吉图珲客运专线路基防冻胀设计应用效果及补强方案研究

刘明宇　崔俊杰　黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



吉图珲客运专线路基防冻胀设计应用效果及补强方案研究

刘明宇崔俊杰黄新文

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

基于PDCA循环质量管理体系对吉图珲客运专线的防冻胀措施应用效果及补强设计进行管理和监控，埋设冻胀观测桩并观测路基面冻胀量随时间变化情况，对冻胀量较大的区段进行现场勘察及室内试验。针对检查阶段发现的冻胀问题，根据冻胀量的大小、冻胀发生区域、冻胀生产原因等不同情况，提出相应的路基冻胀补强措施。

路基冻胀PDCA质量管理体系防冻涨设计冻胀标准补强措施

我国东北地区冬季气候寒冷，空气湿度大，持续时间长，铁路路基冻害常有发生，对铁路的运营和维护工作影响较大。路基面冻胀、融沉的不均匀变形易引起轨面的不平顺，影响列车时速和舒适性，甚至会对铁路的运营安全造成危害。铁路作为线性工程，沿线气象条件和地质条件千差万别，造成路基冻胀具有普遍性、必然性和不确定性的特点。结合在建吉图珲客运专线，对路基面冻胀变形进行观测分析，改进防冻涨设计措施，为严寒地区路基冻胀病害防治和防冻涨设计提供一定的参考。

1　概况

新建吉图珲客运专线位于吉林省中东部，线路全长约361 km；路基长度114.55 km，占正线长度31.77%，全线铺设有砟轨道。线路所经地区为长白山中低山区，分布有相对平缓开阔的河谷盆地，经过地区水系发达，河流众多。

本线属北亚温带湿润-半湿润大陆性季风气候，根据铁路工程气候分区，该区为严寒地区。年平均气温4.6 ℃，最冷月平均气温-10.3～-23.4 ℃，极端最低气温-42.5 ℃，年平均降水量约670 mm，雨季相对集中，主要为6～8月；平均相对湿度为64%～76%，最大冻结深度为192 cm。

2　PDCA循环控制

PDCA循环控制，又被称为“戴明环”，是一种全面质量管理的科学程序，由计划(Plan)、执行(Do)、检查(Check)和处理(Action)四个部分组成，PDCA名称即是由四个步骤单词的第一个字母组成。此方法在质量控制的过程中，按照PDCA四个不同阶段循环进行，不停地运转(如图1所示)，也是一个循序渐进的提高过程，呈阶梯式上升，形成一个有机的整体。

图1　PDCA循环模型

3　防冻涨设计-计划(P)阶段

吉图珲客运专线地处东北严寒地区，在施工图设计阶段，对路基防冻涨设计已有所考虑，主要在基床填料和防排水两个方面采取加强措施，具体采取了以下设计方案。

3.1非冻胀A、B组填料

考虑本地区的最大冻结深度，基床表层填筑级配碎石，以下设0.2 m厚中粗砂内夹铺一层复合土工膜隔断层，路堤地段基床底层上部1.0 m采用非冻胀性A、B组填料，下部采用A、B组填料。路堑地段基床底层均换填非冻胀性A、B组填料。其中级配碎石中细颗粒含量小于5%，非冻胀性A、B组土中细颗粒含量小于15%，平均冻胀率≤1%。

3.2基床防排水设计

(1)基床表水经护肩顶面汇流于路堑侧沟或路堤两侧拦水坎或截水槽，路堤地段表水再经路堤边坡的横向排水槽或截水槽引入排水沟或路堤坡脚外。

(2)电缆槽采用横向排水，分别于中隔板、外侧壁下部设泄水孔，底部设碎石排水层，沿电缆沟底及护肩底处分别设置泄水孔，纵向每2.0m设一个，将电缆沟及基床底积水引排至侧沟。

具体基床排水设计如图2、图3所示。

图2　路堤护肩排水(单位：m)

图3　路堑护肩排水(单位：m)

3.3地下水防排水设计

对于路基存在危害的地下水(基岩裂隙水、浅层滞水)，通常会导致路堑基床积水、基底软化、路基冻胀、边坡渗水、边坡挂冰、边坡冻胀变形、边坡溜坍等病害，根据其性质和特征设置明沟、边坡支撑渗沟、截水渗沟、毛细排水板或排水斜孔等防排水设施，特别是顺层路堑、膨胀岩(土)路堑、地下水发育路堑须加强引排水措施。

3.4路涵过渡段设计

涵顶至路基面的高度大于1.5 m时，过渡段范围内的基床表层采用级配碎石，倒梯形部分采用掺3%水泥的级配碎石分层填筑。在中粗砂与结构物顶面之间填筑非冻胀A、B组土；涵顶至路基面的高度小于等于1.5 m时，过渡段范围内的基床表层级配碎石应掺加5%的水泥，在涵顶面及两侧设置掺3%水泥的级配碎石过渡段。

