哈大高铁轨道变形与路基冻结深度的关系

刘勇

（沈阳铁路局，辽宁沈阳110001）

哈大高铁轨道变形与路基冻结深度的关系

刘勇

（沈阳铁路局，辽宁沈阳110001）

根据哈大高铁运营3年的观测数据，对哈大高铁轨道不均匀冻胀变形处所数量随冻结深度的变化规律进行分析，对轨道不均匀冻胀变形进行分类，并分析各类变形发生时的冻结深度。结合不同路基结构发生的轨道不均匀冻胀变形数据，分析路堤、路堑及过渡段表层、深层的轨道不均匀冻胀变形分布规律。分析结果表明，路基冻胀仅在一定深度内才会产生轨道不均匀冻胀变形。在铁路建设和维护过程中应重点控制影响轨道变形的冻结深度范围内的填料及排水。

哈大高铁；季节性冻土区；冻结深度；轨道不均匀冻胀

1　概述

冻胀变形是季节性冻土区路基较为常见的一种破坏现象，影响线路的平顺性，特别是对于高速铁路而言，严重威胁行车安全［1-3］。由于高铁沿线气候环境、水文地质条件复杂，季节性冻土区的路基冻胀变形难以避免［4］。作为冻土区路基设计的重要参数，冻结深度对冻胀量有显著影响，但其影响规律尚不清楚。由于缺乏季节性冻土区高速铁路工程依托，高速铁路路基冻结深度与冻胀变形量之间的关系成为世界性的科研难题［5-6］。

哈大高铁是我国也是世界上第一条严寒地区无砟轨道高速铁路，纵贯我国季节性冻土广泛分布的东北地区。哈大高铁2007年8月开工建设，2012年2月线下工程基本完成，同年12月1日开通运营。线路全长903 km，设计最高速度350 km/h。正线路基长231.245 km，其中无砟轨道路基长181.97 km。无砟轨道路基中路堤长111.95 km，路堑长70.02 km。哈大高铁沿线气候寒冷，极端最低气温-39.9℃，最大积雪厚度30 cm，最大土壤冻结深度在93～205 cm。每年从10月开始冻结，次年4～5月全部融化，冻结时间长达5～6个月。

哈大铁路在世界寒区高速铁路上有代表性，从南部大连的暖温带，逐渐变成温带，到北端哈尔滨变为寒温带。年平均气温从大连的10.9℃，变化到哈尔滨的4.4℃。大地冻结深度从大连的0.93 m变化到扶余的2.05 m。由于路基填料的导热系数较高，路基最大冻结深度达到3.0 m。目前，世界上高速铁路发达国家没有如此严寒的环境，德国最大冻结深度为0.7 m，日本最大冻结深度为1.0 m。在东北这样的寒冷地区修建和维护高速铁路世界上尚无成熟经验。

路基冻胀的危害最终通过轨道的不均匀变形反映出来，本文通过分析路基发生冻胀时轨道的不均匀变形，给出轨道不均匀冻胀变形的分类，确定影响轨道不均匀变形的路基冻结深度，为高速铁路建设和维护提供参考。

2　轨道不均匀冻胀变形分类及分布

哈大高铁＞4 mm的轨道不均匀冻胀变形统计结果见表1。

2.1轨道不均匀冻胀变形分类

根据哈大高铁路基设计文件，路堤及除弱风化、未风化硬质岩外的路堑基床表层均填筑0.55 m厚的级配碎石，以下依次为0.05 m厚的中粗砂、2.1 m厚的A，B组土。其中冻结深度影响范围内填筑非冻胀A，B组土，并于路基表面以下0.55 m处设置两布一膜的土工布，阻止地表水下渗和地下水迁移补给。据此，把冻结深度在0.55 m以内产生的轨道不均匀冻胀变形确定为表层不均匀冻胀；把冻结深度在0.55 m以下产生的轨道不均匀冻胀变形确定为深层不均匀冻胀；把表层、深层共同作用产生的轨道不均匀冻胀变形确定为表深层不均匀冻胀。但在分析冻结深度与轨道不均匀冻胀变形之间的关系时，发现有40%的轨道不均匀冻胀变形在冻结深度达到0.8 m以后变形峰值基本稳定，因此将表层和深层冻害的分界线确定在0.8 m。2.2各类轨道不均匀冻胀变形占比分析

2013—2014年204处轨道不均匀冻胀变形中，表层轨道不均匀冻胀变形共计96处，占47.1%；深层轨道不均匀冻胀变形78处，占38.2%；表深层轨道不均匀冻胀变形30处，占14.7%。

