蔡德鉤

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，北京　100081)

我國正在季節(jié)性凍土地區(qū)展開大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)。截止到2015年12月，東北和西北地區(qū)已建和在建的高速鐵路有哈大、盤營、沈丹、吉圖琿、哈齊、長吉、哈牡、京沈、蘭新、大西、西寶、寶蘭等線路，共約7 000 km。此外，我國于2013年向世界提出了“一帶一路”倡議，涉及北京到莫斯科的歐亞高速運(yùn)輸走廊，全長超過7 000 km。中俄已就莫斯科—喀山高速鐵路簽訂合同，目前已進(jìn)入初步勘察設(shè)計階段。這些穿越廣袤季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路都必將面臨路基凍脹問題。

高速鐵路對線路變形要求極高，路基凍脹會降低線路平順性和運(yùn)營安全性。但由于區(qū)域氣候環(huán)境的多變性、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性及建設(shè)過程中水控制措施的粗放性等諸多不利因素的影響，季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基的凍脹往往不可避免。因此，開展高速鐵路路基長期凍脹監(jiān)測以獲取凍融時空分布規(guī)律至關(guān)重要。一方面，建設(shè)階段通過分析高速鐵路路基凍脹水平和分布情況，可評價路基土水控制措施的施工質(zhì)量及設(shè)計合理性，為高速鐵路路基動態(tài)設(shè)計、施工驗收提供依據(jù)，為完善防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支撐；另一方面，運(yùn)營階段通過分析冬季時線路的平順性和路基凍脹發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，可明確冬季的線路維護(hù)時機(jī)，有利于調(diào)配有限的人力物力，制定合理的維護(hù)措施，提升高速鐵路的冬季科學(xué)維護(hù)水平，促進(jìn)我國季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路凍脹維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的完善。

哈大高速鐵路是我國第1條季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路，掌握其路基凍脹時空分布規(guī)律對我國其他季節(jié)性凍土高速鐵路的建造和運(yùn)營具有重要的意義。針對哈大高速鐵路路基凍脹問題，哈大公司和沈陽鐵路局組織開展了重點(diǎn)和典型地段的長期自動監(jiān)測、全部路基地段分期水準(zhǔn)觀測和全線高頻次軌道平順性動態(tài)檢測，獲得了大量寶貴數(shù)據(jù)。本文基于哈大高速鐵路的監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究高速鐵路季節(jié)性凍土路基的凍脹時空分布規(guī)律。

1　高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測

經(jīng)過幾年實踐，我國已形成集凍脹自動監(jiān)測、水準(zhǔn)觀測和軌道動態(tài)檢測相結(jié)合的綜合凍脹監(jiān)測體系[1]。這些監(jiān)測手段相輔相成，可從不同方面反映高速鐵路路基的凍脹時空分布情況。

水準(zhǔn)觀測主要是對全線進(jìn)行定期觀測以掌握全線的凍脹水平分布情況，明確重點(diǎn)監(jiān)測和整治地段。軌道動態(tài)檢測主要是對全線進(jìn)行定期平順性檢測以掌握全線的平順性情況，是運(yùn)營階段高速鐵路凍脹監(jiān)測最基本、最重要的手段，是制定冬季線路維護(hù)措施的依據(jù)。自動監(jiān)測主要是對重點(diǎn)和典型地段進(jìn)行實時監(jiān)測以掌握凍脹凍深發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，監(jiān)測內(nèi)容包括凍脹、凍深及水分等。軌道檢測結(jié)果與凍脹自動監(jiān)測、水準(zhǔn)觀測結(jié)果相結(jié)合，從不同角度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可全面掌握高速鐵路路基的凍脹時空分布規(guī)律。

針對哈大高速鐵路，共設(shè)置了62個自動監(jiān)測斷面，分布在13個區(qū)段，涵蓋了全線重點(diǎn)和典型的路基凍脹區(qū)段，共開展了3個周期的監(jiān)測；全線共布設(shè)了水準(zhǔn)觀測點(diǎn)9 000多個，開展了2012—2015年3個凍脹周期的觀測；采用綜合檢測列車380B002對哈大全線進(jìn)行了高頻次平順性檢測，開展了2個周期621次檢測，檢測里程超過23萬km。

