京沈客專季節性凍土區路基結構防凍脹技術

張義理

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

我國北方地區冬季寒冷，大部分區域存在季節性凍土，影響深度一般在1～3 m之間。季節性凍土具有冬季凍脹、夏季融化的特點，會造成土體性質變化，對路基工程結構的穩定性具有重大影響。目前在凍土區建造的鐵路［1］和公路［2］路基工程中，冬季經常會出現路基凍脹、變形、開裂等現象，且隨著地表水的滲入使路基土體軟化，造成路基彈簧、不均勻沉陷、邊坡滑溜等病害，嚴重影響鐵路和公路的運營安全。基于此，京沈客專TJ-8標段路基工程在施工過程中，針對季節性凍土需采取多項治理技術措施，以確保季節性凍土區路基結構的穩定。

2 工程概況

北京至沈陽鐵路客運專線（遼寧段）正線全長406.7 km，沿途經過沈陽市、阜新市、錦州市和朝陽市。采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構，設計時速350 km，對路基的結構穩定性要求極高（工后沉降總量不得超過15 mm、差異沉降不得超過5 mm）。線路穿越季節性凍土區路基工點224處，長113.4 km，占線路建筑長度的28%。由中鐵十七局集團有限公司施工的京沈客專TJ-8標段正線全長35.5 km，其中路基共25段總長13 km。工程位于遼寧省阜新市，歷年平均氣溫8.5℃，最冷月平均氣溫-11.1℃，極端最低氣溫-30.9℃，冬季風大、雪厚，氣候寒冷，凍土深度達1.4 m左右［3］。在凍土區進行路基施工，工點多且分散，縱向剛度變化均勻性要求高，防凍脹技術措施復雜，確保路基結構穩定難度大。

3 路基凍脹原理及凍結深度

3.1 路基凍脹原理

寒冷地區土體產生凍脹的原因主要有三大要素，即水、凍脹敏感性的土及土中的負溫［4］。土體中的水分是導致凍脹的物質因素，水分主要來自于降水、地下水甚至水蒸汽。由于土體凍結過程中溫度差異導致的吸力，凍結鋒面附近甚至其下很深部位的水分都可能遷移上來形成冰透鏡體。如果具備負地溫和凍脹敏感性土體條件，甚至在沒有自由水體補充的情況下也一樣會產生相當大的凍脹量。而且，非飽和土體在凍結過程中也會產生一定的凍脹量。因此，在路基工程中，水分是導致凍脹產生的關鍵性因素之一，區域地下水分布、補給和運移對凍脹產生的影響十分重大［5］。土中的負溫影響最直接的表現就是凍深。技術人員對確定凍脹敏感性土體的不同判別標準分別進行過論述。當路基基床表層采用級配碎石時［6］，受地表水下滲等影響，其凍脹量約占路基總凍脹量的40%，級配碎石凍脹對路基的穩定性影響較大。根據相關規范規定，A、B組填料中細粒（直徑為0.075 mm以下的顆粒）含量應小于15%。

目前我國采用的防凍脹措施一般從影響凍脹發生的三要素（水、凍脹敏感性的土及土中的負溫）入手，即采取防水、改善填料及干涉地溫等方法［7］。根據工程的實際情況，可以單獨使用其中一種，也可以綜合使用。

3.2 凍結深度計算

根據《凍土地區建筑地基基礎設計規范》（JGJ 118-2011）的規定，設計凍深 Zd可按照下式計算［8］：

式中：Z0為標準凍結深度；ψzs為土的類別對凍深的影響系數；ψzw為凍脹性對凍深的影響系數；ψze為周圍環境對凍深的影響系數；ψzt0為地形對凍深的影響系數。

經計算，京沈客專TJ-8標段最大凍結深度為1.4 m，設計凍深為 2.25 m［9］。

4 京沈客專路基防凍脹技術措施

4.1 路塹防凍脹技術

開挖路塹地段的路基主要采用對凍脹敏感性的土進行換填、對地表水進行隔離、對地下水進行引排［10］等綜合治理技術。

硬質巖路塹地段鑿除硬質巖基床路基面以下0.2 m范圍內原地層，用高壓水沖洗后，澆筑C35素混凝土封層，并配置φ12@200雙向面筋；軟質巖路塹地段設計凍深范圍內采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床以下設置碎石墊層，厚0.25 m；土質路塹地段設計凍深范圍內采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床下設置碎石墊層，厚0.5 m；黃土及膨脹巖路塹地段設計凍深范圍內采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚的C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床下設置碎石墊層，厚0.25 m，碎石墊層下換填三七灰土，厚0.25 m。

為了保證路基不受地表水下滲的影響，在混凝土基床兩側路基頂面從上到下依次設置預制塊鋪面、砂墊層、兩布一膜隔水層和三七灰土。其中，兩布一膜設置于電纜槽下，通過側溝側壁泄水孔將地表水排出。標準路塹斷面如圖1所示。

圖1 標準路塹斷面（單位：m）

地下水發育地段路塹，在路基側溝平臺下設置滲水暗溝截排地下水。路塹邊坡位于地下水位以下時［11］，邊坡設置支撐滲溝，可根據地下水流向及流量在一側或兩側設置。縱向滲水盲溝寬1.0 m，溝內充填洗凈的碎石，下設C25混凝土基礎，厚0.2 m，其上設φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，滲溝四周采用一層透水土工布包裹。滲水管設置于設計凍深以下不小于0.25 m，如有基床換填，尚應低于換填層下不小于0.2 m，保證路基范圍內影響結構穩定的地下水能隨時排走［5］。縱向滲水盲溝設置如圖2所示。

