湯曉光

(中國(guó)鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110013)

寒區(qū)客運(yùn)專線有砟軌道進(jìn)行了專門的防凍脹設(shè)計(jì)?；脖韺涌稍O(shè)計(jì)為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，增加了強(qiáng)度和整體性，基床底層和路塹地段換填層頂部設(shè)置隔斷層防止大氣降水繼續(xù)下滲。

長(zhǎng)琿、丹大等有砟軌道客運(yùn)專線在東北地區(qū)相繼開通運(yùn)營(yíng)，雖然在路基防凍脹方面有針對(duì)性設(shè)計(jì)，但還是發(fā)生了不同程度的凍脹變形，影響了軌道的平順性，列車運(yùn)行晃動(dòng)加劇，工務(wù)部門整修工作大量增加。

凍融按照時(shí)間進(jìn)程可分為初始波動(dòng)、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹和融化回落4個(gè)階段[1]。其中快速凍脹階段和融化回落階段對(duì)線路平順性影響最大，對(duì)整修工作的及時(shí)性要求也最為迫切。

已有研究[2-5]表明，凍脹敏感性土、水分和低溫是路基凍脹的必備要素?？瓦\(yùn)專線排水不暢的基床表層、地下水位過高的路塹地段和積水涵洞上方填土均出現(xiàn)了不同程度的凍脹現(xiàn)象。凍脹整治可從填土改性、疏排水和保溫方面著手[6-9]，減緩甚至徹底解決凍害問題。

1 路基凍害基本情況

沈陽鐵路局管轄線路地處東北干潤(rùn)季節(jié)凍土區(qū)，氣候寒冷，氣溫基本隨緯度的增加逐漸降低。年平均氣溫0～10 ℃，一月平均氣溫-24～-5 ℃，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0.8～2.3 m。東西部地形、地質(zhì)主要為低山丘陵，可形成較厚的風(fēng)化殘積層。中部為強(qiáng)烈沉降區(qū)，地勢(shì)低洼，地下水較淺，年降雨量330～1 200 mm。從東部到西部隨著離海洋距離的增加降雨量逐步減少，降雨主要集中在夏、秋季節(jié)。

從所處區(qū)域的氣候、地質(zhì)和降水條件來看，均具備路基凍脹發(fā)生條件。因?yàn)槁坊痪鶆騼雒浿饕l(fā)生在前半程，凍結(jié)達(dá)到一定深度后基本呈現(xiàn)均勻凍脹態(tài)勢(shì)，所以由不均勻凍脹引起的路基凍害數(shù)量與當(dāng)?shù)氐膬鼋Y(jié)深度大小沒有必然性聯(lián)系，凍害數(shù)量主要與路基填料土質(zhì)和土體含水率有關(guān)系。

沈陽鐵路局管轄內(nèi)西部山區(qū)因降水量較少、土質(zhì)凍脹敏感性較弱而路基凍害較少。中部遼河平原以粉土和黏土為主，降水量較大且地下水位淺而路基發(fā)生凍害較多。東部山地降水量大而發(fā)生的路基凍害也相對(duì)嚴(yán)重。

2 客運(yùn)專線路基凍害分布及成因分析

丹大快速鐵路連接丹東和大連，線路長(zhǎng)度為158.05 km，路基長(zhǎng)度73.52 km，其中路堤17.31 km，路塹56.21 km。丹大鐵路凍害位置及凍脹量統(tǒng)計(jì)見表1、表2。2015—2016年冬季，丹大線共發(fā)現(xiàn)凍害127處,合計(jì) 1 119 m，最大凍脹量為29 mm，平均凍脹量為11.9 mm。

表1 凍害位置統(tǒng)計(jì)

表2 凍脹量統(tǒng)計(jì)

由表1、表2可知：發(fā)生在涵洞頂部位置的凍害占全部?jī)龊μ幩?9%，凍脹高度7～20 mm的凍害占比80%。凍害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還表明，凍脹高度11 mm以上60處凍害有47處位于涵頂及過渡段，占總數(shù)的78%。選擇大孤山站涵洞進(jìn)行了取樣，測(cè)試試樣的含水率、顆粒級(jí)配等測(cè)試結(jié)果表明基床底部填料細(xì)顆粒含量、含水率均較高。

