鐵路路基季節性凍土基床設計研究淺析

袁報 王潤民 莊德華

摘 要：季節性凍土地區鐵路路基基床設計，需要結合不同的鐵路等級、地質特征、地下水埋深、凍脹類型情況等進行綜合考慮，設計復雜，效率低下。對季節性凍土地區運行線路進行調研，有針對性對基床加固設計進行研究，并完成季節性凍土地區新建鐵路單線雙線設計時速≤160公里的客貨共線鐵路路基基床標準設計。

關鍵詞：季節性凍土;設計凍深;有害凍脹深度

0 概述

我國幅員遼闊，季節性凍土面積占國土面積超過50%[1]。

季節性凍土地區路基基床在冬季降雨、降雪等凍融循環作用下，由于基床填料不合格、排水不暢或排水系統失效等因素導致的基床翻漿冒泥、路肩塌陷及外擠、局部溜坍等基床問題。

杜曉燕、張玉芝、劉華等[2～6]針對季節性凍土區高速鐵路路基凍脹，有限元計算手段驗證，填料換填以及路路橋過渡段路基變形特征分析等進行了深入的研究。

房建宏，陳志國，武立波等[7～9]依托公路項目展開了大量的路基防凍脹技術研究。

普速鐵路的研究反而相對較少。

1 設計凍深確定

結合現行規范，對標準凍結深度、土的類別對凍深的影響系數、凍脹性對凍深的影響系數、周圍環境對凍深的影響系數、地形環境對凍深的影響系數等進行分析[10～12]，計算設計凍深，見表1。

