吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基防凍脹設(shè)計(jì)應(yīng)用效果及補(bǔ)強(qiáng)方案研究

劉明宇　崔俊杰　黃新文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)路基防凍脹設(shè)計(jì)應(yīng)用效果及補(bǔ)強(qiáng)方案研究

劉明宇崔俊杰黃新文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京100055)

基于PDCA循環(huán)質(zhì)量管理體系對(duì)吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的防凍脹措施應(yīng)用效果及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)進(jìn)行管理和監(jiān)控，埋設(shè)凍脹觀測(cè)樁并觀測(cè)路基面凍脹量隨時(shí)間變化情況，對(duì)凍脹量較大的區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)。針對(duì)檢查階段發(fā)現(xiàn)的凍脹問(wèn)題，根據(jù)凍脹量的大小、凍脹發(fā)生區(qū)域、凍脹生產(chǎn)原因等不同情況，提出相應(yīng)的路基凍脹補(bǔ)強(qiáng)措施。

路基凍脹PDCA質(zhì)量管理體系防凍漲設(shè)計(jì)凍脹標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)強(qiáng)措施

我國(guó)東北地區(qū)冬季氣候寒冷，空氣濕度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，鐵路路基凍害常有發(fā)生，對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)工作影響較大。路基面凍脹、融沉的不均勻變形易引起軌面的不平順，影響列車(chē)時(shí)速和舒適性，甚至?xí)?duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)安全造成危害。鐵路作為線(xiàn)性工程，沿線(xiàn)氣象條件和地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，造成路基凍脹具有普遍性、必然性和不確定性的特點(diǎn)。結(jié)合在建吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，對(duì)路基面凍脹變形進(jìn)行觀測(cè)分析，改進(jìn)防凍漲設(shè)計(jì)措施，為嚴(yán)寒地區(qū)路基凍脹病害防治和防凍漲設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1　概況

新建吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)位于吉林省中東部，線(xiàn)路全長(zhǎng)約361 km；路基長(zhǎng)度114.55 km，占正線(xiàn)長(zhǎng)度31.77%，全線(xiàn)鋪設(shè)有砟軌道。線(xiàn)路所經(jīng)地區(qū)為長(zhǎng)白山中低山區(qū)，分布有相對(duì)平緩開(kāi)闊的河谷盆地，經(jīng)過(guò)地區(qū)水系發(fā)達(dá)，河流眾多。

本線(xiàn)屬北亞溫帶濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，根據(jù)鐵路工程氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。年平均氣溫4.6 ℃，最冷月平均氣溫-10.3～-23.4 ℃，極端最低氣溫-42.5 ℃，年平均降水量約670 mm，雨季相對(duì)集中，主要為6～8月；平均相對(duì)濕度為64%～76%，最大凍結(jié)深度為192 cm。

2　PDCA循環(huán)控制

PDCA循環(huán)控制，又被稱(chēng)為“戴明環(huán)”，是一種全面質(zhì)量管理的科學(xué)程序，由計(jì)劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)和處理(Action)四個(gè)部分組成，PDCA名稱(chēng)即是由四個(gè)步驟單詞的第一個(gè)字母組成。此方法在質(zhì)量控制的過(guò)程中，按照PDCA四個(gè)不同階段循環(huán)進(jìn)行，不停地運(yùn)轉(zhuǎn)(如圖1所示)，也是一個(gè)循序漸進(jìn)的提高過(guò)程，呈階梯式上升，形成一個(gè)有機(jī)的整體。

圖1　PDCA循環(huán)模型

3　防凍漲設(shè)計(jì)-計(jì)劃(P)階段

吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)地處東北嚴(yán)寒地區(qū)，在施工圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)路基防凍漲設(shè)計(jì)已有所考慮，主要在基床填料和防排水兩個(gè)方面采取加強(qiáng)措施，具體采取了以下設(shè)計(jì)方案。

3.1非凍脹A、B組填料

考慮本地區(qū)的最大凍結(jié)深度，基床表層填筑級(jí)配碎石，以下設(shè)0.2 m厚中粗砂內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜隔斷層，路堤地段基床底層上部1.0 m采用非凍脹性A、B組填料，下部采用A、B組填料。路塹地段基床底層均換填非凍脹性A、B組填料。其中級(jí)配碎石中細(xì)顆粒含量小于5%，非凍脹性A、B組土中細(xì)顆粒含量小于15%，平均凍脹率≤1%。

3.2基床防排水設(shè)計(jì)

(1)基床表水經(jīng)護(hù)肩頂面匯流于路塹側(cè)溝或路堤兩側(cè)攔水坎或截水槽，路堤地段表水再經(jīng)路堤邊坡的橫向排水槽或截水槽引入排水溝或路堤坡腳外。

