丹大铁路路基冻害原因分析及整治对策

曹 密

（中国铁路沈阳局集团有限公司，辽宁沈阳 110001）

丹大铁路位于辽东半岛、黄海之滨，是东北地区首条滨海快速铁路，西起大连，向东北方向途径庄河市，终至丹东市，为双线电气化客货混跑有砟轨道。速度目标值200 km/h，全线营业里程293 km，线路延展长度586.629 km，其中路基延展长度285.679 km，占比48.7%。自2015年12月17日开通运营以来，路基的冻害问题一直困扰着铁路运营和维护工作，影响了冬季铁路运营的舒适性、平稳性和安全性。

本文通过对丹大铁路典型路基冻害地段进行取样勘察、数值模拟分析，研究丹大铁路涵洞顶部的冻害原因［1-3］，并开展冻害处理对策的研讨［4-5］，为严寒地区铁路冻害整治提供借鉴。

1 丹大铁路历年冻害情况

丹大铁路基床厚度为2.5 m，其中基床表层厚度为0.6 m，基床底层厚度为1.9 m。基床表层采用级配碎石填筑，基床底层采用A，B 组填料或改良土，其中基床表层底面以下至冻结深度范围内填筑非冻胀性A、B组填料（细颗粒含量小于15%）。沿线季节性冻土层厚0.88～1.20 m。

丹大铁路历年冻害情况见表1。可知，2015—2016年冻害59 处（涵顶53 处，占比90%），最大冻胀量15 mm。因丹大铁路开通时已入冬，加之初期部分地段路基不稳定，故未统计完全，冻害数量偏少。2016—2017年冻害203 处（涵顶146 处，占比72%），最大冻胀量25 mm；2017—2018年冻害134 处（涵顶87 处，占比65%），最大冻胀量16 mm；2018—2019年冻害133处（涵顶102 处，占比77%），最大冻胀量10 mm。从冻害发生位置看，涵洞顶部发生冻害较多，经现场调查，涵顶填土厚度均在0.6～2.5 m。从冻胀量方面分析，近3年最大冻胀量、平均冻胀量均呈现下降趋势。

表1 丹大铁路历年冻害情况

按冻害发展变化时间看，丹大铁路冻害一般在12月上旬发生并持续上涨，至次年2月中旬基本稳定，3月下旬、4月上旬开始回落，4月下旬可全部回落完毕。冻融期达5个月，约130～150 d。

2 现场取样分析

2.1 取样工点概况

根据丹大铁路冻害情况，选取丹大铁路旅客通道、涵洞、涵洞相邻路堤、涵洞相邻路堑4 种类型地段挖取土样，里程分别为K225+150，K225+476，191+450和 K296+320。天窗时间为 2016年5月9日至 2016年5月11日。根据丹大铁路基床结构，分别选取了土工布上、下基床表层与基床底层的填料。每层取样2袋，质量均约5 kg，分别位于路基面以下0.2 m 和0.6 m的位置，如图1所示。

图1 取样位置示意（单位：cm）

2.2 取样结果分析

按TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》开展填料颗粒分析及含水率试验，检测结果见表2、表3。

基床表层级配碎石级配按照TB/T 2897—1998《铁路碎石道床底碴》中关于“基床表层级配碎石”的相关规定设计。由表2可知，取样位置的基床表层级配碎石的级配基本满足规范要求。

设计中对基床底层填料细料的规定为“填筑非冻胀性A，B 组填料（非冻胀填料要求细颗粒含量小于15%，细砂不可用作路基填料）”。由表3可知，细颗粒含量也有3处超过标准要求。

表2 基床表层填料颗粒分析及含水率试验结果

表3 基床底层不同深度填料颗粒分析及含水率试验结果

近年来，根据高速铁路冻胀相关的课题成果，在严寒地区修建高速铁路对冻结深度范围的填料提出了更高的要求，TB 10621—2014《高速铁路设计规范》要求细颗粒含量不超过5%。按照此规范，则全部取样地段的细颗粒含量均超过了标准值。

