季节性冻土地区高速铁路路基保温技术试验研究

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

我国已在东北、西北等季节性冻土地区修建了数条高速铁路，包括哈大、哈齐、盘营、沈丹、兰新、京沈等线路。根据国家中长期铁路网规划，这些地区还有多条高速铁路需要修建。这些高速铁路面临着路基冻胀问题，合理的基床结构是路基防冻胀关键。我国季节性冻土地区高速铁路防冻胀基床结构基本上按照填料抗冻和防排水相结合的原则进行设计[1-7]，即在冻结深度内填筑非冻胀土或混凝土，路基表面采用封闭防水措施，基本解决了大部分季节性冻土地区的高速铁路冻胀问题。但冻结深度内全部采用优良的抗冻胀填料或混凝土基床，增加了工程成本。目前，有砟轨道铺设保温层被认为是一种有效的防冻胀措施，可有效降低或消除路基冻胀，已在有砟轨道中得以成功应用[8-15]。在季节性冻土地区高速铁路无砟轨道路基采用保温基床结构，可在减小冻结深度的同时，降低冻结深度以下填料的标准，有效提高路基工程的技术经济性。对于地下水位较高的地段，效果更为显著。本文通过哈大高速铁路现场保温基床结构试验，对局部和全断面保温结构在季节性冻土地区高速铁路的适用性进行分析。

1 保温结构试验

1.1 正线保温试验段

在哈大高速铁路正线K186+152.17—K186+525.94路堑地段和K186+910.94—K187+099.14路堤地段开展局部保温试验，如图1和图2所示。路肩处保温板铺设在既有纤维混凝土防水层、电缆槽盖板上，同时护肩表面及护肩以下也铺设保温板，保温板厚度为6 cm，材质为XPS，最后路肩上浇筑纤维混凝土防水层。线间先拆除既有纤维混凝土防水层，然后采用中粗砂找平，最后铺设6 cm厚的XPS保温板，其上再浇筑纤维混凝土防水层。

图1 路堤地段保温板设置横断面(单位：m)

图2 路堑地段保温板设置横断面(单位：m)

选取6个路堤保温断面、2个路堑保温断面和6个非保温断面进行监测，分别监测各断面的冻胀与冻结深度情况，监测部位布设在路肩中心。由于轨道板结构下方未设置冻结深度与冻胀传感器，不能获得轨道结构位置冻胀情况。因此，对轨道结构凸台开展水准冻胀观测，同时对路肩位置进行水准冻胀观测以进行横向对比。

1.2 线外保温试验段

由于哈大高速铁路正线保温试验未在轨道结构下方设置传感器，不能全面评价保温结构防冻胀效果。因此，在哈大高速铁路K139+700里程对应位置栅栏外，另行设置了30 m的保温试验段，分别选取15 m实施局部保温和全断面保温试验方案，如图3和图4所示。基床内设置温度、冻胀传感器，通过测试路基温度场和位移场评价其保温效果。

图3 线外试验段局部保温方案(单位：m)

图4 线外试验段全断面保温方案(单位：m)

1.3 保温板材料基本性能测试

试验段采用了XPS保温板，对其热物理性能进行测试，结果见表1。可知，XPS保温板材料在10，25 ℃条件下，热阻性能均大于等于0.89 m2·K/W，导热系数均小于0.03 W/(m·K)，说明该材料是优良的隔热材料。其压缩强度达到304 kPa，远大于高速铁路混凝土底座下的实测动应力水平(一般不超过30 kPa)。保温板材料性能满足高速铁路路基保温的基本要求。

表1 XPS保温板性能测试结果

2 试验结果分析

2.1 正线保温试验结果分析

2.1.1 自动监测结果分析

图5为正线试验段冻结深度对比情况。可知，局部保温路堑断面的冻结深度为28～55 cm，平均值为35 cm；局部保温路堤断面冻结深度为59～66 cm，平均值为62 cm；非保温测试断面冻结深度为111～127 cm，平均值为118 cm。说明保温板能有效降低保温部位的冻结深度。路堑地段的保温效果最好，这与边界热交换条件有密切关系，路堑地段没有路堤地段的临空边坡，更有利于保温。

图5 正线试验段冻结深度情况

图6 正线试验段部分断面冻胀变形发展情况

图6为正线试验段部分断面的冻胀变形发展情况。可知，保温地段总体变形明显小于非保温地段，保温地段的冻胀变形在10～15 mm，而非保温地段的冻胀变形在25～35 mm，明显大于保温地段。保温和非保温地段冻胀发展曲线基本上经历初期反复波动、快速冻胀、稳定增长、波动融沉、融沉稳定5个阶段。保温地段从2012年12月15日左右进入冻胀发展第2阶段；而非保温地段一般从2012年11月30日左右即开始进入第2阶段，从2012年12月20日左右进入第3阶段。保温地段较非保温地段进入第2阶段滞后15 d 左右，说明保温板的设置延缓了冻胀发展。另一方面，局部保温地段较非保温地段先进入融沉阶段，提前约6 d左右，且结束也较早，这与保温地段的冻结深度较浅相关。一个冻融周期之后，局部保温和非保温地段的变形均未恢复至冻胀前的初始值，说明监测部位的土体产生了一定程度的松胀现象。

