京哈線秦沈段凍害整治方法的研究

翟 峰

(沈陽鐵路局工務(wù)處，沈陽 110001)

1 概述

京哈線秦(皇島)沈(陽北)段是我國建設(shè)的第一條客運專線，在我局經(jīng)由山海關(guān)、綏中北、葫蘆島北、錦州南、盤錦北、臺安、遼中、皇姑屯站，止于沈陽北站，線路全長391.155 km。1999年開工，2002年12月初驗;2003年4月1日試運營，2003年10月12日正式開通運營。秦沈段運營的最高速度為250 km/h，2011年調(diào)整為200 km/h。

2003年2月上旬，正式投入運營前，發(fā)現(xiàn)軌道幾何尺寸不良變化135處(其中:路塹地段38處，路堤地段97處)，當時只對路塹地段的38處確認為凍害，并于當年4月份采用了換土和鋪設(shè)土工布等辦法進行了整治，效果良好。

2003年10月12日正式開通運營后，當年冬季路基便出現(xiàn)了季節(jié)性凍害現(xiàn)象，大部分位于涵洞頂部，最大凍高達21 mm。由于當時列車對數(shù)少，且速度低，凍害對行車的影響還不明顯，沒有引起高度重視。

2003～2004年冬季，發(fā)現(xiàn)軌道幾何尺寸不良變化264處(5 mm以上)，其中119處位于涵洞頂部，并確認為凍害。

2004～2005年冬季發(fā)現(xiàn)凍害370處(5 mm以上)，其中208處位于涵洞頂部，最大凍高21 mm，位于K671+365處。

2005～2006年冬季發(fā)現(xiàn)凍害651處(5 mm以上)，其中291處位于涵洞頂部，最大凍高20 mm，位于K671+365和K671+800處。

2006～2007年冬季發(fā)現(xiàn)凍害464處(5 mm以上)，其中391處位于涵洞頂部，最大凍高21 mm，位于K671+365處。

2007～2008年冬季發(fā)現(xiàn)凍害1242處(由于開行動車組，統(tǒng)計2 mm及以上凍害)，其中585處位于涵洞頂部，最大凍高18 mm，位于K591+035處。

2008～2009年冬季，經(jīng)過整治后，雖然當年氣溫較常年偏低，出現(xiàn)凍害835處(2 mm及以上)，最大凍高15 mm，僅1處，位于K676+632處。

2 凍害整治情況

2.1 凍害整治方法的提出

按照2006年12月24日鐵道部主持召開的京哈線(秦沈段)病害整治會議要求，由鐵道第三勘察設(shè)計院與沈陽局共同進行了現(xiàn)場調(diào)查、收集相關(guān)資料、勘探、取樣和室內(nèi)試驗，經(jīng)綜合分析研究，撰寫了《秦沈客運專線凍害問題專題研究報告》;根據(jù)該研究報告，我局又委托沈陽中鐵鐵道勘察設(shè)計院，編制了秦沈段凍害整治工程方案設(shè)計，共提出6種方案:換土改良、鋪設(shè)土工布、注漿改良土體、涵上路基平孔排水、設(shè)置保溫層、人工鹽化基土。2007年5月26日由沈陽中鐵鐵道勘察設(shè)計院在K671 km涵上進行了路基平孔排水、設(shè)置保溫層的施工試驗。

2.2 凍害整治方法的論證

2007年6月，聘請中鐵西北科學研究院，鐵道第三勘察設(shè)計院，北京交通大學，鐵道部科學研究院等單位的專家對上述整治方案進行評審，評審意見認為，鑒于秦沈運營條件的限制，換土改良、鋪設(shè)土工布的方法無法實施，而注漿改良土體對于治理凍害是否有效，尚需進一步實驗研究確認;涵頂?shù)酌驿佋O(shè)EPS保溫層方法，可避免涵洞頂部填土的雙向凍結(jié)，對消除或減緩凍害是合理有效的，可在涵洞凍害整治工程中采用;在涵頂填土下部設(shè)滲水、通風管，可疏干路基填土，減小涵頂填土凍脹量，方案是可行的;并建議對工程整治效果進行觀測。

