京沈客专季节性冻土区路基结构防冻胀技术

张义理

（中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006）

1 引言

我国北方地区冬季寒冷，大部分区域存在季节性冻土，影响深度一般在1～3 m之间。季节性冻土具有冬季冻胀、夏季融化的特点，会造成土体性质变化，对路基工程结构的稳定性具有重大影响。目前在冻土区建造的铁路［1］和公路［2］路基工程中，冬季经常会出现路基冻胀、变形、开裂等现象，且随着地表水的渗入使路基土体软化，造成路基弹簧、不均匀沉陷、边坡滑溜等病害，严重影响铁路和公路的运营安全。基于此，京沈客专TJ-8标段路基工程在施工过程中，针对季节性冻土需采取多项治理技术措施，以确保季节性冻土区路基结构的稳定。

2 工程概况

北京至沈阳铁路客运专线（辽宁段）正线全长406.7 km，沿途经过沈阳市、阜新市、锦州市和朝阳市。采用CRTSⅢ型板式无砟轨道结构，设计时速350 km，对路基的结构稳定性要求极高（工后沉降总量不得超过15 mm、差异沉降不得超过5 mm）。线路穿越季节性冻土区路基工点224处，长113.4 km，占线路建筑长度的28%。由中铁十七局集团有限公司施工的京沈客专TJ-8标段正线全长35.5 km，其中路基共25段总长13 km。工程位于辽宁省阜新市，历年平均气温8.5℃，最冷月平均气温-11.1℃，极端最低气温-30.9℃，冬季风大、雪厚，气候寒冷，冻土深度达1.4 m左右［3］。在冻土区进行路基施工，工点多且分散，纵向刚度变化均匀性要求高，防冻胀技术措施复杂，确保路基结构稳定难度大。

3 路基冻胀原理及冻结深度

3.1 路基冻胀原理

寒冷地区土体产生冻胀的原因主要有三大要素，即水、冻胀敏感性的土及土中的负温［4］。土体中的水分是导致冻胀的物质因素，水分主要来自于降水、地下水甚至水蒸汽。由于土体冻结过程中温度差异导致的吸力，冻结锋面附近甚至其下很深部位的水分都可能迁移上来形成冰透镜体。如果具备负地温和冻胀敏感性土体条件，甚至在没有自由水体补充的情况下也一样会产生相当大的冻胀量。而且，非饱和土体在冻结过程中也会产生一定的冻胀量。因此，在路基工程中，水分是导致冻胀产生的关键性因素之一，区域地下水分布、补给和运移对冻胀产生的影响十分重大［5］。土中的负温影响最直接的表现就是冻深。技术人员对确定冻胀敏感性土体的不同判别标准分别进行过论述。当路基基床表层采用级配碎石时［6］，受地表水下渗等影响，其冻胀量约占路基总冻胀量的40%，级配碎石冻胀对路基的稳定性影响较大。根据相关规范规定，A、B组填料中细粒（直径为0.075 mm以下的颗粒）含量应小于15%。

目前我国采用的防冻胀措施一般从影响冻胀发生的三要素（水、冻胀敏感性的土及土中的负温）入手，即采取防水、改善填料及干涉地温等方法［7］。根据工程的实际情况，可以单独使用其中一种，也可以综合使用。

3.2 冻结深度计算

根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118-2011）的规定，设计冻深 Zd可按照下式计算［8］：

式中：Z0为标准冻结深度；ψzs为土的类别对冻深的影响系数；ψzw为冻胀性对冻深的影响系数；ψze为周围环境对冻深的影响系数；ψzt0为地形对冻深的影响系数。

经计算，京沈客专TJ-8标段最大冻结深度为1.4 m，设计冻深为 2.25 m［9］。

4 京沈客专路基防冻胀技术措施

4.1 路堑防冻胀技术

开挖路堑地段的路基主要采用对冻胀敏感性的土进行换填、对地表水进行隔离、对地下水进行引排［10］等综合治理技术。

硬质岩路堑地段凿除硬质岩基床路基面以下0.2 m范围内原地层，用高压水冲洗后，浇筑C35素混凝土封层，并配置φ12@200双向面筋；软质岩路堑地段设计冻深范围内采用混凝土基床，基床表层浇筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土浇筑，厚1.75 m，混凝土基床以下设置碎石垫层，厚0.25 m；土质路堑地段设计冻深范围内采用混凝土基床，基床表层浇筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土浇筑，厚1.75 m，混凝土基床下设置碎石垫层，厚0.5 m；黄土及膨胀岩路堑地段设计冻深范围内采用混凝土基床，基床表层浇筑0.5 m厚的C35混凝土，其下采用C20混凝土浇筑，厚1.75 m，混凝土基床下设置碎石垫层，厚0.25 m，碎石垫层下换填三七灰土，厚0.25 m。

为了保证路基不受地表水下渗的影响，在混凝土基床两侧路基顶面从上到下依次设置预制块铺面、砂垫层、两布一膜隔水层和三七灰土。其中，两布一膜设置于电缆槽下，通过侧沟侧壁泄水孔将地表水排出。标准路堑断面如图1所示。

图1 标准路堑断面（单位：m）

地下水发育地段路堑，在路基侧沟平台下设置渗水暗沟截排地下水。路堑边坡位于地下水位以下时［11］，边坡设置支撑渗沟，可根据地下水流向及流量在一侧或两侧设置。纵向渗水盲沟宽1.0 m，沟内充填洗净的碎石，下设C25混凝土基础，厚0.2 m，其上设φ315 mm PVC带孔双壁波纹渗水管，渗沟四周采用一层透水土工布包裹。渗水管设置于设计冻深以下不小于0.25 m，如有基床换填，尚应低于换填层下不小于0.2 m，保证路基范围内影响结构稳定的地下水能随时排走［5］。纵向渗水盲沟设置如图2所示。

