严寒地区高速铁路路基冻胀特性和工程对策

高菲

（中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃省兰州市 730000）

1 绪论

冬季在我国北方的大部分地区，纬度高、气温低，秋季转冬季时间较短，铁路路基冻害较为普遍。本文明确了基床表层级配碎石是产生最大冻胀量的事实，以及对于路基病害防治等问题的改正工艺和进行注浆改良后级配碎石的稳定性及冻胀性，研究了对应的防治措施，为预防和处置高铁的冻胀等病害提供了借鉴意义。

2 路基冻胀问题原因

路基膨胀的最大原因高海拔、高纬度严寒地区的低气温，土体中的含水量以及矿物骨架的作用力及上覆荷载。

土体中水分以固、液、气态形式不断向表面移动并最终聚集，是路基产生冻胀的主要原因。发生路基冻害需要同时满足三个条件：

（1）气温降到负温，即低到足够产生冰晶体，土体中的水分因而结冰膨胀。

（2）路基内含水量较高，且土体中有充足的水分补给，从而达到冻胀的条件。

（3）土体为冻胀土，即土体中的水分要发生冻胀的承担体，随温度降低水分凝结土体冻胀，宏观意义上增加了承载体的体积。

3 严寒地区高速铁路路基冻胀融沉变形分析

3.1 地基土冻胀产生的机理

当受影响的地基土温随大气温度降至冰点以下，土体表层首先冻结成冰晶体，逐渐冻结最外层的弱结合水，冰晶体范围逐渐扩大引起土颗粒间的水膜变薄，土颗粒因而产生剩余的分子引力[1]；与此同时土颗粒间结合水膜的变薄还会增加其中离子浓度，因而产生了渗附压力；二力作用下，由于土体下部未冻结区域仍有较厚水膜处，而水膜较薄处的冻结区易吸附弱结合水并因此发生冻结，从而增大了整个冻结区域的体积，随之产生的不平衡引力却无法消除。而融陷现象的发生则是因为大气温度回升，土层开始解冻，土体上层的冰晶体逐渐融化，水分最终由固态变成液态的现象。

3.2 影响冻胀量的因素[2]

（1）土基质：土的级配及其粒径来表示土质是由大小不等的颗粒组成的，而影响土体冻胀的主要因素则是土的毛细作用和颗粒级配。

（2）水分：水是冻胀现象发生的最基本因素之一。

（3）温度：土体想要出现冰析现象，只有当路基土温低于其冻结温度且大气温度降低到零度以下。

（4）密度：土体冻胀的最不利干密度是指在孔隙水未饱和的三相体系中，冻胀强度与土密度变化成正比，冻胀强度达到最大时候的土体密度。

（5）附加荷载：路基土层上部存在附加荷载，①压缩土层脱水，改变土壤水导湿率，增加土体密实度，从而对水分迁移速率产生影响；②当上覆附加荷载大于等于冰晶体表面的冻胀应力时发生冻胀现象。

（6）覆盖：白色的雪盖增加了地表的反射率，而雪本身的导热系数较低，起到隔热层的作用阻止了冬季土热量的散发，起到了保温的作用。

（7）植被：处于大气圈与岩石圈之间的植被，影响着两个圈子的水热交换，也影响着岩、土的温度状态。

（8）地形坡向：太阳辐射通常对南坡产生更大影响，表现为地面温度较差大，年平均地温高。

4 抑制路基季节冻胀的工程措施

4.1 防冻胀措施效果分析

4.1.1 路基预防冻胀措施

（1）设置防冻层：防冻层由基床表层级配碎石和基床底层A、B料组成，将非冻胀性填料填筑在路基冻结深度范围内。

（2）设置隔断层：优化路基基床结构，分别在基床表层底部和换填区域底部铺设一层土工膜，用于防止地表水和毛细水的渗入[3]，4%的横向排水坡在隔断层自线路中心向两侧设立。

（3）设置封闭层：对于路基面雨水下渗的预防，缝隙采用封缝措施，设置纤维混凝土封闭层在路基面两线轨道板底座及两侧路肩之间。

（4）排水措施：设置全线路排水系统，系统中个别设施需根据严寒地区特性适当改进。

4.1.2 路基防冻胀具体措施设计

（1）路堤措施。

①高路堤结构。以冻胀土为例，路基面采用纤维混凝土进行封闭，在路堤坡脚处设防冻胀护道，护道宽度和高度不小于当地冻深最大值，用于消除冻胀产生的压力对路堤边坡稳定性的影响；在基床表层和基床底层之间铺设断层复合土工膜隔，在路基混凝土路肩处预留泄水孔，用于防止路基面积水下渗；土工膜上部结构冻深范围内采用非冻胀性A、B组材料填筑，底层下部连接基床以下路堤可以根据沿线填料分布情况分别填筑A、B组填料。

②低路堤结构。路基面采用纤维混凝土封闭，首先在基床厚度范围内换填作业，基床表层填筑级配碎石，基床底层下部采用A、B组填料，冻深范围内的上部结构选用非冻胀性A、B组填料填筑，在换填底部铺设一层防渗复合土工膜，以防止地表积水下渗或地下毛细水浸入；在路基两侧设置盲沟等降低地下水渗透措施。

