季节冻土地区高速铁路路基设计

崔维孝

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300300)

随着高速铁路建设的发展，中国高速铁路技术取得了长足的进步，高速铁路运营里程已超过3万km。哈大、哈齐高速铁路的成功建设，记录了满足高速铁路无砟轨道平顺运行的季节冻土地区，路基冻胀变形控制技术从发展到成熟的过程。从严格意义上讲，我国首条高速无砟轨道—京津城际铁路也位于季节冻土地区，但业内更认为高速铁路路基冻胀变形控制的真正考验始于哈大高速铁路。

京津城际铁路沿线土壤最大冻结深度0.8 m，设计主要对路基基床表层级配碎石的细颗粒含量提出了要求：颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于5.0%(重量比)；压实后颗粒粒径d≤0.075 mm含量不大于7.0%[1]。开通运营后未发生影响轨道平顺性的冻胀变形。

2012年2月，哈大高速铁路建设过程中，轨检发现有4处平顺性超标较为严重，路基冻胀问题随之获得广泛关注，气象资料表明，超标严重的4处路基地段，土壤最大冻结深度为0.93～1.06 m。当时在建的盘营、沈丹、哈齐等高速铁路无砟轨道相应开展了对路基防冻措施的重新审视，对于自然条件更为恶劣的哈齐高速铁路，甚至建议改为有砟轨道。2015年8月17日，哈齐高速铁路建成通车，四年多的安全运营早已证明采用无砟轨道的正确性，同时对于路基防冻胀技术的发展更是具有里程碑的意义。

1 哈大高速铁路基冻胀变形控制

1.1 工程概况

哈大高速铁路南起大连，经辽宁省营口、鞍山、辽阳、沈阳、铁岭，吉林省四平、长春、松原，终至黑龙江省会哈尔滨，线路纵贯东北三省，途径3个省会城市和7个地级市及其所辖区县。

线路沿线经过低山缓丘区、剥蚀平原微丘区、滨海平原区、冲洪积平原区等地貌单元，工程涉及地层有粉土、粉质黏土、黏质黄土、砂砾石土、泥岩夹砂岩、安山岩、花岗岩等。沿线地下水主要有第四系松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水。

哈大高速铁路沿线气候寒冷，其极端最低温度-39.9 ℃，最大积雪厚度30 cm，沿线土壤最大冻结深度0.93～2.05 m，每年从10月开始冻结，次年4～5月全部融化，经历时间长达5～6个月。

哈大高速铁路线路长903.939 km，路基地段长231.245 km，其中无砟轨道地段路基长181.97 km(路堤地段长111.95 km，路堑地段长70.02 km)。

1.2 路基防冻设计

围绕路基冻胀三要素中的土质和水，路基防冻设计遵循了本体防冻为主，封水和排水为辅的原则。沈大段路基采用的防冻胀措施主要有[2]：

(1)路基表面封水

路基表面设置纤维混凝土封水层，以利于路基表面排水和减少地表水下渗。

(2)路基表面防冻层

路基表面设置防冻层，厚度等于从气象部门得到的土壤最大冻结深度。

防冻层主要由0.55 m厚级配碎石和A、B组填料两部分组成。防冻层级配碎石需满足颗粒粒径d≤0.075 mm的含量不大于5.0%，压实后不大于7.0%的要求。防冻层A、B组填料需满足颗粒粒径d≤0.075 mm的含量不大于15%的要求。考虑到防冻层下部细颗粒含量控制要求相对较低，防冻性能低于上部的级配碎石，于两层之间设置了0.05 m厚的中粗砂+两布一膜不透水土工布隔水层。

路堑地段均采用路堤式路堑断面形式，路堤高度0.7 m。弱风化～未风化硬质岩路堑采用天然基床，超挖时以C20混凝土找平。弱风化及未风化的泥灰岩和强风化硬质岩路堑基床表面以下换填0.55 m厚防冻层级配碎石，其它路堑换填厚度均不小于防冻层厚度。

(3)排水措施

每隔一定距离于线间设置挡水缘，对应挡水缘处在轨道底座设置排水管实现线间排水。路堑段路基面两侧设置侧沟。地下水位较高的路堑及低路堤地段设置渗水盲沟。路基换填厚度不小于防冻层厚度的地段，于换填层底部设置复合排水网，底部两侧设渗水盲管。