2014—2015年131处轨道不均匀冻胀变形中，表层轨道不均匀冻胀变形60处，占45.8%；深层轨道不均匀冻胀变形45处，占34.4%；表深层轨道不均匀冻胀变形26处，占19.8%。

根据以上数据发现各类轨道不均匀冻胀变形比例基本稳定，表层约占46%，深层约占35%，表深层约占19%。

2.3表深层轨道不均匀冻胀变形中表层、深层的影响

分析

2013—2014年30处表深层轨道不均匀冻胀变形中有19处路基表层冻胀变形大于深层冻胀变形，占表深层轨道不均匀冻胀变形总数的63.33%。另外11处表层冻胀变形小于深层冻胀变形，占表深层轨道不均匀冻胀变形总数的36.67%。2014—2015年26处表深层轨道不均匀冻胀变形中有22处表层冻胀变形大于深层冻胀变形，占表深层轨道不均匀冻胀变形总数的84.6%。另外4处表层冻胀变形小于深层冻胀变形，占表深层轨道不均匀冻胀变形总数的15.4%。2.4各种路基结构的轨道不均匀冻胀类型分布

哈大高铁2013—2015年路基冻害统计结果见表2。在路堤地段表层不均匀冻胀变形所占比例较大，为57%，深层和表深层不均匀冻胀变形共占43%左右；路堑地段深层不均匀冻胀变形所占比例较大，为52%，表层和表深层不均匀冻胀变形共占48%；路桥及路涵过渡段表层不均匀冻胀变形所占比例2013—2014年为44%，2014—2015年为54%，深层和表深层不均匀冻胀变形分别为56%和46%。

表1　哈大高铁＞4 mm的轨道不均匀冻胀变形统计结果

表2　哈大高铁2013—2015年路基冻害统计结果

3　轨道不均匀冻胀变形数据分析

3.1冻结深度与轨道不均匀冻胀变形数量间的关系

3.1.1分析方法

路基冻胀的发展在上涨期和回落期不同。路基冻胀上涨期，冻结线从路基表面向下发展。路基冻胀回落期，冻层由路基表面向下及冻结底层向上2个方向融化。为便于统计分析，无论是路基冻胀上涨期还是回落期，均将冻层底层深度定为冻结深度，以冻结深度5 cm为级差，分析轨道不均匀冻胀变形发生个数。根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》［7］（铁运〔2012〕83号，以下简称《维修规则》）对线路几何尺寸偏差管理值的要求，对大于经常保养偏差管理值（即动态Ⅰ级）的轨道不均匀冻胀变形进行分析。

3.1.2冻结深度与轨道不均匀冻胀变形数量分布

2013—2014年冻害数据分析表明，冻结深度在40 cm以内时，基本不发生轨道不均匀冻胀变形；冻结深度在40～80 cm时轨道不均匀冻胀变形处数急剧增加，增长率为3.05处/cm（平均冻结深度每增加1 cm新产生轨道不均匀冻胀变形约3处），此区段占冻害总数59.8%；冻结深度在80～140 cm时轨道不均匀冻胀变形发生数量增长放缓，增长率为1.37处/cm，占轨道不均匀冻胀变形总数的39.7%；冻结深度超过150 cm以后轨道不均匀冻胀变形数量基本不再增加。2013—2014年冻结深度与不均匀冻胀变形数量的关系变化趋势见图1。

由图1可知，可用线性方程y=kx+b拟合路基冻胀深度与轨道不均匀冻胀变形数量的关系。冻胀上涨期，冻结深度在40～80 cm时y1=3.05x-116；冻结深度在80～140 cm时y2=1.37x+18.2。冻胀回落期，冻结深度在150～100 cm时y3=0.34x-29；冻结深度在100～60 cm时y4=0.125x-7.5。

2014—2015年冻害数据分析表明，冻结深度在40 cm以下时基本不发生轨道不均匀冻胀变形；冻结深度在40～130 cm时轨道不均匀冻胀变形数量急剧增加，增长率为1.07处/cm，此区段占轨道不均匀冻胀变形总数的79.6%；冻结深度在130～155 cm时轨道不均匀冻胀变形数量增长放缓，增长率为0.76处/cm，占轨道不均匀冻胀变形总数的14.8%；冻结深度超过155 cm后轨道不均匀冻胀变形数量基本不再增加。2014—2015年冻结深度与不均匀冻胀变形数量关系变化趋势见图2。

