哈大客专路基冻胀变形特征及防治措施

赵富军

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

哈大客专路基冻胀变形特征及防治措施

赵富军

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

以哈大客运专线的无砟轨道路基工程为依托，通过路基冻胀变形观测数据统计、现场勘察、试验等，从冻胀机理和控制因素角度对冻胀变形特征进行分析。总结了季节性冻土区无砟轨道路基设计和施工的经验。实践表明：路基基床表层的级配碎石层应添加水泥进行改良，深大路堑段应设置渗水盲沟，并适当加深冻结深度。

客运专线；无砟轨道；路基；季节性冻土；冻胀变形；病害整治

1　工程概况

我国季节性冻土分布范围约占国土面积的53.5%［1］，在东北地区，由于季节性冻土的冻胀和融沉特性，给铁路和公路的建设及运营带来了严重危害。2004年哈尔滨铁路局范围内超过15 mm的冻胀变形有16 123处累计334 454 m，其中变形达到50 mm以上的有121处累计4 323 m，最大变形可达600 mm［2］。

哈大客运专线是我国在高寒季节性冻土区自行设计建造的第1条时速350 km高速铁路，考虑到无砟轨道对路基变形的特殊要求，设计采取了一系列防冻胀措施。但2011年冬季的变形观测和铁路轨道动态检测资料表明，部分路基仍然存在较严重的冻胀变形。经过对变形数据进行分类统计，综合沈大段的现场勘探、试验资料，从路基冻胀机理和主要控制因素方面分析了冻胀变形特征，针对设计施工中存在的不足，提出了合理的整治措施。本文对此进行分析总结，为类似地区的路基防冻胀设计和病害整治提供参考。

哈大客运专线全线无砟轨道路基长181.97 km，其中沈大段82.47 km（路堤地段44.73 km，路堑地段37.74 km）。沿线主要气象要素如下：①年平均气温8.9～10.6℃，最冷月平均气温-11.3～-4.9℃；②极端最高气温35.0～36.7℃，极端最低气温-33.1～-21.1℃；③年平均降水量591.5～674.7 mm，土壤最大冻结深度0.93～1.48 m。

2　路基防冻胀设计原则

在调研国内外相关技术规定和科研成果的基础上，设计采用了防冻填料和防水相结合的防冻胀原则［3］。

首先，设置了防止地表水下渗的纤维混凝土防水层，轨道间、轨道板底座外采用现浇6～10 cm厚的C25纤维混凝土防水层；对各种接缝、伸缩缝采用热沥青浇注灌缝等措施处理。

其次，通过控制细颗粒含量提高基床表层填料防冻性能，表层级配碎石满足粒径d≤0.075 mm颗粒的含量不大于5.0%、压实后不大于7.0%的要求。

此外，基床底层填筑层顶面增设了一层两布一膜土工布，防止基床表层积水下渗。最大冻结深度范围内基床底层填筑层填料采用粒径d≤0.075 mm颗粒的含量不大于15%的A，B组填料。如图1所示。

图1　路堤标准横断面（单位：m）

路基排水系统，根据不同情况设置了排水沟、排水侧沟、渗管或渗水暗沟，并做好各排水系统的衔接。路桥、路涵过渡段分层填筑级配碎石（掺入5%P.O32.5级普通硅酸盐水泥）。

3　路基冻胀变形特征

1）2012年初的轨道观测数据统计显示，哈大客专无砟轨道路基发生冻胀变形的比例为76.0%，＞5 mm的比例为19.81%，＞10 mm的比例为3.12%［2］。哈大客专路基冻胀变形是普遍的，设计采用的防冻措施效果也很明显，与既有铁路的冻害相比，哈大客专路基冻胀变形处于一个小变形的范围。根据运营部门要求，超过10 mm的冻胀变形影响行车安全和舒适度，是不能允许的，必须整治。

2）路堑地段发生冻胀变形的比例多于路堤，但随着冻胀变形量的增加，沈阳以北地区路堑地段发生冻害的概率明显增加［2］（见表1），沈大段路堑发生冻害的概率变化不大。

表1　哈大客专全线路堤与路堑冻胀变形比较

3）过渡段发生冻胀变形量小于路堤，特别是变形＞10 mm的概率明显低于一般路基地段。

4）沈大段的路堑换填与冻胀变形统计表明，换填厚度越大，发生隆起变形比例越高（见表2），说明换填后路基的抗冻性能弱于强～弱风化硬质岩。设置渗沟地段的冻胀变形量则明显减小。