2　路基凍脹變形發(fā)生發(fā)展規(guī)律

2.1　自動監(jiān)測結(jié)果分析

2.1.1典型凍融發(fā)展變化過程

圖1為哈大高速鐵路典型斷面凍脹自動監(jiān)測結(jié)果。由圖1可知，凍融發(fā)展變化過程主要表現(xiàn)為初始波動、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個階段。各階段具體特征如下：

初始波動階段：入冬初始，氣溫在零度上下波動，凍脹隨路基面層(20 cm范圍之內(nèi))反復(fù)凍融而時有時無，凍脹量值一般較小，不超過5 mm。

快速凍脹階段：隨著氣溫繼續(xù)降低且在0 ℃以下的持續(xù)時間增長，凍脹隨基床淺層凍深的增加而快速增長，持續(xù)10～20 d左右，凍脹變形出現(xiàn)拐點(diǎn)。該階段的凍脹量一般約占總凍脹量的60%左右。

穩(wěn)定凍脹階段：凍脹變形經(jīng)過拐點(diǎn)之后，凍深隨著低溫持續(xù)而進(jìn)一步增加，但凍脹增長的速度驟減，凍脹變形呈低速穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。凍脹主要為基床深層凍脹，基床淺層凍脹不再變化。該階段的持續(xù)時間較長，沈大段從當(dāng)年12月中旬持續(xù)到次年2月底或3月初，約2～3個月；沈哈段從當(dāng)年11月底或12月初持續(xù)到次年3月底，約4個月。

融化回落階段：隨著大氣溫度上升至零度附近，基床凍土層開始雙向融化，凍脹變形呈現(xiàn)迅速減小且夾帶偶爾波動回升的狀態(tài)。其波動原因與初始波動階段相同，均是路基面層凍融引起的。之后隨著氣溫持續(xù)升高，基床融透，凍脹消除，變形不再變化，但存在殘余變形，一般不超過4 mm。該階段持續(xù)約1～2個月。

圖1　典型斷面的凍脹發(fā)展過程

高速鐵路運(yùn)營對線路平順性要求極高，路基凍脹會造成線路平順性和運(yùn)營舒適性下降。由上述分析可知，在快速凍脹階段和融化回落階段凍融變形的變化劇烈，線路平順性必隨之降低，為線路維護(hù)的重難階段。

2.1.2凍脹統(tǒng)計分析

圖2給出了2012—2015年3個凍融周期全線自動監(jiān)測斷面的最大平均凍脹變形。由圖2可見：2013—2014年的最大凍脹變形整體上小于2012—2013年，2014—2015年的最大凍脹變形介于兩者之間；2012—2013年自動監(jiān)測斷面路基最大凍脹變形發(fā)生在K186+650斷面，達(dá)35.2 mm；2013—2014年最大凍脹變形發(fā)生在K1 004+384斷面，達(dá)25.4 mm，2014—2015年最大凍脹變形發(fā)生在K186+630斷面，達(dá)33.8 mm。

圖2　3個凍融周期最大凍脹變形

圖3給出了2012-2015年3個凍融周期的凍脹變形區(qū)間分布情況。由圖3可知，在2012—2013年，大變形區(qū)間(20 mm,30 mm]所占比例較高，達(dá)到14%，而(0 mm,10 mm]區(qū)間則相對后2年較低，為38%；后2年各凍脹區(qū)間分布較為接近，(0 mm,10 mm]區(qū)間約占60%，而(20 mm,30 mm]區(qū)間所占比例下降到2%。上述分析說明，經(jīng)過第1個凍融周期(2012—2013年)之后，全線的凍脹趨于穩(wěn)定。

