季冻区在建铁路路基冻害防治措施研究

2021-03-28朱志有李雄锐王珍福桑彦廷

河南科技 2021年29期

关键词：铁路

朱志有　李雄锐　王珍福　桑彦廷

摘要：近年来，我国季冻区既有铁路路基冻害研究积累了诸多经验，取得了良好的工程实践效果。但是，在地质、气候、冻融循环等诸多因素的共同影响下，季节性冻土区铁路路基冻害问题仍旧突出。在交通强国、东北老工业基地振兴、川藏铁路建设等新时代战略驱动下，将有更多的铁路工程向季节性冻土区推进，进一步完善我国铁路网。为此，对铁路路基冻害特征、冻害成因进行整理分析，针对规划中及建设过程中的铁路提出相应路基冻害预防措施，避免铁路在运营过程中频繁出现路基冻害。

关键词：铁路;路基冻害;冻胀

中图分类号：U216.412 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0110-03

Research on Prevention and Control Measures of Freezing Damage

of Railway Subgrade Under Construction in Seasonal Frozen Area

ZHU Zhiyou LI Xiongrui WANG Zhenfu SANG Yanting

（China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 404100）

Abstract： In recent years， a lot of experience has been accumulated in the research on frost damage of existing railway subgrades in seasonal freezing areas in China， and good engineering practice results have been achieved. However， under the combined influence of many factors such as geology， climate， and freeze-thaw cycles， the problem of frost damage to railway subgrades in seasonally frozen soil areas is still prominent. Driven by new era strategies such as the power of transportation， the revitalization of the old industrial base in Northeast China， and the Sichuan-Tibet Railway， more railway projects will be promoted to seasonally frozen soil areas， and China's railway network will be further improved. To analyze the characteristics of railway subgrade freezing damage and the causes of freezing damage， and then proposes corresponding subgrade freezing damage prevention measures for railways in the planning and construction process to avoid frequent subgrade freezing damage during railway operation.

Keywords：railway; frost damage of subgrade;frost heave

我国多年冻土面积约2.06×10 km，占全国陆地面积的21.5%;季节性冻土面积约5.14×10 km，占全国陆地面积的53.5%[1]。冻土在冻结状态下强度较大、压缩模量高，具有弹性体的工程性质特征。但是，当温度升高时其冻结状态逐渐消失，土体强度急剧下降，并产生冻土蠕变和流变现象[2]。在交通强国、东北老工业基地振兴、川藏铁路建设等新时代战略驱动下，我国冻土区铁路网将进一步完善。冻土地区所特有的地理位置、气候特征及地质条件等因素，导致基础设施建设过程中存在诸多问题，其中路基冻害就是一个较为严重的问题。

由于季节性冻土区冬季温度低，夏季温度高，土体常年处于冻融循环过程中，导致该类土体在不同的季节结构受力存在极大的差异。土体冻融循环还可能会导致土体在不同的季节出现塌陷及鼓包的现象，导致在季节性冻土区经常出现路基冻害。近年来，越来越多的专家学者围绕季节性冻土区既有铁路路基冻害防治措施开展了深入系统的研究，取得了丰硕的成果，但是对冻土区铁路路基建设完成之前的相应防冻害措施研究较少，故笔者拟對相关建设过程中的铁路路基冻害防治措施展开研究。

1 铁路路基主要冻害

1.1 冻胀

季冻区铁路路基冻害主要为路基冻胀，因路基冻胀而出现的路基病害主要表现为路基纵横向挠曲变形。路基纵横向挠曲变形对铁路运营危害较大，线路纵横向变形不均匀，如图1所示。路基冻胀裂缝在季冻区较易出现，且在早期建设过程中低温环境下易发生早期冻胀裂缝。随着线路投入运营和长期冻融循环作用，早期冻胀裂缝未进行及时修补，融雪水、雨水不断侵入，导致路基冻胀裂缝宽度、长度不断增大。铁路冻胀直接影响铁路运营的平顺性且严重威胁运营安全。

1.2 融沉翻浆、变形

路基沉降变形是季冻区铁路工程最主要的病害，且在含水量较大的黏性土地带极易发生。有学者对青藏铁路沿线路基变形进行调查，发现超过85%的路基变形为融沉变形，对铁路运营安全造成了极大隐患[3]。另外，冻结期路基表面水分积聚，且春融期路基中水分自上而下融化后来不及排出，导致路基反复冻融循环，最终因为路基强度降低至不能承受外荷载而造成路基结构破坏，如图2所示。

1.3 地质灾害

随着全球气候变暖，多年冻土区逐渐融化，导致原本稳定的冻土环境逐渐脆弱。在冻土区进行相关工程活动会进一步扰动脆弱冻土环境，诱发沿线落石、风沙及崩塌等地质灾害，给工程施工安全及后期运营安全造成隐患。因此，在季冻区进行工程施工时须采取合理的施工工艺、工程结构确保新建结构与原冻土间的热平衡。

2 冻害主要成因

现阶段，专家学者对铁路路基冻害的研究成果表明，铁路路基结构形式、路堑及路基基床填料物理性质、含水量及环境低温等因素是影响铁路路基冻胀的主要因素。其中，填料自身物理性质是引起路基冻胀的内因，环境低温是引起路基冻胀的外因，水分是引起路基冻胀的充分必要条件，三个基本因素的不利组合导致路基冻胀。