图1　2013—2014年冻结深度与不均匀冻胀变形数量关系变化趋势

图2　2014—2015年冻结深度与不均匀冻胀变形数量关系变化趋势

由图2可知，冻胀上涨期，冻结深度在40～130 cm时y1=1.07x-37.8；冻结深度在130～155 cm时y2=0.76x-13.8。冻胀回落期，冻结深度在150～100 cm时y3=0.34x+19；冻结深度在100～60 cm时y4=0.88x-35。

2014—2015年轨道不均匀冻胀变形数量和速率比2013—2014年变化小，主要原因是根据轨道不均匀冻胀变形规律采用了提前预垫、半撤垫板等整治措施。

3.2轨道发生不均匀冻胀变形时的冻结深度分析

3.2.1分析方法

分析2013——2015年335处轨道不均匀冻胀变形达到《维修规则》规定的经常保养偏差管理值时对应的冻结深度。根据哈大高铁沿线不同区间和不同冻害类型进行分别统计。

3.2.2轨道发生不均匀冻胀变形时的冻结深度分析

2013—2015年哈大高铁不同区间各冻害类型对应的最不利冻结深度见表2。

由表2可知：表层冻害的最小、最大、平均冻结深度分别为61.2，79.5，68.32 cm；表深层冻害的最小、最大、平均冻结深度分别为85.83，98.5，91.22 cm；深层冻害的最小、最大、平均冻结深度分别为90.00，123.11，108.05 cm。

表2　2013—2015年哈大高铁不同区间各冻害类型对应的最不利冻结深度cm

4　结论

1）根据产生轨道不均匀冻胀变形时的冻结深度，将轨道不均匀冻胀变形划分为表层、深层和表深层3种类型，并将表层和深层冻害的分界线确定在80 cm。

2）路基结构形式不同，轨道不均匀冻胀类型也不尽相同，路堤地段以表层冻胀为主，路堑地段以深层冻胀为主，过渡地段以表层冻胀为主。

3）当冻结深度＜40 cm时冻胀虽然发展，但基本不构成冻害，当冻结深度在40～90 cm时冻害数量增加较快，当冻结深度＞150 cm时冻害数量趋于稳定。

4）表层轨道不均匀冻胀变形的平均冻结深度约为68 cm；深层约为91 cm；表深层约为108 cm。

［1］孙英潮，闫宏业，蔡德钩，等.高速铁路路基冻胀综合监测体系研究［J］.铁道建筑，2015（6）：92-95.

［2］闫宏业，蔡德钩，杨国涛，等.高寒地区高速铁路路基冻结深度试验研究［J］.中国铁道科学，2015，36（3）：1-6.

［3］王仲锦，叶阳升，闫宏业，等.寒区铁路路基防冻胀设计中冻结深度计算方法的探讨［J］.铁道建筑，2013（2）：57-59.

［4］叶阳升，王仲锦，程爱君.路基的填料冻胀分类及防冻层设置［J］.中国铁道科学，2007，28（1）：1-7.

［5］叶阳升.季节性冻土地区高速铁路路基冻胀规律及控制［C］//中国土木工程学会第十二届全国土力学及岩土工程学术大会论文摘要集，2015.

［6］闫宏业，蔡德钩，杨国涛，等.高寒地区高速铁路路基冻结深度试验研究［J］.中国铁道科学，2015，36（3）：1-6.

［7］中华人民共和国铁道部.铁运［2012］83号高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）［S］.北京：中国铁道出版社，2014.

（责任审编李付军）

Analysis on Relationship Between Frost Depth and Track Deformation for Harbin－Dalian High Speed Railway

LIU Yong
（Shenyang Railway Bureau，Shenyang Liaoning 110001，China）

Based on the field monitoring data during three years operation of Harbin-Dalian high speed railway，the relationship between the amount of track uneven frost heave deformation and frost depth was analyzed，the track uneven frost heave was divided into different classes and the corresponding frost depth of deformation for each class was discussed.Combining with the track uneven frost heave data with different subgrade structures，the distribution laws of embankment，cutting and track uneven frost heave deformation in surface layer and deep layer of transition zone was analyzed.T he results show that the subgrade frost heave will cause track uneven frost heave deformation only in a certain depth range and the fillings and drainage in frost depth range that will affect track deformation should be well controlled during the process of railway construction and maintenance.

Harbin-Dalian high speed railway；Seasonal permafrost region；Frost depth；T rack uneven frost heave

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.21

1003-1995（2016）10-0079-04

2016-06-11；

2016-07-29

铁道部科技研究开发计划（Z2012-062）；中国铁路总公司科研试验任务（Z2013-038）；中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G003-A，2015G002-I，2015G006-H）；铁道科学技术研究发展中心科研项目（J2014G003）

刘勇（1971—），男，高级工程师。