圖3　3個凍融周期凍脹量區(qū)間分布

圖4給出了2012—2015年3個凍融周期基床表層級配碎石凍脹所占比例情況。由圖4可知，3個凍融周期的基床表層凍脹所占比例整體偏大且基本持平，平均值分別為68%，65%和67%。究其原因：一是路基面縱橫向結(jié)構(gòu)縫的封閉措施部分失效，導(dǎo)致表水入滲基床表層；二是基床表層級配碎石細(xì)粒含量較大，自然持水能力和凍脹敏感性較高，同時也造成高壓密條件下滲透系數(shù)偏小，導(dǎo)致滲入的水不易排出；三是基床表層底部兩布一膜的存在阻止了水分向下擴(kuò)散，同時路肩電纜槽為后開挖設(shè)置，造成水分側(cè)向排出困難。總之，上述因素使基床表層成為“易積水的封閉系統(tǒng)”，致使凍脹比例偏大。

圖4　基床表層凍脹占比情況

圖5給出了各斷面凍脹比(凍脹與該點(diǎn)最大凍脹之比)為0.9時凍深的統(tǒng)計結(jié)果。由圖5可知，監(jiān)測點(diǎn)凍脹比達(dá)到0.9時的凍深不超過110 cm的占90%，該深度可作為基床淺層凍脹劃分的界限。說明基床淺層應(yīng)是高速鐵路路基防凍脹設(shè)計的重點(diǎn)。

圖5　哈大高速鐵路路基凍脹比達(dá)0.9時凍深統(tǒng)計

基床防凍脹設(shè)計是季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基設(shè)計的關(guān)鍵[2,6]。上述分析充分說明高速鐵路基床防凍脹設(shè)計還有進(jìn)一步的完善空間?；诠蟾咚勹F路的監(jiān)測結(jié)果對后續(xù)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路，如盤營、沈丹、哈齊、京沈、蘭新等線路的防凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計均進(jìn)行了改進(jìn)，主要在以下幾方面：嚴(yán)格控制基床表層和底層凍深范圍內(nèi)的細(xì)粒含量，明確滲透性要求，相關(guān)技術(shù)條件已納入相關(guān)鐵路規(guī)程[7-8]；基床表層采用摻水泥級配碎石，大幅降低基床表層凍脹占比；取消基床底層兩布一膜隔水層，同時盡可能將電纜槽設(shè)置在邊坡臺階上，使基床滲排水通暢；提升路基面各種結(jié)構(gòu)縫嵌縫材料的密封性能，改進(jìn)封閉施工工藝?？傊?，哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及其原因分析，為后續(xù)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基防凍脹設(shè)計的改進(jìn)提供了重要依據(jù)。

2.2　水準(zhǔn)觀測結(jié)果分析

表1給出了2012—2015年3個凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形水準(zhǔn)觀測統(tǒng)計結(jié)果。由表1可知：2012—2013年冬季全線路基凍脹量≤4 mm的約占61%，4～10 mm范圍的約占33%，≥10 mm的約占6%，且凍脹量≥10 mm的路基主要集中在鲅魚圈、長春西等個別特殊地段；后2個凍融周期各個凍脹區(qū)間所占比例與2012—2013年基本持平。后2個凍融周期的檢測范圍均依據(jù)上一凍融周期路基凍脹量≥5 mm的區(qū)間確定，因此，雖然3個凍融周期各量值空間占比基本持平，但間接說明了全線路基凍脹整體呈逐步改善的趨勢。

表2給出了2012—2015年3個凍融周期哈大高速鐵路路基重復(fù)水準(zhǔn)觀測段凍脹變形統(tǒng)計結(jié)果。由表2可知，小量值區(qū)間占比逐年增大，而大量值區(qū)間則逐年減小，說明全線路基的凍脹逐年趨于穩(wěn)定。上述大范圍水準(zhǔn)觀測結(jié)果表明，季節(jié)性凍土區(qū)高鐵路基的凍脹雖不可避免，但能控制在合理范圍內(nèi)。

另外，通過上述水準(zhǔn)測量發(fā)現(xiàn)凍脹發(fā)生的位置和量值具有重復(fù)性特征，這為制定凍害地段的維護(hù)措施提供了重要依據(jù)。沈陽鐵路局建立了以入冬之前軌面高程預(yù)設(shè)為主的維護(hù)措施[9]。入冬前采用預(yù)墊板和預(yù)撤板，調(diào)整凍脹處所一定范圍內(nèi)的軌面高程，使其在凍脹前后均滿足平順性要求，實現(xiàn)動態(tài)檢測不超限。該措施有效控制了高速鐵路路基凍害，降低了維護(hù)工作量。

