高寒環(huán)境下鐵路路基凍害成因及處治對策

劉偉鋒

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年我國東北高寒地區(qū)高速鐵路開通運營線路逐年快速增加，相繼建設(shè)了長白鐵路、哈佳鐵路、京沈鐵路等多條高速鐵路，進一步促進了整個鐵路網(wǎng)絡(luò)的完善、安全和暢通。但由于東北高寒地區(qū)獨特的氣候環(huán)境，鐵路路基易產(chǎn)生凍害問題，嚴(yán)重影響了高鐵正常運行，給高鐵的運行帶來了極大的安全隱患[1]。因此，有必要圍繞凍害現(xiàn)象的具體成因展開探討，提出針對性的處治對策，以給鐵路運營安全創(chuàng)設(shè)良好的條件。

1 路基工程凍害類型及成因

1.1 路基凍脹

路基凍脹成因具體包括以下6 個方面：①路基基床設(shè)計填筑厚度小于該地區(qū)的最大凍結(jié)深度；②路基填筑填料不滿足非凍脹填料要求，路基填料細(xì)顆粒含量超標(biāo)，造成路基透水性差，不滿足填料內(nèi)細(xì)顆粒（細(xì)顆粒粒徑≤0.075 mm）含量＜5%（重量比）、壓實后＜7%（重量比），壓實后透水系數(shù)≥5×10-5m/s 的要求；③路基基床下或路基基床表層未設(shè)置土工防水材料，或施工不當(dāng)造成土工防水材料破損、失效，土壤中地下水由于毛細(xì)作用而上移或大氣降水滲入造成路基含水量升高[2]；④路塹地段滲水盲溝、盲管堵塞，排水不暢，造成路基含水量升高；⑤施工過程中路基頂面橫坡控制不嚴(yán)，路基排水不暢，造成路基含水量升高；⑥氣候、降雨等其他原因造成路基含水量升高。

1.2 路塹側(cè)溝平臺凍脹鼓裂、側(cè)溝凍脹傾倒

鐵路路基路塹地段坡腳設(shè)2～3 m 寬側(cè)溝平臺，再依次為側(cè)溝、混凝土路肩、路基。其凍害主要影響因素有：①路塹地段土質(zhì)為粘性土、黏土等含水量高透水性差的土，及膨脹土等工程性質(zhì)差的土；②側(cè)溝平臺漿砌片石砌筑橫坡不足造成積水及漿砌片石防水性差，水滲入平臺下土內(nèi)含水量升高；③春融季節(jié)，平臺及邊坡上積雪融化，凍融循環(huán)造成凍害。

1.3 路塹邊坡防護凍融造成溜塌

路塹邊坡采用帶截水槽的M10 漿砌片石拱形骨架護坡，內(nèi)鋪六邊形空心塊，塊內(nèi)種紫穗槐灌木防護。其病害主要成因為：①春融季節(jié)，融化的雪水來不及蒸發(fā)，通過漿砌縫隙向下滲透，沿骨架縫隙進入土體，致使土體含水量增加，上體軟化，強度降低，引起路塹邊坡局部淺層溜塌或防護變形；②春融季節(jié)，冷熱交替氣溫變化大，土壤含水量高，凍土表層融化，產(chǎn)生淺層溜塌；③塹頂?shù)屯萏?，形成凹坑，連續(xù)集中降雨積水，積水滲入路塹邊坡，致使邊坡土體含水量增加，土體軟化，邊坡局部產(chǎn)生淺層溜坍；④邊坡漿砌片石骨架圬工整體性差，骨架內(nèi)灌木紫穗槐成活率低，植物防護效果欠佳，雨水易于骨架內(nèi)進入邊坡，軟化土體[3]；⑤路塹邊坡防護截水槽預(yù)制塊間砌筑砂漿不飽滿，雨水流入邊坡內(nèi)含水率升高，軟化土體；⑥路塹邊坡坡率過陡，自穩(wěn)性能差，造成局部溜塌；⑦路塹邊坡巖層傾角與路塹邊坡平行或夾角小，自穩(wěn)性能差，造成局部溜塌。

