劉明宇　崔俊杰　黃新文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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吉圖琿客運專線路基防凍脹設計應用效果及補強方案研究

劉明宇崔俊杰黃新文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

基于PDCA循環(huán)質(zhì)量管理體系對吉圖琿客運專線的防凍脹措施應用效果及補強設計進行管理和監(jiān)控，埋設凍脹觀測樁并觀測路基面凍脹量隨時間變化情況，對凍脹量較大的區(qū)段進行現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗。針對檢查階段發(fā)現(xiàn)的凍脹問題，根據(jù)凍脹量的大小、凍脹發(fā)生區(qū)域、凍脹生產(chǎn)原因等不同情況，提出相應的路基凍脹補強措施。

路基凍脹PDCA質(zhì)量管理體系防凍漲設計凍脹標準補強措施

我國東北地區(qū)冬季氣候寒冷，空氣濕度大，持續(xù)時間長，鐵路路基凍害常有發(fā)生，對鐵路的運營和維護工作影響較大。路基面凍脹、融沉的不均勻變形易引起軌面的不平順，影響列車時速和舒適性，甚至會對鐵路的運營安全造成危害。鐵路作為線性工程，沿線氣象條件和地質(zhì)條件千差萬別，造成路基凍脹具有普遍性、必然性和不確定性的特點。結(jié)合在建吉圖琿客運專線，對路基面凍脹變形進行觀測分析，改進防凍漲設計措施，為嚴寒地區(qū)路基凍脹病害防治和防凍漲設計提供一定的參考。

1　概況

新建吉圖琿客運專線位于吉林省中東部，線路全長約361 km；路基長度114.55 km，占正線長度31.77%，全線鋪設有砟軌道。線路所經(jīng)地區(qū)為長白山中低山區(qū)，分布有相對平緩開闊的河谷盆地，經(jīng)過地區(qū)水系發(fā)達，河流眾多。

本線屬北亞溫帶濕潤-半濕潤大陸性季風氣候，根據(jù)鐵路工程氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴寒地區(qū)。年平均氣溫4.6 ℃，最冷月平均氣溫-10.3～-23.4 ℃，極端最低氣溫-42.5 ℃，年平均降水量約670 mm，雨季相對集中，主要為6～8月；平均相對濕度為64%～76%，最大凍結(jié)深度為192 cm。

2　PDCA循環(huán)控制

PDCA循環(huán)控制，又被稱為“戴明環(huán)”，是一種全面質(zhì)量管理的科學程序，由計劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)和處理(Action)四個部分組成，PDCA名稱即是由四個步驟單詞的第一個字母組成。此方法在質(zhì)量控制的過程中，按照PDCA四個不同階段循環(huán)進行，不停地運轉(zhuǎn)(如圖1所示)，也是一個循序漸進的提高過程，呈階梯式上升，形成一個有機的整體。

圖1　PDCA循環(huán)模型

3　防凍漲設計-計劃(P)階段

吉圖琿客運專線地處東北嚴寒地區(qū)，在施工圖設計階段，對路基防凍漲設計已有所考慮，主要在基床填料和防排水兩個方面采取加強措施，具體采取了以下設計方案。

3.1非凍脹A、B組填料

考慮本地區(qū)的最大凍結(jié)深度，基床表層填筑級配碎石，以下設0.2 m厚中粗砂內(nèi)夾鋪一層復合土工膜隔斷層，路堤地段基床底層上部1.0 m采用非凍脹性A、B組填料，下部采用A、B組填料。路塹地段基床底層均換填非凍脹性A、B組填料。其中級配碎石中細顆粒含量小于5%，非凍脹性A、B組土中細顆粒含量小于15%，平均凍脹率≤1%。

3.2基床防排水設計

(1)基床表水經(jīng)護肩頂面匯流于路塹側(cè)溝或路堤兩側(cè)攔水坎或截水槽，路堤地段表水再經(jīng)路堤邊坡的橫向排水槽或截水槽引入排水溝或路堤坡腳外。