圖2 縱向滲水盲溝剖面（單位：m）

沿線路方向每隔30 m及平縱斷面轉折處設圓形預制拼裝式檢查井，檢查井露出側溝平臺或地面不小于0.3 m。滲溝出水口處采取保溫措施，通過保溫出水口將水排入排水溝、沖溝或涵洞中。保溫出口應設置在距線路一定距離、地勢開闊、落差大而且朝陽避風的地點。具體作法如下。

（1）出水口采用掩埋式錐體保溫出口，保溫出口內設集水井。集水井于保溫出口軸向及兩側夾角45°方向各設置1個圓形出水口，出水口底高出地面不小于0.5 m。路基盲溝下最后一個檢查井外采用公稱內徑0.3m、壁厚30mm的C25混凝土排水管將水排入集水井內，排水管的管節之間搭接應嚴密，不得出現滲漏水現象，混凝土排水管底設C25現澆混凝土基礎。

（2）蓄水帶為片石碼砌，其頂部應高出管頂以上50 cm。片石四周設厚0.3 m碎石墊層，片石與碎石間鋪設一層透水土工布，在碎石墊層頂面外側及兩側鋪設XPS保溫板，厚0.1 m。蓄水帶縱向設干砌片石出水口，出水口平面為扇形，其干砌片石厚度不小于0.5 m。碎石墊層頂埋深不小于設計凍深。

（3）檢查井至集水井段保溫體頂面寬2.0 m，兩側邊坡坡度為1∶2.0，路基面及兩側邊坡均采用C25混凝土六邊形空心磚防護。當混凝土排水管位于地面以下時，沿排水管基礎兩側按照1∶0.2坡度開挖，并原土回填。

（4）保溫出口兩側及出水端部坡率均為1∶2.0的錐體，其端部邊坡及兩側邊坡于XPS保溫板外夯填黏性土。保溫出口四周邊坡（端部、頂部及兩側）均采用C25混凝土六邊形空心磚防護，于坡腳設置C25現澆混凝土護腳基礎，基礎混凝土澆筑前應在干砌片石頂部設置塑料布隔離層。

其保溫出水口斷面如圖3所示。

圖3 保溫出水口斷面（單位：m）

4.2 路堤防凍脹技術措施

填方路堤地段的路基主要采用路基填料改良和對地表水進行隔離等綜合治理技術。

路堤地段無砟軌道正線路基基床總厚度為2.8m，基床范圍內從上到下依次為C35混凝土、C20混凝土、摻5%水泥級配碎石［12］和 A、B組填料。其中C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度為最大凍結深度減0.5 m（厚度值取1 m），摻5%水泥級配碎石厚度為設計凍深減最大凍結深度（厚度值取0.9 m）。標準路堤斷面如圖4所示。

圖4 標準路堤斷面（單位：m）

4.3 過渡段技術措施

路橋過渡段、路堤與橫向結構物（立交框構、箱涵等）過渡段采用倒梯形方案。設計凍深范圍內采用混凝土基床及級配碎石摻5%水泥填筑，設計凍深以下倒梯形部分填筑摻入3%水泥的級配碎石。路隧過渡段采用混凝土基床結構。

5 路基施工控制要點

（1）級配碎石通過試驗選定配合比，采用連續級配，細顆粒含量比例在5%以下，并通過試驗段進行驗證，確保壓實標準滿足壓實系數K≥0.95、地基系數K30≥150 MPa/m、動態變形模量Evd≥50 MPa。

（2）路基填筑必須全寬一次施工，嚴禁縱向接縫。路基橫坡按5%控制，填筑表面應平整，防止雨水下滲，形成凍脹隱患。

（3）路基攤鋪、平整和壓實要嚴格按試驗段取得的數據進行控制，虛鋪厚度不超過30 cm，60 t振動壓路機壓實不少于4遍，不得出現粗粒料或細料堆積現象。

（4）混凝土基床施工時振搗要密實、收面要平整、養護要保濕，分塊處接縫須平整，縫內填塞防水膠條要嚴密，防止施工縫滲水。

（5）帶膜土工布施工時，上層砂墊層必須采用人工作業，嚴禁重型設備直接在砂墊層上作業，以防損壞帶膜土工布。

（6）滲水盲溝內的碎石需沖洗干凈，碎石分層填筑，采用平板振動器振動密實，確保路基穩定；帶孔雙壁波紋排水管的縱向排水坡度不得小于2%，確保地下水排出暢通。

（7）保溫出水口的干砌片石要立砌穩固，確保結構穩定和排水暢通；保溫板底面要平整、搭接要緊密、安裝要牢固，確保長期保溫效果。

（8）路基完成混凝土強度達到要求后，進行堆載預壓，加速路基固結和穩定，堆載預壓期為6個月。

6 沉降觀測及效果評價

觀測斷面沿線路方向一般間距不大于50 m，路橋過渡段在緊靠橋臺及距離橋臺5 m、30 m處各設1個觀測斷面，涵洞（框構）每側各設1個觀測斷面。圖5為觀測斷面（514315）路基頂面工后沉降變形曲線。

圖5 514315斷面路基頂面沉降曲線

通過對沉降觀測數據進行分析可知，路基工后沉降最大值為2.1 mm，2016-2017冬期凍脹變形影響在0.5 mm以內，滿足路基結構穩定性要求。

7 結束語

本文以京沈客專TJ-8標段季節性凍土區路基工程為依托，采用理論分析和現場實踐相結合的方法，對季節性凍土區路基結構穩定技術進行深入研究。通過采用對路基填料改良，以及對地表水和地下水綜合治理等措施，取得了顯著效果，經檢測路基工程質量達到驗標要求，各項監測數據指標均未超標，路基結構穩定，為無砟軌道施工和京沈客專開通運營創造了良好的條件。