我國西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害特性分析

摘 要：在推動西北地區經濟發展過程中，高速鐵路起到的作用至關重要。但是，因為環境、氣候等因素的影響，西北地區大部分都屬于季節性凍土區，高速鐵路路基凍害問題相對嚴重，對高速鐵路路基安全產生了較大的影響，高速鐵路列車在行駛時，難以達到提速要求，導致高速鐵路未能發揮應有的作用，對西北地區經濟發展產生了一定的影響。因此加強高速鐵路路基凍害特征分析，采用科學合理的方式，提高路基的穩定性勢在必行。基于此，本文對西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害主要類型、原因以及相應的解決措施進行了探討。

關鍵詞：高速鐵路 路基凍害 原因 措施

近年來，隨著我國對西北地區經濟發展重視程度的不斷提升，國家在西北地區加大了基礎設施建設速度，高速鐵路成為西北地區重要的建設方向。但是因為西北地區氣候、環境、土質、地形等因素的影響，西北地區高速鐵路對路基的要求較為嚴格，如何確保西北地區高速鐵路路基穩定安全，減少路基凍害對高速鐵路產生的影響，是現階段高速鐵路治理的關鍵問題。在我國西北，季節性凍土路基是較為常見的類型，這類路基在春冬兩季經常發揮凍脹、翻漿、融沉等問題，對西北地區高速鐵路與經濟的發展產生了較大的影響。因為鐵路路基在建設初期，基本上都是就地取材，所取地區的土質、排水以及當時的布局與施工技術等因素，導致路基建設之初，未能達到高速鐵路路基要求，再加上凍害問題的影響，西北地區高速鐵路列車很難適應提速后的運行需求。

西北地區某高速鐵路因建設及投入使用的時間較長，路基凍土問題相對較為嚴重，為該高速鐵路的發展帶來了較大的影響。不但路面高低不平，影響了線路的平順度，對列車運行速度也產生了較大的影響，存在著較大的安全隱患。為此，加強西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害特性分析，針對路基凍害問題，選擇合理的優化措施至關重要。

1 高速鐵路凍土區路基凍害原理

高速鐵路的路基是列車運行的基礎，其主要是修筑在地表的條形土工構筑物，長期暴露在外部自然環境中，受自然環境、氣候等影響較大。在冬季凍土區路基結構會因為季節交替變化而產生一定的問題，形成暖季—寒季、寒季—暖季交替的凍融循環效益，并導致路基一定范圍內溫度、水分等一系列的變化，進而引發路基凍害問題。尤其是高速鐵路建設時間越長，路基經歷的凍融循環效益就越多，就越容易產生凍害問題。凍結期的土體溫度一旦降低到零下，土壤顆粒中的水分子就會變動冰晶，凍結鋒面向下移動，周圍土壤中的水分則會快速遷移，并凍結在凍結鋒面上，進而出現路基面變形。同時，路基周圍土壤中的水分來源不同，其產生的土體凍脹也不同，主要以原位凍脹與分凝凍脹為主。土體溫度越低，表面的溫度下降得越快，并在地基與路基體之間產生溫度梯度現象。另外，路基表面的填料、含水狀態等也對土體的宏觀結構產生了影響，土中的水基本上以自由水、結合水與氣態水為主。大部分未凍結的水分基本上會在0到5攝氏度之間進行運動，從而影響了土體中的水分布，最終遷移至凍結鋒面形成冰晶。總的來說，高速鐵路凍土區路基凍害問題廣泛分布在我國的東北、西北等地區，在高速鐵路建設過程中，一定要結合該地區氣候，對影響路基凍害問題的原因進行分析，并采取合理的建設方法，確保高速鐵路的安全。而對于投入運行的高速鐵路，一定要定期對路基凍害問題進行維護，制定科學合理的維護方法，減少路基凍害問題發生概率，確保高速鐵路平穩安全運行[1]。