不同位置处基床底层含水率见表4。可知，各基床底层取样位置的含水率均较高，说明填料本身的持水能力较高，这为冻胀的发生提供了必要条件。

表4 不同位置处基床底层含水率

3 数值模拟分析

为了研究涵洞上部填土温度场分布及冻结深度变化情况，本文采用ABAQUS 有限元软件，对路基温度场及冻结深度变化进行数值模拟计算［6］。模型材料类型包括钢筋混凝土、AB 非冻胀土和级配碎石。材料属性见表5。轨枕和涵洞顶部为钢筋混凝土，道砟和边坡采用级配碎石表示，道砟以下及涵洞上部填土为AB非冻胀土，计算模型见图2。

表5 模型材料属性

图2 计算模型

该模型所用温度为丹东历史温度，由于计算频率按照1次/d，采用夜间24：00时左右的气温作为日平均气温，计算结果与实际情况会存在一定程度的误差。计 算 时 间 为 2015年11月14日 至 2016年2月29日 。2015年12月28日涵洞顶部路基温度场云图见图3。路基断面线路中心和路肩外侧的温度随时间变化曲线见图4。可知，同一时间内线路中心、路肩温度随时间变化的趋势大致相同，11月下旬地温达到0 ℃以下，1月下旬达到最低温度（约-10 ℃），期间受气温变化影响地温产生短期波动。

图3 路基温度场云图

图4 不同位置路基温度随时间变化曲线

路基冻结深度随时间变化曲线见图5，浅层冻结深度指由地表向下冻结的深度，深层冻结深度指由涵洞顶部向上冻结的深度。由图5可知：在2016年1月1日前，涵洞上部填土已经全部冻结，至2月29日为止未出现融化现象。这说明涵洞位置存在双向冻结的现象，导致涵洞顶部较其他位置的冻结深度偏大。

图5 路基冻结深度随时间变化曲线

4 冻害原因分析及处理对策研究

4.1 冻害原因分析

基床底层填料细粒含量较高，超过当时建设的对于非冻胀填料的规范要求，而且含水率也较大，是丹大铁路产生冻害的根源。同时由于填料细颗粒含量较高，其自然持水率也会较高，同时由于丹大铁路沿线降水较为丰富，入冬之前雨水入渗路基，不易排出，这也是填料含水率较高的原因。

通过数值模拟可知，在涵洞位置，涵洞顶部填土会发生双向冻结，导致涵洞顶一般冻结深度较大，冻结层厚度增加速度快于一般路基地段，其冻胀速度也较一般地段快。另外，由于重力作用，入冬前大气降水入渗，水分滞留在涵洞顶部，填料排水性能较差，导致水分没有来得及排出就已经原位冻结，产生较大冻胀。

4.2 整治对策分析

针对丹大铁路冻害特征，除了抬高道砟、注盐措施外，还有以下整治措施：

1）强化疏排水。对于涵洞顶填料不良、自然持水率较高的情况，应强化疏排水措施［7］。可在涵洞顶部高密度设置排水通道，例如每0.5 m 设置1 根平排孔，或者在涵洞顶内侧向上设置垂直排水孔，将基床中的自由水充分排出，从而达到降低路基冻胀的目的。

2）不良填料改性。由于填料本身高持水特性，在自由水排出的情况下，其本身产生的冻胀也会较大。因此，可对填料进行冻胀特性改良，例如采用高密度钻孔进行精细化注盐，使填料的冰点降低至当地最低温程度，从而消除冻胀。另外，也可采用高渗透化学注浆技术，降低填料的自然持水率，增加填料的整体性和刚度，以降低填料的冻胀特性［8］。

3）填料强化置换。强化疏排水措施与不良填料改性技术均治标不治本，无法根除铁路路基的冻胀病害。可通过对涵洞上部填土进行横向置换，达到消除冻害的目的。针对涵洞上部填土冻胀层位，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，在实施过程中保持轨道结构几何状态的稳定，从而实现运营有砟铁路路基冻害处理的“一劳永逸”，解决长期以来由铁路路基反复冻融造成的运营和维护难题［9-10］。

5 结论

1）通过现场取样分析，丹大铁路路基冻害的主要原因为基床底层填料不良，其细颗粒含量较高，导致自然持水率较高，填料冻胀率较大，加上涵洞顶存在双向冻结现象，导致了涵洞顶冻胀问题突出。

2）针对丹大铁路冻害可采取强化疏排水、不良填料改性和填料强化置换等措施进行综合整治。

3）铁路运营对线路平顺性要求较高，严寒地区铁路建设严格控制填料质量，是运营后冬季线路平顺性的根本保证。