(2)電纜槽采用橫向排水，分別于中隔板、外側(cè)壁下部設(shè)泄水孔，底部設(shè)碎石排水層，沿電纜溝底及護(hù)肩底處分別設(shè)置泄水孔，縱向每2.0m設(shè)一個(gè)，將電纜溝及基床底積水引排至側(cè)溝。

具體基床排水設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

圖2　路堤護(hù)肩排水(單位：m)

圖3　路塹護(hù)肩排水(單位：m)

3.3地下水防排水設(shè)計(jì)

對(duì)于路基存在危害的地下水(基巖裂隙水、淺層滯水)，通常會(huì)導(dǎo)致路塹基床積水、基底軟化、路基凍脹、邊坡滲水、邊坡掛冰、邊坡凍脹變形、邊坡溜坍等病害，根據(jù)其性質(zhì)和特征設(shè)置明溝、邊坡支撐滲溝、截水滲溝、毛細(xì)排水板或排水斜孔等防排水設(shè)施，特別是順層路塹、膨脹巖(土)路塹、地下水發(fā)育路塹須加強(qiáng)引排水措施。

3.4路涵過(guò)渡段設(shè)計(jì)

涵頂至路基面的高度大于1.5 m時(shí)，過(guò)渡段范圍內(nèi)的基床表層采用級(jí)配碎石，倒梯形部分采用摻3%水泥的級(jí)配碎石分層填筑。在中粗砂與結(jié)構(gòu)物頂面之間填筑非凍脹A、B組土；涵頂至路基面的高度小于等于1.5 m時(shí)，過(guò)渡段范圍內(nèi)的基床表層級(jí)配碎石應(yīng)摻加5%的水泥，在涵頂面及兩側(cè)設(shè)置摻3%水泥的級(jí)配碎石過(guò)渡段。

4　凍脹變形監(jiān)測(cè)-執(zhí)行(D)階段

執(zhí)行階段是PDCA質(zhì)量控制體系中的關(guān)鍵部分與薄弱環(huán)節(jié)，為了對(duì)防凍漲設(shè)計(jì)的應(yīng)用情況進(jìn)行全面、細(xì)致、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)路基的凍脹具體變化情況進(jìn)行深入了解，采用在路基斷面埋設(shè)凍脹觀測(cè)樁，人工精密水準(zhǔn)測(cè)量的方式，對(duì)全線(xiàn)路基面的凍脹變化情況進(jìn)行全面的觀測(cè)。一般按照不大于50 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，長(zhǎng)大路堤段落人工觀測(cè)樁按照100～200 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在路基中心，左右路肩位置各設(shè)置一個(gè)觀測(cè)樁，過(guò)渡段按照路涵、路橋、路隧過(guò)渡段要求進(jìn)行加密布設(shè)。計(jì)劃工作量見(jiàn)表1。

表1　人工精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)工作計(jì)劃工作量

2013～2014年整個(gè)冬季監(jiān)測(cè)周期共進(jìn)行了7次人工精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，其中大部分觀測(cè)點(diǎn)凍脹變形數(shù)據(jù)在第四次測(cè)量(1月初)或第五次測(cè)量(3月初)達(dá)到最大值，以后隨著溫度的逐漸回升，大部分開(kāi)始進(jìn)入融沉階段。具體凍脹變形數(shù)據(jù)分布情況見(jiàn)表2。

表2　觀測(cè)點(diǎn)凍脹變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5　現(xiàn)場(chǎng)勘察-檢查(C)階段

檢查階段是指對(duì)路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析后，對(duì)凍脹變形量較大區(qū)段進(jìn)行勘察，得到執(zhí)行階段的反饋信息，最終得到一個(gè)更為合適的質(zhì)量管理方案。根據(jù)全線(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)的凍脹變形情況，對(duì)部分凍脹量較大的區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察。凍脹勘察主要采取調(diào)查測(cè)繪、挖探、取樣等試驗(yàn)方法。調(diào)查測(cè)繪主要調(diào)查工點(diǎn)情況、水文情況、截水滲溝坡度及管底高程是否滿(mǎn)足要求等。對(duì)連續(xù)凍脹變形較大的段落以及單個(gè)點(diǎn)凍脹變形偏大的凍脹觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行挖探，查勘填料情況及地下水情況，并對(duì)這些點(diǎn)的基床表層、基床底層各取土樣，進(jìn)行填料類(lèi)別、顆粒密度、顆粒分析、天然含水率、細(xì)粒土含量、滲透系數(shù)、實(shí)際干密度、最大干密度等試驗(yàn)。