（2）路堑措施。

若挖方地段基床范围内为冻胀性土时，具体措施与低路堤结构相同。补充部分是在基床表层和基床底层之间铺设一层防渗复合土工膜直至两侧侧沟外。

（3）路基面伸缩缝及无砟轨道底座措施。

路基处设置宽20mm伸缩缝，通常在2块轨道板底座间，采用聚乙烯发泡板填充伸缩缝下部，采用改性沥青软膏封闭上部50mm范围，伸缩缝绕过并对应凸形挡台。

无砟轨道底座与路基面混凝土封闭层之间设置纵向伸缩缝，宽l2mm，采用热融改性沥青软膏灌注伸缩缝上部40mm，聚乙烯泡沫板用来填充其下部结构；混凝土封闭层的横向缝按一道1.2cm宽每3m沿线路纵向设置，采用热融改性沥青灌注上部5cm。

4.2 路基冻胀工程对策

4.2.1 防冻胀补强措施

（1）优化路基的结构。

对线路标高的选择是严寒地区高铁路基设计重中之重，同时为减少病害程度和发生几率，尤其应在路堑地段加强具体措施。

（2）优化电缆槽的位置。

在严寒地区，电缆槽部位首先被冻结，基床表层的水分排出受到阻碍，填料的含水量增加，从而加重冻胀等病害情况的发生。在路基路肩处设置电缆槽，增加相应冻结深度，且改变路基本体的热力对流条件。同时经过施工现场的调查分析，在电缆槽底部、侧边以及槽底与路基接触部分，含水量在一定范围内偏高明显。建议将电缆槽设置在两侧的预防冻胀保护道上，以减少严寒地区路基冻胀角度。

（3）路基表层防水封闭措施。

根据上述实验分析，探讨在底座板下部采用沥青混凝土类材料满铺全断面，形成整体结构防水层的措施，从而有效的隔断地表积水下渗并且有效减小冻胀量；也可探讨全部换填级配碎石加水泥的复合结构在冻结深度范围内，或路基基床表层采用掺加5%水泥的级配碎石，以有效减少病害的发生。

（4）以桥代路方案设想。

以桥代路的施工方案是为减少工程造价，只有当路基防冻胀的总造价超过或相当于桥梁工程总造价时采用。

4.2.2 地表水下渗措施

（1）设置横向保温排水盲管。

为排除下渗的地表水，制定的横向保温排水盲管方案，是指埋设每5m/道的排水盲管在路基外侧级配碎石层底部和基床底部的混凝土伸缩缝处，并铺设6cm厚保温板在表层一定范围内。在运营维修天窗点此方案可采用小型机具分段实施，保证运输安全，具有可实施性。盲管引出段穿过路肩电缆槽的底部需设保温套管。

（2）堵缝防水。

路基伸缩缝主要存在于沿线每个5m设置一道的纤维混凝土横向伸缩缝、防水层与轨道板底座之间纵向伸缩缝、轨道板底座之间的伸缩缝等。设置堵缝防水措施即所选材料必须具有良好耐久性、混凝土收缩时的结合力在严寒气温条件下强，并具较好的低温延伸性。

4.2.3 路堑地下水降低方案

（1）渗水盲沟增设方案。

指增加一定深度的盲沟在既有侧沟下，并在底部铺设透水盲管，内部进行粗粒材料的充填施工的排水方案。此方案是解决地下水位上升问题的首要措施，虽然能够减少地下水渗入路堑基床土层，有效降低地下水位，但是相应的开挖沟槽可能影响路堑边坡的稳定性，且在施工时需使用大型机械，影响列车行驶的安全和运营，因此方案不宜使用在列车投入运营之后[4]。

（2）保温渗水井增加密度方案。

在铁路开通之后，路堑未设渗水盲沟的地段若有新的地下水产生，可在下游排水区域采用沿线增设保温渗水井井点的降水方案。该方案土量开挖小，无需大型机械，虽然增加相关单位维护修理的工作量，但对运营车辆影响较小。

4.2.4 路基基床表层填料改性

我国对己建成无砟轨道路基工程，首要选择是采用注浆来改变填料性质。对于新建铁路，可直接采用掺水泥级配碎石或混凝土在路基基床表层或冻结深度范围内来实现。

为避免注浆施工过程对轨道变形产生的影响及保证方案达到预期的效果，注浆材料应具有良好的渗透性。考虑施工现场实际状况，注浆方案尚存在一些问题，比如注浆工艺的控制，材料的选择多样性，注浆效果的检验等，需要先行建立试验段分析研究。为减少病害的发生，也可探讨在新建线路冻结深度范围内，利用混凝土结构或级配碎石复合结构全部进行换填作业。此方案采用小型机具在路基面上钻孔，对列车运营干扰小，具有可实施性。

5 结论

随着首个观测和研究冻融循环路基冻胀变形的系统正式投入使用，大致了解路基变形规律已经变成现实。主要有以下创新结论：

（1）通过对路基冻胀问题调查，发现寒区气候条件为季节冻胀发生提供了冻胀的能量基础条件，大气降水和水文环境为冻胀的发展提供了水分补给条件。

（2）为有效应对严寒地区高速铁路路基冻胀问题，本文根据路基冻胀影响因素及其作用机理，提出了若干有效防治对策，即通过采取了路基面保温、设置渗沟、缝隙封堵及线间排水整治等措施，有效防止高速铁路路基冻胀问题的出现。