建設期與運營期鐵路路基凍脹的特征

張青波 張正義 曹太平

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

無砟軌道對路基變形的要求十分嚴格。自哈大高速鐵路修建以來，廣大科研以及工程建設人員對鐵路路基凍脹變形特征及防治措施進行了大量研究。在此基礎上，我國相繼修建了哈齊客運專線、沈丹客運專線等無砟軌道鐵路，使鐵路路基凍脹變形控制技術邁上了新臺階。

趙潤濤等［1］結合哈大客運專線沈大段路基工程設計情況，對防凍脹處理措施進行了闡述。張先軍［2］根據哈大高速鐵路路基凍脹測量和普查結果，提出了路基凍脹的特點和基本規律，分析了路基凍脹的水分、溫度、細顆粒含量等影響因素。劉華等［3］分析了路基結構形式對凍結特征的影響。劉勇［4］分析了凍脹變形與凍結深度的關系。趙富軍［5］系統總結了哈大高速鐵路的凍脹特征及防治措施。趙國堂等［6］分析了哈大高速鐵路路基凍脹及凍融前后軌道不平順變化規律。杜曉燕等［7］分析了大西高速鐵路的凍脹成因及特征并提出了綜合整治方案。苗祺等［8］總結了我國季節性凍土區高速鐵路路基凍脹特點、影響因素、防凍害措施以及其適用性。趙世運等［9］基于相似理論開展了不同細粉含量、含水量及水泥摻量的級配碎石的凍脹特性研究。

高速鐵路路基的穩定性和服役性能是隨著時間變化而動態變化的。李先明等［10］對哈大高速鐵路路基面凍脹變形特征及工程意義進行了探討，認為現有的凍脹觀測結果評估和預測方法對路基面整體凍脹量估計不足，在長期變形預測中并未考慮到一旦地基和基床固結完成時產生的凍脹量對路基和軌面變形的影響。目前無砟軌道鐵路實體工程建設運營時間有限，研究實際工程中凍融循環次數對凍脹變形的影響，對建立長期服役性能評價體系有重要意義［11］。

沈丹客運專線于2010年4月開工建設，2015年9月開通運營。建設過程中吸收了哈大高速鐵路的研究成果，對路基防凍脹措施進行了優化。本文對沈丹客運專線建設期及運營期的凍脹情況進行系統分析和總結，可為其他寒冷地區鐵路路基防凍脹設計、施工及評價提供參考。

1 路基防凍脹措施

沈陽至丹東客運專線位于遼寧省中東部沈陽市、本溪市和丹東市境內，屬寒冷地區，其中無砟軌道路基共101 段33.9 km。路基工點類型包括路堤坡面防護、低路堤、塹坡防護、深路塹、松軟土路基等。

1.1 基床及填料設計

基床表層采用級配碎石摻5% 水泥填筑，厚0.4 m，摻水泥前級配碎石填料中細顆粒（顆粒粒徑≤0.075 mm）含量不大于5%，壓實后細粒含量不大于7%。基床底層填筑A，B組填料，厚2.3 m。其中最大凍結深度范圍內填料的細顆粒含量要求小于5%；壓實后小于7%（水洗法），壓實后滲透系數不小于5×10-5m/s。

短路基及設置滲溝排水困難地段設置混凝土基床，厚度為不小于土壤最大凍結深度加0.25 m，基床兩側填筑A，B組土。

硬質巖地段路基面以下設置0.2 m 厚的C35 素混凝土封閉層，非硬質巖地段基床表層底面至最大凍結深度范圍換填非凍脹A，B組土。

1.2 防排水設計

1）無砟軌道底座間及兩側路肩范圍設置8 cm 厚C30纖維混凝土封水層。

2）地下水位較高或疏排條件較差的路塹地段設置單側或雙側滲水盲溝。

1.3 施工質量要求

防凍層應填筑滿足細顆粒含量、滲透系數等技術要求的合格填料，應嚴格按填筑試驗確定的施工工藝施工，并逐層檢測。材質、顆粒級配及滲透系數檢測每個料源不少于3 組；細顆粒含量檢測每段路基每層不少于3 點，間距不大于50 m，按線路左線中心外側、線路中心、線路右線中心外側的之字形布置。

1.4 變形監測方案

建設期內采用人工水準測量和自動觀測的方式進行路基凍脹變形觀測。每個自動觀測斷面在左、右線底座板右側外緣下布設觀測元器件，其中左線底座板右側下的測點為路基面中間測點，右線底座板右側下的測點為路肩測點。分別對路基面以下0.5，1.1，2.1 m 深度范圍內的凍脹變形進行觀測，共布置14 個自動觀測斷面，并于運營期間進行了持續觀測。