表2　沈大段路堑换填与冻胀变形统计

4　路基冻胀机理和变形控制因素分析

4.1路基冻胀机理［4］

路基冻胀主要是由于土层在冻结时，周围未冻区土中的水分向冻结区迁移、聚集所致。由于负温作用，路基表层开始冻结时，水分由下层向冻结锋面聚集，形成冰晶体、冰夹层。随着路基下部土体中水分向路基上部聚集，在路基面下部形成较厚的聚冰层，排挤土颗粒引起土体积增大，致使路基土产生冻胀。

4.2冻胀变形控制因素

影响路基冻胀的主要因素有适宜的土质、足够的负温总量和土中水源补给。适宜的土质是内因，负温和水分是外因，当3个条件都具备时，路基就不可避免地发生冻胀。

土的粒径和级配对土体的冻胀性影响十分显著，当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着加大。一般认为，土中细颗粒（d≤0.075 mm）的含量越大，土的冻胀性越强。

土中的水分是引起土体冻胀的必要条件。土体中存有的水分并非都会冻胀，只有当土体孔隙中全部挤满冰晶，并使土粒发生位移，即土体含水率达到起始冻胀含水率时，土体才会冻胀。影响路基冻胀量的另一种水分是地下水，地下水位距冻结进程线的距离直接关系到冻胀值的大小。当地下水埋藏较浅时，水分通过毛细管作用，直接补充冻结层水分，就会增加土的冻胀量。

土的冻结受环境温度的影响。土的冻结过程实际上是土中冻结温度下降的过程，土的冻胀决定于土的起始冻结温度、土体冻胀温度和土的冻结速率。当土体的冻胀温度低于起始冻结温度时，随着温度的继续下降，土中水分不断冻结，含冰量增加，土体的冻胀剧烈增长。当温度下降到某一值后，土体的冻胀开始变缓，直至冻胀终止。在相同的含水率下，当冻结负温总量较大、冻结速率缓慢时，土中水分有较充分的时间迁移，冻胀量也就大。

5　设计和施工的几个问题

5.1路基基床填料标准

路基基床表层填筑0.55 m厚的级配碎石，要求粒径d≤0.075 mm的颗粒含量≤5.0%，压实后粒径d≤0.075 mm的颗粒含量≤7.0%；其下2.1 m为A，B组土，且最大冻结深度范围采用粒径d≤0.075 mm颗粒含量≤15%的非冻胀填料。

根据当时的规范和研究成果，这种填料组合已经考虑了季节性冻胀的要求，但后期中国铁道科学研究院的研究发现［5］：当粗粒土中＜0.05mm（或0.074 mm）的细粒成分含量≤3%，土的冻胀率η在0.2左右；当细粒含量＞3%，η迅速达到0.8～1.0；当细粒含量＞15%之后，随着细粒含量的增加，土体冻胀敏感性显著增大，见图2。

细粒含量≤7.0%的标准值得进一步研究，考虑到细颗粒含量＜3%的标准施工难以实施，借鉴本工程过渡段的经验及吉珲客专的试验成果［6］，基床表层级配碎石宜部分（上部0.3 m）或全部填筑掺入5%水泥的级配碎石，级配碎石底部不再铺设两布一膜不透水土工布，其防冻胀效果有明显的改善。

现场取样试验：101个级配碎石样品，细颗粒含量＞7.0%的56个；76个非冻胀A，B组填料样品，细颗粒含量＞15.0%的30个。部分填料细颗粒含量超标，也加大了哈大客专的路基冻胀变形。

图2　冻胀率与粗粒土细粒含量的关系

5.2基床表层的防排水

水分是引起土体冻胀的重要条件，哈大客专设计也采取了一系列基床表层防排水措施。虽然这些措施基本解决了基床表层的防排水问题，但有些地方仍需要完善。首先路基表面存在各种结构缝，如混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝等，采用沥青封堵容易失效，使地表水下渗；其次，路肩的电缆槽与路基本体之间的间隙及电缆槽各预制节间的接缝，也是地表水下渗的途径。此外，施工不当和恶劣的环境使纤维混凝土出现裂纹、地表排水坡不顺畅等也增加了地表水下渗。