4　冻胀变形监测-执行(D)阶段

执行阶段是PDCA质量控制体系中的关键部分与薄弱环节，为了对防冻涨设计的应用情况进行全面、细致、准确的评价，对路基的冻胀具体变化情况进行深入了解，采用在路基断面埋设冻胀观测桩，人工精密水准测量的方式，对全线路基面的冻胀变化情况进行全面的观测。一般按照不大于50 m布设一个监测断面，长大路堤段落人工观测桩按照100～200 m布设一个监测断面。每个监测断面在路基中心，左右路肩位置各设置一个观测桩，过渡段按照路涵、路桥、路隧过渡段要求进行加密布设。计划工作量见表1。

表1　人工精密水准监测工作计划工作量

2013～2014年整个冬季监测周期共进行了7次人工精密水准监测，其中大部分观测点冻胀变形数据在第四次测量(1月初)或第五次测量(3月初)达到最大值，以后随着温度的逐渐回升，大部分开始进入融沉阶段。具体冻胀变形数据分布情况见表2。

表2　观测点冻胀变形数据统计

5　现场勘察-检查(C)阶段

检查阶段是指对路基冻胀监测数据监测和分析后，对冻胀变形量较大区段进行勘察，得到执行阶段的反馈信息，最终得到一个更为合适的质量管理方案。根据全线观测点的冻胀变形情况，对部分冻胀量较大的区段进行现场勘察。冻胀勘察主要采取调查测绘、挖探、取样等试验方法。调查测绘主要调查工点情况、水文情况、截水渗沟坡度及管底高程是否满足要求等。对连续冻胀变形较大的段落以及单个点冻胀变形偏大的冻胀观测点进行挖探，查勘填料情况及地下水情况，并对这些点的基床表层、基床底层各取土样，进行填料类别、颗粒密度、颗粒分析、天然含水率、细粒土含量、渗透系数、实际干密度、最大干密度等试验。

全线共计挖探128个，取样493组，根据试验结果统计，存在的主要问题为填料含水率及细颗粒密度偏大，基床表层含水率平均值为5.11%，最大值为10.33%；基床表层细颗粒含量平均值为5.63%，最大值为9.16%；基床底层含水率平均值为6.37%，最大值13.29%；基床底层细颗粒含量平均值为9.98%，最大值为29.89%。

根据现场勘察及室内试验结果，路基冻胀原因总结如表3所示。

表3　路基面冻胀原因分析

6　补强措施-处理(D)阶段

根据对路基防冻涨设计的计划，执行和检查所取得成果，应在处理阶段加强质量控制，对计划阶段的设计方案做修改。在冻胀变形较大的路基区段，对防冻涨措施提出针对性的补强措施，从而提升吉图珲客运专线整体防冻涨能力。对于设计时速250 km的有砟轨道线路，其路基冻胀变形的控制标准，目前规范中没有明确的规定，仅有《高速铁路路基维修规则》等部分规范从保证行车安全和平稳舒适性的方面，对轨道平顺度精度进行控制。由于吉图珲客运专线尚未铺轨，无法通过轨面高程的变化来确定冻胀处理的标准。结合本地区其他铁路冻胀处理标准的相关经验，本次拟对冻胀变形分为8～12 mm和大于12 mm两个标准分别进行防冻涨补强设计，同时考虑到路涵过渡段的特殊性，对于路涵过渡段也采取相应的防冻涨补强措施。

6.1冻胀量大于12 mm的工点补强设计

本线平均冻胀量大于12 mm的工点均为地下水路堑，根据观测数据、现场勘察和室内试验可知，这些工点基床表层和基床底层含水率均偏高，部分工点填料细颗粒含量大于设计值，基床表层和底层均发生较大冻胀变形，表明含水率达到一定值时，粗颗粒填料也会发生冻胀变形。因此，需对基床表层和基床底层均进行隔水及排水处理，断绝水分补给条件。

具体的补强措施可采用挖除表层级配碎石及中粗砂夹一层复合土工膜隔断层。换填掺5%水泥的级配碎石，为保持线路连接平顺，设置倒梯形过渡段，按台阶分层填筑，这样既解决了基床表层含水量偏高的问题，也避免了地表水通过基床表层渗入基床底层。

为了解决基床底层含水量偏高的情况，应设置或加深截水渗沟，保证渗沟的流水坡度，盲管深度建议达到最大冻结深度的1.3倍或包裹保温板。为防止边坡垮塌，在截水渗沟顶部纵向设工字钢支撑，并间隔一定距离设置一道横向支撑，并合理设置保温出口位置。为了防止基床底层与截水渗沟之间存在“夹心土”的情况，每隔2 m间距，在侧沟底挖除地基土，并填充无纺布包裹洗净碎石，使基床底层与截水渗沟相互连通，利于基床部分排水。对于不满足要求的基床底层填料，需挖除换填合格的非冻胀A、B填料，具体措施如图4、图5所示。