2.3 凍害整治概況

按照專家組的意見，2007年～2008年我局對秦沈316處涵頂凍害、169處路基凍害進行了整治。共完成涵上路基平孔排水146處/91 791 m;涵頂?shù)装遒N鋪EPS保溫板316處/49 199 m2;道床內(nèi)撒、注鹽169處/23 018個枕木空/氯鹽1 391 t。凍害綜合整治方案如圖1所示。

圖1 凍害綜合整治方案

2.4 整治效果

通過2008年～2009年冬季檢驗，路基凍害明顯減緩，凍起時間后移，凍高減小，凍高10 mm以上僅15處(2006年為169處)，最大凍高15 mm僅1處，取得了預(yù)期的效果，確保了動車組250 km/h速度平穩(wěn)運行。

3 凍害整治的實施

3.1 涵頂路基平孔排水

3.1.1 施工方法

(1)施工前準備

首先對施工現(xiàn)場進行實地踏勘，調(diào)查通信、信號等各種地下電纜的埋設(shè)情況，平整施工場地。

(2)施工放線

①按照設(shè)計的要求進行放線，確定施工范圍。

②現(xiàn)場確定鉆孔位置(注明孔號)并做好標記。

(3)搭拆腳手架

①腳手架的高度應(yīng)按施工的需要確定，按工程的進度進行搭拆。

②靠近架空電線搭拆腳手架時，應(yīng)按規(guī)定留出安全距離，確保作業(yè)中的人身安全;搭拆過程中應(yīng)防止挖斷電纜。

③在施工平臺上安設(shè)回水池。

④施工平臺上做好圍欄，確保施工人員安全。

(4)鉆機安裝及鉆孔

①鉆機的位置要合理，底架應(yīng)水平、穩(wěn)定，不產(chǎn)生位移和沉降。鉆機安裝平穩(wěn)后應(yīng)先進行大馬力試驗，檢驗鉆機及工作平臺的穩(wěn)定性。

②保持鉆機水平、方向平直。鉆機鉆孔時必須保證水平鉆進，控制出口處的上下左右誤差在200 mm以內(nèi)，嚴禁出現(xiàn)交叉或從路基面穿出。

(5)HDPE管(需要鋪設(shè)的滲水盲管)的回拉

①回拉HDPE管時，必須保持水平方向，設(shè)備上應(yīng)安裝導向裝置。

②鉆孔完成后必須及時回拉HDPE管，防止坍孔或泥漿凝固。

③將HDPE管回拉到設(shè)計位置后，用高壓水將回拉HDPE管過程中從管滲水孔滲入的細粒土沖刷干凈，以保持暢通。平孔排水整治施工見圖2。

圖2 平孔排水整治施工

3.1.2 技術(shù)要求

(1)HDPE管性能

高密度聚乙烯(HDPE)管，外徑63 mm，壁厚4.7 mm，拉伸屈服強度≥22.0 MPa，斷裂伸長率≥350%，氧化誘導時間(200℃)≥20 min。

(2)HDPE滲水管制作要求

在HDPE管上鉆滲水孔，孔徑φ8 mm，設(shè)計間距15 mm，梅花布置。HDPE管設(shè)計長度兩端各留有0.5 m不鉆孔(兩側(cè)外露路基邊坡各0.3 m)。

(3)平孔排水布置孔位

①鉆孔位置:在基床表層下0.1 m處布孔，可視路基土質(zhì)情況進行調(diào)整。

②在垂直線路方向的涵洞頂面外輪廓平面投影范圍內(nèi)布孔(采用垂直線路方向鉆孔)，孔間距0.5 m;涵外兩側(cè)各3 m為過渡段，采用0.6 m、1.0 m、1.4 m孔距遞增布置。平孔排水孔位布置范圍見圖3。

圖3 平孔排水孔位布置范圍(單位:m)

3.1.3 施工注意事項

(1)做好施工監(jiān)測，鉆孔施工過程中應(yīng)當實時觀測鐵路的軌道高程和路基變化情況，根據(jù)觀測情況隨時調(diào)整施工進度;來車時應(yīng)停止施工。