多年冻土对外界气候变化极为敏感，尤其是外界温度变化。随着全球气候变暖，多年冻土逐渐融化，冻土区铁路路基随着地下冻土融化也遭到破坏，出现融沉现象。冻土融沉与路基土体、土体含水量及冻土层中粉黏粒含量等因素密切相关。另外，有研究表明，积水渗透和路堤本身热效应同样会引起路基的融沉。

3 铁路路基冻害防治措施

我国冻土区已建成的代表性铁路有青藏铁路、丹大铁路等，而在规划建设中具有代表性的铁路有川藏铁路等，将进一步完善铁路网。为保证今后列车运营安全，对建设过程中铁路路基冻害防治措施展开研究十分必要。近年来，诸多专家学者对路基冻害防治进行相关研究，对运营过程中的铁路和规划建设中的铁路路基冻害防治积累了一些经验，现阶段通常采用路基填料法、消极保温法、排水隔水法、换填法及优化路基结构形式等方法对建设中的铁路路基冻害进行防治。

3.1 合理选取路基填料法

在路基填料方面，可以采用在冻土区设置细颗粒含量小于15%的砾类、碎石类等不冻胀土路基防冻层的方式对路基冻害进行预防。另外，可采用将水泥、石灰、粉煤灰等无机材料加入粗颗粒填料的方法对填料渗透性和冻胀特性进行改良，减小级配碎石的渗透系数和冻胀率。

3.2 消极保温法

通过在路基内铺设保温材料，利用热阻效应延缓冻土融化，减弱路基周期性冻融循环的方法可以减弱冻土周期性冻融循环对路基的危害。可采用PU保温板、半导体制冷装置、热棒及热棒桩基础等材料或装置进行冻土保温，延缓冻土融化对路基冻害的影响。

3.3 排水隔水法

水是路基冻胀的必要条件，所以减弱路基冻害可以从排水隔水的思路出发。现阶段，排水法主要分为地表排水和地下水引导。隔水法主要在路基土体内设置一层隔水层，直接减弱甚至阻止隔水层上下水分交换。两种方法都是以减小路基土体含水量的方式防治路基冻害。在实际工程中，合理选择排水隔水方法不仅能够起到良好的冻害防治效果，还能够节约工程成本。但是，如果不结合工程实际地质条件、水文条件等因素进行考虑便采用该方法，可能会使冻害防治效果大打折扣，甚至会对工程造成危害[4]。

3.4 换填法

换填法具有施工简便、适用范围广等优点。但是，采用换填法对路基冻害进行防治时，换填深度随着地区、路基冻胀变形的有效控制范围等因素的不同而不同。路基冻害防治效果取决于换填深度。现有研究成果表明，换填粗颗粒的方法能减小路基冻胀量，但是对土体中水分迁移的防治效果不明显[5]。粗颗粒填土含水率在冻融循环作用下会逐渐提高，可能会发生翻浆现象[6-7]。因此，换填法的适用范围及有效性等方面还需要进行深入的研究。

3.5 路基结构形式优化

路基断面形式对路基冻害的影响不可忽视。由于路基为线状结构，设计师通常将路基段面形式设计成零挖填、路堑及路堤等不同结构形式。有专家学者针对该方面展开研究，结果表明[8]：路堑及零挖填部位地下水往往比较活跃，最终导致上述位置路基冻胀且发生概率较大。所以，铁路工程抗冻设计过程中应重点把控该部位。

路堤高度会对多年冻土区及季节性冻土区路基热稳定性造成影响。设计师在进行路基设计时，可重点考虑路堤高度对路基下层冻土热稳定性的影响，通过合理设计，确保路基下层冻土不会形成融化夹层，同时冻土上限不会发生下移。另外，在多年冻土区建设铁路时，往往会因为路基截面形式的不同而导致原地表水文条件改变，破坏原地表热平衡，严重影响路基稳定性。因此，在铁路路堤设计过程中对合适路堤高度进行考虑的同时，需辅以相关冻土保护措施。

4 结论

①通过对铁路路基冻害特征、冻害成因进行分析，针对规划及在建铁路提出相应路基冻害预防措施，避免铁路在后期运营过程中频繁出现路基冻害。

②铁路路基冻害防治已逐渐向综合防治方向发展，但是在实际工程中运用较少，需进一步研究路基冻害综合防治措施的实用性及有效性。

③改变路基结构形式能够对路基冻胀进行有效防治，但是会对地底冻土与上层热交换造成影响，严重时可能会破坏多年冻土区冻融平衡，应加强在路基结构形式方面的研究，有效防治路基冻害，维持冻土区原有的冻融平衡。

参考文献：

[1]邓友生，刘俊聪，彭程谱，等.铁道路基冻害防治方法研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2021（1）：1-8.

[2]喬建伟，郑建国，刘争宏，等.“一带一路”沿线特殊岩土分布与主要工程问题[J].灾害学，2019（1）：65-71.

[3]穆彦虎，马巍，牛富俊，等.多年冻土区道路工程病害类型及特征研究[J].防灾减灾工程学报，2014（3）：259-267.

[4]李雨浓，张喜发，冷毅飞，等.季冻区高速公路路基冻害调查及试验观测[J].哈尔滨工业大学学报，2010（4）：617-623.

[5]盛岱超，张升，李希.高速列车与路基冻胀相互作用机理[J].岩土工程学报，2013（12）：2186-2191.

[6]刘德仁，赖远明，董元宏，等.冻土区块石夹层路基防冻胀翻浆效果试验研究[J].岩土力学，2012（3）：753-756.

[7]李安原，牛永红，牛富俊，等.粗颗粒土冻胀特性和防治措施研究现状[J].冰川冻土，2015（1）：202-210.