寒区客运专线有砟轨道路基冻害整治技术

汤晓光

(中国铁路沈阳局集团有限公司，辽宁 沈阳 110013)

寒区客运专线有砟轨道进行了专门的防冻胀设计。基床表层可设计为水泥稳定级配碎石，增加了强度和整体性，基床底层和路堑地段换填层顶部设置隔断层防止大气降水继续下渗。

长珲、丹大等有砟轨道客运专线在东北地区相继开通运营，虽然在路基防冻胀方面有针对性设计，但还是发生了不同程度的冻胀变形，影响了轨道的平顺性，列车运行晃动加剧，工务部门整修工作大量增加。

冻融按照时间进程可分为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀和融化回落4个阶段[1]。其中快速冻胀阶段和融化回落阶段对线路平顺性影响最大，对整修工作的及时性要求也最为迫切。

已有研究[2-5]表明，冻胀敏感性土、水分和低温是路基冻胀的必备要素。客运专线排水不畅的基床表层、地下水位过高的路堑地段和积水涵洞上方填土均出现了不同程度的冻胀现象。冻胀整治可从填土改性、疏排水和保温方面着手[6-9]，减缓甚至彻底解决冻害问题。

1 路基冻害基本情况

沈阳铁路局管辖线路地处东北干润季节冻土区，气候寒冷，气温基本随纬度的增加逐渐降低。年平均气温0～10 ℃，一月平均气温-24～-5 ℃，标准冻结深度0.8～2.3 m。东西部地形、地质主要为低山丘陵，可形成较厚的风化残积层。中部为强烈沉降区，地势低洼，地下水较浅，年降雨量330～1 200 mm。从东部到西部随着离海洋距离的增加降雨量逐步减少，降雨主要集中在夏、秋季节。

从所处区域的气候、地质和降水条件来看，均具备路基冻胀发生条件。因为路基不均匀冻胀主要发生在前半程，冻结达到一定深度后基本呈现均匀冻胀态势，所以由不均匀冻胀引起的路基冻害数量与当地的冻结深度大小没有必然性联系，冻害数量主要与路基填料土质和土体含水率有关系。

沈阳铁路局管辖内西部山区因降水量较少、土质冻胀敏感性较弱而路基冻害较少。中部辽河平原以粉土和黏土为主，降水量较大且地下水位浅而路基发生冻害较多。东部山地降水量大而发生的路基冻害也相对严重。

2 客运专线路基冻害分布及成因分析

丹大快速铁路连接丹东和大连，线路长度为158.05 km，路基长度73.52 km，其中路堤17.31 km，路堑56.21 km。丹大铁路冻害位置及冻胀量统计见表1、表2。2015—2016年冬季，丹大线共发现冻害127处,合计 1 119 m，最大冻胀量为29 mm，平均冻胀量为11.9 mm。

表1 冻害位置统计

表2 冻胀量统计

由表1、表2可知：发生在涵洞顶部位置的冻害占全部冻害处所的49%，冻胀高度7～20 mm的冻害占比80%。冻害监测数据还表明，冻胀高度11 mm以上60处冻害有47处位于涵顶及过渡段，占总数的78%。选择大孤山站涵洞进行了取样，测试试样的含水率、颗粒级配等测试结果表明基床底部填料细颗粒含量、含水率均较高。

结合长珲城际铁路2013—2014年监测数据，重点对长珲城际铁路地下水位较高的路堑、膨胀土(岩)路堑、浅路堑、低矮路堤、浸水路堤等特殊岩土路基冻害处所进行监测，对数据进行了采集、分析，总结出客运专线路基冻害成因主要为： ①涵洞区段大气降水沿着基床顶面、两侧电缆沟槽和土质边坡下渗，涵洞顶部排水不畅，填土含水率升高，涵洞顶部存在不同程度的积水问题。冬季气温下降，洞顶填土内积蓄的热量不断散失又得不到地热的补充，涵洞顶部填土由四周向中心逐渐冻结，直至全部冻透。因此，涵洞处的冻害在冻胀速率和冻胀量指标上都非常突出。 ②寒区客运专线路基基床表层设计为水泥稳定级配碎石，掺入5%水泥的基床表层在列车动载作用下开裂导致强度和整体性下降，降水渗入基床表层产生了冻害。③寒区客运专线路基和路堑在路堤基床底层顶部和路堑换填层顶部设置了复合土工膜隔断层以防止大气降水下渗引起底层冻胀，监测发现了两布一膜隔断层上的排水管排水不通畅导致基床表层底部积水引起冻胀的问题。④路堑地段，存在盲沟设计深度不够导致冬季冻结、地下水未能及时排出路基引起的冻害问题。

3 客运专线冻害整治方法及适用性分析

影响土体冻胀的三要素包括土质、含水率和温度，冻害整治方法从三要素入手可采取换填或对原有填土改性、疏排水降低路基土体含水率和保温的方法进行路基冻害整治。

3.1 路基疏排水技术

通过设置渗水盲沟、平排孔、无砂混凝土、切槽等措施，将基床中的水排出，从而达到降低路基冻胀的目的。

1)路堑地段增设或加深截水渗沟，渗水管顶至侧沟平台深度不小于1.3倍冻结深度+0.25 m，保证冬季排水畅通，不间断拦截路基侧面来水和降低路基本体范围的水位高度。截水渗沟下卧困难时采用侧沟平台下加铺保温板的措施，如图1所示。