图2 纵向渗水盲沟剖面（单位：m）

沿线路方向每隔30 m及平纵断面转折处设圆形预制拼装式检查井，检查井露出侧沟平台或地面不小于0.3 m。渗沟出水口处采取保温措施，通过保温出水口将水排入排水沟、冲沟或涵洞中。保温出口应设置在距线路一定距离、地势开阔、落差大而且朝阳避风的地点。具体作法如下。

（1）出水口采用掩埋式锥体保温出口，保温出口内设集水井。集水井于保温出口轴向及两侧夹角45°方向各设置1个圆形出水口，出水口底高出地面不小于0.5 m。路基盲沟下最后一个检查井外采用公称内径0.3m、壁厚30mm的C25混凝土排水管将水排入集水井内，排水管的管节之间搭接应严密，不得出现渗漏水现象，混凝土排水管底设C25现浇混凝土基础。

（2）蓄水带为片石码砌，其顶部应高出管顶以上50 cm。片石四周设厚0.3 m碎石垫层，片石与碎石间铺设一层透水土工布，在碎石垫层顶面外侧及两侧铺设XPS保温板，厚0.1 m。蓄水带纵向设干砌片石出水口，出水口平面为扇形，其干砌片石厚度不小于0.5 m。碎石垫层顶埋深不小于设计冻深。

（3）检查井至集水井段保温体顶面宽2.0 m，两侧边坡坡度为1∶2.0，路基面及两侧边坡均采用C25混凝土六边形空心砖防护。当混凝土排水管位于地面以下时，沿排水管基础两侧按照1∶0.2坡度开挖，并原土回填。

（4）保温出口两侧及出水端部坡率均为1∶2.0的锥体，其端部边坡及两侧边坡于XPS保温板外夯填黏性土。保温出口四周边坡（端部、顶部及两侧）均采用C25混凝土六边形空心砖防护，于坡脚设置C25现浇混凝土护脚基础，基础混凝土浇筑前应在干砌片石顶部设置塑料布隔离层。

其保温出水口断面如图3所示。

图3 保温出水口断面（单位：m）

4.2 路堤防冻胀技术措施

填方路堤地段的路基主要采用路基填料改良和对地表水进行隔离等综合治理技术。

路堤地段无砟轨道正线路基基床总厚度为2.8m，基床范围内从上到下依次为C35混凝土、C20混凝土、掺5%水泥级配碎石［12］和 A、B组填料。其中C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度为最大冻结深度减0.5 m（厚度值取1 m），掺5%水泥级配碎石厚度为设计冻深减最大冻结深度（厚度值取0.9 m）。标准路堤断面如图4所示。

图4 标准路堤断面（单位：m）

4.3 过渡段技术措施

路桥过渡段、路堤与横向结构物（立交框构、箱涵等）过渡段采用倒梯形方案。设计冻深范围内采用混凝土基床及级配碎石掺5%水泥填筑，设计冻深以下倒梯形部分填筑掺入3%水泥的级配碎石。路隧过渡段采用混凝土基床结构。

5 路基施工控制要点

（1）级配碎石通过试验选定配合比，采用连续级配，细颗粒含量比例在5%以下，并通过试验段进行验证，确保压实标准满足压实系数K≥0.95、地基系数K30≥150 MPa/m、动态变形模量Evd≥50 MPa。

（2）路基填筑必须全宽一次施工，严禁纵向接缝。路基横坡按5%控制，填筑表面应平整，防止雨水下渗，形成冻胀隐患。

（3）路基摊铺、平整和压实要严格按试验段取得的数据进行控制，虚铺厚度不超过30 cm，60 t振动压路机压实不少于4遍，不得出现粗粒料或细料堆积现象。

（4）混凝土基床施工时振捣要密实、收面要平整、养护要保湿，分块处接缝须平整，缝内填塞防水胶条要严密，防止施工缝渗水。

（5）带膜土工布施工时，上层砂垫层必须采用人工作业，严禁重型设备直接在砂垫层上作业，以防损坏带膜土工布。

（6）渗水盲沟内的碎石需冲洗干净，碎石分层填筑，采用平板振动器振动密实，确保路基稳定；带孔双壁波纹排水管的纵向排水坡度不得小于2%，确保地下水排出畅通。

（7）保温出水口的干砌片石要立砌稳固，确保结构稳定和排水畅通；保温板底面要平整、搭接要紧密、安装要牢固，确保长期保温效果。

（8）路基完成混凝土强度达到要求后，进行堆载预压，加速路基固结和稳定，堆载预压期为6个月。

6 沉降观测及效果评价

观测断面沿线路方向一般间距不大于50 m，路桥过渡段在紧靠桥台及距离桥台5 m、30 m处各设1个观测断面，涵洞（框构）每侧各设1个观测断面。图5为观测断面（514315）路基顶面工后沉降变形曲线。

图5 514315断面路基顶面沉降曲线

通过对沉降观测数据进行分析可知，路基工后沉降最大值为2.1 mm，2016-2017冬期冻胀变形影响在0.5 mm以内，满足路基结构稳定性要求。

7 结束语

本文以京沈客专TJ-8标段季节性冻土区路基工程为依托，采用理论分析和现场实践相结合的方法，对季节性冻土区路基结构稳定技术进行深入研究。通过采用对路基填料改良，以及对地表水和地下水综合治理等措施，取得了显著效果，经检测路基工程质量达到验标要求，各项监测数据指标均未超标，路基结构稳定，为无砟轨道施工和京沈客专开通运营创造了良好的条件。