建设期与运营期铁路路基冻胀的特征

张青波 张正义 曹太平

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

无砟轨道对路基变形的要求十分严格。自哈大高速铁路修建以来，广大科研以及工程建设人员对铁路路基冻胀变形特征及防治措施进行了大量研究。在此基础上，我国相继修建了哈齐客运专线、沈丹客运专线等无砟轨道铁路，使铁路路基冻胀变形控制技术迈上了新台阶。

赵润涛等［1］结合哈大客运专线沈大段路基工程设计情况，对防冻胀处理措施进行了阐述。张先军［2］根据哈大高速铁路路基冻胀测量和普查结果，提出了路基冻胀的特点和基本规律，分析了路基冻胀的水分、温度、细颗粒含量等影响因素。刘华等［3］分析了路基结构形式对冻结特征的影响。刘勇［4］分析了冻胀变形与冻结深度的关系。赵富军［5］系统总结了哈大高速铁路的冻胀特征及防治措施。赵国堂等［6］分析了哈大高速铁路路基冻胀及冻融前后轨道不平顺变化规律。杜晓燕等［7］分析了大西高速铁路的冻胀成因及特征并提出了综合整治方案。苗祺等［8］总结了我国季节性冻土区高速铁路路基冻胀特点、影响因素、防冻害措施以及其适用性。赵世运等［9］基于相似理论开展了不同细粉含量、含水量及水泥掺量的级配碎石的冻胀特性研究。

高速铁路路基的稳定性和服役性能是随着时间变化而动态变化的。李先明等［10］对哈大高速铁路路基面冻胀变形特征及工程意义进行了探讨，认为现有的冻胀观测结果评估和预测方法对路基面整体冻胀量估计不足，在长期变形预测中并未考虑到一旦地基和基床固结完成时产生的冻胀量对路基和轨面变形的影响。目前无砟轨道铁路实体工程建设运营时间有限，研究实际工程中冻融循环次数对冻胀变形的影响，对建立长期服役性能评价体系有重要意义［11］。

沈丹客运专线于2010年4月开工建设，2015年9月开通运营。建设过程中吸收了哈大高速铁路的研究成果，对路基防冻胀措施进行了优化。本文对沈丹客运专线建设期及运营期的冻胀情况进行系统分析和总结，可为其他寒冷地区铁路路基防冻胀设计、施工及评价提供参考。

1 路基防冻胀措施

沈阳至丹东客运专线位于辽宁省中东部沈阳市、本溪市和丹东市境内，属寒冷地区，其中无砟轨道路基共101 段33.9 km。路基工点类型包括路堤坡面防护、低路堤、堑坡防护、深路堑、松软土路基等。

1.1 基床及填料设计

基床表层采用级配碎石掺5% 水泥填筑，厚0.4 m，掺水泥前级配碎石填料中细颗粒（颗粒粒径≤0.075 mm）含量不大于5%，压实后细粒含量不大于7%。基床底层填筑A，B组填料，厚2.3 m。其中最大冻结深度范围内填料的细颗粒含量要求小于5%；压实后小于7%（水洗法），压实后渗透系数不小于5×10-5m/s。

短路基及设置渗沟排水困难地段设置混凝土基床，厚度为不小于土壤最大冻结深度加0.25 m，基床两侧填筑A，B组土。

硬质岩地段路基面以下设置0.2 m 厚的C35 素混凝土封闭层，非硬质岩地段基床表层底面至最大冻结深度范围换填非冻胀A，B组土。

1.2 防排水设计

1）无砟轨道底座间及两侧路肩范围设置8 cm 厚C30纤维混凝土封水层。

2）地下水位较高或疏排条件较差的路堑地段设置单侧或双侧渗水盲沟。

1.3 施工质量要求

防冻层应填筑满足细颗粒含量、渗透系数等技术要求的合格填料，应严格按填筑试验确定的施工工艺施工，并逐层检测。材质、颗粒级配及渗透系数检测每个料源不少于3 组；细颗粒含量检测每段路基每层不少于3 点，间距不大于50 m，按线路左线中心外侧、线路中心、线路右线中心外侧的之字形布置。

1.4 变形监测方案

建设期内采用人工水准测量和自动观测的方式进行路基冻胀变形观测。每个自动观测断面在左、右线底座板右侧外缘下布设观测元器件，其中左线底座板右侧下的测点为路基面中间测点，右线底座板右侧下的测点为路肩测点。分别对路基面以下0.5，1.1，2.1 m 深度范围内的冻胀变形进行观测，共布置14 个自动观测断面，并于运营期间进行了持续观测。