表1　3個凍融周期哈大高速鐵路路基凍脹變形統(tǒng)計結(jié)果

表23個凍融周期哈大高速鐵路路基重復(fù)水準(zhǔn)觀測段凍脹變形統(tǒng)計表

變形區(qū)間/mm測點(diǎn)共計/個2012—2013年2013—2014年2014—2015年測點(diǎn)/個比例/%測點(diǎn)/個比例/%測點(diǎn)/個比例/%<44～66～88～1010～12>1218478654683107758311195647029716082941592278150521911861739371991077168910117633834491136127842250271185100210858542227

注：測點(diǎn)為軌道結(jié)構(gòu)凸臺上的測點(diǎn)，不含路肩和和線間的測點(diǎn)。

2.3　軌道檢測結(jié)果分析

哈大高速鐵路采用綜合檢測列車進(jìn)行高密度的軌道平順性檢測。圖6和圖7為全線2012—2015年2個凍融周期內(nèi)檢測同期Ⅰ、Ⅱ級超限分布對比情況。由圖6和圖7可知，2012—2013年，全線累積Ⅰ級超限15 960次、Ⅱ級超限1 031次。通過線路維護(hù)，沒有出現(xiàn)Ⅲ級及以上超限和臨時限速處所。2013—2014年，全線累積Ⅰ級超限5 329次，Ⅱ級超限191次，整個冬季動態(tài)檢測過程中Ⅰ級和Ⅱ級超限總數(shù)量較2012—2013年顯著減小。

圖6　哈大高速鐵路全線每次動檢Ⅰ級超限數(shù)量

圖7　哈大高速鐵路全線每次動檢Ⅱ級超限數(shù)量

圖8和圖9為哈大高速鐵路沿線每100 kmⅠ級和Ⅱ級超限累加統(tǒng)計結(jié)果。由圖8和圖9可知，2013—2014年全線Ⅰ級和Ⅱ級超限個數(shù)整體上均有所減小，尤以沈大段最為明顯。沈哈段Ⅱ級超限分布基本上與2012—2013年一致。上述情況說明沈哈兩局采取了有效措施，控制了線路超限情況的發(fā)生。

圖8　哈大高速鐵路沿線Ⅰ級超限數(shù)量(每100 km累加)

圖9　哈大高速鐵路沿線Ⅱ級超限數(shù)量(每100 km累加)

圖10為全線凍深與凍害數(shù)量趨勢圖。由圖10可知：當(dāng)凍深小于50 cm時凍害數(shù)量很少；而凍深在50～160 cm時，凍害數(shù)量快速增加；凍深大于160～250 cm時凍害數(shù)量趨于穩(wěn)定，之后凍害數(shù)量開始逐漸減少；回落期凍深在200～50 cm變化時，凍害數(shù)量減少較快，當(dāng)凍深融化至50 cm以下時凍害數(shù)量趨于0，其發(fā)展形態(tài)與自動監(jiān)測的凍脹發(fā)展過程完全一致，在凍深上存在50 cm左右的錯位。

圖10　凍脹深度與凍害數(shù)量趨勢圖(2012—2013年)

這主要是由于圖9采用的是自動監(jiān)測的路肩凍深，軌道檢測的是軌道結(jié)構(gòu)位置。由于50 cm厚軌道結(jié)構(gòu)的覆蓋，路肩凍深的發(fā)展必然先于軌道結(jié)構(gòu)下方。除去該影響，則凍脹自動監(jiān)測結(jié)果與全線凍害發(fā)展過程是非常一致的。

3　結(jié)　論

(1)高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系具有重要作用，可為獲得季節(jié)性凍土地區(qū)高速鐵路路基凍脹的時空分布規(guī)律提供技術(shù)支撐。

(2)凍融發(fā)展變化過程主要表現(xiàn)為初始波動、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹、融化回落4個階段，其中快速凍脹和融化回落階段對線路平順性的影響最大，是線路維護(hù)的重難階段。

