兰新高速铁路高寒区涵洞及涵路过渡段冻害原因分析

杨增丽，宋小齐，戚志刚，杨有海

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

兰州至乌鲁木齐高速铁路全长 1 776 km，始于兰州西客站，途径西宁站、张掖南站等站，最终引入乌鲁木齐南站。沿线地质条件复杂，路基填料种类较多、物理力学性质复杂，线路结构形式多样，建设期及运营期出现了不同程度的冻害现象，其中浩门—大梁区间线路冻胀变形较严重。调查2015—2017年冻结期内线路冻害情况，发现该区间路基、涵洞及涵路过渡段均存在不同程度的冻胀变形，且冻胀处多，冻胀量大。

本文通过对兰新高速铁路浩门—大梁区间(K1944+875—K1965+500)涵洞及涵路过渡段冻害情况的调查，分析涵洞及涵路过渡段的冻害特征及成因，对冻害防治措施提出建议。

1 冻害调查情况

1.1 地理条件

图1 兰新高速铁路浩门—大梁区间地貌

兰新高速铁路浩门—大梁区间位于祁连山南麓(如图1所示)，线路高程约 3 500 m。由于该区间海拔高，气温低，受祁连山降雨、降雪等的影响，高寒阴湿是显著的气候特点。该区间线路所处地区属于高原温带半干旱大陆性气候区，夏秋受孟加拉湾西南暖湿气流影响，气候凉爽湿润，降雨天数多、降雨量较大(全年降雨量多达600 mm)。冬季寒冷且漫长，自每年10月中旬至次年4月中旬近6个月处于冻结期内，最冷月平均气温可达-14 ℃，极端最低气温可达-34.5 ℃，属于深季节冻土区。

1.2 路基、涵洞及涵路过渡段冻害情况

TB10001—2016《铁路路基设计规范》中定义:一般路基产生不均匀冻胀且冻胀量大于4 mm者为有害冻胀。经调查,浩门—大梁区间有害冻胀多发生于低路堤、浅路堑、零断面换填路基、涵洞及涵路过渡段，且涵洞及涵路过渡段冻胀量较大、冻害数多。

浩门—大梁区间2015—2017年冻害情况见表1。可知：2015—2016年浩门—大梁区间总冻害数63处，其中路堤31处(占总冻害数的49.2%)，路堑2处，涵路过渡段21处(占总冻害数的33.3%)；路堤最大冻胀量5.70 mm，涵路过渡段最大冻胀量15.50 mm。2016—2017年该区间总冻害数40处，其中路堤21处(占总冻害数52.5%)，涵路过渡段14处(占总冻害数35.0%)；路堤最大冻胀量6.51 mm，涵路过渡段最大冻胀量17.78 mm。2015—2017年2个冻结期涵路过渡段最大冻胀量均大于路堤最大冻胀量。

表1 浩门—大梁区间2015—2017年冻害情况

经调查可知，2015—2017年2个冻结期该区间均有8处涵洞发生冻胀变形，占该区间涵洞总数的33.3%。发生冻胀变形的涵洞均为孔径1～2 m的下沉式小型钢筋混凝土箱形涵，所处地形地貌和冻害情况相似。2016—2017年冻结期对K1962+824处涵路过渡段进行冻胀变形监测，结果见表2、图2。

由表2 可知：2015—2017年2个冻结期K1962+824处涵路过渡段冻害数较多，2016—2017年涵路过渡段冻胀量较2015—2016年大，且冻害数多。

表2 K1962+824处涵路过渡段冻害情况

图2 K1962+824处涵顶冻胀量

由图2可知，2016—2017年冻结期内K1962+824处上行线涵顶东侧最大冻胀量18.23 mm，西侧最大冻胀量11.25 mm。下行线涵顶西侧最大冻胀量15.78 mm，东侧最大冻胀量7.21 mm。上行线和下行线冻胀发展趋势基本一致，从2016年12月上旬至2017年2月下旬冻胀量增长速度较快，2月下旬至3月呈缓慢增长趋势，3月20日达到最大冻胀量，3月中旬至5月底随着气温回升冻胀开始回落，5月底回落结束。

2 涵洞及涵路过渡段冻害原因分析

冻胀是填料中土颗粒、空气和水在外界温度条件下相互作用的宏观表现。土质、水分、温度是影响冻胀的三要素。

2.1 土质

浩门—大梁区间地层主要为第四系上更新统冲洪积粉土、细圆砾土、粗圆砾土及卵石土。土壤最大冻结深度200 cm。涵洞中发生冻害处表层主要为粉土，厚0.3～2.5 m，土质不均，含大量植物根系，为松软土。