2 高速鐵路凍土區路基凍害問題研究意義

隨著我國西部大開發戰略的持續推進，高速鐵路是推動西北地區經濟及社會發展的重要支撐與保障。確保高速鐵路發揮應有的作用，提高高速鐵路運行速度，確保高速鐵路運行安全，既是我國鐵路現代化發展的需求，也是確保西北地區經濟可持續發展的重要舉措。而我國西北大部分地區屬于多年凍土與季節性凍土區，高速鐵路路基凍害問題相對嚴重，導致高速鐵路運行線路受阻，既存在著較大的安全隱患，也增加了高速鐵路線路維護工作難度。眾所周知，高速鐵路列車提速必須建立在安全可靠的路基基礎上，因此，解決西北地區高速鐵路路基凍土問題，是高速鐵路列車提速的關鍵，對西北地區經濟發展也有著極大的影響。深入研究季節性凍土區路基凍害治理技術，既是鐵路現代化發展的需求，同樣也有著非常廣闊的市場價值。為此，鐵路部門要深入分析西北地區高速鐵路凍土問題及其成因，積極探索有效解決問題的技術與方法，最大程度上減少路基凍害問題帶來的影響，滿足高速鐵路列車提速需求，在為西北地區經濟發展提供支撐的同時，為其他凍土區路基凍害問題治理提供技術及經驗參考，推動我國高速鐵路現代化發展。

3 高速鐵路凍土區路基凍害問題分析

3.1 路基沉降變形

季節性凍土區高速鐵路路基凍害問題主要表現之一便是路基沉降變形。該問題主要發生在含冰量較大的黏土性地帶。對西北地區某高速鐵路進行研究得出，在該線路的沿線都存在著凍土區，其中絕大部分的路基都存在著嚴重的沉降變形，對高速鐵路路基的平穩性產生了嚴重的影響，存在著較大的安全隱患。凍土對外部環境有著較大的敏感性。V.G.Kindratjev通過對阿穆爾—雅庫次克鐵路的研究發現，全球變化是凍土區發生融沉現象的重要原因之一，而因為融沉的出現，鐵路路基基本上都在一定程度上受到了影響。同時，蘇聯鐵路局也發現，積水滲透與路堤的熱效益，也會在一定程度上引起融沉，導致路基沉降變形。

3.2 凍脹

凍脹則是季節性凍土區路基凍害的主要問題之一，該問題隨著我國高寒地區鐵路的快速發展也變得愈發重要。以俄羅斯貝阿鐵路為例，該鐵路在1984到1990年之間，鐵路路基凍害問題每年增幅25%到53%，1990年達到最高值，涉及了1154km。而我國的北方鐵路凍害問題同樣不可小覷，以沈陽鐵路局為例，其沿線在2012至2015年間，鐵路路基凍害里程達到482207m，大約5萬余處發生了凍害，對其鐵路運行平穩與安全產生了影響。導致路基凍脹的因素相對較多，如土質、溫度、水分等，而在這諸多因素中，水分無疑有著非常大的影響，這對西北地區高速鐵路路基建設過程中，排水能力有著極大的要求。無論是在建設或是維修養護過程中，強化基床排水能力至關重要[2]。

4 西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害成因分析

西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害產生的原因，主要是因為路基土地不夠平穩，發生凍脹與沉降，凍脹發生相對而言較為復雜，主要是因為外界氣溫的變化，導致土地內部溫度降低，土地中的自由水與結合水相繼凍結，形成冰晶體、冰層等，從而使路基地面內部體積變化，進而發生凍脹。目前來說，凍脹發生的原因主要與四個因素有著較為密切的關系。

4.1 溫度

西北地區季節性凍土區某高速鐵路冬季氣溫基本上均處在0攝氏度以下，時間大概由每年的10月份持續到第二年的3月份，凍土路段的氣溫低、持續時間長，凍結指數大，同等土質下，土體凍脹面積較大。因此，溫度是導致西北地區季節性凍土區某高速鐵路路基凍害問題的主要原因之一。

