南疆鐵路某路段路基凍害及防治措施研究

宋文燕+李克松

摘要：通過對(duì)某路段路基進(jìn)行野外觀察、鉆探調(diào)查以及室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)合研究路段工程地質(zhì)條件，對(duì)不同路基形式：隧道、橋涵、路堤、半挖半填路基以及低路堤的凍害特征進(jìn)行了研究，并針對(duì)不同的情況提出了合理的治理建議。

關(guān)鍵詞：凍害特征；防治措施；路基；隧道；橋涵；路堤

某路段地處天山多年凍土分布區(qū)的邊緣地帶，由于季節(jié)凍土的凍結(jié)影響，自線路投入運(yùn)營(yíng)以來，該區(qū)段線路多處發(fā)生凍脹病害。隨著我國(guó)鐵路提速范圍的擴(kuò)大以及列車速度的不斷提高，路基暴露出的問題也越來越嚴(yán)重。在原有路基病害處，動(dòng)應(yīng)力加大致使病害加重，造成線路的惡性循環(huán)，更加嚴(yán)重地影響行車安全。為此，深入研究該段路基凍害特征，對(duì)于采用合理措施治理，以及為其他季節(jié)凍土區(qū)鐵路的建設(shè)和維護(hù)提供參考有重要意義。

1.工程地質(zhì)條件

1.1地層巖性

研究路段地層巖性主要為人工填土和塊石或碎（卵）石土，其中人工填土厚6.0m～8.0m，填料主要為腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土或粉土。腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土粉土含量大，含水量約16%～ 32%。下部填土含卵碎石或少量的塊碎石，直徑一般為20cm～30cm，最大可達(dá)40cm，透水性好。該層持水性相對(duì)較好，干燥時(shí)，強(qiáng)度相對(duì)較高，潮濕或飽水時(shí)，軟化、泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，強(qiáng)度迅速降低。

1.2水文地質(zhì)

研究路段地表水補(bǔ)給來源為大氣降水（包括冰雪融水）。由于大氣降水直接滲入路基，導(dǎo)致土體含水量較高。部分路段路基基本垂直山坡，匯水面積大，強(qiáng)降雨時(shí)地表水豐富。另外，由于筑路取土，導(dǎo)致局部地帶低洼，加上腐殖質(zhì)粉質(zhì)黏土也被作為填料填筑路堤，因此地表水容易在此積水下滲，沿水力坡度和凍融界面滲向路基。路堤坡腳處凍融界面為凹形，易積水，導(dǎo)致局部土體含水量較高。

地下水補(bǔ)給來源為上述地表水的下滲和季節(jié)性凍土層的層間水。雨季導(dǎo)致季節(jié)性凍土層的融化。路堤本身和山側(cè)的季節(jié)融化層的融化水將沿水力坡度和凍融界面滲向路基，匯集于路堤左側(cè)坡腳的融化槽，高處的融化槽水向低處排泄，一旦遭堵，難以排出，就成為凍土層上水，此處的含水量就較高。而路塹段一般在路基中心形成凹形的凍融界面，因此凍土層上水也聚積于此。據(jù)鉆孔資料顯示，初見地下水位在4.0m附近。土體含水量不大，無(wú)明顯含水層，局部地帶含水量較大。而4月～9月的雨季期間，易在路基土層中形成暫時(shí)性持水，并使路基融化層處于飽水狀態(tài)。

2.不同形式路基凍害特征及治理措施建議

路基是鐵路的重要組成部分，必須有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，路基凍害嚴(yán)重影響路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。針對(duì)路基凍害問題，人們進(jìn)行了廣泛的研究，提出了各種路基抗凍害的工程措施，其中，在路基中鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保溫板就是保溫隔熱措施之一[1，2]。對(duì)于特定的凍土區(qū)，以往措施不都是合理和可靠的。針對(duì)路基形式的差異，有必要進(jìn)一步研究具體有效的路基抗凍措施。

2.1隧道凍結(jié)特征及防治措施建議

由于受寒冷氣候的影響，隧道易產(chǎn)生凍害現(xiàn)象。凍害一旦發(fā)生，不僅會(huì)使隧道襯砌遭到不同程度的破壞，而且掛（積）冰、凍脹還會(huì)侵入行車限界危及行車安全。其后果不僅給隧道運(yùn)營(yíng)管理帶來了很大的工程隱患，處理起來費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)財(cái)。而且在冬季大大弱化了隧道的使用功能，造成了巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

