張義理

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

我國北方地區(qū)冬季寒冷，大部分區(qū)域存在季節(jié)性凍土，影響深度一般在1～3 m之間。季節(jié)性凍土具有冬季凍脹、夏季融化的特點(diǎn)，會(huì)造成土體性質(zhì)變化，對(duì)路基工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重大影響。目前在凍土區(qū)建造的鐵路［1］和公路［2］路基工程中，冬季經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)路基凍脹、變形、開裂等現(xiàn)象，且隨著地表水的滲入使路基土體軟化，造成路基彈簧、不均勻沉陷、邊坡滑溜等病害，嚴(yán)重影響鐵路和公路的運(yùn)營安全?；诖?，京沈客專TJ-8標(biāo)段路基工程在施工過程中，針對(duì)季節(jié)性凍土需采取多項(xiàng)治理技術(shù)措施，以確保季節(jié)性凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2 工程概況

北京至沈陽鐵路客運(yùn)專線（遼寧段）正線全長406.7 km，沿途經(jīng)過沈陽市、阜新市、錦州市和朝陽市。采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，對(duì)路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求極高（工后沉降總量不得超過15 mm、差異沉降不得超過5 mm）。線路穿越季節(jié)性凍土區(qū)路基工點(diǎn)224處，長113.4 km，占線路建筑長度的28%。由中鐵十七局集團(tuán)有限公司施工的京沈客專TJ-8標(biāo)段正線全長35.5 km，其中路基共25段總長13 km。工程位于遼寧省阜新市，歷年平均氣溫8.5℃，最冷月平均氣溫-11.1℃，極端最低氣溫-30.9℃，冬季風(fēng)大、雪厚，氣候寒冷，凍土深度達(dá)1.4 m左右［3］。在凍土區(qū)進(jìn)行路基施工，工點(diǎn)多且分散，縱向剛度變化均勻性要求高，防凍脹技術(shù)措施復(fù)雜，確保路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難度大。

3 路基凍脹原理及凍結(jié)深度

3.1 路基凍脹原理

寒冷地區(qū)土體產(chǎn)生凍脹的原因主要有三大要素，即水、凍脹敏感性的土及土中的負(fù)溫［4］。土體中的水分是導(dǎo)致凍脹的物質(zhì)因素，水分主要來自于降水、地下水甚至水蒸汽。由于土體凍結(jié)過程中溫度差異導(dǎo)致的吸力，凍結(jié)鋒面附近甚至其下很深部位的水分都可能遷移上來形成冰透鏡體。如果具備負(fù)地溫和凍脹敏感性土體條件，甚至在沒有自由水體補(bǔ)充的情況下也一樣會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的凍脹量。而且，非飽和土體在凍結(jié)過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹量。因此，在路基工程中，水分是導(dǎo)致凍脹產(chǎn)生的關(guān)鍵性因素之一，區(qū)域地下水分布、補(bǔ)給和運(yùn)移對(duì)凍脹產(chǎn)生的影響十分重大［5］。土中的負(fù)溫影響最直接的表現(xiàn)就是凍深。技術(shù)人員對(duì)確定凍脹敏感性土體的不同判別標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行過論述。當(dāng)路基基床表層采用級(jí)配碎石時(shí)［6］，受地表水下滲等影響，其凍脹量約占路基總凍脹量的40%，級(jí)配碎石凍脹對(duì)路基的穩(wěn)定性影響較大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，A、B組填料中細(xì)粒（直徑為0.075 mm以下的顆粒）含量應(yīng)小于15%。

目前我國采用的防凍脹措施一般從影響凍脹發(fā)生的三要素（水、凍脹敏感性的土及土中的負(fù)溫）入手，即采取防水、改善填料及干涉地溫等方法［7］。根據(jù)工程的實(shí)際情況，可以單獨(dú)使用其中一種，也可以綜合使用。

3.2 凍結(jié)深度計(jì)算

根據(jù)《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 118-2011）的規(guī)定，設(shè)計(jì)凍深 Zd可按照下式計(jì)算［8］：

式中：Z0為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度；ψzs為土的類別對(duì)凍深的影響系數(shù)；ψzw為凍脹性對(duì)凍深的影響系數(shù)；ψze為周圍環(huán)境對(duì)凍深的影響系數(shù)；ψzt0為地形對(duì)凍深的影響系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，京沈客專TJ-8標(biāo)段最大凍結(jié)深度為1.4 m，設(shè)計(jì)凍深為 2.25 m［9］。

4 京沈客專路基防凍脹技術(shù)措施

4.1 路塹防凍脹技術(shù)

