高寒环境下铁路路基冻害成因及处治对策

刘伟锋

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

近年我国东北高寒地区高速铁路开通运营线路逐年快速增加，相继建设了长白铁路、哈佳铁路、京沈铁路等多条高速铁路，进一步促进了整个铁路网络的完善、安全和畅通。但由于东北高寒地区独特的气候环境，铁路路基易产生冻害问题，严重影响了高铁正常运行，给高铁的运行带来了极大的安全隐患[1]。因此，有必要围绕冻害现象的具体成因展开探讨，提出针对性的处治对策，以给铁路运营安全创设良好的条件。

1 路基工程冻害类型及成因

1.1 路基冻胀

路基冻胀成因具体包括以下6 个方面：①路基基床设计填筑厚度小于该地区的最大冻结深度；②路基填筑填料不满足非冻胀填料要求，路基填料细颗粒含量超标，造成路基透水性差，不满足填料内细颗粒（细颗粒粒径≤0.075 mm）含量＜5%（重量比）、压实后＜7%（重量比），压实后透水系数≥5×10-5m/s 的要求；③路基基床下或路基基床表层未设置土工防水材料，或施工不当造成土工防水材料破损、失效，土壤中地下水由于毛细作用而上移或大气降水渗入造成路基含水量升高[2]；④路堑地段渗水盲沟、盲管堵塞，排水不畅，造成路基含水量升高；⑤施工过程中路基顶面横坡控制不严，路基排水不畅，造成路基含水量升高；⑥气候、降雨等其他原因造成路基含水量升高。

1.2 路堑侧沟平台冻胀鼓裂、侧沟冻胀倾倒

铁路路基路堑地段坡脚设2～3 m 宽侧沟平台，再依次为侧沟、混凝土路肩、路基。其冻害主要影响因素有：①路堑地段土质为粘性土、黏土等含水量高透水性差的土，及膨胀土等工程性质差的土；②侧沟平台浆砌片石砌筑横坡不足造成积水及浆砌片石防水性差，水渗入平台下土内含水量升高；③春融季节，平台及边坡上积雪融化，冻融循环造成冻害。

1.3 路堑边坡防护冻融造成溜塌

路堑边坡采用带截水槽的M10 浆砌片石拱形骨架护坡，内铺六边形空心块，块内种紫穗槐灌木防护。其病害主要成因为：①春融季节，融化的雪水来不及蒸发，通过浆砌缝隙向下渗透，沿骨架缝隙进入土体，致使土体含水量增加，上体软化，强度降低，引起路堑边坡局部浅层溜塌或防护变形；②春融季节，冷热交替气温变化大，土壤含水量高，冻土表层融化，产生浅层溜塌；③堑顶低洼处，形成凹坑，连续集中降雨积水，积水渗入路堑边坡，致使边坡土体含水量增加，土体软化，边坡局部产生浅层溜坍；④边坡浆砌片石骨架圬工整体性差，骨架内灌木紫穗槐成活率低，植物防护效果欠佳，雨水易于骨架内进入边坡，软化土体[3]；⑤路堑边坡防护截水槽预制块间砌筑砂浆不饱满，雨水流入边坡内含水率升高，软化土体；⑥路堑边坡坡率过陡，自稳性能差，造成局部溜塌；⑦路堑边坡岩层倾角与路堑边坡平行或夹角小，自稳性能差，造成局部溜塌。

通过对以上路基冻害分析发现，水是引起路基冻害的最不利因素，通过防、排、堵、截等方法，综合治理，消除、减小冻害对路基的影响。

2 路基工程冻害处治对策

高寒地区铁路路基在运营阶段不可避免会发现以上冻害问题，在确保不影响铁路正常安全运营情况下，可利用铁路施工维护天窗时间，对路基工程冻害进行处理。

2.1 路基冻胀处理

路基设计宽度12.8 m，两侧设电缆槽及混凝土路肩。路基基床表层为0.6 m 厚级配碎石，基床底层为1.9 m 厚非冻胀A、B 组填料。该地区冻结深度2.2 m。不同构造路基冻胀处理措施如下：

2.1.1 路堤

（1）中心冻高8～12 mm 一般填方地段。检查并疏通护肩泄水孔，结合两侧监测点冻高情况，采取检查并疏通护肩泄水孔或路堤两侧交错设置双排泄水孔，深度至中心点交叉1.0 m。尽快疏干基床内渗水，减小冻害。第1 排距路基面竖向1.5 m，沿线路方向间距3.6 m；第2 排距路基面竖向2.3 m，沿线路方向间距1.8 m。

（2）中心冻高≥12 mm 的一般填方地段。单个散点或连续段落，路堤两侧交错设置双排泄水孔，深度至中心点交叉1.0 m。尽快疏干基床内渗水，减小冻害。第1 排距路基面竖向1.5 m，沿线路方向间距3.6 m；第2 排距路基面竖向2.3 m，沿线路方向间距1.8 m。同时结合填料细颗粒含量情况采用挖除基床表层（0.6 m 厚），换填级配碎石掺5%水泥措施。

