哈牡线季节性冻土接触网基础处理措施探讨

伏松平

(北京中铁建电气化设计研究院有限公司 北京 100043)

1 前言

冻土形成主要是地面以下一定深度的地层温度随大气温度而变化，当地层温度降至0℃以下时，土中部分孔隙水将冻结而形成冻土[1]。

季节冻土是地表以下一定范围内寒季冻结、暖季又全部融化的岩土，呈周期性冻结和融化状态。季节冻土是一种特殊土，但又不同于通常意义上的特殊土，可能是任何一种岩土体，包括黄土、膨胀土等特殊土。因此，季节冻土的工程特性更为复杂。我国季节冻土分布在东北、西北以及华北地区，其冻结深度由南向北、由低海拔区向高海拔区增厚，最大超过3 m。据统计，我国75%的交通线路位于季节冻土区，其中位于深季节冻土区的交通线路约占总量的30%，主要分布于西北、华北和东北地区[2]。

哈尔滨至牡丹江电气化改造工程地处黑龙江省东部，线路自哈尔滨市向东南经阿城、尚志、海林至终点牡丹江，改建后线路长度350.137 km。线路地处严寒地区，既有路基存在冻害，春融及雨季易积水。哈牡线最大季节性冻土区段分布见表1，其中路基土体的含水率分布在20%～30%区间。

表1 哈牡线最大季节性冻土区段分布

由于季节性冻土的工程特性，在寒冬季节，当气温下降低于土壤水冰点时，地表土层中孔隙水冻结成冰，体积膨胀，且下部未冻土层中的水分源源不断向上部冻结区迁移、聚集，并冻结成冰透镜体，出现大幅度冻胀变形。春季当气温再度回升至0℃以上时，土层随之不断融化，解冻的土体便发生弱化作用且强度降低，此时又将产生融沉病害。

根据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009-2016)的规定，对于冻土地区的基础埋深应按照《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118-2011)确定，严寒地区对入土部分的接触网支柱和基础，宜采取防冻胀措施。

不论是接触网支柱基础还是接触悬挂和附加导线的拉线基础，对接触网系统的稳定运行以及行车安全都至关重要。对于哈牡线处于季节性冻土区段的接触网支柱及拉线基础的防止冻胀的处理措施是否合理、是否能满足接触网悬挂系统及附加导线的安全需要、在运行寿命周期内能否稳定可靠，是不可忽视的问题。

2 接触网基础选型

就一般建筑物来讲，基础可分为桩基和平基两类。平基又分为深平基和浅平基。接触网支柱的基础直接埋置于土体中，其埋置深度一般都小于5 m，属于浅平基[3]。

常用的电气化铁路接触网支柱基础有直埋式整体基础、单阶梯或多阶梯形状的扩大基础、棱柱形基础等。

按照钢筋混凝土支柱基础的设置方法，可分为整体式基础和独立式基础两种类型。对于横腹杆式钢筋混凝土支柱基础和支柱是一个整体，其埋入地下部分即为基础，这种基础称为直埋式基础[4-5]。目前中国使用的横腹杆式混凝土支柱多属于整体式支柱，等径原支柱多采用杯形混凝土基础或法兰盘连接基础[6]。电气化接触网支柱基础预埋螺栓数量众多，其垂直度、绝对定位精度以及群栓的相对定位要求极高[7]。

接触网支柱的受力特点是水平负荷大，因此其抗倾覆稳定性就很重要。直埋基础为人工开挖基础，根据地质情况加设横卧板和底板埋入基坑中，简单易行。横卧板和底板主要作用是增大与土体的接触面积，进而增大其水平抗力，这种基础形式主要依靠被动土压力抗倾覆。

接触网系统的下锚包括接触悬挂下锚和附加导线下锚，其拉线基础有实体基础和拉线盘基础两种常用类型。

针对哈尔滨至牡丹江电气化改造工程项目季节性冻土特点，在季节性冻土区域基础结构形式主要根据支柱类型、上部结构特点、地质情况、路基各专业接口及施工便易程度确定。

本工程项目区间采用混凝土单腕臂柱，埋置深度一般为3 m。当区间支柱位于曲线内侧时应核算支柱受力方向，以确定其基础的横卧板和浆砌片石应置于支柱的内侧或外侧。一般情况下，当曲线半径R≤1 400 m时，其基础的上部横卧板和浆砌片石应置于支柱的田野侧一边，而下部横卧板和浆砌片石应置于支柱的线路侧一边。

车站软横跨为格构式钢柱，采用阶梯状的扩大基础，其埋置深度根据容量一般在3～4.5 m。

接触悬挂和附加导线的下锚拉线基础均采用实体型基础，埋置深度分别为2.5 m和2.2 m。

以里程K23＋100～K26＋390区段为例，本区段最大冻结深度为2.05 m，工程范围内上部土为第四系全新统冲积黏质黄土，含水率为30%。

(1)计算设计冻深

式中，zd为设计冻深；z0为标准冻深，依据地质资料K20＋100～K54＋000区段最大值为2.05 m，K54＋000至牡丹江区段最大值为1.91 m；φzs为土质对冻深的影响系数，取1.0；φzw为冻胀性对冻深的影响系数，弱冻胀取0.95、冻胀取0.9、强冻胀取0.85、特强冻胀取0.8；φzc为周围环境对冻土的影响系数，取1.0；φzt0为地形对冻土的影响系数，取1.0。

针对最大冻土深度区段为黏土，属强冻胀地区，位于旷野，地势较为平坦，最大测量冻土深度为2.05 m，通过公式(1)计算可得实际设计冻深为1.75 m；当考虑地基土层的冻结和春融的影响，其基底的冻胀变形或法向冻胀力可能危及基础的结构安全，因此，这类冻胀土地基上基础埋深应该有更可靠的安全度，因此考虑0.5 m的安全裕量时，则经计算可得设计冻深为2.17 m。