对该区间部分段落路基基床底层填料进行颗粒分析发现，路基及涵路过渡段基床底层及以下部位多为细颗粒含量较多的B组粗颗粒填料，属于弱敏感～敏感性冻胀填料，易发生冻胀。

2.2 水分

浩门—大梁区间所处地区常年处于阴湿环境中，降雨天数多，降雨量较大，祁连山融雪水充足。2015年降雨量为620 mm，2016年降雨量为575 mm，2015—2016年年均降雪量均在230 mm以上。受地形、工程活动等因素的影响，水分积存于线路周围渗入路基中。海拔高、气温低、水分蒸发困难，造成填料中含水率过高(约13.4%～15.0%)。

发生冻害涵洞周围地势较低，易积水。地表水经各种途径渗入涵底地基及涵路过渡段中，使得填料含水率增大且不易蒸发。排水不畅、地表水下渗至填料中且难以蒸发是导致该区间路基、涵洞和涵路过渡段产生冻胀变形的主要原因。

2.3 温度

浩门—大梁区间所处地区位于高海拔地区，入冬时间早，冬季持续时间长，该地区2016年10月至2017年5月气温变化情况见表3。可见该地区冬季气温低，负温持续时间长。

表3 浩门—大梁区间2016年10月至2017年5月气温变化 ℃

发生冻害的涵洞顶部填土均较薄，冷源易传输，涵洞在路基中起到大型通风管的作用，涵洞及涵路过渡段受轨道板、边坡及涵洞内壁多向冷源作用，呈现多向冻结现象。涵顶填土及涵路过渡段对气温变化反应灵敏，涵洞及涵路过渡段比路基冻结早、冻结深度大。

3 涵洞及涵路过渡段冻害整治措施

铁路路基、涵洞及涵路过渡段冻害防治可从防排水、保温隔热、填料换填和改良等方面进行。兰新高速铁路已经建成通车，路基填料换填和改良实施难度较大，为了不影响高速铁路的正常运营，对该区间冻害采取降低土中含水率及改善温度场的方法进行整治。具体如下：

1)设置渗水盲沟，排除、疏干填料中水分。考虑线路周围排水不畅及地表水下渗现象，在冻害段路基及涵路过渡段两侧各设置1道渗水盲沟。渗水盲沟设置范围K1962+288—K1962+444段、K1962+466—K1962+823段、K1962+825—K1963+168段，调查结果表明冻害防治效果良好。

2)入冬前封堵涵洞出入口，减弱涵洞的通风效应，改善温度条件。2016年10月将浩门—大梁区间涵洞的出入口进行封堵。以K1959+587处涵洞及涵路过渡段的冻害情况为例，2016—2017年冬季冻害数从2015—2016年冬季的4处减少为2处，最大冻胀量从7.10 mm减小到4.62 mm，冻害整治效果较好。

3)设置疏干排水孔，排除涵路过渡段中的水分，抑制冻胀产生。针对冻胀量大且冻害治理效果不佳的涵洞和涵路过渡段可纵向设置疏干排水孔。自涵洞内壁向过渡段打设1～3排疏干排水孔，横向间距1.5～2.0 m，孔深10～15 m，孔道内安装软式透水管。为防止管口处冻结堵塞，管长向外延伸10～20 cm，并做好保温措施，如图3所示。

图3 纵向疏干排水孔及涵洞内侧保温层设置

4)设置保温层及保温护道，在涵洞内壁铺设保温板及在涵路过渡段两侧设置保温护道，以改善涵洞及涵路过渡段的温度场。鉴于兰新高速铁路浩门—大梁区间冻害涵洞顶部填土较薄，可在涵洞内壁铺设10～20 cm厚XPS(挤塑型聚苯乙烯)保温板，起到保温隔热的作用。

4 结论与建议

1)兰新高速铁路浩门—大梁区间位于祁连山南麓，海拔高，气候凉爽湿润，冬季寒冷，有近6个月处于冻结期，属于深季节冻土区。

2)该区间线路冻害多发生于低路堤、浅路堑、零断面换填路基、涵洞及涵路过渡段，且涵洞及涵路过渡段冻胀量较大。发生冻害的涵洞为下沉式小型涵。路基及涵路过渡段基床底层及以下部位填料为细颗粒含量较多的B组粗颗粒填料，填料含水率约13.4%～15.0%，属于弱敏感～敏感性冻胀填料。

3)设置渗水盲沟，入冬前封堵涵洞出入口，对冻害治理有一定作用。对冻害严重的涵洞及涵路过渡段，可在涵洞内壁铺设保温材料，涵路过渡段中设置疏干排水孔、两侧设置保温护道。