(2)鉆孔施工時，要嚴格控制水壓和鉆孔速度，防止水壓過高造成淘空路基、速度過快造成方向偏離。開鉆時宜慢速低水壓鉆進，控制水壓和進度，監(jiān)測鉆機的聲音是否正常，觀察鉆桿的位置并隨時糾偏。

(3)不得使用彎曲的鉆桿，鉆具要安裝牢固，并隨時校對方向和角度。

(4)鉆孔應(yīng)一次成孔，防止泥漿凝固。當鉆進異常時(如遇大塊石頭)必須停鉆，以防鉆頭偏離方向穿出路基，并對廢棄孔采用注漿充填，防止坍塌。

(5)當鉆頭直徑磨耗超過5 mm時，應(yīng)更換鉆頭。

(6)回拉HDPE管時，應(yīng)保持水平的方向。

(7)為防止冷空氣進入HDPE管，引起路基凍害，入冬前將管口用專用的封蓋進行封堵。

3.1.4 整治效果

以2007年完成的34座平孔排水整治的涵洞為例，當年冬季的凍害情況如下。

(1)有9座涵上路基未發(fā)生凍害，整治效果顯著率26.5%。

(2)有凍害但凍高小于歷年凍高的有20座，整治有效率58.8%。

(3)另外5座涵的凍高沒有降低，整治后沒有效果，占14.7%;其中4座涵的凍高與往年持平，只有K675+308涵的凍高大于歷史上最大凍高，經(jīng)分析，此涵的成孔較晚，施工時注入的水分未得到疏干，土中含水過高導致凍害加劇。

3.2 涵頂?shù)装遒N鋪保溫板

3.2.1 施工方法

(1)清除涵頂?shù)装宓母』?，對涵頂?shù)装宕嬖诘陌纪共黄教幱?∶2水泥砂漿找平，抹高分子聚合乳液與等量水泥經(jīng)均勻攪拌而成的黏結(jié)劑。

(2)苯板應(yīng)密貼于涵洞板底，接縫處相鄰苯板高差不大于1 mm，接縫處應(yīng)嚴密無縫。

(3)貼鋪于苯板下的彩色壓型鋼板應(yīng)平整，相鄰彩板搭接長度不小于50 mm，用拉鉚釘固定。彩鋼板用膨脹釘穿透苯板固定于涵洞鋼筋混凝土底板，進入板內(nèi)應(yīng)不小于60 mm，膨脹釘間距0.6 m，并應(yīng)牢固。

(4)涵洞板底伸縮縫處設(shè)置U形PVC排水槽，與底板聯(lián)接，并采取可靠措施確保接縫密閉。通過排水槽把滲水引到涵洞兩側(cè)，沿涵洞側(cè)墻排到地面。

(5)涵洞進出口處、伸縮縫處、板底變高處和涵洞側(cè)墻向下延伸1 m處均采用冷彎薄壁C形檁條封邊，檁條截面為C100 mm×50 mm×2 mm，安裝前涂刷防銹漆2道。

(6)彩色壓型鋼板外均勻噴涂真石漆兩遍，其顏色近似于混凝土顏色。

3.2.2 技術(shù)要求

(1)保溫苯板厚度為100 mm，密度不小于20 kg/m3。

(2)彩色壓型鋼板厚不小于0.6 mm，波高應(yīng)滿足安裝及貼鋪于涵洞板底的剛度要求。

(3)壓型鋼板熱鍍鋁鋅合金層含量為150 g/m2，彩色涂層選用聚脂類涂層。

(4)保溫板要有防刮措施，安設(shè)相應(yīng)的限高架。

(5)施工氣溫:5℃以上。

涵頂?shù)装遒N鋪保溫板施工見圖4。

圖4 涵頂?shù)装遒N鋪保溫板

3.2.3 整治效果

2007年共完成貼鋪保溫板工程316座涵洞，全部保溫板貼鋪的整體性、牢固性、密實性均達到了設(shè)計標準。

經(jīng)2007～2008年冬季檢驗，上述316座涵洞貼鋪保溫板后的凍害情況如下。

(1)未發(fā)生凍害有154座涵，保溫效果顯著占48.7%。

(2)有121座涵雖有凍害，但凍高小于歷年凍高值，有效率占38.3%。

(3)有41座涵凍高沒有降低，整治無效占13%;其中21座涵的凍高與往年持平?jīng)]有變化，另20座涵的凍高大于歷史上最大凍高，經(jīng)分析，由于當年氣溫較常年偏低，過于寒冷導致這部分涵洞出現(xiàn)凍害。