图1 保温渗沟

2)针对基床表层冻胀量较大的情况，可采用在护肩上切槽或拆除原有护肩并在两布一膜隔断层以上铺设无砂混凝土板的排水措施，打通基床表层的排水通道，如图2所示。

图2 护肩切槽(单位：m)

切槽排水方案设计沿基床表层底部每隔一段将混凝土护肩切开，深度切至两布一膜隔断层，切槽范围采用洗净碎石充填。两布一膜上放置PVC管(半管),深至电缆槽下，保证基床表层水顺畅排出。

无砂混凝土板排水方案先护拆除护肩(如图3所示)，在电缆槽外侧，两布一膜隔断层以上铺设无砂混凝土板，上铺一层塑料防水布，塑料防水布以上重新施作混凝土护肩，无砂混凝土板纵向每隔一段设置一PVC排水管(半管)。

图3 无砂混凝土板排水(单位：m)

路基疏排水技术具有经济、技术要求简单等优点，但其应用有局限性。该技术仅适用于基床填料自身排水性较好，只是由于路堑地段盲沟冻结无法排水或路堤地段护肩结构物阻隔了排水通道导致积水引起的路基冻害。

3.2 换填技术

针对基床底层的冻害处所进行实地取样勘察，对不同层位的填料进行分析，必要时开展原位冻胀监测，明确冻胀层位。通过横向一定孔径的跟管掏土将高含水率细粒土填料置换掉，并充填非冻胀材料。运用该方法整治路基冻害施工成本较大且路堑地段施工机械无法展开。所以此方法适用于路堤段基床底层局部层位填土问题造成的冻害，需前期完成精准的勘测定位工作。

3.3 填料注浆改性技术

在基床发生过冻害的部位进行钻孔，采用双组分反应型树脂类高分子浆液定向、低压渗透侵入基床，使高分子浆液充分填充路基颗粒间空隙(如图4所示)。浆液渗入后在引发剂和催化剂作用下发生化学聚合反应，与填料固结到一起，胶结成不溶水的高强度路基，达到削弱或消除基床冻胀的效果。

图4 填料注浆改性(单位：m)

注浆改性技术适用于渗透性强的填土，对于黏土等细颗粒土无法达到预期效果。该方法尤其适用于解决因排水不畅导致涵洞顶部积水引起的冻胀问题。注浆法整治冻害造价较高，另外现场试验表明，由于线上作业天窗时间短和填土复杂性因素影响，注浆施工时浆液扩散半径和渗透部位很难精确控制，施工工艺有待进一步提高。

3.4 路基保温防冻胀技术

借助保温材料的低热传导特性，在路基表面或涵洞内侧铺设一定厚度的保温材料，以减缓冬季路基土体热量的散失，从而达到控制冻胀的目的。在天窗时间扒开线路道砟，在基床表层铺设5 cm厚XPS保温板后恢复线路(如图5所示)。温度场模拟试验表明，铺设保温板后能够明显减缓热量散失，提高路基温度。

图5 路堤(堑)铺设保温板

铺设保温板能够明显减小路基冻结深度，使冻结锋线上移。该方法对于基床表层冻害整治效果有限，尤其适用于较深层次的基床底层冻害。

3.5 涵洞保温防冻胀技术

在涵洞顶板内侧铺设保温板，减缓涵洞上部路基体热量散失速度，防范涵洞顶部冻害忽涨忽落造成的行车安全风险。

因为洞顶填土内积蓄的热量不断散失又得不到地热的补充，最终由四周向中心将整个土体冻结。在涵顶内侧铺设保温板可以缓解气温骤变引起的轨道几何尺寸急剧变化，给养护维修工作提供充裕的时间。

4 结论

1)涵洞区段冻害在冻胀速率和冻胀量指标上都最为突出。建议在此部位采取对土质边坡进行封闭以防止大气降水下渗导致洞顶积水的方法从源头上进行整治。也可采取在洞顶填土内渗透注浆的方法充填填料孔隙达到挤出水分的目的。还可在涵洞顶部内侧铺设保温板缓解气温骤变引起的轨道几何尺寸急剧变化。

2)基床表层冻害可采取护肩切槽或护肩下铺设无砂混凝土板的方法排出隔断层顶部基床表层积水。

3)基床底层冻害可采取铺设XPS保温板提高路基体内部温度的方法防止底层冻害的发生。路堤地段基床底层由于局部填料问题产生的冻害也可采取跟管掏土将高含水率细粒土填料置换出来的方法进行整治。路堑地段基床底层冻害可采取增设或加深排水盲沟降低地下水的方法进行整治。

[1]蔡德钩.高速铁路季节性冻土路基冻胀时空分布规律试验[J].中国铁道科学，2016,37(3)：16-21.

[2]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，2015,55(6)：92-95.

[3]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.

[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，2011,51(6)：93-95.

[5]石刚强，赵世云，李先明，等.严寒地区高速铁路路基冻胀变形监测分析[J].冰川冻土，2014,36(2)：360-368.

[6]闫宏业，蔡德钩，张千里，等.铁路路基冻害防治保温技术研究[J].铁道建筑，2015,55(1)：51-55.

[7]屈振学.季节性冻土区铁路客运专线路基的冻胀特性分析与措施[J].铁道标准设计，2009，53(12)：8-11.

[8]令狐勇生,马超锋.寒区高速铁路路堑段路基冻害原因及整治方案[J].铁道建筑，2017,57(10):73-75.

[9]马红绛.兰新铁路路基冻害的影响因素和整治措施研究[D].兰州：兰州交通大学，2011.