該路段隧道坐落在斷層及構(gòu)造裂隙發(fā)育的破碎巖層中，隧道中漏出的水流，因排水系統(tǒng)的排水不暢（由于施工質(zhì)量引起）而流入整體道床的上部，形成冰錐，當(dāng)排水系統(tǒng)凍壞或失效后，隧道的漏水就會(huì)流入整體道床的下部并凍結(jié)成冰，使此段整體道床發(fā)生凍脹隆起。夏季，因隧道內(nèi)的氣溫回升不太大，所以，上年的凍脹隆起無(wú)法融冰回落原位；下年冬季，隧道漏水又可能還會(huì)滲入上年凍脹隆起的下部，結(jié)冰并抬高上年的凍脹隆起。在施工過程中共發(fā)現(xiàn)有九處相互交叉的斷層，構(gòu)造裂隙水極發(fā)育，基巖構(gòu)造裂隙水也有直接補(bǔ)給凍脹部位的可能，所以加強(qiáng)隧道漏水的治理成為治理隧道凍害的重要措施。

防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，位于隧道的正下方，并將所設(shè)豎向盲溝、泄水孔、支導(dǎo)洞、檢查井、椎體保溫出水口等組成一個(gè)排水系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將襯砌后面圍巖中的地下水匯集在泄水洞中，然后再排出隧道。

2.2橋、涵凍脹病害及防治措施建議

橋涵是地表水排出路基的主要通道，所有的路基排水設(shè)施都必須與橋涵構(gòu)成一個(gè)完整排水體系，所以在路基排水措施中顯得尤為重要。下面分別進(jìn)行闡述：

2.2.1橋凍脹病害及防治措施建議

路段內(nèi)橋面及其兩側(cè)易發(fā)生較嚴(yán)重凍土病害，究其原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）橋面排導(dǎo)積水的排水孔堵塞或設(shè)計(jì)偏高，不能及時(shí)排走橋面上道床內(nèi)的積水；（2）墩臺(tái)實(shí)際上起到了擋水和隔水作用，橋梁施工中其兩端墩臺(tái)的回填土不是滲水土；（3）橋梁兩側(cè)路基填土多為粉質(zhì)黏土，透水性和滲水性均較差，易產(chǎn)生路基翻漿冒泥現(xiàn)象，導(dǎo)致道砟陷槽或形成道砟囊，且積水不易排出，久而久之，形成較為貫通的道砟囊，水流流入和聚積在橋梁兩端，導(dǎo)致路基凍脹變形。

針對(duì)以上問題，可以疏通排水孔，使積水順利排放，減少道碴層中的積水，從而相應(yīng)減少凍脹發(fā)生率；換填橋墩處的填土，使墩臺(tái)內(nèi)的積水及時(shí)排除，減弱橋梁兩側(cè)路基凍脹變形的可能性；對(duì)路基的翻漿冒泥進(jìn)行治理，減小道砟陷槽或道砟囊形成的可能性，從而有效地控制凍脹的發(fā)生。

2.2.2涵洞凍脹病害及防治措施建議

從前人調(diào)查勘探成果來看，涵洞發(fā)生凍害的位置相對(duì)固定，且凍害發(fā)生較早、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、凍深較大。涵洞孔徑越大、填土越薄，發(fā)生凍害越多，涵頂填土有產(chǎn)生雙向凍結(jié)現(xiàn)象的可能[2，3]。地表水和地下水使涵洞地基土浸濕、飽和，冬季期間導(dǎo)致涵洞的地基土具有強(qiáng)烈的凍脹性。冬季凍脹的作用，致使涵洞的進(jìn)出口隆起、端翼墻開裂、涵身拔節(jié)，涵洞沉陷、塌腰、錯(cuò)牙、漏水，以及涵洞內(nèi)出現(xiàn)充冰堵塞現(xiàn)象。涵洞病害最終導(dǎo)致排水系統(tǒng)失效，路基凍融病害率增多。endprint