4.2 水分

路基內的水分是導致路基土體發生凍脹的重要原因。通過液、塑限聯合測定法，對某高速鐵路凍害路段的土樣進行分析，兩種土樣均為粉質黏土，現有的鐵路路基填料基本上都是就地取材，土體的持水性相對較好，內部水分基本上未曾流失，當遭遇外界氣候驟然降低時，內部土體易發生凍脹，進而對高速鐵路路基產生影響。同時，對兩種土樣進行研究得知，粉質黏土的起始凍脹含水率基本維持在塑限，含水率大概維持在6%～30%，已明顯達到凍脹所需的含水率標準。這就表明，水分是導致路基凍脹的重要原因。

4.3 土質

西北地區季節性凍土區某高速鐵路沿線的路基填料基本為砂礫土與粉質黏土，具有較強的凍脹性。在上行線路路基表面的1到1.5米為砂礫土，下面為粉質黏土，下行線路基整體為粉質黏土。研究得知，粉質黏土基本是去就地取材，土質良莠不齊，部分土質中還有少量的種植土與細角礫，路基土質則為黏土，凍脹量較大。而土質中的顆粒占比與凍脹有著重要的關聯。土顆粒粒徑在0.05～0.1mm區間時，土體較易發生凍脹，處在0.002～0.05mm范圍時，凍脹性達到最大。而粒徑小于0.002mm時，因為土顆粒的分散性較大，水分牽引量相對較小，凍脹性則相對較弱。而對兩種土樣進行測試得知，一處的土顆粒粒徑小于0.075mm大概在80%，另一處則為77%左右，均易發生凍脹。這就表明，土質是導致路基凍脹的重要原因[3]。

4.4 不良的地質環境

西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區，氣候寒冷，地質環境也相對惡劣，再加上全球變暖的影響，凍土區進行的工程活動對其原本的凍土環境產生了較大的影響，這是誘發高速鐵路路基沿線的地質災害的重要原因，也是導致高速鐵路凍土區路基凍害的原因之一。因此，加強工藝的選擇，確保施工技術與工藝最低程度上對原地質環境產生影響則尤為關鍵。在實際的建設或維修過程中，一定要確保原凍土區與路基之間的熱平衡，同時做好傳熱導熱、對流輻射等工作，為二者建立良好的熱平衡體系。西北部分地區風雪災害嚴重，鐵路沉雪、積沙等現象的出現極大影響了鐵路的安全運行。同時再加上風沙、坍塌、落石等地質災害的存在，需要高速鐵路常年進行防災減災等工作，以便減少不良地質環境對鐵路路基的沖擊與破壞。

5 西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害優化措施

5.1 保溫法

保溫法是現階段有效改善西北地區季節性凍土區路基凍害的重要措施。保溫法基本上是在路基兩側加裝相關的保溫結構，或是在路基體中直接采用導熱性低的保溫材料，從而增加路基的熱阻，最大程度上減少土體中的熱量向外部傳導，進而將路基土體的溫度維持在合理的范圍內。研究證明，保溫法對凍害優化與改善有著極為明顯的作用，同時保溫法的有效性與經濟性，也是大范圍應用的基礎。保溫法的施工方式相對簡單，是目前應用最廣的路基凍害優化措施。目前，國內外對于保溫材料的研究基本上以礦渣、玻璃纖維、樹皮等材料為主，鐵路路基的保溫材料則起步相對較晚。路基保溫材料既要具有良好的保溫性與耐用性，也要做到經濟性與適應性。路基保溫材料的厚度對其防凍效果影響較大，在實際應用時，應當以1 cm厚的PPS保溫層為主[4]。

5.2 路基排水

對于西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害問題，在建設及維護時，一定要加強路基排水能力。如果是設計時，需要做好防排水、優化填料等。而對于投入運行的線路，對于路基凍害區段應當以封裂堵縫、兩側設置盲溝、加設防凍護道等措施為主，從而最大程度上減少凍害帶來的損失與影響。具體的路基防排水方案，應當結合具體的施工圍護現場的地質條件與自然環境為主，選擇科學合理的優化措施，提高路基防排水能力。