(4)过渡段

过渡段填筑采用掺5%水泥的级配碎石。

1．3 冻胀变形情况[3]

哈大高速铁路2012-2013年度路基地段轨道凸台冻胀变形观测结果如表1所示，冻胀变形小于4 mm的百分比分类统计如表2所示。由表2 可知，全线冻胀变形小于4 mm的测点占全部测点的61.1%，其中路堤地段为45.6%，路堑地段为59.1%，过渡段为73%。路堑地段变形控制情况总体优于路堤地段。

表1 2012-2013年度路基地段冻胀变形统计表

表2 2012-2013年度冻胀变形小于4 mm的百分比分类统计表

2013-2014年度变形观测区段主要选取了 2012-2013年度检测冻胀变形≥5 mm的区段，将相同段落2012-2013年度与2013-2014年度冻胀变形的数据进行对比,如表3所示。从表3可以看出，冻胀变形小于4 mm的测点百分比由49%增加至60.3%，大于12mm的测点百分比由5.8%减少至3.3%。路基防冻性能具有随时间延续趋好的势头，路堤与路堑地段均具有相同的趋势(如表4、表5所示)。路堤地段由36.2%增加至57.4%，路堑地段由34.5%增加至49.3%，路堤地段改善的百分比更高。

表3 相同观测区段冻胀变形年度变化统计表

表4 路堤地段相同观测区段冻胀变形年度变化统计表

表5 路堑地段相同观测区段冻胀变形年度变化统计表

2 哈齐高速铁路冻胀变形控制

2．1 工程概况

哈齐高速铁路线路长280.879 km，路基地段长107.3 km(无砟轨道路基长103.53 km)，其中填高小于基床厚度的路基地段累计40.86 km，占全线路基长度的38.1%。

哈齐高速铁路位于松嫩平原，其中DK 139+264～DK 144+380段位于龙凤湿地，DK 221+940～DK 253+420段位于扎龙湿地。沿线河流均属松花江水系，主要河流有松花江、嫩江以及一些小的支流。沿线地下水较丰富，地下水类型主要为第四系孔隙潜水，局部为基岩裂隙水及承压水。地下水埋深0～16.30 m(高程113.06～134.49 m)，主要含水层为砂类土及碎石类土。主要靠大气降水和地表水补给，水位变幅1.0～3.0 m。沿线大部分地段属于中温带亚湿润～亚干旱大陆性季风气候区。沿线最冷月平均气温均低 于-15 ℃，按对铁路工程影响的气候分区，均属于严寒地区。土壤最大冻结深度1.89～2.72 m。

2.2 路基防冻设计

本线地处严寒地区，路基防冻主要采取限制路堤最小高度、改善路基填料或基床结构、设置隔水层及防冻胀护道、加强表水的排除等措施[4]。

(1)限制路堤最小高度

路堤高度原则上大于土壤最大冻结深度+0.5 m，常年积水地段，路基面应高于常水位以上且不小于土壤最大冻结深度+0.5 m。

(2)路基面防排水设计

基床表层顶部设置0.08 m厚纤维混凝土封水层，无砟轨道路基地段线间排水采用在底座间设置横向排水通道的方式。

(3)一般路基地段防冻胀设计

路基表面设置防冻层，厚度等于从气象部门搜集得到的土壤最大冻结深度+0.25 m。防冻层由0.4 m厚掺5%水泥的级配碎石和A、B组填料两部分组成。防冻层级配碎石细颗粒含量不大于5.0%，0.02 mm以下颗粒质量百分率不大于3%。防冻层A、B组填料细颗粒含量不大于5%、压实后不大于7%，压实后渗透系数不小于5×10-5m/s。粒径小于 0.5 mm的细颗粒的液限不大于25%，塑性指数小于6。不允许含有黏土及其它杂质。