全線(xiàn)共計(jì)挖探128個(gè)，取樣493組，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，存在的主要問(wèn)題為填料含水率及細(xì)顆粒密度偏大，基床表層含水率平均值為5.11%，最大值為10.33%；基床表層細(xì)顆粒含量平均值為5.63%，最大值為9.16%；基床底層含水率平均值為6.37%，最大值13.29%；基床底層細(xì)顆粒含量平均值為9.98%，最大值為29.89%。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，路基凍脹原因總結(jié)如表3所示。

表3　路基面凍脹原因分析

6　補(bǔ)強(qiáng)措施-處理(D)階段

根據(jù)對(duì)路基防凍漲設(shè)計(jì)的計(jì)劃，執(zhí)行和檢查所取得成果，應(yīng)在處理階段加強(qiáng)質(zhì)量控制，對(duì)計(jì)劃階段的設(shè)計(jì)方案做修改。在凍脹變形較大的路基區(qū)段，對(duì)防凍漲措施提出針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)措施，從而提升吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)整體防凍漲能力。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速250 km的有砟軌道線(xiàn)路，其路基凍脹變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，目前規(guī)范中沒(méi)有明確的規(guī)定，僅有《高速鐵路路基維修規(guī)則》等部分規(guī)范從保證行車(chē)安全和平穩(wěn)舒適性的方面，對(duì)軌道平順度精度進(jìn)行控制。由于吉圖琿客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)尚未鋪軌，無(wú)法通過(guò)軌面高程的變化來(lái)確定凍脹處理的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合本地區(qū)其他鐵路凍脹處理標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次擬對(duì)凍脹變形分為8～12 mm和大于12 mm兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行防凍漲補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到路涵過(guò)渡段的特殊性，對(duì)于路涵過(guò)渡段也采取相應(yīng)的防凍漲補(bǔ)強(qiáng)措施。

6.1凍脹量大于12 mm的工點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

本線(xiàn)平均凍脹量大于12 mm的工點(diǎn)均為地下水路塹，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)可知，這些工點(diǎn)基床表層和基床底層含水率均偏高，部分工點(diǎn)填料細(xì)顆粒含量大于設(shè)計(jì)值，基床表層和底層均發(fā)生較大凍脹變形，表明含水率達(dá)到一定值時(shí)，粗顆粒填料也會(huì)發(fā)生凍脹變形。因此，需對(duì)基床表層和基床底層均進(jìn)行隔水及排水處理，斷絕水分補(bǔ)給條件。

具體的補(bǔ)強(qiáng)措施可采用挖除表層級(jí)配碎石及中粗砂夾一層復(fù)合土工膜隔斷層。換填摻5%水泥的級(jí)配碎石，為保持線(xiàn)路連接平順，設(shè)置倒梯形過(guò)渡段，按臺(tái)階分層填筑，這樣既解決了基床表層含水量偏高的問(wèn)題，也避免了地表水通過(guò)基床表層滲入基床底層。

為了解決基床底層含水量偏高的情況，應(yīng)設(shè)置或加深截水滲溝，保證滲溝的流水坡度，盲管深度建議達(dá)到最大凍結(jié)深度的1.3倍或包裹保溫板。為防止邊坡垮塌，在截水滲溝頂部縱向設(shè)工字鋼支撐，并間隔一定距離設(shè)置一道橫向支撐，并合理設(shè)置保溫出口位置。為了防止基床底層與截水滲溝之間存在“夾心土”的情況，每隔2 m間距，在側(cè)溝底挖除地基土，并填充無(wú)紡布包裹洗凈碎石，使基床底層與截水滲溝相互連通，利于基床部分排水。對(duì)于不滿(mǎn)足要求的基床底層填料，需挖除換填合格的非凍脹A、B填料，具體措施如圖4、圖5所示。

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圖4　鋪設(shè)保溫板截水滲溝結(jié)構(gòu)

圖5　換填底層與截水滲溝間“夾心土”

6.2凍脹量8～12 mm的工點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

平均凍脹量8～12 mm的工點(diǎn)，多為基床表層含水量偏高，造成基床表層凍脹量較大，對(duì)于這部分工點(diǎn)如果采用挖除換填整個(gè)基床表層的辦法，經(jīng)濟(jì)性差，且對(duì)既有工程破壞較大。對(duì)于此類(lèi)工點(diǎn)的補(bǔ)強(qiáng)措施建議以基床表層疏排水為主，可根據(jù)凍脹變形數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，按照施工難易程度采用以下方案：

(1)沿線(xiàn)路縱向隔3 m切開(kāi)混凝土護(hù)肩，切口深度至兩布一膜隔斷層，切口寬度約10 cm，切槽范圍填充洗凈碎石，外部外覆一層無(wú)砂混凝土，厚度0.1 m，同時(shí)在兩布一膜上部放置PVC半管，長(zhǎng)度至電纜槽下，以保證基床表層水順暢排出。

