兰新高铁军马场至民乐区间路基冻害原因分析及整治措施

沈 鑫，朱生宪，宋小齐，杨有海

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.中国铁路兰州局集团有限公司，兰州 730000)

兰新高铁正线长1 776 km，是国家“八纵八横”高速铁路网主要组成部分。本线建成后新疆与内地间形成一条全天候、大能力的高速铁路通道。

兰新高铁兰州铁路局管段2014～2016年冬季无砟轨道精测精调时发现K2005～K2030区间的路基存在不同程度冻胀变形，为保持高铁的正常运营，发生冻胀段落需要反复精测精调才能使轨道平顺性符合要求，因此要投入大量人力物力对线路进行维护。

对于季节性冻土地区铁路路基冻胀影响因素以及路基冻害治理措施已经有一定的研究。叶阳升等[1]在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在问题的基础上，认为路基防冻层应用细粒含量<5%的砂类和细粒含量<15%的砾类、碎石类等不冻胀土填筑。田亚护等[2]根据京包铁路、包兰铁路路基在1月～6月的变形监测数据和路基土的级配试验，通过对季节冻土区铁路路基的冻胀变形情况及产生原因进行分析，认为路基填土的级配不良是引起路基冻害的首要原因，路基多年的冻害效果累积和基床土质不均导致不均匀冻胀变形发生。刘华等[3]通过哈大客运专线现场监测数据对比分析冻胀量沿路基冻深的分布状况，发现高速铁路路基冻胀变形量的70%出现在路基基床底层上部。田亚护等[4]结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点，通过对粗颗粒土的室内冻胀试验，得出随着细颗粒含量的增加粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大。赵洪勇等[5]选取东北某客运专线路基基床底层A、B组填料进行试验研究，发现该填料冻胀率随着含水率的增加而增大，即使细粒含量<15%的粗颗粒土仍会发生冻胀且该填料冻胀率随着细粒含量的增加而增大。熊治文等[6]从路基的粗颗粒填料入手，发现当加入的粉土达到一定掺入量后，冻胀率增长趋势明显，当粉土掺入量超过15%后，粗颗粒填料的冻胀率明显增大。牛富俊等[7]根据兰新客专浩门区间运营期4个路基断面不同深度的温度、水分及冻胀变形现场监测结果，发现路基填料细颗粒(粒径小于0.25 mm)含量越高，冻胀率越大，并建议将细颗粒料控制在15%以内。许健等[8]以沈哈高速铁路沿线的黏质黄土为研究对象，在恒温状态下进行了开放系统水分迁移试验，利用灰色理论预测模型并结合室内冻胀敏感性试验资料以及长春地区的最大冻深资料，计算出要保证黏质黄土不产生冻胀，其距离地下水位的最小高度约为2.92 m。邰博文等[9]通过哈齐客专路基现场试验研究发现路基表面的最大冻胀量发生在地表温度处于-1～-2 ℃，在此地温值下，路基冻结层范围内易发生水分积聚现象，建议做好基床表层的防排水措施，以避免路基冻害发生。闫宏业等[10]、杜晓燕等[11]根据寒区高速铁路沿线不同区段大气温度和路基冻深数据，发现路基最大冻深要普遍大于土壤最大冻深。张先军[12]根据哈大高速铁路路基冻胀的测量和普查结果，对路基冻胀的水分、温度及细颗粒含量等影响因素进行分析，认为路基本体的水分条件是路基冻胀的主要影响因素，提出应系统梳理严寒地区无砟轨道路基防排水结构存在的系统问题并优化防排水结构设计。高以健等[13]以软式透水管整治兰新铁路路基冻害，通过软式透水管排除路基体内水分降低含水率，有效抑制了路基冻胀，取得了良好的效果。刘彬、魏永幸[14]研究客运专线铁路无砟轨道路基工程防排水体系构成及关键技术指标或参数，并提出了客运专线无砟轨道路基防排水体系构成，以及需要进一步深入研究解决的路基填料水稳性检测标准、路基面沥青混凝土防水层技术条件、地下排水结构及其维修、路基防排水工程系统优化4个关键技术问题。刘伟平[15]通过对哈大高铁路基冻胀原因分析及系统性、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。杜晓燕等[16]对大西高速铁路路基从土质、气温、水分三方面进行冻胀原因分析，提出轨道封闭、疏通基床表层泄水孔、侧沟与明洞排水管顺通、设置渗水盲沟、线间排水的综合整治方案，以及高路堑段基床底层盲沟渗水和明洞过渡段隔离开槽顺接侧沟排水的整治措施。

本文通过对兰新高铁K2005～K2030区间7段典型段落现场调查、试验研究，探究该区间路基冻胀变形的原因，从路基填料的颗粒组成、水分、低温三方面进行了系统的分析，并对各种治理冻害措施进行比较，提出相应的工程整治措施。