結(jié)合長(zhǎng)琿城際鐵路2013—2014年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)琿城際鐵路地下水位較高的路塹、膨脹土(巖)路塹、淺路塹、低矮路堤、浸水路堤等特殊巖土路基凍害處所進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、分析，總結(jié)出客運(yùn)專線路基凍害成因主要為： ①涵洞區(qū)段大氣降水沿著基床頂面、兩側(cè)電纜溝槽和土質(zhì)邊坡下滲，涵洞頂部排水不暢，填土含水率升高，涵洞頂部存在不同程度的積水問題。冬季氣溫下降，洞頂填土內(nèi)積蓄的熱量不斷散失又得不到地?zé)岬难a(bǔ)充，涵洞頂部填土由四周向中心逐漸凍結(jié)，直至全部?jī)鐾?。因此，涵洞處的凍害在凍脹速率和凍脹量指?biāo)上都非常突出。 ②寒區(qū)客運(yùn)專線路基基床表層設(shè)計(jì)為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，摻入5%水泥的基床表層在列車動(dòng)載作用下開裂導(dǎo)致強(qiáng)度和整體性下降，降水滲入基床表層產(chǎn)生了凍害。③寒區(qū)客運(yùn)專線路基和路塹在路堤基床底層頂部和路塹換填層頂部設(shè)置了復(fù)合土工膜隔斷層以防止大氣降水下滲引起底層凍脹，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了兩布一膜隔斷層上的排水管排水不通暢導(dǎo)致基床表層底部積水引起凍脹的問題。④路塹地段，存在盲溝設(shè)計(jì)深度不夠?qū)е露緝鼋Y(jié)、地下水未能及時(shí)排出路基引起的凍害問題。

3 客運(yùn)專線凍害整治方法及適用性分析

影響土體凍脹的三要素包括土質(zhì)、含水率和溫度，凍害整治方法從三要素入手可采取換填或?qū)υ刑钔粮男?、疏排水降低路基土體含水率和保溫的方法進(jìn)行路基凍害整治。

3.1 路基疏排水技術(shù)

通過設(shè)置滲水盲溝、平排孔、無砂混凝土、切槽等措施，將基床中的水排出，從而達(dá)到降低路基凍脹的目的。

1)路塹地段增設(shè)或加深截水滲溝，滲水管頂至側(cè)溝平臺(tái)深度不小于1.3倍凍結(jié)深度+0.25 m，保證冬季排水暢通，不間斷攔截路基側(cè)面來水和降低路基本體范圍的水位高度。截水滲溝下臥困難時(shí)采用側(cè)溝平臺(tái)下加鋪保溫板的措施，如圖1所示。

圖1 保溫滲溝

2)針對(duì)基床表層凍脹量較大的情況，可采用在護(hù)肩上切槽或拆除原有護(hù)肩并在兩布一膜隔斷層以上鋪設(shè)無砂混凝土板的排水措施，打通基床表層的排水通道，如圖2所示。

圖2 護(hù)肩切槽(單位：m)

切槽排水方案設(shè)計(jì)沿基床表層底部每隔一段將混凝土護(hù)肩切開，深度切至兩布一膜隔斷層，切槽范圍采用洗凈碎石充填。兩布一膜上放置PVC管(半管),深至電纜槽下，保證基床表層水順暢排出。

無砂混凝土板排水方案先護(hù)拆除護(hù)肩(如圖3所示)，在電纜槽外側(cè)，兩布一膜隔斷層以上鋪設(shè)無砂混凝土板，上鋪一層塑料防水布，塑料防水布以上重新施作混凝土護(hù)肩，無砂混凝土板縱向每隔一段設(shè)置一PVC排水管(半管)。

圖3 無砂混凝土板排水(單位：m)

路基疏排水技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、技術(shù)要求簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用有局限性。該技術(shù)僅適用于基床填料自身排水性較好，只是由于路塹地段盲溝凍結(jié)無法排水或路堤地段護(hù)肩結(jié)構(gòu)物阻隔了排水通道導(dǎo)致積水引起的路基凍害。

3.2 換填技術(shù)