(2)電纜槽采用橫向排水，分別于中隔板、外側(cè)壁下部設泄水孔，底部設碎石排水層，沿電纜溝底及護肩底處分別設置泄水孔，縱向每2.0m設一個，將電纜溝及基床底積水引排至側(cè)溝。

具體基床排水設計如圖2、圖3所示。

圖2　路堤護肩排水(單位：m)

圖3　路塹護肩排水(單位：m)

3.3地下水防排水設計

對于路基存在危害的地下水(基巖裂隙水、淺層滯水)，通常會導致路塹基床積水、基底軟化、路基凍脹、邊坡滲水、邊坡掛冰、邊坡凍脹變形、邊坡溜坍等病害，根據(jù)其性質(zhì)和特征設置明溝、邊坡支撐滲溝、截水滲溝、毛細排水板或排水斜孔等防排水設施，特別是順層路塹、膨脹巖(土)路塹、地下水發(fā)育路塹須加強引排水措施。

3.4路涵過渡段設計

涵頂至路基面的高度大于1.5 m時，過渡段范圍內(nèi)的基床表層采用級配碎石，倒梯形部分采用摻3%水泥的級配碎石分層填筑。在中粗砂與結(jié)構(gòu)物頂面之間填筑非凍脹A、B組土；涵頂至路基面的高度小于等于1.5 m時，過渡段范圍內(nèi)的基床表層級配碎石應摻加5%的水泥，在涵頂面及兩側(cè)設置摻3%水泥的級配碎石過渡段。

4　凍脹變形監(jiān)測-執(zhí)行(D)階段

執(zhí)行階段是PDCA質(zhì)量控制體系中的關鍵部分與薄弱環(huán)節(jié)，為了對防凍漲設計的應用情況進行全面、細致、準確的評價，對路基的凍脹具體變化情況進行深入了解，采用在路基斷面埋設凍脹觀測樁，人工精密水準測量的方式，對全線路基面的凍脹變化情況進行全面的觀測。一般按照不大于50 m布設一個監(jiān)測斷面，長大路堤段落人工觀測樁按照100～200 m布設一個監(jiān)測斷面。每個監(jiān)測斷面在路基中心，左右路肩位置各設置一個觀測樁，過渡段按照路涵、路橋、路隧過渡段要求進行加密布設。計劃工作量見表1。

表1　人工精密水準監(jiān)測工作計劃工作量

2013～2014年整個冬季監(jiān)測周期共進行了7次人工精密水準監(jiān)測，其中大部分觀測點凍脹變形數(shù)據(jù)在第四次測量(1月初)或第五次測量(3月初)達到最大值，以后隨著溫度的逐漸回升，大部分開始進入融沉階段。具體凍脹變形數(shù)據(jù)分布情況見表2。

表2　觀測點凍脹變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5　現(xiàn)場勘察-檢查(C)階段

檢查階段是指對路基凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析后，對凍脹變形量較大區(qū)段進行勘察，得到執(zhí)行階段的反饋信息，最終得到一個更為合適的質(zhì)量管理方案。根據(jù)全線觀測點的凍脹變形情況，對部分凍脹量較大的區(qū)段進行現(xiàn)場勘察。凍脹勘察主要采取調(diào)查測繪、挖探、取樣等試驗方法。調(diào)查測繪主要調(diào)查工點情況、水文情況、截水滲溝坡度及管底高程是否滿足要求等。對連續(xù)凍脹變形較大的段落以及單個點凍脹變形偏大的凍脹觀測點進行挖探，查勘填料情況及地下水情況，并對這些點的基床表層、基床底層各取土樣，進行填料類別、顆粒密度、顆粒分析、天然含水率、細粒土含量、滲透系數(shù)、實際干密度、最大干密度等試驗。