虽然保温地段冻结深度与冻胀变形均明显小于非保温地段，但其冻胀量依然达到15 mm，说明冻胀变形主要发生基床表层范围。现场调查表明试验段多处路基面的结构缝的封闭措施已经失效，这可能导致大气降水通过结构缝进入基床表层。而基床表层底面两布一膜的存在，使水分容易积聚在基床表层。因此，保温地段的冻结深度虽浅，但冻胀量依然较大。

2.1.2 水准冻胀观测结果分析

图7为2012—2013年轨道凸台和路肩水准冻胀观测结果。可知，保温地段左路肩、上行凸台、下行凸台、右路肩标高变化的平均值分别为1.57，6.41，5.08，0.76 mm，而非保温地段为13.21，7.30，7.09，13.44 mm。保温地段凸台上的冻胀略小于非保温地段，而路肩上的冻胀则明显小于非保温地段。这是因为保温地段只在路肩和线间设置了保温板，而轨道结构位置未设保温板，表明局部保温措施对轨道结构位置的冻胀没有明显影响。

图7 试验段轨道凸台和路肩冻胀情况

图8 线外试验段局部保温段冻胀时程曲线

2.2 线外保温试验段结果分析

2.2.1 局部保温段监测结果分析

为12.7 mm，锤体质量为2.5 kg。机器可以实时记录冲击能量、力、位移、冲击速度和时间等数据。通过改变落锤的下落高度，获得不同的冲击能量，试验分别为5 J、20 J、45 J，对应的冲击速度分别为2 m/s、4 m/s和6 m/s，所有的试验均在室温下进行。

图8为线外保温试验段的局部保温段2个冻融期的冻胀情况。可知，2个冻融期最大冻胀量均发生在轨道结构位置，且均在2月10日左右。2013—2014年冬季，左、右线轨道结构位置最大冻胀量分别达到7 mm 和10 mm；2014—2015年冬季，最大冻胀量分别为9 mm和11 mm。而其他位置冻胀量均没有超过1 mm。这一现象与正线试验段结果一致，说明未铺设保温板的轨道板结构位置是产生冻胀的主要位置。

图9为线外试验段局部保温段温度场分布情况，其中冻结深度线为冬季最冷时0 ℃深度线，即最大冻结深度位置。可知，冻结深度最大值产生在轨道结构位置，冻结深度最大达到1.25 m。其他位置由于铺设了保温板冻结深度均较小。这主要是由于路肩及线间保温板具有保温隔热效应，而轨道结构位置混凝土热传导系数较大，一般在1.5 W/(m·K)左右，远大于保温板热传导系数，导致轨道结构位置冻结深度较大。

图9 线外试验段局部保温段温度场等温线

因此，在线间和路肩局部保温条件下不能有效改善轨道结构位置的冻胀情况。

2.2.2 全断面保温段监测结果分析

图10为2个冻融期线外保温试验段的全断面保温段冻胀变形发展情况。可知，整个断面各位置的冻胀变形均没有超过1 mm。说明保温板起到了防止冻胀的目的。

图10 线外试验段全断面保温段冻胀时程曲线

图11 线外试验段全断面保温段温度场等温线

图11为线外试验段全断面保温段温度场分布情况，其中冻结深度线为冬季最冷时0 ℃深度线，即最大冻结深度位置。可知，保温板上全部为负温，0 ℃深度线正好位于保温板位置。由于采用全断面保温板，轨道位置的“低温窗口”得到有效封闭，降低了全断面的冻结深度。说明全断面保温措施能够最大程度地降低基床的冻结深度。

3 结论

1)XPS保温材料的热阻大于等于0.89 m2·K/W，导热系数小于0.03 W/(m·K)，是优良的隔热材料；压缩强度可达到304 kPa，远大于高速铁路底座下动应力水平。满足高速铁路路基保温的基本要求。

2)路肩和线间局部保温措施只能减小保温部位的冻结深度和冻胀，不能抑制轨道结构位置的冻胀，不适用于季节性冻土地区高速铁路防冻胀设计。

3)全断面保温措施能够降低轨道结构位置的冻结深度和冻胀，有较好的防冻胀效果。季节性冻土地区高速铁路路基可采用全断面保温基床结构进行防冻胀设计。