(4)低路堤防冻设计

由于地势低洼，不具备降水条件，对于路肩高程距离地下水位高程小于土壤最大冻结深度+2.0 m的低路堤段(累计27.4 km)设置了混凝土基床。混凝土基床采用C35素混凝土浇筑，表面设置钢筋网，厚度为土壤最大冻结深度+0.25 m。混凝土基床每隔20 m设置1道伸缩缝，缝内填塞木丝板并设置传力杆钢筋调整差异变形。

路肩高程距离地下水位高程大于土壤最大冻结深度+2.0 m的低路堤段(累计10.4 km)的防冻层设计与一般路基地段相同，于路基既有线侧设置渗水盲沟，因地势低洼不具备自然排水条件，沿线路长度间隔约150 m设置渗水井，将渗水盲沟汇集的水通过渗水井导入地下地层疏排。

(5)保温护道设计

一般路基地段坡脚两侧设置保温护道，护道宽度不小于2.5 m，护道顶面位于基床表层底面，护道内设置0.3 m厚渗水土排水层。

2.3 冻胀变形情况[5]

连续3个冬季的观测资料表明，混凝土基床地段冻胀量小于4 mm的百分比达90%以上，且逐年提高。随着底座板、轨道板等铺设完成，2014-2015年冬季混凝土基床监测点冻胀量均小于4 mm。2012-2015年度混凝土基床地段冻胀变形统计结果如表6所示。

表6 混凝土基床地段冻胀变形统计表

采用填料作为防冻层的路基地段，冻胀量小于4 mm的百分比同样具有逐年增加的特点，如表7所示。2012-2013年冬季路基基床表层尚未填筑，冻胀量小于4 mm的百分比仅为57.0%，2013-2014年冬季路基表层填筑完成，冻胀量小于4 mm的百分比提高至91.8%，2014-2015年冬季，冻胀量小于4 mm的百分比已高达99.3%。

表7 填料防冻层地段冻胀变形统计表

2.4 路基试验段

哈齐高速铁路路基防冻试验段位于宋站附近，起讫里程为DK 96+300～DK 96+850，沿线地势低洼，常年积水，土壤最大冻结深度2.14 m，路堤填高3.5～4.1 m。为避免地面积水对路基冻胀产生不利影响，路基防冻层以下填筑碎石，试验段的工程方案如表8所示，施工采用的级配碎石粒径级配如表9所示。根据2014-2015年冬季的观测结果，试验段各段冻结深度为2.3～3.1 m，各段最大冻胀变形分别为1.6 mm、2.1 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.1 mm和5.4 mm。

表8 试验段工程方案表

表9 试验段级配碎石粒径参数表

DK 96+400～DK 96+550段路基表面未采取封水措施，最大冻胀变形2.1 mm，与采取不同封水措施的其它各段比较，防冻胀性能没有明显差别。鉴于高速铁路广泛采用的纤维混凝土封闭层存在大量结构缝，不可避免地产生渗漏，在采用渗透性能良好的填料防冻的前提下，封堵措施不是不可或缺的。

DK 96+550～DK 96+600段路基采用了不依赖于接缝处理的路基面封堵方案，即在路基面可能下渗的部位铺设防水层，其上覆盖防止防水层老化的保护层。但预制块体铺面不满足工务部门要求，该方案在推广应用时将保护层由预制铺面(如图1所示)调整为纤维混凝土现浇。

图1 施工完成的预制铺面路基面图

考虑到渗透性级配碎石的压实性能相对偏差，DK 96+500～DK 96+850段路基采用了双层结构，表层掺加一定比例的水泥可提高压实性能，并减少表水下渗；下层渗透性较好，可避免表层下渗水的滞留，从而提高抗冻胀性能，是一种值得推广的结构形式。

3 路基冻胀变形控制要求

现行规范没有针对路基冻胀变形提出限值，中国铁道科学研究院建议了基于不平顺的冻胀控制峰值[6]，如表10所示。

表10 基于不平顺的冻胀峰值控制建议值表(速度300 km/h)

项目路基冻胀管理值/mm波长范围Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级≤10 m6101210～20 m10121520～40 m141620

4 防冻层填料技术要求

将试样泡水，自由渗透24 h，然后对试样进行冻胀试验，得到最不利条件下填料的冻胀试验结果[6]，如图2所示。随着砾以下颗粒的不断剔除，试样的冻胀率不断降低，当0.075 mm以下粒径颗粒被剔除后，粗骨料的冻胀率均小于0.65%。