1 工程概况及路基冻害基本情况

兰新高铁K2 005～K2 030区间7段典型段落发生路基冻胀变形：K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100，K2 028+689～K2 029+844。路基多为路堑、零断面换填、小于3 m矮路堤结构形式，如图1所示。

图1 路堤结构形式

线路位于山丹军马场一场～三场之间，祁连山北侧高海拔地段，地貌为河西走廊山前倾斜冲、洪积平原，地形平坦、开阔，地势南高北低，海拔在3 129～2 620 m。路基所在段地层主要为第四系上更新统(Q3)，主要由洪积层组成，其土层个别段落有缺失，总体从上至下的具体情况如下[17]。

(1)粉质黏土(腐殖土Q3pl1)：表层分布，厚0.7～1.8 m，灰褐色，有机质含量高，含植物根系，软塑，局部硬塑，Ⅱ级普通土。

(2)砂质黄土(Q3pl3):层状分布，厚0.5～3.0 m，浅黄色至褐色至褐黄色，土质较均匀，夹砂砾、中细砂及植物根系，稍密～中密，稍湿～潮湿，II级普通土。

(3)细圆砾土(Q3pl6)：层状分布，厚2～5.0 m，杂色～灰褐色，颗粒不均，粒径2～20 mm的颗粒占40%～60%，大于20 mm的颗粒占20%左右，浑圆状成分以硅质砂岩、片岩为主，余为杂岩和砂质填充，稍湿，稍密～中密，Ⅱ级普通土。

(4)粗圆砾土(Q3pl6)：为段内主要地层，厚度大于30 m，杂色～棕红色～灰色，颗粒不均匀，粒径大于20 mm的颗粒占65%左右，局部可以达到卵石，浑圆状，成分以棕红色硅质砂岩、灰色片岩、石英岩等硬质岩石为主，余为杂岩和砂质充填，稍湿～潮湿，中密～密实，Ⅲ级硬土。

路基填料多为粗圆砾土、细圆砾土等，属于含有细颗粒的粗颗粒填料(B组)。

该区间所在地冬季气候寒冷且持续时间较长，最冷月平均气温达到-8.4 ℃，极端最低气温可达-31.5 ℃，年平均气温4.8 ℃；土壤标准最大冻结深度为1.84 m，属于深季节冻土区。

通过以CPⅢ桩网为基准，以安博格小车等进行人工测量，在测量过程中对变形监测数据收集、分析，并根据《铁路技术管理规程》，两股钢轨水平面偏差不得大于4 mm、10 m内钢轨的冻胀差不得大于4 mm为依据，将4 mm作为冻胀与不冻胀的界限。2014～2015年冬季精测精调时发现K2005～K2030区间7段典型段落发生路基冻害15处，其中上行线8处，下行线7处，最大冻起高度15.23 mm。具体情况见表1。与寒区兰新铁路等其他普速铁路、哈大及哈齐客专等相比，路基冻胀高度相对较小，但已经影响高铁轨道平顺性，需要进行治理。

表1 2014～2015年K2005～K2030段冻害情况

2 路基冻害原因分析

路基填料颗粒组成、水分、负温是形成路基冻害的3个基本条件，路基填料物理性质是内因，水分是条件，温度是外因，只有三者的不利组合才能形成冻害。

2.1 路基填料细粒含量对冻胀变形的影响

通过对兰新高铁K2 005～K2 030区间内路基基床底层填料随机取样10组，进行室内筛分试验，发现A组填料2组，粒径小于0.075 mm的土颗粒含量分别为3.76%、6.56%；B组填料8组，粒径小于0.075 mm的土颗粒含量在10%～15%的占2组，分别为10.96%、14.1%，大于15%的占6组，在15.6%～21.46%之间。故该段路基基床底层及以下多为细颗粒含量较高的B组粗颗粒填料。文献[1-7]认为细粒含量较高的填料会有利于冻胀的发育，产生不均匀的冻胀变形，影响高速铁路线路的平顺性。所以，该段路基填料在水分、温度合适条件下会发生一定程度的冻胀，造成高铁轨面不平顺。

2.2 路基土体含水率对冻胀的影响

水的作用是造成路基冻害最主要的原因。K2 005～K2 030区间所处军马场至民乐区间降雨(雪)量较大，年平均降雨量381.2 mm，远高于临近张掖市甘州区年平均降雨量133.9 mm。于军马场至民乐区间K2 020处及2038处测得近两年年降雨量，如图2所示。