3.3 鹽化路基

結(jié)合涵上路基平孔排水和設(shè)置保溫層的施工，對涵上路基填土厚度較薄的地段和路基地段的凍害采取傳統(tǒng)的鹽化路基方法，在雨季前將氯鹽撒到道床內(nèi)，待雨季時可滲入路基，減輕路基的冬季凍害。全線共完成道床內(nèi)撒、注鹽 169處/23 018個枕木空/氯鹽1 391 t。

4 凍害的觀測

根據(jù)涵頂路基凍害分析，按縱向形態(tài)為不均勻凍脹，一般為順線路方向長3～10 m的凍起地帶，中間為凍峰，向兩側(cè)遞減;按橫向形態(tài)主要為沿路基橫斷面形成凍脹高度大體一致的雙峰凍害，南側(cè)略低于北側(cè);多數(shù)涵頂路基凍害是受地表水影響產(chǎn)生的表層凍害。

為進一步探索京哈線秦沈段涵頂路基凍害規(guī)律，檢驗平孔排水、保溫板、鹽化路基方法的效果，在17座已整治完工的涵洞上設(shè)置固定觀測點進行定點觀測，分別在涵洞端墻帽石上、圬工路肩上、道床中心和兩線間埋置鋼筋樁作為測點，見圖5。

從中選取只有鹽化路基整治的K672+697涵、只有保溫板無平孔排水整治的K624+801涵和既有平孔排水又有保溫板整治的K625+366涵，對3種情況的凍高斷面圖進行分析，如圖6～圖8所示。

圖6 K672+697涵凍高斷面

可以看出，經(jīng)過綜合整治后的涵洞凍高顯著降低，表明平孔排水、貼鋪保溫板的凍害整治方法，對降低凍害的凍高具有明顯效果。

圖7 K624+801涵凍高斷面

圖8 K625+366涵凍高斷面

5 3種凍害整治方法的優(yōu)缺點和適用范圍

鹽化路基整治法:是傳統(tǒng)的路基凍害整治方法，具有操作簡便、經(jīng)濟實用的優(yōu)點，缺點是注鹽量不好把握，整治的效果得不到保障;適用于既有線凍害不嚴重的路基地段的整治。

貼鋪保溫板法:具有不影響行車、施工簡便、造價經(jīng)濟、見效快的優(yōu)點，缺點是易被車輛刮損;適用于既有線涵上的凍害整治。

平孔排水整治法:具有疏干路基、減緩凍脹的優(yōu)點，缺點是施工難度較大、造價較高，對既有線的路基有一定的影響;適用于既有線的涵上或路基地段的凍害整治。

6 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場觀測、試驗及理論分析，明確了京哈線秦沈段路基土體凍害發(fā)生的原因:由于在涵頂面防水層的上部鋪設(shè)了黏土保護層，造成路基土體中的水不能滲出，儲存在該黏土保護層中，引起冬季的路基凍脹。

(2)通過采取平孔排水整治，可將黏土保護層中的水分疏干或降低含水量，達到減少凍脹的目的;貼鋪保溫板可延緩涵上路基的凍脹時間和降低凍脹量;鹽化路基可降低路基土體的含水量，減少路基表層的凍脹。

(3)解決土體凍脹問題是一個復雜的系統(tǒng)工程，要研究土體的凍融特性與含水量、氣溫之間的關(guān)系，綜合考慮各種影響因素，確定切實可行的工程措施，才能有效地防止土體凍害發(fā)生。

［1］沈陽鐵路局科研所.鐵路路基凍害機理與防治措施的研究鑒定材料［Z］.沈陽:沈陽鐵路局科研所，2010.

［2］尚奇.路基基床凍害整治措施［J］.北方交通，2011(10):9-11.