開挖路塹地段的路基主要采用對(duì)凍脹敏感性的土進(jìn)行換填、對(duì)地表水進(jìn)行隔離、對(duì)地下水進(jìn)行引排［10］等綜合治理技術(shù)。

硬質(zhì)巖路塹地段鑿除硬質(zhì)巖基床路基面以下0.2 m范圍內(nèi)原地層，用高壓水沖洗后，澆筑C35素混凝土封層，并配置φ12@200雙向面筋；軟質(zhì)巖路塹地段設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床以下設(shè)置碎石墊層，厚0.25 m；土質(zhì)路塹地段設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床下設(shè)置碎石墊層，厚0.5 m；黃土及膨脹巖路塹地段設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)采用混凝土基床，基床表層澆筑0.5 m厚的C35混凝土，其下采用C20混凝土澆筑，厚1.75 m，混凝土基床下設(shè)置碎石墊層，厚0.25 m，碎石墊層下?lián)Q填三七灰土，厚0.25 m。

為了保證路基不受地表水下滲的影響，在混凝土基床兩側(cè)路基頂面從上到下依次設(shè)置預(yù)制塊鋪面、砂墊層、兩布一膜隔水層和三七灰土。其中，兩布一膜設(shè)置于電纜槽下，通過側(cè)溝側(cè)壁泄水孔將地表水排出。標(biāo)準(zhǔn)路塹斷面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)路塹斷面（單位：m）

地下水發(fā)育地段路塹，在路基側(cè)溝平臺(tái)下設(shè)置滲水暗溝截排地下水。路塹邊坡位于地下水位以下時(shí)［11］，邊坡設(shè)置支撐滲溝，可根據(jù)地下水流向及流量在一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置?？v向滲水盲溝寬1.0 m，溝內(nèi)充填洗凈的碎石，下設(shè)C25混凝土基礎(chǔ)，厚0.2 m，其上設(shè)φ315 mm PVC帶孔雙壁波紋滲水管，滲溝四周采用一層透水土工布包裹。滲水管設(shè)置于設(shè)計(jì)凍深以下不小于0.25 m，如有基床換填，尚應(yīng)低于換填層下不小于0.2 m，保證路基范圍內(nèi)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的地下水能隨時(shí)排走［5］?？v向滲水盲溝設(shè)置如圖2所示。

圖2 縱向滲水盲溝剖面（單位：m）

沿線路方向每隔30 m及平縱斷面轉(zhuǎn)折處設(shè)圓形預(yù)制拼裝式檢查井，檢查井露出側(cè)溝平臺(tái)或地面不小于0.3 m。滲溝出水口處采取保溫措施，通過保溫出水口將水排入排水溝、沖溝或涵洞中。保溫出口應(yīng)設(shè)置在距線路一定距離、地勢(shì)開闊、落差大而且朝陽避風(fēng)的地點(diǎn)。具體作法如下。

（1）出水口采用掩埋式錐體保溫出口，保溫出口內(nèi)設(shè)集水井。集水井于保溫出口軸向及兩側(cè)夾角45°方向各設(shè)置1個(gè)圓形出水口，出水口底高出地面不小于0.5 m。路基盲溝下最后一個(gè)檢查井外采用公稱內(nèi)徑0.3m、壁厚30mm的C25混凝土排水管將水排入集水井內(nèi)，排水管的管節(jié)之間搭接應(yīng)嚴(yán)密，不得出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，混凝土排水管底設(shè)C25現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)。

（2）蓄水帶為片石碼砌，其頂部應(yīng)高出管頂以上50 cm。片石四周設(shè)厚0.3 m碎石墊層，片石與碎石間鋪設(shè)一層透水土工布，在碎石墊層頂面外側(cè)及兩側(cè)鋪設(shè)XPS保溫板，厚0.1 m。蓄水帶縱向設(shè)干砌片石出水口，出水口平面為扇形，其干砌片石厚度不小于0.5 m。碎石墊層頂埋深不小于設(shè)計(jì)凍深。

（3）檢查井至集水井段保溫體頂面寬2.0 m，兩側(cè)邊坡坡度為1∶2.0，路基面及兩側(cè)邊坡均采用C25混凝土六邊形空心磚防護(hù)。當(dāng)混凝土排水管位于地面以下時(shí)，沿排水管基礎(chǔ)兩側(cè)按照1∶0.2坡度開挖，并原土回填。

（4）保溫出口兩側(cè)及出水端部坡率均為1∶2.0的錐體，其端部邊坡及兩側(cè)邊坡于XPS保溫板外夯填黏性土。保溫出口四周邊坡（端部、頂部及兩側(cè)）均采用C25混凝土六邊形空心磚防護(hù)，于坡腳設(shè)置C25現(xiàn)澆混凝土護(hù)腳基礎(chǔ)，基礎(chǔ)混凝土澆筑前應(yīng)在干砌片石頂部設(shè)置塑料布隔離層。