图2 K2 020与K2 038处近两年降雨量

图3为该段路基边坡积雪情况。该区间年降雪量在22 cm以上，由于温度时起时落的影响，融化的雪水会从路基边坡渗入路基中，也是路基土体水分来源之一。而且个别段落地表90%为耕地，灌溉水使得地下水位升高，从而提供了水分来源。

图3 高铁路基附近积水结冰

雨(雪)水、农田灌溉水等从边坡、天然护道、排水沟两侧等进入路基，造成路基体内水分较高。通过对该处断面基床不同深度处土体随机取样进行含水率测试发现，该区段路基粗颗粒填料的含水率在9.8%～11.3%，这为路基在冬季发生冻胀提供了有利条件。

文献[18]对该线各处粗颗粒填料在封闭系统下进行冻胀特性试验，发现在压实系数为0.93、含水率在6%～8.91%的情况下，填料冻胀率为0.15%～1.49%，且随着含水率的增大冻胀率也随之增大，如图4所示。由于路基冻深在2.5 m以上，当平均冻胀率超过0.2%时，其冻胀变形将超过5 mm，影响轨道表面平顺性。因此将路基体水分降低在一定限度下，消除冻胀量，才能保证轨道平顺性。

图4 含水率与冻胀率的关系

2.3 低温对冻胀的影响

该区间所在地气候属于大陆性气候，由于海拔较高使得冬季气候寒冷且持续时间长是本区的主要气象特点，自每年10月下旬至次年3月下旬，长达5个月处于冬季时间段内。近3年寒冷月份日最低气温如图5所示。

由文献[10-11]可知，因线路路基结构及填料与天然地基土热力参数存在较大的差异性，故路基的冻结深度要大于土壤的冻结深度。该区间海拔高、冬季气温低且负温持续时间长，使得路基的冻结深度普遍较大，该段路基相邻处实测冻深2.5～3.4 m[7]。

图5 近3年寒冷月份日最低气温

3 路基冻胀整治措施及效果

因为兰新高铁业已建成通车，基床填料性能难以改变，在路基面施做保温措施已无可能。为了不影响高铁的正常运营，对各种冻害治理方案进行比选，决定从防、排水角度出发，通过降低路基土体含水率、切断水源补给来对路基冻害进行整治。

由于降雨、积雪融水以及农田灌溉水等地表水从边坡、天然护道、排水沟两侧渗入路基体内，当冬季来临时，这些水分在低温等作用下向冻结锋面迁移。为快速排除地表水以及渗入到地面下、路基体内的水分，通过采取渗水盲沟进行排除，防治冬季冻结时发生水分迁移造成路基冻胀。

2012年至2014年施工中对部分低路堤地段为阻止坡脚积水下渗，避免路基冻胀，增设了防冻胀护道，虽有一定作用，但是位于祁连山北侧高海拔地段个别段落其作用较小。为防止路基冻胀，于7处段落修建渗水盲沟，盲沟建在排水沟底部，可以有效降低或排除路基内部水分并截断周围水分补给。渗水盲沟如图6所示。

图6 渗水盲沟(单位：m)

(1)渗水盲沟沟底宽1.0 m，深2.9 m；

(2)排水管采用φ315 mm PE带孔双壁波纹管，底部设0.2 m厚C35混凝土基础，中间填充洗净碎石，反滤层采用0.1 m厚无砂混凝土板，外侧包裹针刺无纺土工布；

(3)沿渗水盲沟每隔30 m设置1处检查井，检查井采用C30预制管节拼装，渗水盲沟出水口设置1处检查井，检查井外接排水沟将水引入附近河沟中，排水出口做好保温措施；

(4)为防止渗沟开挖过程中坑壁坍塌，在开挖时于渗沟两侧加设φ89 mm钢管加固，钢管底深入渗沟底不小于3.5 m，钢管顶与基坑顶平齐，钢管间距1 m，顺渗沟方向钢管与渗沟基坑壁间加设1 cm厚的钢板挡护，钢板设置高度为自渗沟基底至基坑顶，必要时于钢管顶架设横向支撑。

K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 009+250～K2 010+200，K2 017+100～K2 017+500，K2 017+854～K2 019+923，K2 020+900～K2 021+100六段于2012～2014年建成，K2 028+689～K2 029+844段渗水盲沟于2015年建成。由于渗水盲沟疏干路基中的水分需要一定时间，故当年高铁开通路基发生了不同程度的冻胀变形。