(3)哈大高鐵路基凍脹的主要部位為基床淺層，基本上在110 cm凍深范圍產(chǎn)生90%的凍脹量，其中基床表層凍脹占比近70%。基床淺層是高速鐵路路基防凍脹設(shè)計的重點(diǎn)。

(4)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的凍脹不可避免，但能夠控制在合理范圍之內(nèi)。哈大高速鐵路路基凍脹整體上呈逐漸減緩的趨勢。凍脹發(fā)生位置和量值具有一定的重復(fù)性特征。

(5)季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍脹的時空分布規(guī)律對于高鐵路基防凍脹設(shè)計和運(yùn)營維護(hù)具有非常重要的指導(dǎo)意義，可為凍害地段線路維護(hù)措施的制訂提供依據(jù)。

[1]孫英潮,閆宏業(yè),蔡德鉤，等.高速鐵路路基凍脹綜合監(jiān)測體系研究[J].鐵道建筑,2015(6):92-95.

(SUN Yingchao, YAN Hongye, CAI Degou， et al. Research on Comprehensive Monitoring System for Inspecting Subgrade Frost Heave on High Speed Railway[J]. Railway Engineering, 2015(6):92-95. in Chinese)

[2]閆宏業(yè),蔡德鉤,楊國濤，等.高寒地區(qū)高速鐵路路基凍深試驗研究[J].中國鐵道科學(xué),2015,36 (3):1-6.

(YAN Hongye, CAI Degou, YANG Guotao， et al. Experimental Study on Frost Depth of High Speed Railway Subgrade in Cold Region[J]. China Railway Science, 2015, 36(3):1-6.in Chinese)

[3]中國鐵道科學(xué)研究院.寒區(qū)鐵路路基防凍脹結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)研究[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院,2011.

(China Academy of Railway Sciences. Study on the Anti-Freezing Structure and Design Parameter for Railway Subgrade in Cold Region[R]. Beijing:China Academy of Railway Sciences, 2011.in Chinese)

[4]王仲錦,葉陽升,閆宏業(yè)，等.寒區(qū)鐵路路基防凍脹設(shè)計中凍深計算方法的探討[J].鐵道建筑,2013(2):57-59.

(WANG Zhongjin, YE Yangsheng, YAN Hongye,et al. Study on Calculation Method of Frozen Depth for Anti-Freezing Design of Railway Subgrade in Cold Region[J]. Railway Engineering, 2013(2):57-59. in Chinese)

[5]葉陽升,王仲錦,程愛君，等.路基的填料凍脹分類及防凍層設(shè)置[J].中國鐵道科學(xué), 2007,28 (1):1-7.

(YE Yangsheng, WANG Zhongjin, CHENG Aijun,et al. Frost Heave Classification of Railway Subgrade Filling Material and the Design of Anti-Freezing Layer [J]. China Railway Science, 2007, 28(1):1-7.in Chinese)

[6]CAI Degou, YAO Jianping, YAN Hongye,et al. Investigation of Frost Heave Prevention Using Permeable Subgrade Structure[J].Sciences in Cold and Arid Regions,2015,7(5):611-618.

[7]鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,國家鐵路局.TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2015.

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, China Railway Fourth Survey and Design Institute Group Ltd, State Railway Administration.TB 10621—2014 Code for Design of High Speed Railway[S]. Beijing：China Railway Publishing House,2015.in Chinese)

[8]鐵道第四勘察設(shè)計院,中華人民共和國鐵道部.TB 10035—2006 鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2007.

(China Railway Fourth Survey and Design Institute Group Ltd, The Ministry of Railways of the People’s Republic of China. TB 10035—2006 Code for Design on Special Subgrade of Railway[S].Beijing： China Railway Publishing House,2007. in Chinese)

[9]陳志新,王曉明,李曉鷗.一種存在凍脹問題的鐵路無砟軌道維護(hù)處理方法:中國,201410309370.3 [P].2014-09-10.

(CHEN Zhixin, WANG Xiaoming, LI Xiaoou.A Track Maintenance Treatment for Ballastless Track Subgrade with Frost Heave Problems:CHINA,201410309370.3 [P].2014-09-10.in Chinese)