高速鐵路季節性凍土路基凍脹時空分布規律試驗

蔡德鉤

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

我國正在季節性凍土地區展開大規模的高速鐵路建設。截止到2015年12月，東北和西北地區已建和在建的高速鐵路有哈大、盤營、沈丹、吉圖琿、哈齊、長吉、哈牡、京沈、蘭新、大西、西寶、寶蘭等線路，共約7 000 km。此外，我國于2013年向世界提出了“一帶一路”倡議，涉及北京到莫斯科的歐亞高速運輸走廊，全長超過7 000 km。中俄已就莫斯科—喀山高速鐵路簽訂合同，目前已進入初步勘察設計階段。這些穿越廣袤季節性凍土地區的高速鐵路都必將面臨路基凍脹問題。

高速鐵路對線路變形要求極高，路基凍脹會降低線路平順性和運營安全性。但由于區域氣候環境的多變性、水文地質條件的復雜性及建設過程中水控制措施的粗放性等諸多不利因素的影響，季節性凍土地區高速鐵路路基的凍脹往往不可避免。因此，開展高速鐵路路基長期凍脹監測以獲取凍融時空分布規律至關重要。一方面，建設階段通過分析高速鐵路路基凍脹水平和分布情況，可評價路基土水控制措施的施工質量及設計合理性，為高速鐵路路基動態設計、施工驗收提供依據，為完善防凍脹結構設計提供支撐；另一方面，運營階段通過分析冬季時線路的平順性和路基凍脹發生發展的規律，可明確冬季的線路維護時機，有利于調配有限的人力物力，制定合理的維護措施，提升高速鐵路的冬季科學維護水平，促進我國季節性凍土地區高速鐵路凍脹維護標準的完善。

哈大高速鐵路是我國第1條季節性凍土地區的高速鐵路，掌握其路基凍脹時空分布規律對我國其他季節性凍土高速鐵路的建造和運營具有重要的意義。針對哈大高速鐵路路基凍脹問題，哈大公司和沈陽鐵路局組織開展了重點和典型地段的長期自動監測、全部路基地段分期水準觀測和全線高頻次軌道平順性動態檢測，獲得了大量寶貴數據。本文基于哈大高速鐵路的監測數據，研究高速鐵路季節性凍土路基的凍脹時空分布規律。

1　高速鐵路路基凍脹綜合監測

經過幾年實踐，我國已形成集凍脹自動監測、水準觀測和軌道動態檢測相結合的綜合凍脹監測體系[1]。這些監測手段相輔相成，可從不同方面反映高速鐵路路基的凍脹時空分布情況。

水準觀測主要是對全線進行定期觀測以掌握全線的凍脹水平分布情況，明確重點監測和整治地段。軌道動態檢測主要是對全線進行定期平順性檢測以掌握全線的平順性情況，是運營階段高速鐵路凍脹監測最基本、最重要的手段，是制定冬季線路維護措施的依據。自動監測主要是對重點和典型地段進行實時監測以掌握凍脹凍深發生發展的規律，監測內容包括凍脹、凍深及水分等。軌道檢測結果與凍脹自動監測、水準觀測結果相結合，從不同角度進行關聯分析，可全面掌握高速鐵路路基的凍脹時空分布規律。

針對哈大高速鐵路，共設置了62個自動監測斷面，分布在13個區段，涵蓋了全線重點和典型的路基凍脹區段，共開展了3個周期的監測；全線共布設了水準觀測點9 000多個，開展了2012—2015年3個凍脹周期的觀測；采用綜合檢測列車380B002對哈大全線進行了高頻次平順性檢測，開展了2個周期621次檢測，檢測里程超過23萬km。

2　路基凍脹變形發生發展規律

2.1　自動監測結果分析

2.1.1典型凍融發展變化過程

圖1為哈大高速鐵路典型斷面凍脹自動監測結果。由圖1可知，凍融發展變化過程主要表現為初始波動、快速凍脹、穩定凍脹、融化回落4個階段。各階段具體特征如下：

初始波動階段：入冬初始，氣溫在零度上下波動，凍脹隨路基面層(20 cm范圍之內)反復凍融而時有時無，凍脹量值一般較小，不超過5 mm。

快速凍脹階段：隨著氣溫繼續降低且在0 ℃以下的持續時間增長，凍脹隨基床淺層凍深的增加而快速增長，持續10～20 d左右，凍脹變形出現拐點。該階段的凍脹量一般約占總凍脹量的60%左右。

穩定凍脹階段：凍脹變形經過拐點之后，凍深隨著低溫持續而進一步增加，但凍脹增長的速度驟減，凍脹變形呈低速穩定發展狀態。凍脹主要為基床深層凍脹，基床淺層凍脹不再變化。該階段的持續時間較長，沈大段從當年12月中旬持續到次年2月底或3月初，約2～3個月；沈哈段從當年11月底或12月初持續到次年3月底，約4個月。