通過對以上路基凍害分析發(fā)現(xiàn)，水是引起路基凍害的最不利因素，通過防、排、堵、截等方法，綜合治理，消除、減小凍害對路基的影響。

2 路基工程凍害處治對策

高寒地區(qū)鐵路路基在運營階段不可避免會發(fā)現(xiàn)以上凍害問題，在確保不影響鐵路正常安全運營情況下，可利用鐵路施工維護天窗時間，對路基工程凍害進行處理。

2.1 路基凍脹處理

路基設(shè)計寬度12.8 m，兩側(cè)設(shè)電纜槽及混凝土路肩。路基基床表層為0.6 m 厚級配碎石，基床底層為1.9 m 厚非凍脹A、B 組填料。該地區(qū)凍結(jié)深度2.2 m。不同構(gòu)造路基凍脹處理措施如下：

2.1.1 路堤

（1）中心凍高8～12 mm 一般填方地段。檢查并疏通護肩泄水孔，結(jié)合兩側(cè)監(jiān)測點凍高情況，采取檢查并疏通護肩泄水孔或路堤兩側(cè)交錯設(shè)置雙排泄水孔，深度至中心點交叉1.0 m。盡快疏干基床內(nèi)滲水，減小凍害。第1 排距路基面豎向1.5 m，沿線路方向間距3.6 m；第2 排距路基面豎向2.3 m，沿線路方向間距1.8 m。

（2）中心凍高≥12 mm 的一般填方地段。單個散點或連續(xù)段落，路堤兩側(cè)交錯設(shè)置雙排泄水孔，深度至中心點交叉1.0 m。盡快疏干基床內(nèi)滲水，減小凍害。第1 排距路基面豎向1.5 m，沿線路方向間距3.6 m；第2 排距路基面豎向2.3 m，沿線路方向間距1.8 m。同時結(jié)合填料細(xì)顆粒含量情況采用挖除基床表層（0.6 m 厚），換填級配碎石摻5%水泥措施。

滲水盲管采用空心型RCP-10NC（A）滲排水管材，管徑100 mm，環(huán)剛度≥32 kPa，管壁空隙率≥80%，外包透水土工布，鉆孔直徑110 mm。

2.1.2 路塹

（1）中心凍高8～12 mm 低填及路塹地段。檢查并疏通側(cè)溝、滲水盲溝、滲水盲管及護肩泄水孔。

（2）中心凍高≥12 mm 的低填及路塹地段。單個散點斷面，結(jié)合細(xì)顆粒含量及凍高情況，采用挖除表層，換填級配碎石摻5%水泥的措施。

（3）中心凍高≥12 mm 的低填及路塹地段。連續(xù)段落，考慮其兩側(cè)側(cè)溝平臺或坡腳設(shè)置滲水盲溝，并結(jié)合細(xì)顆粒含量及兩側(cè)監(jiān)測點凍高情況，挖除表層，換填級配碎石摻5%水泥措施。

對路基進行動態(tài)的沉降（凍脹）監(jiān)測，對路基的凍脹前、凍脹后、融解后3 個時段進行監(jiān)測，進而了解路基的防凍脹能力與路基質(zhì)量。對路基的沉降（凍脹）變形進行動態(tài)監(jiān)測，設(shè)置合理的沉降（凍脹）觀測點，并對觀測點進行保護，利用北斗、GPS 等，設(shè)置自動觀測斷面，確保觀測的準(zhǔn)確、連續(xù)、便利、長周期觀測。通過觀測的數(shù)據(jù)判斷路基穩(wěn)定狀態(tài)，保證路基正常使用。