2014～2015年冬季，K2 005+918～K2 006+062，K2 008+000～K2 008+450，K2 020+900～K2 021+100三段路基冻胀量较小，在2015年～2016年冬季未发生冻胀，对以上段落取土测得含水率为5.6%～6.2%。K2 009+250～K2 010+200、K2 017+854～K2 019+923两段路基平均冻胀量随着时间的延续，路基土体内水分逐步减少，路基冻胀量随着时间减小，对以上段落取土测得含水率为5.5%～7.6%。K2 017+100～K2 017+500、K2 028+689～K2 029+844两段2014～2015年冬季冻胀量较大，2015～2016年冬季减小，2016～2017年冬季略有增大，对以上段落取土测得含水率为9%～11%，含水率略有降低，但仍会使为土体产生冻胀提供有利条件。总体上路基冻胀量呈减小的趋势，K2005～K2030区间近3年冻胀量具体情况见表2。

表2 兰新高铁K2 005～K2 030区间近3年平均冻胀量 mm

可见修建渗水盲沟是降低路基体内水分的有效措施，在该段冻害治理中发挥了良好的作用。

4 结论

通过对兰新高铁K2005～K2030区间路基冻害情况调查、试验，从路基填料细粒含量、水分、温度三方面对冻害原因进行了分析，并实施了冻害治理措施，得出以下结论。

(1)基床底层填料多为B组粗颗粒填料，其粒径小于0.075 mm的细粒含量为10.96%～21.46%，细粒含量较高会有利于冻胀的发育，产生不均匀的冻胀变形，在水分、温度等条件满足时会发生影响高铁线路平顺性的冻胀变形。

(2)该区段雨(雪)水、农田灌溉水等水资源丰润，水分将从路基边坡、天然护道、排水沟两侧等进入路基，造成路基体内水分较高，基床底层含水率达9.8%～11.3%，为路基在冬季负温作用下发生冻胀提供了有利条件。

(3)因线路结构及路基填料与天然地基土热力学参数存在较大的差异性，加之该区间海拔高、冬季气温低且负温持续时间长，使得路基的冻结深度普遍较大，路基冻结深度达到2.5 m以上，大于土壤冻结深度。

(4)基于该线已运营，通过修建渗水盲沟、反压护道与隔水墙，用以降低天然地面以下路基体水分、改善路基温度场，并将对路基有危害的地面水拦截引排至路基范围之外，截断水分补给来源，降低路基含水率，以减少甚至消除冻害；渗水盲沟疏干路基中的水分需要一定时间，建成后当年并未完全消除冻害，随着疏干排水时间增加，路基土体内水分逐步减少，路基冬季冻胀量消失，路基冻害得到有效治理。

[1] 叶阳升，王仲锦，程爱君，等.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.

[2] 田亚护，温立光，刘建坤.季节冻土区铁路路基变形监测及冻害原因分析[J].铁道建筑，2010(7)：104-107.

[3] 刘华，牛富俊，牛永红，等.季节性冻土区高速铁路路基填料及防冻层设置研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(12)：2549-2557.

[4] 田亚护，肖伟，沈宇鹏，等.隔热层对季节冻土区无砟轨道路基冻胀防治的适应性分析[J].铁道学报，2014，36(5)：76-81.

[5] 赵洪勇，闫宏业，张千里，等.季节性冻土区路基基床粗颗粒土填料冻胀特性研究[J].铁道建筑，2014(7):92-94.

[6] 熊治文，金兰，程佳，等.高速铁路改良粗颗粒填料冻胀特性试验研究[J].中国铁道科学.2015，36(5):1-6.

[7] 牛富俊，林战举，吴旭阳，等.兰新客运专线浩门区间路基温度、水分及冻胀变形特征[J].冰川冻土，2016，38(4)：1074-1082.

[8] 许健，牛富俊，牛永红，等.冻东北黏质黄土有害毛细上升高度预测研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2011，43(4)：501-506.

[9] 邰博文，岳祖润.深季节冻土区哈齐客专路基现场试验[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2015，28(1)：67-70.

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

[11] 杜晓燕，叶阳升，张千里，等.季节性冻土区高速铁路路基冻深研究[J].中国铁道科学，2015，36(2)：11-17.

[12] 张先军.哈大高速铁路路基冻胀规律及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(7)：8-12.

[13] 高以健，李文坛，杨有海.软式透水管整治兰新铁路路基冻害效果研究[J].路基工程，2011(4)：141-143.

[14] 刘彬，魏永幸.客运专线铁路无砟轨道路基防排水体系的思考[J].铁道工程学报，2008(6)：36-38，60.

[15] 刘伟平.严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术[J].铁道建筑，2016(4)：92-97.

[16] 杜晓燕，常凯，令狐勇生，等.大西高速铁路路基冻胀分析及整治措施[J].铁道建筑，2017(1)：24-29.

[17] 王进华.兰新铁路第二双线甘青段工程地质条件与评价[J].铁道勘察，2010(1)：72-75.

[18] 兰州交通大学.兰新高铁路基填料冻胀特性试验研究[R].兰州：兰州交通大学，2016.