根据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB 10009-2016)以及《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ 118-2011)可知，基础埋置深度应采用不小于设计冻深，并根据地基土冻胀性适当采取减小基侧切向冻胀力危害措施[8-9]。

可见，不论是埋置深度为3～4.5 m的支柱基础，还是埋置深度分别为2.2 m和2.5 m的附加导线下锚拉线基础及接触悬挂下锚拉线基础，其埋置深度均大于设计冻深，满足规范要求。

(2)验算基础的稳定性

对接触网附加导线和接触悬挂的下锚拉线非扩底型实体基础及钢柱的扩大型基础分别讨论。

对于下锚拉线的非扩底基础，基础稳定性采用下式进行计算。

式中，τdik为第i层土中单位切向冻胀力的标准值(kPa)，取2层土即i＝1，2，其中对于第1层填土按照冻胀取60～80 kPa，第2层的黏性土为强冻胀取值为80～120 kPa；Aτi为与第i层冻土接触的侧表面积；GK为作用于基础上的永久荷载(kN)，包括基础自重部分(素混凝土基础)或全部(配筋基础)；Rta为基础伸入冻胀土层之下，地基土所产生锚固力的特征值(对素混凝土和砌体结构基础，不考虑该力，kN)。

其中锚固力Rta:

式中，qsik为在第i层内土与侧表面的摩阻力特征值，针对本选定区段参照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)，填土部分为22 ～30 kPa、淤泥14 ～20 kPa、软塑黏性土40～55 kPa、可塑黏性土55～70 kPa、细粉砂48～66 kPa、中砂54～74 kPa、中密砂74 ～95 kPa、砾砂70～110 kPa[10]；Aqi为与第i层土接触的基础的侧表面积。

对于钢支柱的扩大基础，稳定性采用下式进行计算:

式中，Rta为当基础受切向冻胀力作用而上移时，基础扩大部分顶面覆盖土层产生的反力(kPa)。该反力按地基受压状态承载力的计算值取用。当基础上覆土层为非原状时，该反力根据实际回填质量尚应乘以0.6～0.8的折减系数。Ai为基础扩大部分顶面面积(m2)。

根据土壤资料及路基处理情况，第1层一般为填土，第2层土质为第四系全新统冲积黏质黄土。由于接触网基础属于浅基础，深度一般不超过5 m，所以均在第1、2层土质，虽然填土削弱了其冻胀性，但是在工程计算中仍按照冻胀处理。

不论是拉线基础还是钢柱的扩底基础，均为配筋基础，将基础自重等各项数据分别代入公式(2)和(3)计算可知，不论是拉线基础还是钢柱的扩底基础的稳定性均满足要求。

3 基础防冻胀处理措施

由上述分析可知，只有当作用于基础底部的垂直力不小于切向冻胀力，才能保证接触网支柱的基础不被拔出或融陷。其中影响切向冻胀力的因素除了包括水分、土质与负温三大要素外，还有基础侧表面的粗糙度等。

对选定含水率为30%的季节性冻土区段，地基采用开挖后换填夯实的处理方式。当基础在地下水位以上时，基础侧表面可回填非冻胀性的中砂和粗砂，用非冻胀性的粗颗粒土做垫层，且垫层的底面应在设计冻深线处。

具体处理措施为首先开挖基坑，根据现场实际条件适当拓宽加深0.2～0.5 m，注意扩大基础底部的阶梯形状必须严格按照要求施工，然后在基坑四周采用干净的中粗砂，或改良土或级配碎石配合水泥砂浆等非冻胀土进行换填处理。回填应分层夯实，分层厚度不大于300 mm，密实系数0.95以上，换填承载力需满足要求[11-12]。如基坑底部承载力小于100 kPa时，对基坑底部换填厚度不低于500 mm的碎石层并夯实，然后再做100 mm厚C15混凝土垫层；如果承载力大于等于100 kPa时，取消底部碎石换填层，其余同前述处理。

地脚螺栓材料为 Q345B，圆钢材料为Q235B。放置地脚螺栓时，应使螺栓底端弯钩指向基础内部。浇筑基础混凝土必须不间断地进行，一次浇筑完毕，基础顶面应高出地面200 mm。当实际地面低于基础顶面超过200 mm时，要把原地面培土加高，使培土后地面位于基础顶面之下200 mm处。

在路堤区段，支柱安装完毕后，基础部分应培土的宽度自支柱中心两侧各1 000 mm，高度不小于支柱深度，支柱基础外沿至护坡顶面边沿不小于500 mm并加以浆砌片石予以防护，有条件的地方可扩大至1 000 mm，防止支柱边坡培土的冻胀对基础的影响。

对于非扩底的实体拉线基础，基础处理同上，注意为保证抗拔安全稳定系数大于等于1.5，需要注意最后拉线与地面夹角为45°～60°，基础顶面高出地面100 mm。

为改善基础侧表面的光滑度，也可以用水泥砂浆抹面压光改善受力状态，或用物理化学方法处理基侧表面或与其侧表面接触的土层，如在表面涂以渣油层用表面活性剂配制的憎水土隔离，用添加剂使土颗粒凝聚或分散的土隔离等。

4 结束语

结合哈牡线电气化改造项目季节性冻土的特点，对下锚拉线的混凝土浇筑基础和接触网支柱的阶梯型扩大基础两种情形进行了切向冻胀应力的计算分析，提出了采用地基换填加扩底型基础处理措施来抵抗季节性冻土的上拔力，可为后续类似季节性冻土区段接触网下锚拉线基础的接触网支柱基础的处理提供参考。