严寒地区多年冻土高速铁路路基施工技术研究

陈文全

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

随着人们对交通需求的不断加大，在未来还会有越来越多的高速铁路穿越我国的青海、西藏、新疆、东北等严寒地区，因此路基冻胀问题也必将成为建设单位需要重点考虑的问题之一，采用科学的防冻胀措施对提高路基施工质量有着重要的现实意义。施工单位在施工过程中需要加强观测工作，严格按照相应的施工规范进行施工，全面提高冻土路基的施工质量，为列车的运行安全提供坚实的保障。

1 严寒地区冻土的形成

在我国的严寒地区，冬季会持续较长的时间，较长的低温环境使土体出现冻结的情况，而且在温度越低的情况下，土的冻胀问题也会越突出。一般情况下，0C 以下的土体开始结冰，之后进一步降至负温状态，土中未冻含水率会逐步减少，而其膨胀量会逐步增加。冻土的大面积存在给区域施工造成了较大的难度，尤其是在高速铁路的路基施工中，路基的冻胀问题已经成为威胁路基施工的严峻问题。在不均匀冻胀的影响下，路基会出现不同程度的融沉及基床破坏（翻浆、开裂），导致钢轨轨面不平顺，这时列车即使减速也会受到影响，甚至会发生倾覆的危险。由此可见，在冻土地区进行高速铁路路基施工必须要结合当地的实际情况采取科学的措施，以便可以做好防护工作，避免路基冻胀对整个施工工程造成不利影响。

2 严寒地区多年冻土高速铁路路基施工技术应用实例

2.1 工程概况

新建铁伊铁路先行工程多年冻土路基分布在DK89+914.41—DK93+600 段内，已探明多年冻土路基共有DK90+705—DK90+775、DK91+133—DK91+310、DK92+240—DK92+285、DK92+435—DK92+710、DK93+245—DK93+380 五段。整个施工段地质比较复杂，包括了以粉粒及腐殖质为主的种植土、含有砾石的粉质黏土、潮湿的细砂、中密—密实的细圆砾土等，同时冻土面积分布广泛，给该次施工带来较大的难度。

2.2 施工方案设计

在该次工程施工中，选取的施工段落为DK91+133—DK91+310 段，工点施工长度177m，冻土上限埋深1.0～1.5m，下限埋深4.0～6.0m（见图1）。该段路采取的是“挖除换填+热棒+保温板”施工方案。在施工过程中，需要基底挖除富冰冻土（粉质黏土或粗砂多年冻土），挖除换填至多冰冻土层（粗圆砾土层）顶。在DK91+133—DK91+250 段采用热棒（热量传递装置）措施保护多年冻土；在DK91+190—DK91+310段换填基底铺设0.lm 厚XPS 保温板，在保温板上下各铺设一层0.05m 厚中粗砂垫层。

图1 冻土路基断面（单位：m）

2.3 施工流程

2.3.1 测量放线

测量工作是路基施工的基础工作，要求测量人员能够严格地按照施工图纸对换填处理范围进行定位放线。范围为路基两侧排水沟外3m，撒上白灰线作为开挖线，测量地面高程确定开挖深度。

2.3.2 换填开挖

在该次施工中，换填开挖采用全断面开挖形式，采用破碎锤破碎、挖掘机装车、自卸汽车运输。按路基段落配备施工机械，尽快完成冻土开挖。施工配备4 台挖掘机，以从路基段两端纵向开挖的方式，一次性全部挖除饱冰冻土层。开挖过程中还需要施工人员加强对设计地质的核对，发现地质不符时及时通知监理、设计及建设单位，对施工方案进行变更。

2.3.3 基底验收

开挖至多冰冻土后，由施工、监理、设计及建设单位共同对基底进行验收，验收合格签认路基地质核查记录表后进行砂垫层、XPS 保温板及冻胀不敏感A、B组填料换填施工。

2.3.4 铺设砂垫层、XPS 保温板、砂垫层

开挖至多冰冻土层经地质确认后，铺设0.05m 中粗砂做褥垫层，精平后再铺设0.lm 厚XPS 保温板（铺设两层0.05m 厚XPS 保温板）。为了提高施工效率，XPS 保温板搭接以平接为主，接缝应密闭，两层保温板层与层的接缝应错开，可有效防止上层热量通过接缝直接向下传递，保温板上铺一层0.05m 砂垫层；砂垫层铺好后，后面紧跟着继续填筑路基换填材料。XPS 保温板及换填紧跟开挖进行，铺设及填筑长度控制在30m 左右。XPS 保温板铺设见图2。

图2 XPS 保温板铺设示意图

施工前，应提前对进场的XPS 保温板进行检验，其性能指标应满足以下要求：板厚≥5cm；压缩变形5%时，抗压强度＞0.3MPa；导热系数≤0.027(W/m.C)；吸水率＜1%。

2.3.5 基底换填

冻土保护路基基底换填部分采用掺水泥冻胀不敏感A、B 组填料进行换填，填料由1 号集料拌和站统一生产，自卸汽车运至施工现场，按纵向法全断面施工，推土机对填料进行摊铺，平地机找平后用压路机进行碾压。碾压完成后进行自检，自检合格后报监理工程师进行现场验收，合格后方可进行下一填层施工。

2.3.6 路基填筑

路基填筑沿横断面全宽、纵向分层填筑，路基横断面宽度每侧超填50cm。路基填筑按“三阶段、四区段、八流程”的施工工艺组织施工，现场生产利用机械化流程作业。

2.3.7 热棒安装

热棒是一种利用气液相变原理传输热量的元件，热棒主要有以下几种作用：一是可以消除施工产生的热干扰，避免多年冻土地基出现衰退或者融化的情况；二是可以降低多年冻土的温度并提高其承载力；三是可以回冻地基中已融化的多年冻土；四是可以调整路基人为上限的埋深和形态；五是可以防治基础冻胀；六是可以防止地下水对路基的热侵蚀。