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图4　铺设保温板截水渗沟结构

图5　换填底层与截水渗沟间“夹心土”

6.2冻胀量8～12 mm的工点补强设计

平均冻胀量8～12 mm的工点，多为基床表层含水量偏高，造成基床表层冻胀量较大，对于这部分工点如果采用挖除换填整个基床表层的办法，经济性差，且对既有工程破坏较大。对于此类工点的补强措施建议以基床表层疏排水为主，可根据冻胀变形数据，结合现场施工进度，按照施工难易程度采用以下方案：

(1)沿线路纵向隔3 m切开混凝土护肩，切口深度至两布一膜隔断层，切口宽度约10 cm，切槽范围填充洗净碎石，外部外覆一层无砂混凝土，厚度0.1 m，同时在两布一膜上部放置PVC半管，长度至电缆槽下，以保证基床表层水顺畅排出。

(2)将冻胀范围段护肩拆除，在两布一膜上部铺设无砂混凝土板，厚度0.1 m，混凝土板上铺一层塑料防水布，以上再重新恢复施工C25混凝土护肩，同时沿无砂混凝土板纵向每隔2 m设置PVC排水半管，长度至电缆槽下，易于基床表层的水能顺畅排出。具体措施如图6、图7所示。

图6　护肩填充洗净碎石(单位：m)

图7　护肩铺设无砂混凝土(单位：m)

6.3路涵过渡段补强设计

由于路涵过渡段范围内基床表层已采用掺水泥的级配碎石填筑，冻涨变形较小，因此补强措施主要为改善基床底层疏排水效果，保持路基土干燥。考虑到路涵过渡段的特殊性，可采取在过渡段两侧增设侧向仰斜排水孔2排，分别位于路基面下1.4 m、2.4 m，钻孔纵向间距为2.0 m，仰斜角3～5°，孔深至路基中心处。孔径采用110 mm，排水管采用RCP-Y10G(A)，管径100 mm，环刚度≥16 kPa，管壁布置梅花形透水孔，孔隙率≥80%，管身和端头均采用透水土工布包裹。具体措施如图8所示。

图8　增设仰斜排水孔路堤纵断面(单位：m)

7　结论

(1)寒区铁路在设计阶段对路基冻涨问题要有足够的重视，并在施工过程中对路基冻胀变形进行观测，一旦出现冻胀量偏大的情况，及时通过现场勘察、室内试验等手段分析冻胀原因，采取防冻涨补强措施，在施工期予以解决，避免在运营阶段出现再次冻胀问题，减少运营维护成本，提高行车安全。

(2)根据东北严寒地区冻胀特点及有砟轨道平顺度控制要求，建议按照路基面最大冻胀变形8～12 mm及12 mm以上两种标准，采用不同的防冻胀处理措施。

(3)路堑自身渗排水能力较差，容易受地下水及天然降水影响，尤其是地下水路堑，更易造成基床范围内的含水量增加，引起较大的冻胀变形。疏干基床部分水分是控制冻胀的关键所在，应加强对地下水的现场勘察工作，并在施工过程中做好现场确认工作，路堑边坡存在浅层滞水或地下水位较高的情况，应增设或加深边坡支撑渗沟、截水渗沟等防冻涨补强措施，做好地下排水设施的保温设计。

(4)对于本线路堤而言，主要为基床表层内含水量较大引起的路基面冻胀，因此冻胀最大值相对较小，但冻胀发生迅速，冻胀周期长，且存在地基沉降，造成测量值较实际冻胀量偏小。在设计中应加强路肩的排水设计，可适当减少两布一膜的铺设范围，或增加表层排水管的排水能力。

(5)路涵过渡段的冻胀问题相比路桥过渡段更为严重，对于涵顶填土较低的路涵过渡段易发生双向冻胀。由于路涵过渡段自身的特点，一旦发生冻胀问题，极易影响线路的平顺性，处理也较为复杂。在施工过程中要加强涵洞自身及路涵过渡段的观测工作，严格控制过渡段填料等级和压实程度，防止地表水下渗，对于冻胀量偏大的情况，建议采用仰斜排水管疏排。

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Study on Application Effect and Reinforcement Measures on Frozen-Preventing Design of Jilin-Hunchun Passenger Railway Subgrade

LIU MingyuCUI JunjieHUANG Xinwen

2016-02-03

刘明宇(1984—)，男，毕业于中南大学土木工程专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0055-05

U213.1+5

B