2 建设期冻胀变形

2.1 建设期冻胀变形趋势

建设期进行了3 个年度的冻胀变形观测，不同年度的冻胀变形统计见表1。可知，建设期间，随着路基防冻胀措施逐步施工完善，路基冻胀情况得到逐步改善。尤其是2014—2015 年度轨道结构和路基面防排水结构施作完成后，冻胀变形不超过4 mm 的测点比例由2012—2013 年度的56.5%上升至2014—2015 年度的99.52%，且最大冻胀变形也显著减小。这说明建设期路基防冻胀措施是有效的，全线路基冻胀变形整体上处于可控范围。

表1 全线路基面冻胀变形统计

2.2 工点类型

水准监测结果表明，2014—2015 年度冻胀变形大于4 mm 的测点在路堤、路堑及过渡段均有分布。这说明填料基床在采取控制细颗粒含量+防排水措施后，超限冻胀变形出现的位置具有随机性。混凝土基床段落测点的冻胀变形均小于4 mm，说明混凝土基床具有极好的抗冻性。

2.3 渗水盲沟

渗水盲沟主要起排除地下水的作用，同时可疏排部分基床下渗水。相比于原状地基或压实路基，洗净碎石盲沟协调变形的能力也较强，对路堑地段测点的路基面冻胀变形按不同盲沟类型进行对比，2014—2015 年度不同盲沟类型路基面变形见表2。可知，设置双侧盲沟或者线间盲沟的地段，所有测点的冻胀变形均小于4 mm，说明设置渗水盲沟对减小冻胀变形有显著作用。

表2 2014—2015年度不同盲沟类型路基面变形

为了达到截断地下水流径的目的，理论上在基床地下水渗流的上游设置单侧盲沟即可。但是在实际工程中，地下水环境往往会随着施工进程而不断变化，致使个别地段单侧盲沟未达到理想效果。因此，运营期地下水流路径较难确定时宜优先采用双侧盲沟的形式。

2.4 最大冻结深度

冻结过程中冻结锋面从地表逐渐往土体内部发展，而融化过程中冻结锋面从土体内部最大冻结深度处和地表逐渐向中间靠拢。将整个冻融循环过程中冻结锋面的最大埋深称为最大冻结深度，则上下锋面之间的土层厚度为实际的冻结厚度。

图1 DK34+261断面冻结深度和冻结厚度的变化

沈丹客运专线典型测点的冻结深度和冻结厚度随时间的变化如图1所示。一般情况下最大冻结深度与最大冻结厚度是一致的，且填料及土壤的冻结深度受冻结指数的影响较大，不同年度的最大冻结深度不同。2014—2015 年度实测最大冻结深度为0.82～1.49 m，2015—2016 年度为0.95～1.76 m，2016—2017年度为0.88～1.69 m，2017—2018年度为1.00～2.02 m，2018—2019年度为0.95～1.88 m。多数测点的实测值未超过标准规定的冻结深度值。

2.5 冻胀变形发展规律

路基冻胀变形大致可分为初始波动、快速发展、变形稳定、波动融沉、变形稳定5 个阶段，在一定的范围内冻胀变形与冻结深度显著正相关，超出特定范围则关系不大。

为讨论冻胀变形沿深度方向的分布情况，对路基面下 0.5，1.1 m 深范围内的冻胀量V0.5，V1.1与路基面下2.1 m 深范围内的冻胀量V2.1的比值平均值进行统计，结果见表3。可知，建设期大部分的冻胀变形主要发生在路基面下0.5 m以下的底层范围内。

表3 不同深度范围冻胀量比值平均值的测点个数

3 运营期冻胀变形

3.1 冻害调查

沈丹客运专线借鉴了哈大高速铁路的成功经验，并采用“上堵下疏、对症下药”的综合防治理念进一步优化了路基防冻胀措施。开通运营以来，除2015—2016 年度极个别地点出现路基冻害外，其他运营年度路基地段均未出现冻胀变形，说明沈丹客运专线路基冻胀变形控制措施取得了较好效果。