融化回落階段：隨著大氣溫度上升至零度附近，基床凍土層開始雙向融化，凍脹變形呈現迅速減小且夾帶偶爾波動回升的狀態。其波動原因與初始波動階段相同，均是路基面層凍融引起的。之后隨著氣溫持續升高，基床融透，凍脹消除，變形不再變化，但存在殘余變形，一般不超過4 mm。該階段持續約1～2個月。

圖1　典型斷面的凍脹發展過程

高速鐵路運營對線路平順性要求極高，路基凍脹會造成線路平順性和運營舒適性下降。由上述分析可知，在快速凍脹階段和融化回落階段凍融變形的變化劇烈，線路平順性必隨之降低，為線路維護的重難階段。

2.1.2凍脹統計分析

圖2給出了2012—2015年3個凍融周期全線自動監測斷面的最大平均凍脹變形。由圖2可見：2013—2014年的最大凍脹變形整體上小于2012—2013年，2014—2015年的最大凍脹變形介于兩者之間；2012—2013年自動監測斷面路基最大凍脹變形發生在K186+650斷面，達35.2 mm；2013—2014年最大凍脹變形發生在K1 004+384斷面，達25.4 mm，2014—2015年最大凍脹變形發生在K186+630斷面，達33.8 mm。

圖2　3個凍融周期最大凍脹變形

圖3給出了2012-2015年3個凍融周期的凍脹變形區間分布情況。由圖3可知，在2012—2013年，大變形區間(20 mm,30 mm]所占比例較高，達到14%，而(0 mm,10 mm]區間則相對后2年較低，為38%；后2年各凍脹區間分布較為接近，(0 mm,10 mm]區間約占60%，而(20 mm,30 mm]區間所占比例下降到2%。上述分析說明，經過第1個凍融周期(2012—2013年)之后，全線的凍脹趨于穩定。

圖3　3個凍融周期凍脹量區間分布

圖4給出了2012—2015年3個凍融周期基床表層級配碎石凍脹所占比例情況。由圖4可知，3個凍融周期的基床表層凍脹所占比例整體偏大且基本持平，平均值分別為68%，65%和67%。究其原因：一是路基面縱橫向結構縫的封閉措施部分失效，導致表水入滲基床表層；二是基床表層級配碎石細粒含量較大，自然持水能力和凍脹敏感性較高，同時也造成高壓密條件下滲透系數偏小，導致滲入的水不易排出；三是基床表層底部兩布一膜的存在阻止了水分向下擴散，同時路肩電纜槽為后開挖設置，造成水分側向排出困難。總之，上述因素使基床表層成為“易積水的封閉系統”，致使凍脹比例偏大。

圖4　基床表層凍脹占比情況

圖5給出了各斷面凍脹比(凍脹與該點最大凍脹之比)為0.9時凍深的統計結果。由圖5可知，監測點凍脹比達到0.9時的凍深不超過110 cm的占90%，該深度可作為基床淺層凍脹劃分的界限。說明基床淺層應是高速鐵路路基防凍脹設計的重點。

圖5　哈大高速鐵路路基凍脹比達0.9時凍深統計

基床防凍脹設計是季節性凍土地區高速鐵路路基設計的關鍵[2,6]。上述分析充分說明高速鐵路基床防凍脹設計還有進一步的完善空間。基于哈大高速鐵路的監測結果對后續季節性凍土區高速鐵路，如盤營、沈丹、哈齊、京沈、蘭新等線路的防凍脹結構設計均進行了改進，主要在以下幾方面：嚴格控制基床表層和底層凍深范圍內的細粒含量，明確滲透性要求，相關技術條件已納入相關鐵路規程[7-8]；基床表層采用摻水泥級配碎石，大幅降低基床表層凍脹占比；取消基床底層兩布一膜隔水層，同時盡可能將電纜槽設置在邊坡臺階上，使基床滲排水通暢；提升路基面各種結構縫嵌縫材料的密封性能，改進封閉施工工藝。總之，哈大高速鐵路路基凍脹規律及其原因分析，為后續季節性凍土區高速鐵路路基防凍脹設計的改進提供了重要依據。

2.2　水準觀測結果分析

表1給出了2012—2015年3個凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形水準觀測統計結果。由表1可知：2012—2013年冬季全線路基凍脹量≤4 mm的約占61%，4～10 mm范圍的約占33%，≥10 mm的約占6%，且凍脹量≥10 mm的路基主要集中在鲅魚圈、長春西等個別特殊地段；后2個凍融周期各個凍脹區間所占比例與2012—2013年基本持平。后2個凍融周期的檢測范圍均依據上一凍融周期路基凍脹量≥5 mm的區間確定，因此，雖然3個凍融周期各量值空間占比基本持平，但間接說明了全線路基凍脹整體呈逐步改善的趨勢。