渗水盲管采用空心型RCP-10NC（A）渗排水管材，管径100 mm，环刚度≥32 kPa，管壁空隙率≥80%，外包透水土工布，钻孔直径110 mm。

2.1.2 路堑

（1）中心冻高8～12 mm 低填及路堑地段。检查并疏通侧沟、渗水盲沟、渗水盲管及护肩泄水孔。

（2）中心冻高≥12 mm 的低填及路堑地段。单个散点断面，结合细颗粒含量及冻高情况，采用挖除表层，换填级配碎石掺5%水泥的措施。

（3）中心冻高≥12 mm 的低填及路堑地段。连续段落，考虑其两侧侧沟平台或坡脚设置渗水盲沟，并结合细颗粒含量及两侧监测点冻高情况，挖除表层，换填级配碎石掺5%水泥措施。

对路基进行动态的沉降（冻胀）监测，对路基的冻胀前、冻胀后、融解后3 个时段进行监测，进而了解路基的防冻胀能力与路基质量。对路基的沉降（冻胀）变形进行动态监测，设置合理的沉降（冻胀）观测点，并对观测点进行保护，利用北斗、GPS 等，设置自动观测断面，确保观测的准确、连续、便利、长周期观测。通过观测的数据判断路基稳定状态，保证路基正常使用。

2.2 路堑侧沟平台冻胀鼓裂、侧沟冻胀倾倒处理

侧沟平台设计为0.3 m 厚浆砌片石，侧沟为0.6 m×1.2 m（宽×深）厚0.2 m 的C30 钢筋混凝土矩形侧沟。目前由于附属防护结构已施工完成，线路已开通运营，因此采取如下措施对侧沟平台冻胀及变形进行处理：①侧沟平台拆除既有侧沟平台浆砌片石防护，按原结构、材料、尺寸重新砌筑，侧沟平台下铺设一层EPS 保温板，板厚0.05 m，其下设0.3 m 厚碎石垫层，并于碎石垫层底部侧沟外壁设泄水孔，孔径0.1 m、纵向间距2.0 m；②侧沟平台浆砌片石防护与护坡基础及侧沟连接处设置伸缩缝，缝宽0.02 m，缝内填塞沥青麻筋；③侧沟倾斜处，凿除后重新浇筑钢筋混凝土侧沟，侧沟内0.8 m 高处设置断面10 cm×10 cm 钢筋混凝土横撑，间距2.0 m，防止侧沟倾斜；④侧沟平台的浆砌片石防护、碎石垫层及泄水孔，须按设计要求的结构、尺寸、坡度等施工，确保施工质量；⑤模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保温板性能指标板厚≥5 cm，表观密度≥50 kg/m3，压缩强度≥300 kPa，导热系数≤0.039 W/m·K，吸水率（体积分数）≤2%。

2.3 路堑边坡防护冻融造成溜塌处理

路堑边坡采用带截水槽的M10 浆砌片石拱形骨架护坡，浆砌片石0.6 m 厚，拱圈3 m×3 m，主骨架宽度0.6 m，内铺六边形空心块，块内种紫穗槐灌木防护。目前由于附属防护结构已施工完成，线路已开通运营，因此采取如下措施对路堑边坡防护溜塌处进行处理：①清除溜坍部分坡体，沿底面挖台阶，台阶宽度1.0 m；②路堑边坡坡率恢复1∶1.75，边坡坡面至原坡面或坍塌底面夯填粗颗粒土，压实系数不小于0.9；路堑边坡采用恢复原骨架护坡防护，骨架采用C35 混凝土浇筑；③基础采用条形基础，顶宽0.6 m，深2.0 m，外露侧沟平台以上0.5 m，面坡1∶0.15，背坡垂直，基础外露侧沟平台以上部分每隔1.8 m（主骨架及拱中部）设置PVC 管泄水孔，直径0.1 m，泄水孔采用透水土工布包裹，骨架后设置0.3 m 厚碎石垫层；④每隔7.5 m 设置1 道边坡渗沟，边坡渗沟内码砌干砌片石，及时排除土壤中水分；⑤在施工过程中发现的路堑边坡岩层倾角与路堑边坡平行或夹角小的路堑段落，通过坡脚设置桩板式挡土墙，坡面采用菱形锚杆框架梁防护，防止边坡溜塌；⑥及时恢复植被，防止雨水冲刷、掏空骨架内填土。

3 路基冻害整治时的注意事项与安全措施

施工过程中坚持“安全第一，预防为主”的方针，和贯彻落实“科学施工，安全生产”的原则，全面落实营业线施工安全保证措施。

施工注意事项：①在施工前仔细核对设计文件和施工记录，办理各种施工审批手续，做好人员培训；②严格按方案来组织施工，整治过程要保存资料与影像资料，验收合格每一道工序后，才可以进行下道工序施工；③做好现场文明施工，及时清理施工垃圾，专人负责施工用的照明工具和小型机具等。

安全保证措施：①建立、健全安全生产保证体系，配齐安全管理人员；②做好现场防护、硬隔离、现场监测等工作确保施工安全；③做好个人安全防护。

4 结束语

为防止严寒地区的高铁路基发生严重的冻害，就要在设计阶段对施工区域气候条件、路基结构设计、路基填料要求、路基防排水措施、路基防护设施等进行精细设计。施工阶段严格按照设计要求进行施工，并加强检验和监测，及时发现冻害问题并及时处理，确保线路开通运营后线路状态良好。