冻害核查情况来看，全线路基冻害呈逐年下降趋势，2015年与2013年相比，哈大高铁冻害数量降低了40%左右。2014—2015年路基段最大冻胀量7.00mm，平均冻胀量4.33mm，对比上2个冻害周期，最大冻胀量下降了30%，平均冻胀量下降了26%。

表3　路基冻害现场核查结果

4.2重点路基段落冻胀变形整治效果分析

通过开通前增设渗水盲沟、开通后路基表面封水的措施，哈大高铁路基冻胀现象无论是从段落数量上还是从段落峰值上看均呈现减缓趋势。下面以3段重点段落为例对路基冻胀变形效果进行分析。

4.2.1K129+800—K130+877段

1）人工观测数据（表4）。

表4　K129+800—K130+877段人工观测路基冻胀量mm

2）自动监测数据。该段由于2012—2013年度动检结果不良，因此在K130+145处设置了自动监测断面。2014-02-20测得路基冻胀量为1.07mm，2015-02-19则为0.50mm。根据近2年自动监测数据可知，整个冻融循环期间该处冻胀变形一直在0～1mm波动，路基变形稳定。

3）动检数据。对近3年综合列车检测数据进行统计，选取超限处所最大值进行对比，见表5。

表5　K129+800—K130+877段动检车测得的超限处所

4）冻害现场核查数据。2012—2013年冻害处所8处，最大冻胀量为10mm，冻害路基长43m。2013—2014年和2014—2015年冻害处所为0。

4.2.2K146+550—K148+740段

1）人工观测数据（表6）。

表6　K146+550—K148+740段人工观测路基冻胀量mm

2）自动监测数据。该段由于2012—2013年动检情况不良，因此在K147+554和K148+700处设置了自动监测断面。这2处的路基冻胀量2014-02-20分别为1.54，0.50mm；2015-02-19分别为0.2，0.1mm。根据近2年自动监测数据可知，整个冻融循环期间，该处冻胀变形较小，路基变形相对稳定。

3）动检数据。对近3年综合列车检测数据进行统计，选取超限处所最大值进行对比，见表7。

表7　K146+550—K148+780段动检车测得的超限处所

4）冻害现场核查结果（表8）。

表8　K146+550—K148+780冻害现场核查结果

4.2.3K186+551—K187+100段1）人工观测数据（表9）。

表9　K186+551—K187+100段人工观测路基冻胀量mm

2）自动监测数据。该段在K186+600，K186+ 650，K186+910这3处设置了自动监测断面，路基冻胀量2013-02-24分别为32.3，29.2，11.4mm；2014-02-20分别为17.0，18.2，10.5mm；2015-02-19分别为22.6，15.9，8.8mm。根据近3年自动监测数据可知，冻胀量明显减小。

3）动检数据。对近3年综合列车检测数据进行统计，选取超限处所最大值进行对比，见表10。

表10　K186+551—K187+100段动检车测得的超限处所

4）冻害现场核查结果见表11。

通过对比3年的路基冻胀观测数据可知，哈大高铁所采取的增设渗水盲沟、线路表层封闭堵水等工程措施起到了明显的冻胀整治效果。具体表现为：①动态检测各项指标明显提高，全线Ⅰ，Ⅱ级超限处所同比降低明显，TQI值下降到与夏季相当；②路基冻胀变形得到了有效控制，监测方案能准确定位冻胀整治段落，合理指导冻胀整治方式，线路维护工作量得以大幅降低。

表11　K186+551—K187+100段现场核查结果

5　结语

哈大高铁2007-08-23开工建设，2012-12-01开通运营，至今已安全运营3年多时间。哈大高铁的建成和安全运营，开创了严寒地区高速铁路建设的先河，是世界范围内高寒地区土木工程建设的里程碑。

由于地处特殊的地理环境，哈大高铁不可避免地发生了一定程度的路基冻胀现象，但这一问题已经圆满解决，路基冻胀变形得到了有效控制，路基冻胀没有成为路基冻害，从而为哈大高铁的安全运营提供了保障。

根据铁路总公司的部署和安排，哈大高铁自2015-12-01起优化了运行方案，实行冬夏一张运行图，不再另行调整冬季运行图，全年按时速300km运行。这说明哈大高铁已通过了初期运营的考验，进入常态化运营管理，也说明哈大高铁采取“上封下疏、适时监测”的整治原则，及路基接缝封堵、增设渗水盲沟等路基冻胀整治技术是科学合理、行之有效的。上述成果在哈大、哈齐、沈丹、盘营等高速铁路得到了充分应用，取得了良好效果，对我国严寒地区高速铁路的后续设计、施工和运营管理具有重要参考价值。

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AbstractHarbin-Dalian high speed railway（HSR）is the first slab-type ballastless track in severe cold areas all over the world.T here is no experience to be used for reference on construction and operation management.In this paper，based on the widely investigation of subgrade frost heaving in HSR，the characteristic and laws of subgrade frost heaving were summarized.By reason analyzing and experimental studying，a series of treatment technologies for subgrade frost heaving were proposed，including subgrade deformation monitoring，joint sealing，and seepage blind ditch.All of these technologies provide theoretical and technical supports for maintenance of HSR，and also provide technical guarantee for“speed reaching”in 2015 winter.Above achievements were fully applied in Harbin-Dalian，Harbin-Qiqihaer，Shenyang-Dandong，Panjing-Yingkou HSR，etc.T he applications obtained good performances，which provide important reference for the future design，construction and operational management for HSR in severe cold areas of China.

Treatment Technology of Subgrade Frost Heaving for High Speed Railway in Severe Cold Area

LIU Weiping
（Harbin-Dalian Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110002，China）

Severe cold area；High speed railway（HSR）；Subgrade frost heaving；Treatment

U416.1+68

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.24

1003-1995（2016）04-0092-06

（责任审编李付军）

2016-01-13；

2016-02-26

铁道部科技研究开发计划（Z2012-062）

刘伟平（1960—），男，高级工程师。