热棒由一根密封的金属管与管内充装的工作介质（如氮、氟利昂、丙烷、C0等）组成。金属管的上部装有散热叶片，并且暴露于大气环境中，主要是起到冷凝的作用，而金属管的下部分埋在多年冻土中，这时候金属管的上下两部分会存在一定的温差，上部分的液体工质吸热蒸发成为蒸气，在压差作用下，蒸气沿管内孔隙上升至冷凝段，与较冷的管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成为液体，在重力作用下，冷凝液体工质沿管壁回流蒸发段再吸热蒸发。经过这一循环过程可以源源不断地将地层中的热量传送至大气中，起到降低多年冻土地温的作用，从而防止多年冻土发生融化，保证了地基的稳定性。热棒安装完成以后还需要进行回填，即使用细砂回填在其周围即可，回填的时候要逐层进行并逐层夯实，在条件允许情况下对热棒绝热端进行附加绝热措施。热棒的布设位置如图3所示。

图3 热棒布设示意图(单位：m)

3 高速铁路路基施工质量控制措施

3.1 防冻层填料施工

在防冻层填料施工过程中，施工人员需要按设计要求控制路基填料细颗粒含量，并通过检测防冻填料来确保细颗粒含量及渗透系数要求，以便最大程度保障路基的防冻性能。基床表层级配碎石需要分两层进行填筑，每一层都需要确保其压实厚度15～30cm内。在摊铺过程中还需要注意调整其含水率，消除粗细料离析现象，并及时补平表面不平整的地方，确保其符合质量要求。

3.2 填筑工艺关键技术

严寒地区路基施工应严格按照“三阶段、四区段、八流程”的施工工艺进行施工。同时还需要注意以下几个方面的问题：一是要求施工人员认真核对施工区域的现场情况，严格按照施工图纸进行施工，遇到不可控路段等情况需要提前与设计管理人员做好交涉；二是要严格按照设计要求控制每层填筑面的排水坡度和平顺度，可采取压路机弱振完成后(碾压第二遍后)以平地机精平、局部人工补料处理的办法，避免填筑面出现排水不畅或局部水坑现象；三是要求路基填筑应与护道土同时填筑，先填筑路基填料，后填筑护道土，其中路基填料上料需超填至少50cm，并人工整坡；四是严禁车辆在已填筑的路面上掉头、倒车上料，防止破坏路基面。

3.3 沉降变形观测

在施工中还需要加强沉降变形观测，以便可以及时发现施工中存在的问题，监测内容包括对地基沉降监测和路基面监测。施工人员需要在每个工点设置不少于2 个观测断面，路堤段观测断面间距不大于50m，如果是对过渡段和地形地质条件变化较大的地段进行观测还需要适当加密。涵洞两侧路涵过渡段各设置1 个观测断面，涵洞中心里程路面设置1 个观测断面。另外，在路堤填筑施工过程中，各监测断面应在路堤坡脚外2m 处设置位移观测桩，观测桩采用φ100mm 松圆木制作，观测桩埋入深度不小于3.4m，桩顶露出地面的高度不应大于10cm；沉降观测点周围压路机碾压不到的地方采用打夯机夯实，直到压实指标稳定后停止夯实。保证全区段碾压符合要求，做到压实均匀，没有漏压、死角。

3.4 混凝土基床施工

混凝土基床的特性决定着其并不会产生冻胀现象，在其施工中需要施工人员能够严格按照混凝土及模板相关规范进行科学的施工。在施工过程中还需要注意以下几个方面：一是在大体积混凝土的浇筑中需要合理控制混凝土的配合比以及浇筑温度等环节，尤其是温度的影响极易造成混凝土开裂，因此在浇筑的时候应该使用溜槽或泵车进行浇筑，并做好混凝土收面工作，还需要注意在坡面混凝土浇筑时，施工人员需要在坡面安装厚度为25cm 的钢模板，加固完成后，即可浇筑上部的混凝土，并振捣密实；二是要重视对混凝土的养护工作，比如针对混凝土的洒水工作，养护期间还需要对混凝土进行保水、防晒及雨季防雨等多层保护。

3.5 临时排水施工

冻土保护路基的临时排水沟应尽量远离路基坡脚不小于2m，且排水顺畅，不得在路基坡脚附近形成积水洼地，以免引起路基多年冻土融化，影响路基稳定，施工中采用的排水沟多为宽浅形式，以减少对多年冻土的热干扰；临时性排水系统应始终保持畅通，将积水引排至路基坡脚5m 以外。施工人员还需要注意，在基底开挖过程中，在距离边坡0.5m 处设置挡水埝，防止积水流入基坑。同时为防止多年冻土路基两侧浸水路基地下水或地表水侵入基底，破坏多年冻土，应在浸水路基与冻土路基交界处设置集水坑，对浸水路基地下水进行引排。通过临时排水施工能够最大程度防止积水对路基施工造成的不利影响，并维持土层的稳定性。

4 结语

综上所述，严寒地区多年冻土环境对高速铁路路基施工影响比较大，通过采用“挖除换填+热棒+保温板”施工方案可以有效地解决冻土带来的不利影响。在施工过程中，需要施工单位结合施工区域的冻土情况采取科学的处理措施，同时还需要加强对路基填筑、混凝土养护、排水工程施工等环节的管理工作，严格按照相关规范进行施工，从而全面保障高速铁路工程的施工质量。