表2給出了2012—2015年3個凍融周期哈大高速鐵路路基重復水準觀測段凍脹變形統計結果。由表2可知，小量值區間占比逐年增大，而大量值區間則逐年減小，說明全線路基的凍脹逐年趨于穩定。上述大范圍水準觀測結果表明，季節性凍土區高鐵路基的凍脹雖不可避免，但能控制在合理范圍內。

另外，通過上述水準測量發現凍脹發生的位置和量值具有重復性特征，這為制定凍害地段的維護措施提供了重要依據。沈陽鐵路局建立了以入冬之前軌面高程預設為主的維護措施[9]。入冬前采用預墊板和預撤板，調整凍脹處所一定范圍內的軌面高程，使其在凍脹前后均滿足平順性要求，實現動態檢測不超限。該措施有效控制了高速鐵路路基凍害，降低了維護工作量。

表1　3個凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形統計結果

表23個凍融周期哈大高速鐵路路基重復水準觀測段凍脹變形統計表

變形區間/mm測點共計/個2012—2013年2013—2014年2014—2015年測點/個比例/%測點/個比例/%測點/個比例/%<44～66～88～1010～12>1218478654683107758311195647029716082941592278150521911861739371991077168910117633834491136127842250271185100210858542227

注：測點為軌道結構凸臺上的測點，不含路肩和和線間的測點。

2.3　軌道檢測結果分析

哈大高速鐵路采用綜合檢測列車進行高密度的軌道平順性檢測。圖6和圖7為全線2012—2015年2個凍融周期內檢測同期Ⅰ、Ⅱ級超限分布對比情況。由圖6和圖7可知，2012—2013年，全線累積Ⅰ級超限15 960次、Ⅱ級超限1 031次。通過線路維護，沒有出現Ⅲ級及以上超限和臨時限速處所。2013—2014年，全線累積Ⅰ級超限5 329次，Ⅱ級超限191次，整個冬季動態檢測過程中Ⅰ級和Ⅱ級超限總數量較2012—2013年顯著減小。

圖6　哈大高速鐵路全線每次動檢Ⅰ級超限數量

圖7　哈大高速鐵路全線每次動檢Ⅱ級超限數量

圖8和圖9為哈大高速鐵路沿線每100 kmⅠ級和Ⅱ級超限累加統計結果。由圖8和圖9可知，2013—2014年全線Ⅰ級和Ⅱ級超限個數整體上均有所減小，尤以沈大段最為明顯。沈哈段Ⅱ級超限分布基本上與2012—2013年一致。上述情況說明沈哈兩局采取了有效措施，控制了線路超限情況的發生。

圖8　哈大高速鐵路沿線Ⅰ級超限數量(每100 km累加)

圖9　哈大高速鐵路沿線Ⅱ級超限數量(每100 km累加)

圖10為全線凍深與凍害數量趨勢圖。由圖10可知：當凍深小于50 cm時凍害數量很少；而凍深在50～160 cm時，凍害數量快速增加；凍深大于160～250 cm時凍害數量趨于穩定，之后凍害數量開始逐漸減少；回落期凍深在200～50 cm變化時，凍害數量減少較快，當凍深融化至50 cm以下時凍害數量趨于0，其發展形態與自動監測的凍脹發展過程完全一致，在凍深上存在50 cm左右的錯位。

圖10　凍脹深度與凍害數量趨勢圖(2012—2013年)

這主要是由于圖9采用的是自動監測的路肩凍深，軌道檢測的是軌道結構位置。由于50 cm厚軌道結構的覆蓋，路肩凍深的發展必然先于軌道結構下方。除去該影響，則凍脹自動監測結果與全線凍害發展過程是非常一致的。

3　結　論

(1)高速鐵路路基凍脹綜合監測體系具有重要作用，可為獲得季節性凍土地區高速鐵路路基凍脹的時空分布規律提供技術支撐。

(2)凍融發展變化過程主要表現為初始波動、快速凍脹、穩定凍脹、融化回落4個階段，其中快速凍脹和融化回落階段對線路平順性的影響最大，是線路維護的重難階段。

(3)哈大高鐵路基凍脹的主要部位為基床淺層，基本上在110 cm凍深范圍產生90%的凍脹量，其中基床表層凍脹占比近70%。基床淺層是高速鐵路路基防凍脹設計的重點。

(4)季節性凍土區高速鐵路路基的凍脹不可避免，但能夠控制在合理范圍之內。哈大高速鐵路路基凍脹整體上呈逐漸減緩的趨勢。凍脹發生位置和量值具有一定的重復性特征。

(5)季節性凍土區高速鐵路路基凍脹的時空分布規律對于高鐵路基防凍脹設計和運營維護具有非常重要的指導意義，可為凍害地段線路維護措施的制訂提供依據。

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