下渗的水分汇集到基床表层底部的两布一膜处，沿路堤横向排出。但在初冬季节，路肩往往先于路基本体冻结，致使路基排水不畅，形成级配碎石层富水或饱水（现场挖探也验证了这点），加大了基床表层的冻胀变形。

5.3路堑的防排水设计

哈大客专沈大段的路堑采用路堤式路堑型式，如图3所示。

图3　代表性路堑横断面（单位：m）

基床的换填方式依据路堑基底的岩性及风化程度确定。分别为：①基床不换填；②仅基床表层换填0.55 m厚的级配碎石；③基床表层换填0.55 m厚的级配碎石，以下1.3 m或2.1 m换填A，B组土。当基床底层换填时，冻深影响范围内填筑非冻胀土，于中粗砂底部铺设两布一膜不透水土工布。换填层底部铺设复合排水网，底部两侧设渗水盲管。

如果地下水位较高，于两侧侧沟平台下设置渗沟。

路堑型式和换填方式显示，对于基床底层也换填的路堑，其基床表层的设计与路堤完全一致，影响冻胀变形的控制因素也相同。

当路堑不设渗水盲沟时，基床底层土体与路堑边坡在侧沟下方相连通，路堑顶部及边坡的地表水下渗，通过侧沟底部下方渗入基床底层，会导致部分基床底层土体的含水率增加。由于路堑的开挖改变了原来的地形条件，路堑两侧的地表水及下渗水都更易向冻结范围汇集，所以这个因素不能忽视。2012年整治路基冻害开挖渗水盲沟时，也发现基床本体内有大量积水向外流淌。如果这些水分直接或通过毛细作用上升到冻结范围之内，必然增大路基冻胀变形量。

路堤填方较高时，外来水分不会影响到冻结范围线以上的土体，基床底层的冻胀量取决于土体填筑时的含水率，这也是路堑冻胀变形比路堤严重的主要原因。

设置了渗水盲沟的地段，渗沟能有效阻断路堑边坡地表渗水和地下水对路基基床底层的补给，所以这些地段的路基冻胀变形明显减小。

大连地区硬质岩分度较广，对于基底岩层较好的地段，基床不换填或仅换填基床表层。观测数据显示这些段落的冻胀变形相对较小，反映出强风化及弱风化硬质岩的抗冻张能力，总体要好于填筑的级配碎石和非冻胀A，B组土。基岩的冻胀与节理裂隙的发育程度、水分补给、基岩顶面的排水顺畅程度等有关。

5.4冻结深度对路基冻胀的影响

哈大客专沈大段采用气象部门提供的累年土壤最大冻结深度值设计，这个深度值满足《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）标准冻结深度Z0的要求［7］，也满足《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118—2011）设计冻结深度（冻深影响系数按照最不利考虑）的要求［8］。

铁路是一种长大的线性工程，跨越区域较广，受地形地貌、土质、填料性质、线路走向、路基结构形式、地下水等影响，必然会与气象部门的观测数值有所差异。哈大客专沈大段的挖探发现，大连地区路基的实际冻深为1.0～1.3 m，是设计值0.93 m的1.08～1.4倍，普遍大于天然地基的冻结深度，且路肩的冻结深度大于线路中心。

哈齐客专关于路基冻结深度试验研究的成果显示［9］：粗颗粒填料路堤的冻结深度明显大于天然地基。青藏铁路、公路的科研资料也显示：原状土换填为A，B组填料后，冻结深度也会增加。

冻结深度远大于基床表层厚度时，设计冻结深度的取值，对路堤基床表层的冻胀变形没有影响。路堤基床底层顶面铺设了两布一膜土工布，地表的水分被隔断，路堤基床底层土体基本没有水分补给来源，填料的含水量取决于填筑时的情况，冻结深度的变化对其影响不大。吉珲客专的观测资料显示［6］，路堤的冻胀变形与冻结深度没有明显关系。路堑基床有丰富的外来水分补给，随着冻结深度的加深，冻胀变形量则会明显加大。

如果冻结深度考虑不足，路堑渗水盲沟的排水作用也会受到影响，甚至失效。

6　冻害整治措施

在分析冻胀变形控制因素的同时，考虑了哈大客专的实际情况和现场施工条件，制订了“以治水为主、疏堵相结合”的办法，辅以局部保温的措施。

6.1封堵路基面的各种缝隙

路基表面存在的各种结构缝，采用混凝土接缝密封胶替代原设计的沥青软膏进行封堵处理。混凝土接缝密封胶主要成分为聚氨酯，具有良好的弹性、粘结性、耐久性和伸长率，可以有效防止地表水下渗。