全線共計挖探128個，取樣493組，根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計，存在的主要問題為填料含水率及細顆粒密度偏大，基床表層含水率平均值為5.11%，最大值為10.33%；基床表層細顆粒含量平均值為5.63%，最大值為9.16%；基床底層含水率平均值為6.37%，最大值13.29%；基床底層細顆粒含量平均值為9.98%，最大值為29.89%。

根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗結(jié)果，路基凍脹原因總結(jié)如表3所示。

表3　路基面凍脹原因分析

6　補強措施-處理(D)階段

根據(jù)對路基防凍漲設計的計劃，執(zhí)行和檢查所取得成果，應在處理階段加強質(zhì)量控制，對計劃階段的設計方案做修改。在凍脹變形較大的路基區(qū)段，對防凍漲措施提出針對性的補強措施，從而提升吉圖琿客運專線整體防凍漲能力。對于設計時速250 km的有砟軌道線路，其路基凍脹變形的控制標準，目前規(guī)范中沒有明確的規(guī)定，僅有《高速鐵路路基維修規(guī)則》等部分規(guī)范從保證行車安全和平穩(wěn)舒適性的方面，對軌道平順度精度進行控制。由于吉圖琿客運專線尚未鋪軌，無法通過軌面高程的變化來確定凍脹處理的標準。結(jié)合本地區(qū)其他鐵路凍脹處理標準的相關經(jīng)驗，本次擬對凍脹變形分為8～12 mm和大于12 mm兩個標準分別進行防凍漲補強設計，同時考慮到路涵過渡段的特殊性，對于路涵過渡段也采取相應的防凍漲補強措施。

6.1凍脹量大于12 mm的工點補強設計

本線平均凍脹量大于12 mm的工點均為地下水路塹，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗可知，這些工點基床表層和基床底層含水率均偏高，部分工點填料細顆粒含量大于設計值，基床表層和底層均發(fā)生較大凍脹變形，表明含水率達到一定值時，粗顆粒填料也會發(fā)生凍脹變形。因此，需對基床表層和基床底層均進行隔水及排水處理，斷絕水分補給條件。

具體的補強措施可采用挖除表層級配碎石及中粗砂夾一層復合土工膜隔斷層。換填摻5%水泥的級配碎石，為保持線路連接平順，設置倒梯形過渡段，按臺階分層填筑，這樣既解決了基床表層含水量偏高的問題，也避免了地表水通過基床表層滲入基床底層。

為了解決基床底層含水量偏高的情況，應設置或加深截水滲溝，保證滲溝的流水坡度，盲管深度建議達到最大凍結(jié)深度的1.3倍或包裹保溫板。為防止邊坡垮塌，在截水滲溝頂部縱向設工字鋼支撐，并間隔一定距離設置一道橫向支撐，并合理設置保溫出口位置。為了防止基床底層與截水滲溝之間存在“夾心土”的情況，每隔2 m間距，在側(cè)溝底挖除地基土，并填充無紡布包裹洗凈碎石，使基床底層與截水滲溝相互連通，利于基床部分排水。對于不滿足要求的基床底層填料，需挖除換填合格的非凍脹A、B填料，具體措施如圖4、圖5所示。

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圖4　鋪設保溫板截水滲溝結(jié)構(gòu)

圖5　換填底層與截水滲溝間“夾心土”

6.2凍脹量8～12 mm的工點補強設計

平均凍脹量8～12 mm的工點，多為基床表層含水量偏高，造成基床表層凍脹量較大，對于這部分工點如果采用挖除換填整個基床表層的辦法，經(jīng)濟性差，且對既有工程破壞較大。對于此類工點的補強措施建議以基床表層疏排水為主，可根據(jù)凍脹變形數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場施工進度，按照施工難易程度采用以下方案：

(1)沿線路縱向隔3 m切開混凝土護肩，切口深度至兩布一膜隔斷層，切口寬度約10 cm，切槽范圍填充洗凈碎石，外部外覆一層無砂混凝土，厚度0.1 m，同時在兩布一膜上部放置PVC半管，長度至電纜槽下，以保證基床表層水順暢排出。