針對(duì)基床底層的凍害處所進(jìn)行實(shí)地取樣勘察，對(duì)不同層位的填料進(jìn)行分析，必要時(shí)開展原位凍脹監(jiān)測(cè)，明確凍脹層位。通過橫向一定孔徑的跟管掏土將高含水率細(xì)粒土填料置換掉，并充填非凍脹材料。運(yùn)用該方法整治路基凍害施工成本較大且路塹地段施工機(jī)械無法展開。所以此方法適用于路堤段基床底層局部層位填土問題造成的凍害，需前期完成精準(zhǔn)的勘測(cè)定位工作。

3.3 填料注漿改性技術(shù)

在基床發(fā)生過凍害的部位進(jìn)行鉆孔，采用雙組分反應(yīng)型樹脂類高分子漿液定向、低壓滲透侵入基床，使高分子漿液充分填充路基顆粒間空隙(如圖4所示)。漿液滲入后在引發(fā)劑和催化劑作用下發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)，與填料固結(jié)到一起，膠結(jié)成不溶水的高強(qiáng)度路基，達(dá)到削弱或消除基床凍脹的效果。

圖4 填料注漿改性(單位：m)

注漿改性技術(shù)適用于滲透性強(qiáng)的填土，對(duì)于黏土等細(xì)顆粒土無法達(dá)到預(yù)期效果。該方法尤其適用于解決因排水不暢導(dǎo)致涵洞頂部積水引起的凍脹問題。注漿法整治凍害造價(jià)較高，另外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，由于線上作業(yè)天窗時(shí)間短和填土復(fù)雜性因素影響，注漿施工時(shí)漿液擴(kuò)散半徑和滲透部位很難精確控制，施工工藝有待進(jìn)一步提高。

3.4 路基保溫防凍脹技術(shù)

借助保溫材料的低熱傳導(dǎo)特性，在路基表面或涵洞內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一定厚度的保溫材料，以減緩冬季路基土體熱量的散失，從而達(dá)到控制凍脹的目的。在天窗時(shí)間扒開線路道砟，在基床表層鋪設(shè)5 cm厚XPS保溫板后恢復(fù)線路(如圖5所示)。溫度場(chǎng)模擬試驗(yàn)表明，鋪設(shè)保溫板后能夠明顯減緩熱量散失，提高路基溫度。

圖5 路堤(塹)鋪設(shè)保溫板

鋪設(shè)保溫板能夠明顯減小路基凍結(jié)深度，使凍結(jié)鋒線上移。該方法對(duì)于基床表層凍害整治效果有限，尤其適用于較深層次的基床底層凍害。

3.5 涵洞保溫防凍脹技術(shù)

在涵洞頂板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)保溫板，減緩涵洞上部路基體熱量散失速度，防范涵洞頂部?jī)龊鰸q忽落造成的行車安全風(fēng)險(xiǎn)。

因?yàn)槎错斕钔羶?nèi)積蓄的熱量不斷散失又得不到地?zé)岬难a(bǔ)充，最終由四周向中心將整個(gè)土體凍結(jié)。在涵頂內(nèi)側(cè)鋪設(shè)保溫板可以緩解氣溫驟變引起的軌道幾何尺寸急劇變化，給養(yǎng)護(hù)維修工作提供充裕的時(shí)間。

4 結(jié)論

1)涵洞區(qū)段凍害在凍脹速率和凍脹量指標(biāo)上都最為突出。建議在此部位采取對(duì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行封閉以防止大氣降水下滲導(dǎo)致洞頂積水的方法從源頭上進(jìn)行整治。也可采取在洞頂填土內(nèi)滲透注漿的方法充填填料孔隙達(dá)到擠出水分的目的。還可在涵洞頂部?jī)?nèi)側(cè)鋪設(shè)保溫板緩解氣溫驟變引起的軌道幾何尺寸急劇變化。

2)基床表層凍害可采取護(hù)肩切槽或護(hù)肩下鋪設(shè)無砂混凝土板的方法排出隔斷層頂部基床表層積水。

3)基床底層凍害可采取鋪設(shè)XPS保溫板提高路基體內(nèi)部溫度的方法防止底層凍害的發(fā)生。路堤地段基床底層由于局部填料問題產(chǎn)生的凍害也可采取跟管掏土將高含水率細(xì)粒土填料置換出來的方法進(jìn)行整治。路塹地段基床底層凍害可采取增設(shè)或加深排水盲溝降低地下水的方法進(jìn)行整治。

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