6.2疏排基床表层积水

对冻胀变形大、基床表层排水不畅的地段，从路肩侧面纵向每隔5 m开凿直径50 mm的横向排水孔至土工布上方，疏排基床表层积水，排水孔采用透水土工布包裹碎石填塞。

6.3设置渗水盲沟

在分析路基冻胀规律、现场勘察研究的基础上，根据实际情况在路堑段两侧或单侧原有水沟下设置渗水盲沟。渗水盲沟的埋深必须满足1.3倍最大冻结深度+0.5 m的要求，渗水盲沟底面高程应低于基床底层高程，保证基床底层的积水顺利排出，同时有效降低地下水位或截断堑坡侧向水分的补给。

6.4辅助保温措施

在渗水盲沟的顶部、原有水沟的底部铺设保温板，可以减少排水沟对冻结深度的影响，保证渗水盲沟在冬季不被冻结，最大程度发挥其截排水功能。

通过整治，路基的防冻胀效果明显改善，运营实践证实［10］，冬季全线冻害总计出现249处，路基最大冻胀变形＜10 mm，未出现Ⅲ级及以上超限处所，线路优良率达到100%。

7　结语

哈大客运专线路基冻胀变形具有普遍性，设计采用的防冻胀措施基本有效，冻胀变形量得到了很好的控制。总体上看，路堑地段冻胀发生的概率大于路堤，过渡段的冻胀变形量明显小于路堤。随着冻胀变形量的增加，沈阳以北地区路堑地段发生冻害的概率明显增加，沈大段路堑发生冻害的概率变化不明显，换填后路基的抗冻性能弱于强～弱风化硬质岩。

通过分析，填料的细颗粒含量和环境对路基本体水分的补给是哈大客专路基冻胀变形的2个最主要控制因素。路基基床表层部分或全部采用添加5%水泥的级配碎石填筑，可以提高其防冻性能。在路堑地段，冻结深度设计值的选用，对冻胀变形量有较大的影响，设计时应根据具体情况适当加大取值；地下水位较高或挖方较大的路堑均应设置渗水盲沟。哈大客运专线冻胀整治采用“以治水为主、疏堵相结合”的对策是行之有效的，能为类似工程治理冻胀提供借鉴。

［1］江涛.季节性冻土路基的冻胀机理及其防治措施［J］.土工基础，2013，27（2）：93-95.

［2］哈大客运专线有限责任公司.哈大高速铁路路基冻胀情况研究报告［R］.沈阳：哈大客运专线有限责任公司，2012.

［3］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.

［4］石刚强，张先军.严寒地区客运专线路基冻胀影响因素及防治技术［J］.铁道建筑，2011（6）：93-95.

［5］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.

［6］黄新文，崔俊杰，易菊香.吉珲客运专线路基冻胀变形及影响因素分析［J］.铁道标准设计，2015（8）：39-42.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007—2002建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 118—2011冻土地区建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［9］张聪颖.季节性冻土地区路基冻结深度试验研究［J］.铁道标准设计，2014（11）：32-35.

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Analysis on Frost Heaving Deformation Features of Passenger Dedicated Railway Subgrade and Its Prevention and Treatment Measures

ZHAO Fujun
（The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

Based on the observation data statistics，field investigation and experiment on ballastless track subgrade engineering of Harbin-Dalian passenger dedicated railway，the frost heaving characteristics were analyzed from the points of frost heaving mechanism and controlling factors.T he design and construction experience of ballastless track subgrade in seasonal permafrost region were summarized.T he results showed that graded broken stone should be modified with cement in surface layer of subgrade bed，blind drainage system should be set in deep cutting sections，the value of frozen depth should be properly increased.T he research results provide reference for frost heaving prevention and treatment in seasonal permafrost region.

Passengerdedicatedrailway；Ballastlesstrack；Subgrade；Seasonalpermafrost；Frostheaving deformation；Hazard treatment

U238；U216.41+7

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.22

1003-1995（2016）09-0086-05

（责任审编赵其文）

2016-03-30；

2016-07-05

赵富军（1966—），男，高级工程师。