(2)將凍脹范圍段護肩拆除，在兩布一膜上部鋪設無砂混凝土板，厚度0.1 m，混凝土板上鋪一層塑料防水布，以上再重新恢復施工C25混凝土護肩，同時沿無砂混凝土板縱向每隔2 m設置PVC排水半管，長度至電纜槽下，易于基床表層的水能順暢排出。具體措施如圖6、圖7所示。

圖6　護肩填充洗凈碎石(單位：m)

圖7　護肩鋪設無砂混凝土(單位：m)

6.3路涵過渡段補強設計

由于路涵過渡段范圍內(nèi)基床表層已采用摻水泥的級配碎石填筑，凍漲變形較小，因此補強措施主要為改善基床底層疏排水效果，保持路基土干燥?？紤]到路涵過渡段的特殊性，可采取在過渡段兩側(cè)增設側(cè)向仰斜排水孔2排，分別位于路基面下1.4 m、2.4 m，鉆孔縱向間距為2.0 m，仰斜角3～5°，孔深至路基中心處?？讖讲捎?10 mm，排水管采用RCP-Y10G(A)，管徑100 mm，環(huán)剛度≥16 kPa，管壁布置梅花形透水孔，孔隙率≥80%，管身和端頭均采用透水土工布包裹。具體措施如圖8所示。

圖8　增設仰斜排水孔路堤縱斷面(單位：m)

7　結(jié)論

(1)寒區(qū)鐵路在設計階段對路基凍漲問題要有足夠的重視，并在施工過程中對路基凍脹變形進行觀測，一旦出現(xiàn)凍脹量偏大的情況，及時通過現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗等手段分析凍脹原因，采取防凍漲補強措施，在施工期予以解決，避免在運營階段出現(xiàn)再次凍脹問題，減少運營維護成本，提高行車安全。

(2)根據(jù)東北嚴寒地區(qū)凍脹特點及有砟軌道平順度控制要求，建議按照路基面最大凍脹變形8～12 mm及12 mm以上兩種標準，采用不同的防凍脹處理措施。

(3)路塹自身滲排水能力較差，容易受地下水及天然降水影響，尤其是地下水路塹，更易造成基床范圍內(nèi)的含水量增加，引起較大的凍脹變形。疏干基床部分水分是控制凍脹的關鍵所在，應加強對地下水的現(xiàn)場勘察工作，并在施工過程中做好現(xiàn)場確認工作，路塹邊坡存在淺層滯水或地下水位較高的情況，應增設或加深邊坡支撐滲溝、截水滲溝等防凍漲補強措施，做好地下排水設施的保溫設計。

(4)對于本線路堤而言，主要為基床表層內(nèi)含水量較大引起的路基面凍脹，因此凍脹最大值相對較小，但凍脹發(fā)生迅速，凍脹周期長，且存在地基沉降，造成測量值較實際凍脹量偏小。在設計中應加強路肩的排水設計，可適當減少兩布一膜的鋪設范圍，或增加表層排水管的排水能力。

(5)路涵過渡段的凍脹問題相比路橋過渡段更為嚴重，對于涵頂填土較低的路涵過渡段易發(fā)生雙向凍脹。由于路涵過渡段自身的特點，一旦發(fā)生凍脹問題，極易影響線路的平順性，處理也較為復雜。在施工過程中要加強涵洞自身及路涵過渡段的觀測工作，嚴格控制過渡段填料等級和壓實程度，防止地表水下滲，對于凍脹量偏大的情況，建議采用仰斜排水管疏排。

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Study on Application Effect and Reinforcement Measures on Frozen-Preventing Design of Jilin-Hunchun Passenger Railway Subgrade

LIU MingyuCUI JunjieHUANG Xinwen

2016-02-03

劉明宇(1984—)，男，畢業(yè)于中南大學土木工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0055-05

U213.1+5

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