3.2 冻胀变形规律

路基冻胀是一个缓慢积累和发展的过程，路基面以下2.1 m 深范围内典型测点不同年度的冻胀变形情况见图2。可知，多数测点的冻胀变形规律与建设期间一致（如DK171+841 断面），冻胀变形快速发展、变形稳定、波动融沉阶段划分十分显著；部分测点运营期冻胀阶段划分不明显（如DK40+323 断面）；部分测点每个冻胀周期结束时均会产生一定量的冻胀累计变形。这反映了路基冻胀的复杂性。

哈大高速铁路的相关研究指出，建设期所得路肩处路基面的冻胀量包括冻胀变形和沉降，较运营期的实际冻胀量小［12-13］。沈丹客运专线观测数据表明，运营期的冻胀量与运营时间的关系不大。考虑到对无砟轨道的工后变形控制有很高的要求，设计时对沉降不符合要求的软土及松软土地基会进行必要的地基加固处理，且路基本体的压实标准较高。对于非极端气候条件，在保证地基处理和路基压实质量的前提下，采用建设期的冻胀观测数据评估路基冻胀是可行的。

图2 典型测点不同时期冻胀变形发展情况

分层监测结果表明，运营期路基面以下0.5 m 深范围内的冻胀变形所占比例具有较大的离散性，中间测点V0.5/V2.1大于0.5的测点个数由建设期的1个增加为 6～7 个，路肩测点由建设期的 2 个增加为 8 个，显示出运营期和建设期冻胀变形沿深度的分布规律不同，运营期表层冻胀变形所占比例较建设期有增大的趋势。由于路基表面封水作用，运营期地表水下渗的距离进一步减少，表层以下路基土中的含水量得到控制，表层以下土体的冻胀相对较小，冻胀变形主要发生在路基表层。部分地段由于表面封水作用存在缺陷，地面水下渗距离较深，致使表层以下土体冻胀变形所占比例也较大。

3.3 最大冻结深度与最大冻胀量

统计沈阳、本溪和丹东地区2015—2019年的冻结指数可知，2017—2018年度最冷。2015—2019年各年度实测最大冻结深度平均值与设计冻结深度的比值分别为0.99，0.92，1.09，1.03。影响冻胀变形的三要素为水、可冻胀的填料和低温。冻结深度也是这3 个因素共同作用的结果，一般情况下冻结指数越大，冻结深度越深。

与建设期不同，由于采取了有效的防冻胀措施，运营期实测最大冻胀量与冻结指数的关系不明显。14个长期监测断面中，运营期间最大冻胀量大于4 mm的监测断面 1 个，最大冻胀量为 2～4 mm 的 3 个；最大冻胀量小于2 mm的有10个。

通过对比各年度最大冻胀量的变化情况可知，运营期冻胀量的大小与建设期冻胀量呈正相关，即建设期冻胀量大的断面运营期冻胀量也较大。因此，加强建设期施工质量控制是保证运营安全的基础，建设后期应对冻胀量较大断面开展长期变形观测。

此外，运营期冻胀量的大小与运营时间（冻融循环次数）的关系不大，随运营时间的增加，最大冻胀量有的逐年增大，有的保持不变，有的呈波动变化。

4 结论

沈丹客运专线于2010 年4 月开工建设，2015 年9月开通运营，通过采用“优化填料、上堵下疏、对症下药”的综合防治理念开展设计，有效地控制了路基冻胀变形。建设期及运营期变形观测结论如下：

1）冻胀变形和冻结深度是水、可冻胀的填料和低温三个因素共同作用的结果。建设期间在一定的范围内，冻胀变形与冻结深度、冻结指数显著正相关，超出特定范围则关系不明显；随着防冻胀措施逐步完善，路基冻胀情况也逐步改善，尤其是防排水结构施作完成后，冻胀变形情况显著好转，运营期冻胀变形与冻结深度、冻结指数无明显关系。

2）填料基床出现路基冻胀变形的位置具有随机性，在路堤、路堑及过渡段均有分布；混凝土基床的抗冻胀效果较好，渗水盲沟也可有效减缓冻胀变形。

3）建设期路基冻胀变形大致可分为初始波动、快速发展、变形稳定、波动融沉、变形稳定5 个阶段，冻胀变形主要发生在基床底层范围内。

4）运营期冻胀变形情况更复杂。部分测点冻胀变形的发展不具有明显的阶段性，部分测点基床表层冻胀变形所占比例较建设期增大。

5）运营期冻胀量大小及分布与建设期冻胀情况有显著相关性，与运营时间关系不大，采用建设期的冻胀观测数据评估路基长期冻胀情况是可行的。