(2)將凍脹范圍段護(hù)肩拆除，在兩布一膜上部鋪設(shè)無(wú)砂混凝土板，厚度0.1 m，混凝土板上鋪一層塑料防水布，以上再重新恢復(fù)施工C25混凝土護(hù)肩，同時(shí)沿?zé)o砂混凝土板縱向每隔2 m設(shè)置PVC排水半管，長(zhǎng)度至電纜槽下，易于基床表層的水能順暢排出。具體措施如圖6、圖7所示。

圖6　護(hù)肩填充洗凈碎石(單位：m)

圖7　護(hù)肩鋪設(shè)無(wú)砂混凝土(單位：m)

6.3路涵過(guò)渡段補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

由于路涵過(guò)渡段范圍內(nèi)基床表層已采用摻水泥的級(jí)配碎石填筑，凍漲變形較小，因此補(bǔ)強(qiáng)措施主要為改善基床底層疏排水效果，保持路基土干燥。考慮到路涵過(guò)渡段的特殊性，可采取在過(guò)渡段兩側(cè)增設(shè)側(cè)向仰斜排水孔2排，分別位于路基面下1.4 m、2.4 m，鉆孔縱向間距為2.0 m，仰斜角3～5°，孔深至路基中心處。孔徑采用110 mm，排水管采用RCP-Y10G(A)，管徑100 mm，環(huán)剛度≥16 kPa，管壁布置梅花形透水孔，孔隙率≥80%，管身和端頭均采用透水土工布包裹。具體措施如圖8所示。

圖8　增設(shè)仰斜排水孔路堤縱斷面(單位：m)

7　結(jié)論

(1)寒區(qū)鐵路在設(shè)計(jì)階段對(duì)路基凍漲問(wèn)題要有足夠的重視，并在施工過(guò)程中對(duì)路基凍脹變形進(jìn)行觀測(cè)，一旦出現(xiàn)凍脹量偏大的情況，及時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)等手段分析凍脹原因，采取防凍漲補(bǔ)強(qiáng)措施，在施工期予以解決，避免在運(yùn)營(yíng)階段出現(xiàn)再次凍脹問(wèn)題，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提高行車(chē)安全。

(2)根據(jù)東北嚴(yán)寒地區(qū)凍脹特點(diǎn)及有砟軌道平順度控制要求，建議按照路基面最大凍脹變形8～12 mm及12 mm以上兩種標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的防凍脹處理措施。

(3)路塹自身滲排水能力較差，容易受地下水及天然降水影響，尤其是地下水路塹，更易造成基床范圍內(nèi)的含水量增加，引起較大的凍脹變形。疏干基床部分水分是控制凍脹的關(guān)鍵所在，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水的現(xiàn)場(chǎng)勘察工作，并在施工過(guò)程中做好現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)工作，路塹邊坡存在淺層滯水或地下水位較高的情況，應(yīng)增設(shè)或加深邊坡支撐滲溝、截水滲溝等防凍漲補(bǔ)強(qiáng)措施，做好地下排水設(shè)施的保溫設(shè)計(jì)。

(4)對(duì)于本線(xiàn)路堤而言，主要為基床表層內(nèi)含水量較大引起的路基面凍脹，因此凍脹最大值相對(duì)較小，但凍脹發(fā)生迅速，凍脹周期長(zhǎng)，且存在地基沉降，造成測(cè)量值較實(shí)際凍脹量偏小。在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)路肩的排水設(shè)計(jì)，可適當(dāng)減少兩布一膜的鋪設(shè)范圍，或增加表層排水管的排水能力。

(5)路涵過(guò)渡段的凍脹問(wèn)題相比路橋過(guò)渡段更為嚴(yán)重，對(duì)于涵頂填土較低的路涵過(guò)渡段易發(fā)生雙向凍脹。由于路涵過(guò)渡段自身的特點(diǎn)，一旦發(fā)生凍脹問(wèn)題，極易影響線(xiàn)路的平順性，處理也較為復(fù)雜。在施工過(guò)程中要加強(qiáng)涵洞自身及路涵過(guò)渡段的觀測(cè)工作，嚴(yán)格控制過(guò)渡段填料等級(jí)和壓實(shí)程度，防止地表水下滲，對(duì)于凍脹量偏大的情況，建議采用仰斜排水管疏排。

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Study on Application Effect and Reinforcement Measures on Frozen-Preventing Design of Jilin-Hunchun Passenger Railway Subgrade

LIU MingyuCUI JunjieHUANG Xinwen

2016-02-03

劉明宇(1984—)，男，畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0055-05

U213.1+5

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