2.2 路塹側(cè)溝平臺凍脹鼓裂、側(cè)溝凍脹傾倒處理

側(cè)溝平臺設(shè)計為0.3 m 厚漿砌片石，側(cè)溝為0.6 m×1.2 m（寬×深）厚0.2 m 的C30 鋼筋混凝土矩形側(cè)溝。目前由于附屬防護結(jié)構(gòu)已施工完成，線路已開通運營，因此采取如下措施對側(cè)溝平臺凍脹及變形進行處理：①側(cè)溝平臺拆除既有側(cè)溝平臺漿砌片石防護，按原結(jié)構(gòu)、材料、尺寸重新砌筑，側(cè)溝平臺下鋪設(shè)一層EPS 保溫板，板厚0.05 m，其下設(shè)0.3 m 厚碎石墊層，并于碎石墊層底部側(cè)溝外壁設(shè)泄水孔，孔徑0.1 m、縱向間距2.0 m；②側(cè)溝平臺漿砌片石防護與護坡基礎(chǔ)及側(cè)溝連接處設(shè)置伸縮縫，縫寬0.02 m，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋；③側(cè)溝傾斜處，鑿除后重新澆筑鋼筋混凝土側(cè)溝，側(cè)溝內(nèi)0.8 m 高處設(shè)置斷面10 cm×10 cm 鋼筋混凝土橫撐，間距2.0 m，防止側(cè)溝傾斜；④側(cè)溝平臺的漿砌片石防護、碎石墊層及泄水孔，須按設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)、尺寸、坡度等施工，確保施工質(zhì)量；⑤模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保溫板性能指標(biāo)板厚≥5 cm，表觀密度≥50 kg/m3，壓縮強度≥300 kPa，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.039 W/m·K，吸水率（體積分?jǐn)?shù)）≤2%。

2.3 路塹邊坡防護凍融造成溜塌處理

路塹邊坡采用帶截水槽的M10 漿砌片石拱形骨架護坡，漿砌片石0.6 m 厚，拱圈3 m×3 m，主骨架寬度0.6 m，內(nèi)鋪六邊形空心塊，塊內(nèi)種紫穗槐灌木防護。目前由于附屬防護結(jié)構(gòu)已施工完成，線路已開通運營，因此采取如下措施對路塹邊坡防護溜塌處進行處理：①清除溜坍部分坡體，沿底面挖臺階，臺階寬度1.0 m；②路塹邊坡坡率恢復(fù)1∶1.75，邊坡坡面至原坡面或坍塌底面夯填粗顆粒土，壓實系數(shù)不小于0.9；路塹邊坡采用恢復(fù)原骨架護坡防護，骨架采用C35 混凝土澆筑；③基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，頂寬0.6 m，深2.0 m，外露側(cè)溝平臺以上0.5 m，面坡1∶0.15，背坡垂直，基礎(chǔ)外露側(cè)溝平臺以上部分每隔1.8 m（主骨架及拱中部）設(shè)置PVC 管泄水孔，直徑0.1 m，泄水孔采用透水土工布包裹，骨架后設(shè)置0.3 m 厚碎石墊層；④每隔7.5 m 設(shè)置1 道邊坡滲溝，邊坡滲溝內(nèi)碼砌干砌片石，及時排除土壤中水分；⑤在施工過程中發(fā)現(xiàn)的路塹邊坡巖層傾角與路塹邊坡平行或夾角小的路塹段落，通過坡腳設(shè)置樁板式擋土墻，坡面采用菱形錨桿框架梁防護，防止邊坡溜塌；⑥及時恢復(fù)植被，防止雨水沖刷、掏空骨架內(nèi)填土。

3 路基凍害整治時的注意事項與安全措施

施工過程中堅持“安全第一，預(yù)防為主”的方針，和貫徹落實“科學(xué)施工，安全生產(chǎn)”的原則，全面落實營業(yè)線施工安全保證措施。

施工注意事項：①在施工前仔細(xì)核對設(shè)計文件和施工記錄，辦理各種施工審批手續(xù)，做好人員培訓(xùn)；②嚴(yán)格按方案來組織施工，整治過程要保存資料與影像資料，驗收合格每一道工序后，才可以進行下道工序施工；③做好現(xiàn)場文明施工，及時清理施工垃圾，專人負(fù)責(zé)施工用的照明工具和小型機具等。

安全保證措施：①建立、健全安全生產(chǎn)保證體系，配齊安全管理人員；②做好現(xiàn)場防護、硬隔離、現(xiàn)場監(jiān)測等工作確保施工安全；③做好個人安全防護。

4 結(jié)束語

為防止嚴(yán)寒地區(qū)的高鐵路基發(fā)生嚴(yán)重的凍害，就要在設(shè)計階段對施工區(qū)域氣候條件、路基結(jié)構(gòu)設(shè)計、路基填料要求、路基防排水措施、路基防護設(shè)施等進行精細(xì)設(shè)計。施工階段嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行施工，并加強檢驗和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)凍害問題并及時處理，確保線路開通運營后線路狀態(tài)良好。