图2 细粒含量对冻胀的影响图

按冻结厚度3 m计算，冻胀率0.65%可以达到的冻胀变形为19.5 mm，路基采用填料防冻胀变形不能满足高速铁路的要求。但因实验室模拟的是最不利条件，实际工程中，由于采取了防排水等辅助性工程措施，最不利条件几乎不会发生。

基于哈齐等高速铁路的成功建设，哈齐高速铁路防冻层填料的技术要求可以满足高速铁路冻胀变形控制要求，没有进一步提高的必要性。

5 防冻层厚度的确定

哈大高速铁路沈大段路基防冻层厚度采用了从气象部门收集的土壤最大冻结深度，哈齐高速铁路则在土壤最大冻结深度的基础上增加了0.25 m。鉴于哈齐高速铁路采用的混凝土基床导热系数均高于土壤冻结深度测定所设定的土质条件，就出现了按土壤最大冻结深度设防是否可靠的问题。

哈大、哈齐、沈丹等高速铁路均进行了相关测量，均存在实测冻结深度大于收集资料确定的土壤最大冻结深度的情况。沈丹高速铁路部分测量结果如表11所示。

表11 沈丹高速铁路实测冻结深度与土壤最大冻结深度对比表

尽管如此，目前尚未发现由于设防厚度不足而引起的高速铁路路基冻胀病害，究其原因，有害冻结深度的概念已经提出多年，不是所有的冻结都会产生冻胀变形，由于上覆荷载的约束作用，深部冻结的冻胀效应被削弱。

为提高路基防冻胀厚度确定的可靠性和合理性，借鉴JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》，设计冻结深度基于标准冻结深度，考虑土的类别、冻胀性、周围环境及地形环境综合确定[7]。设计时，若确定的设计冻结深度小于观测所得土壤最大冻结深度，宜按土壤最大冻结深度取值。

图3 Cryosphere Engineering Laboratory测量成果图

6 轨道结构对路基冻胀变形的影响

虽然无砟轨道结构对变形的控制要求比有砟轨道要严格得多，可对于路基冻胀变形控制的重视程度也因高速铁路无砟轨道而显著提高。但不容忽视的是，与无砟轨道相比，有砟轨道路基工程的冻胀变形控制更具有难度，原因一是无砟轨道结构的整体性对路基变形具有消峰去谷的调整的作用，原因二是2014年8月Satoshi AKAGAWA在哈尔滨第十届国际冻土工程会议上介绍的Cryosphere Engineering Laboratory试验成果(如图3所示)表明，有砟轨道道砟层的冻胀变形也会非常显著。

7 结束语

本文通过对哈大和哈齐铁路的防冻胀设计措施、变形监测结果及相关研究成果的介绍，阐述了对路基防冻结构、防冻层厚度、防冻填料技术要求、路基冻胀变形发展规律等的认识。

(1)对于地下水位较高或常年积水且不具备降排水条件的低路堤地段，路基防冻通常采用混凝土基床。为防止温度变化引起的翘曲变形，混凝土基床伸缩缝间距宜控制在10 m左右。

(2)季节冻土地区采用填料填筑的路基会发生冻胀变形，防冻层填料满足一定要求的前提下，冻胀变形不会影响线路平顺性，可保证高速铁路安全平稳运营。

(3)冻胀变形小于4 mm的百分比随时间的推移逐渐增加，是东北地区各条高速铁路路基冻胀变形的共同特点，说明路基抗冻胀变形能力的稳定需要一定的时间。

(4)反复出现的大的冻胀变形往往是因填料细颗粒含量超标较多或者明显排水不畅引起的。施工期应通过变形监测，及时发现可能形成冻害的隐患并进行治理。

哈大高速铁路最初发现轨检超标严重地段的土壤最大冻结深度仅比京津高速铁路大0.13～0.26 m。说明路基冻胀变形观测结果反映的是路基抗冻胀变形的能力，但作为设计方案评价的尺度，未必是客观和合理的。路基作为结构物，其设计和施工的理念还需要进一步实质推行。