2 建設期凍脹變形

2.1 建設期凍脹變形趨勢

建設期進行了3 個年度的凍脹變形觀測，不同年度的凍脹變形統計見表1。可知，建設期間，隨著路基防凍脹措施逐步施工完善，路基凍脹情況得到逐步改善。尤其是2014—2015 年度軌道結構和路基面防排水結構施作完成后，凍脹變形不超過4 mm 的測點比例由2012—2013 年度的56.5%上升至2014—2015 年度的99.52%，且最大凍脹變形也顯著減小。這說明建設期路基防凍脹措施是有效的，全線路基凍脹變形整體上處于可控范圍。

表1 全線路基面凍脹變形統計

2.2 工點類型

水準監測結果表明，2014—2015 年度凍脹變形大于4 mm 的測點在路堤、路塹及過渡段均有分布。這說明填料基床在采取控制細顆粒含量+防排水措施后，超限凍脹變形出現的位置具有隨機性。混凝土基床段落測點的凍脹變形均小于4 mm，說明混凝土基床具有極好的抗凍性。

2.3 滲水盲溝

滲水盲溝主要起排除地下水的作用，同時可疏排部分基床下滲水。相比于原狀地基或壓實路基，洗凈碎石盲溝協調變形的能力也較強，對路塹地段測點的路基面凍脹變形按不同盲溝類型進行對比，2014—2015 年度不同盲溝類型路基面變形見表2。可知，設置雙側盲溝或者線間盲溝的地段，所有測點的凍脹變形均小于4 mm，說明設置滲水盲溝對減小凍脹變形有顯著作用。

表2 2014—2015年度不同盲溝類型路基面變形

為了達到截斷地下水流徑的目的，理論上在基床地下水滲流的上游設置單側盲溝即可。但是在實際工程中，地下水環境往往會隨著施工進程而不斷變化，致使個別地段單側盲溝未達到理想效果。因此，運營期地下水流路徑較難確定時宜優先采用雙側盲溝的形式。

2.4 最大凍結深度

凍結過程中凍結鋒面從地表逐漸往土體內部發展，而融化過程中凍結鋒面從土體內部最大凍結深度處和地表逐漸向中間靠攏。將整個凍融循環過程中凍結鋒面的最大埋深稱為最大凍結深度，則上下鋒面之間的土層厚度為實際的凍結厚度。

圖1 DK34+261斷面凍結深度和凍結厚度的變化

沈丹客運專線典型測點的凍結深度和凍結厚度隨時間的變化如圖1所示。一般情況下最大凍結深度與最大凍結厚度是一致的，且填料及土壤的凍結深度受凍結指數的影響較大，不同年度的最大凍結深度不同。2014—2015 年度實測最大凍結深度為0.82～1.49 m，2015—2016 年度為0.95～1.76 m，2016—2017年度為0.88～1.69 m，2017—2018年度為1.00～2.02 m，2018—2019年度為0.95～1.88 m。多數測點的實測值未超過標準規定的凍結深度值。

2.5 凍脹變形發展規律

路基凍脹變形大致可分為初始波動、快速發展、變形穩定、波動融沉、變形穩定5 個階段，在一定的范圍內凍脹變形與凍結深度顯著正相關，超出特定范圍則關系不大。

為討論凍脹變形沿深度方向的分布情況，對路基面下 0.5，1.1 m 深范圍內的凍脹量V0.5，V1.1與路基面下2.1 m 深范圍內的凍脹量V2.1的比值平均值進行統計，結果見表3。可知，建設期大部分的凍脹變形主要發生在路基面下0.5 m以下的底層范圍內。

表3 不同深度范圍凍脹量比值平均值的測點個數

3 運營期凍脹變形

3.1 凍害調查

沈丹客運專線借鑒了哈大高速鐵路的成功經驗，并采用“上堵下疏、對癥下藥”的綜合防治理念進一步優化了路基防凍脹措施。開通運營以來，除2015—2016 年度極個別地點出現路基凍害外，其他運營年度路基地段均未出現凍脹變形，說明沈丹客運專線路基凍脹變形控制措施取得了較好效果。