通過計算，普速鐵路最大凍深2.4m，小于基床厚度2.5m。

2 季節性凍土地區調研

2019年三季度赴沈陽鐵路局和哈爾濱鐵路局進行實地考察調研。季節性路基凍害主要集中在哈爾濱鐵路管轄范圍。

2.1 凍害概況及整治方案

2.1.1錦州工務段

①凍害情況：存在凍害的有Ⅰ級鐵路沈山線、溝海線，Ⅱ級鐵路高新線，最大凍脹引起的軌面高程變化為5～10mm，凍害不嚴重，主要為路基表層輕微凍害。

②整治方案：一般采取秋季提前預墊板，凍害起時墊板找細，春季凍害回落期撤板的措施，對路基基床結構沒有采取相關整治措施。

2.1.1大慶工務段

①凍害情況：將路基凍害分級管理。按照輕微凍害、一般凍害、嚴重凍害、冰錐或冰丘四個等級進行管理，見表2。

②形成路基凍脹病害的基本原因有以下幾種：

A.路基基床面不平整，積水凍結膨脹形成凍脹病害。統計2018年11月至2019年10月部分數據。見表3。

B.碎石或混砂道床墊層不潔，污染嚴重，混入泥土量較多，遇積水產生凍脹，凍脹量10～20mm左右，發現19處。

C.地表水、地下水或淺層潛水對路基土的不均勻浸濕，多產生低矮路堤以及塹、堤相接的零斷面和路塹地段。

D.路堤填土不均勻及路塹基底土質差異。

E.路基不同朝向形成的不均勻凍脹。

③ 路基凍害常用整治方法

A.保溫方法：XPS板保溫護道、草皮（或泥炭）保溫護道。

B.降低地下水位方法：縱橫向滲水盲溝、滲水暗溝（暗管）、排水溝、增設橫向排水涵、管。

C.改良路基土質方法：基床表層換填、打入式灰土擠密樁、路基注漿或注鹽等。

D.截排水方法：對于路基上游側存在冰錐、冰丘的地段，可采取遠離路基的擋水埝、截水溝、凍結溝、儲冰溝（場）等措施，阻止冬季地下水向路基滲透產生的凍害。

E.阻斷毛細水上升方法：采用換填粗砂或碎石層、鋪設氯丁橡膠板、線路抬道等阻斷措施進行整治。

3 通用圖編制

3.1通用圖范圍

適用于季節性凍土地區新建鐵路單線雙線設計時速≤160公里的客貨共線鐵路路基基床設計，改建鐵路參照執行。

3.2主要內容及特點

①包括的基床加固類型系統全面：分兩冊，每冊分別納入21種基床加固措施，類型系統全面。通過調研及計算統計，有害凍脹深度（或防凍層厚度）hf≤2.4m，綜合施工分層厚度考慮取值，依據路基基床范圍的地質和地下水埋深情況，針對一般路堤、路塹和低矮路堤對基床的要求不同，并提供基床加固措施一覽表，包括路基類型、地質情況、地下水情況、有害凍脹深度（或防凍層厚度）和處理措施及備注，便于使用者根據項目實際情況選擇加固措施。同時也納入了地區適應性較強、實踐證明效果顯著的新結構、新材料，如裝配式盲溝、保溫材料及保溫出口結構等。

②提出了基床加固設計原則： 詳細說明如何根據鐵路等級、有害凍脹深度（或防凍層厚度）、基床結構、工程類型、工程及水文地質條件、氣候條件、環境保護及景觀要求等條件，選用適宜的工程措施。

③基床設計措施的組成內容詳細完整：集中各基床結構類型設計內容主要包括設計說明和設計圖。設計說明包括基床設計依據、適用范圍、設計原則、工程措施、基床土工材料技術指標、施工技術要求、質量批檢要點等;設計圖包括代表性橫斷面圖、各細節大樣圖、土工材料連接圖、防排水材料與接觸網立柱接口圖、裝配式盲溝詳細設計圖和保溫出口平縱橫面設計圖等。

3.3效益

①經濟效益巨大：目前我院季節性凍土地區的鐵路，各設計生產院和施工、監理單位均已采用本圖集，規范化、標準化的推進有利于提高工效、節約人力資源、確保工程質量、減少基床病害，更有利于后期運營維護成本的降低;新施工工藝的推廣提高了施工效率，節約資源;基床結構設計的優化節省了工程材料，減少了工程投資;基床加固設計工程在鐵路投資中所占比重大，應用的長期經濟效益巨大。

②社會效益顯著：本圖設計中認真貫徹當前的鐵路技術政策，在保障安全、健康環保、節約資源、減少運營養護、提高旅客視覺舒適度等方面均具有突出的社會效益。

4結束語

通過在川藏線、沈吉線、臨港疏港鐵路等多條鐵路路基基床設計中應用、提高了設計效率、優化結構設計，保證設計質量，具有良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1] 徐敩祖，王家澄，張立新. 凍土物理學[M]. 北京：科學出版社， 2001：9–12.

[2] 杜曉燕，葉陽升，張千里，蔡德鉤.季節性凍土區高速鐵路路基凍深研究 [J] 中國鐵道科學，2015（3）：11-17.

[3] 張玉芝，杜彥良，孫寶臣，張少朋，韓晶.季節性凍土地區高速鐵路路基凍融變形規律研究 [J] 巖石力學與工程學報，2014（12）：2546-2553.

[4]劉華，牛富俊，牛永紅，林戰舉，魯嘉濠.季節性凍土區高速鐵路路基填料及防凍層設置研究 [J] 巖石力學與工程學報，2011（12）：2549-2557.

[5] 張玉芝，杜彥良，孫寶臣.季節性凍土地區高速鐵路路橋過渡段路基變形特征分析 [J] 中國鐵道科學，2016（1）：39-45.

[6] 劉華，牛富俊，牛永紅，林戰舉，魯嘉濠.季節性凍土區高速鐵路換填路基凍結特征的有限元分析 [J] 工程地質學報，2013/21（4）：516-524.

[7] ?房建宏，李東慶，周家作，張坤.季節性凍土路基防凍脹技術研究 [J] 中國公路學報，2013（11）：9-14.

[8] ?陳志國，王哲人.季節性凍土地區公路路面抗凍設計方法 [J] 中國公路學報，2009（9）：34-40.

[9] ?武立波，祁偉，牛富俊，牛永紅.季節性凍土區公路路基凍害及其防治研究進展 [J] 冰川凍土，2015（10）：1283-1293.

[10]中華人民共和國國家鐵路局. TB10035—2018、J158-2018 鐵路特殊路基設 計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2019.

[11]中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB50007—2011 建筑地基基礎設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[12]中華人民共和國行業標準編寫組. JTJ118—2011 凍土地區建筑地基基礎設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.