在施工時(shí)，只把涵洞出、入水口的基底土層換填成滲水土層，涵洞就會(huì)發(fā)生不均勻下沉和向下游一側(cè)發(fā)生位移。

因此，采用大斷面的結(jié)構(gòu)形式，便于養(yǎng)護(hù)清理和自然沖淤；同時(shí)涵洞進(jìn)出口應(yīng)做好順接跌水結(jié)構(gòu)，防止沖刷和掏空涵洞基礎(chǔ)，陡邊坡段涵洞也應(yīng)設(shè)進(jìn)入通道，便于養(yǎng)護(hù)[3，4]。

2.3路堤凍脹病害及防治措施建議

研究區(qū)路堤內(nèi)設(shè)置的滲水、導(dǎo)水層很低，有的甚至在地面線以下，且厚度較薄（約0.5m～1m），不能起到疏干路堤內(nèi)積水的作用，當(dāng)降水較多，路堤路基內(nèi)水分較多時(shí)，路堤容易產(chǎn)生翻漿冒泥等病害，甚至發(fā)生凍脹變形。高路堤使路面與地下水的聯(lián)系大大減弱，材料本身含水量一般又小，不利于凍脹發(fā)生。因此，填方高度的增加，會(huì)使凍脹量減少。

綜上，換填滲水性很好的填土，并且設(shè)置到一定的高度和厚度能很好地排除路堤中的水，減少凍脹的發(fā)生。

2.4半挖半填路基、低路堤凍脹病害及防治措施建議

半挖半填部位和低路堤部位地下水往往比較活躍，利于凍脹發(fā)生。多次調(diào)查結(jié)果表明，破壞比較嚴(yán)重的地段多數(shù)是這三個(gè)地段。根據(jù)半挖半填路基的設(shè)計(jì)，在施工時(shí)，未按設(shè)計(jì)施工，在變更設(shè)計(jì)時(shí)，取消了臺(tái)階式開挖，填土也改為就地取材，導(dǎo)致路基產(chǎn)生凍脹及凍融滑塌等病害。另外，半挖半填路基一側(cè)為長(zhǎng)大緩坡，地下水、地表水容易匯集，加上路基土體本身排水不暢，使路基土體長(zhǎng)期處于富水或飽水狀態(tài)，更加劇了凍脹等病害對(duì)路基的破壞。對(duì)于低挖低填路基，在施工時(shí)，未按要求換填滲水土或采取的工程處理措施不當(dāng)，使地下水和地表水排泄不暢，使路基長(zhǎng)期處于飽水或富水狀態(tài)，局部地段處于長(zhǎng)期浸泡狀態(tài)，難免受凍土病害侵襲。另外，防水隔水措施不當(dāng)或缺乏導(dǎo)致凍脹病害的產(chǎn)生。排水、截水溝欠缺或開挖深度不夠以及路基附近地下水位長(zhǎng)期偏高是低挖低填路基產(chǎn)生凍脹變形的外部原因。因此，加強(qiáng)排水以及換填滲水性較好的填土是治理路塹、半挖半填路基和低挖低填路基凍害的有效措施。

3.結(jié)論

（1）隧道凍害產(chǎn)生的原因是隧道中漏出的水無(wú)法及時(shí)排出，再加上裂隙水直接補(bǔ)給凍脹部位，導(dǎo)致凍害加劇，加強(qiáng)漏水的治理能有效地治理隧道凍害。（2）排水孔的堵塞以及橋墩處所填的粉質(zhì)黏土是導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生凍害的主要原因，可通過疏導(dǎo)排水孔以及換填橋墩處的填土來治理；地下及地表水對(duì)涵洞地基土浸濕、飽和，使涵洞基底土反復(fù)發(fā)生不均勻凍脹，致使洞口發(fā)生淤塞等問題，采用大斷面的涵洞口可有助于減小該凍害的發(fā)生。（3）路基填土本身的滲水性是引起路基凍脹的主要原因，需換填滲水性良好的填土以及合理設(shè)計(jì)路基的高度和厚度可減小凍害發(fā)生；半挖半填路基以及低路堤產(chǎn)生凍害的主要原因是水，需加強(qiáng)排水以及換填滲水性較好的填土達(dá)到治理該凍害的目的。

參考文獻(xiàn)：

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