3.2 凍脹變形規律

路基凍脹是一個緩慢積累和發展的過程，路基面以下2.1 m 深范圍內典型測點不同年度的凍脹變形情況見圖2。可知，多數測點的凍脹變形規律與建設期間一致（如DK171+841 斷面），凍脹變形快速發展、變形穩定、波動融沉階段劃分十分顯著；部分測點運營期凍脹階段劃分不明顯（如DK40+323 斷面）；部分測點每個凍脹周期結束時均會產生一定量的凍脹累計變形。這反映了路基凍脹的復雜性。

哈大高速鐵路的相關研究指出，建設期所得路肩處路基面的凍脹量包括凍脹變形和沉降，較運營期的實際凍脹量小［12-13］。沈丹客運專線觀測數據表明，運營期的凍脹量與運營時間的關系不大。考慮到對無砟軌道的工后變形控制有很高的要求，設計時對沉降不符合要求的軟土及松軟土地基會進行必要的地基加固處理，且路基本體的壓實標準較高。對于非極端氣候條件，在保證地基處理和路基壓實質量的前提下，采用建設期的凍脹觀測數據評估路基凍脹是可行的。

圖2 典型測點不同時期凍脹變形發展情況

分層監測結果表明，運營期路基面以下0.5 m 深范圍內的凍脹變形所占比例具有較大的離散性，中間測點V0.5/V2.1大于0.5的測點個數由建設期的1個增加為 6～7 個，路肩測點由建設期的 2 個增加為 8 個，顯示出運營期和建設期凍脹變形沿深度的分布規律不同，運營期表層凍脹變形所占比例較建設期有增大的趨勢。由于路基表面封水作用，運營期地表水下滲的距離進一步減少，表層以下路基土中的含水量得到控制，表層以下土體的凍脹相對較小，凍脹變形主要發生在路基表層。部分地段由于表面封水作用存在缺陷，地面水下滲距離較深，致使表層以下土體凍脹變形所占比例也較大。

3.3 最大凍結深度與最大凍脹量

統計沈陽、本溪和丹東地區2015—2019年的凍結指數可知，2017—2018年度最冷。2015—2019年各年度實測最大凍結深度平均值與設計凍結深度的比值分別為0.99，0.92，1.09，1.03。影響凍脹變形的三要素為水、可凍脹的填料和低溫。凍結深度也是這3 個因素共同作用的結果，一般情況下凍結指數越大，凍結深度越深。

與建設期不同，由于采取了有效的防凍脹措施，運營期實測最大凍脹量與凍結指數的關系不明顯。14個長期監測斷面中，運營期間最大凍脹量大于4 mm的監測斷面 1 個，最大凍脹量為 2～4 mm 的 3 個；最大凍脹量小于2 mm的有10個。

通過對比各年度最大凍脹量的變化情況可知，運營期凍脹量的大小與建設期凍脹量呈正相關，即建設期凍脹量大的斷面運營期凍脹量也較大。因此，加強建設期施工質量控制是保證運營安全的基礎，建設后期應對凍脹量較大斷面開展長期變形觀測。

此外，運營期凍脹量的大小與運營時間（凍融循環次數）的關系不大，隨運營時間的增加，最大凍脹量有的逐年增大，有的保持不變，有的呈波動變化。

4 結論

沈丹客運專線于2010 年4 月開工建設，2015 年9月開通運營，通過采用“優化填料、上堵下疏、對癥下藥”的綜合防治理念開展設計，有效地控制了路基凍脹變形。建設期及運營期變形觀測結論如下：

1）凍脹變形和凍結深度是水、可凍脹的填料和低溫三個因素共同作用的結果。建設期間在一定的范圍內，凍脹變形與凍結深度、凍結指數顯著正相關，超出特定范圍則關系不明顯；隨著防凍脹措施逐步完善，路基凍脹情況也逐步改善，尤其是防排水結構施作完成后，凍脹變形情況顯著好轉，運營期凍脹變形與凍結深度、凍結指數無明顯關系。

2）填料基床出現路基凍脹變形的位置具有隨機性，在路堤、路塹及過渡段均有分布；混凝土基床的抗凍脹效果較好，滲水盲溝也可有效減緩凍脹變形。

3）建設期路基凍脹變形大致可分為初始波動、快速發展、變形穩定、波動融沉、變形穩定5 個階段，凍脹變形主要發生在基床底層范圍內。

4）運營期凍脹變形情況更復雜。部分測點凍脹變形的發展不具有明顯的階段性，部分測點基床表層凍脹變形所占比例較建設期增大。

5）運營期凍脹量大小及分布與建設期凍脹情況有顯著相關性，與運營時間關系不大，采用建設期的凍脹觀測數據評估路基長期凍脹情況是可行的。