5.3 換填法

所謂的換填法，就是將路基周邊易發生凍脹的土體進行置換，將其換填成非凍脹性的填充材料。在實施換填法時，需要綜合考慮地下水位與施工對列車運行帶來的影響都能。為了確保工程造價合理，最大程度上降低成本投入，應對換填深度進行明確。目前來說，換填法雖然被廣泛應用，但是受限于技術、經濟、材料等多方面的影響，治理效果參差不齊。一般來說，換填深度基本上在90cm左右，軟土地基換填深度基本上在50-60cm。除了要考慮換填深度，換填材料也是需要重點考慮的問題。在換填時，填料的顆粒粒徑對路基凍脹程度影響較深。因此，在路基填料中細顆粒的占比一定要維持在10%以下，以礫石為主[5]。

5.4 注漿法

另一種有效改善西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害的措施便是注漿法。注漿法其實就是將鹽注入路基土體中。鹽離子可以有效地增加土顆粒表面的水膜厚度，進而有效降低水的勢能，減少水分遷移現象，最大程度上降低路基土體出現凍脹。不同鹽分含量下的土體冰點不同，基本上鹽量越大，冰點就越低，因此采用注漿法，改變土體中含鹽量，有利于降低凍害程度。一般來說，注漿法主要是利用NaCl、MgCl2等的無機鹽溶液，在磚井管道的幫助下，將鹽離子注入到路基土體。現階段而言，注漿法最為常見的兩種方式為鉆孔埋管與管頂注入兩種。注漿法采用的鹽的類型、濃度以及采用的方法，都會對治理效果產生不同程度的影響。研究表面，在實施注漿法時，對于硫酸鹽的含量最好控制在2%以下，防止過高導致土體結構松散，降低土體強度等。另外，在注鹽過程中，應深入到凍結深度的40左右再均勻鋪開，這樣可以使注漿法發揮最大的作用。再注入完成后，需要對土體進行壓實，防止鹽離子的流失，延長注漿法的防治效果。

6 總結

西北地區大部分地方地勢復雜、氣候寒冷，處在季節性凍土區或多年凍土區，極易發生路基凍害問題，嚴重影響了西北地區高速鐵路提速運行的需求，對于西北地區的經濟及社會發展也產生了較大的影響。為了滿足西北地區高速鐵路提速需求，加強對路基凍害的防治能力，探索有效的防治措施，是西北地區鐵路發展面臨的重要問題。因此，本文對西北地區季節性凍土區某高速鐵路凍土區路基凍害特性進行了研究，對于凍害類型與成因進行了分析，并提出相應的防治措施，通過保溫法、強化路基防排水能力、積極利用換填法與注漿法，根據不同的需要選擇合理的防治措施，對提高西北某高速鐵路凍土區路基穩定性至關重要，是確保高速鐵路安全可靠運行，降低安全事故發生概率的重要保障。

基金項目：陜西交通職業技術學院科研項目（編號：YJ24005），名稱：《島狀多年凍土區高速鐵路路基的穩定性研究》；陜西省高校工程研究中心——道路橋隧智慧監測工程研究中心課題。

參考文獻：

[1]謝清源.西北地區季節性凍土區某高速鐵路路基凍害特征分析[D].蘭州：蘭州交通大學，2023.

[2]魏仲赟.蘭新鐵路西段路基凍害特征分析及整治技術研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2021.

[3]陳佩佩，尚智，王熳祺，等.寒區高速鐵路凍土路基的水熱耦合響應特性分析[J/OL].水文地質工程地質，1-10[2024-11-04].

[4]朱志有，王磊，劉振奇，等.季節性凍土區鐵路路基凍害研究現狀[J].中國鐵路，2022（03）：124-130.

[5]鄧友生，劉俊聰，彭程譜，等.鐵道路基凍害防治方法研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2021，53（01）：1-8.