其保溫出水口斷面如圖3所示。

圖3 保溫出水口斷面（單位：m）

4.2 路堤防凍脹技術(shù)措施

填方路堤地段的路基主要采用路基填料改良和對(duì)地表水進(jìn)行隔離等綜合治理技術(shù)。

路堤地段無砟軌道正線路基基床總厚度為2.8m，基床范圍內(nèi)從上到下依次為C35混凝土、C20混凝土、摻5%水泥級(jí)配碎石［12］和 A、B組填料。其中C35混凝土厚0.5 m，C20混凝土厚度為最大凍結(jié)深度減0.5 m（厚度值取1 m），摻5%水泥級(jí)配碎石厚度為設(shè)計(jì)凍深減最大凍結(jié)深度（厚度值取0.9 m）。標(biāo)準(zhǔn)路堤斷面如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)路堤斷面（單位：m）

4.3 過渡段技術(shù)措施

路橋過渡段、路堤與橫向結(jié)構(gòu)物（立交框構(gòu)、箱涵等）過渡段采用倒梯形方案。設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)采用混凝土基床及級(jí)配碎石摻5%水泥填筑，設(shè)計(jì)凍深以下倒梯形部分填筑摻入3%水泥的級(jí)配碎石。路隧過渡段采用混凝土基床結(jié)構(gòu)。

5 路基施工控制要點(diǎn)

（1）級(jí)配碎石通過試驗(yàn)選定配合比，采用連續(xù)級(jí)配，細(xì)顆粒含量比例在5%以下，并通過試驗(yàn)段進(jìn)行驗(yàn)證，確保壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)滿足壓實(shí)系數(shù)K≥0.95、地基系數(shù)K30≥150 MPa/m、動(dòng)態(tài)變形模量Evd≥50 MPa。

（2）路基填筑必須全寬一次施工，嚴(yán)禁縱向接縫。路基橫坡按5%控制，填筑表面應(yīng)平整，防止雨水下滲，形成凍脹隱患。

（3）路基攤鋪、平整和壓實(shí)要嚴(yán)格按試驗(yàn)段取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，虛鋪厚度不超過30 cm，60 t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)不少于4遍，不得出現(xiàn)粗粒料或細(xì)料堆積現(xiàn)象。

（4）混凝土基床施工時(shí)振搗要密實(shí)、收面要平整、養(yǎng)護(hù)要保濕，分塊處接縫須平整，縫內(nèi)填塞防水膠條要嚴(yán)密，防止施工縫滲水。

（5）帶膜土工布施工時(shí)，上層砂墊層必須采用人工作業(yè)，嚴(yán)禁重型設(shè)備直接在砂墊層上作業(yè)，以防損壞帶膜土工布。

（6）滲水盲溝內(nèi)的碎石需沖洗干凈，碎石分層填筑，采用平板振動(dòng)器振動(dòng)密實(shí)，確保路基穩(wěn)定；帶孔雙壁波紋排水管的縱向排水坡度不得小于2%，確保地下水排出暢通。

（7）保溫出水口的干砌片石要立砌穩(wěn)固，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和排水暢通；保溫板底面要平整、搭接要緊密、安裝要牢固，確保長期保溫效果。

（8）路基完成混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行堆載預(yù)壓，加速路基固結(jié)和穩(wěn)定，堆載預(yù)壓期為6個(gè)月。

6 沉降觀測(cè)及效果評(píng)價(jià)

觀測(cè)斷面沿線路方向一般間距不大于50 m，路橋過渡段在緊靠橋臺(tái)及距離橋臺(tái)5 m、30 m處各設(shè)1個(gè)觀測(cè)斷面，涵洞（框構(gòu)）每側(cè)各設(shè)1個(gè)觀測(cè)斷面。圖5為觀測(cè)斷面（514315）路基頂面工后沉降變形曲線。

圖5 514315斷面路基頂面沉降曲線

通過對(duì)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，路基工后沉降最大值為2.1 mm，2016-2017冬期凍脹變形影響在0.5 mm以內(nèi)，滿足路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

7 結(jié)束語

本文以京沈客專TJ-8標(biāo)段季節(jié)性凍土區(qū)路基工程為依托，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定技術(shù)進(jìn)行深入研究。通過采用對(duì)路基填料改良，以及對(duì)地表水和地下水綜合治理等措施，取得了顯著效果，經(jīng)檢測(cè)路基工程質(zhì)量達(dá)到驗(yàn)標(biāo)要求，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)均未超標(biāo)，路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為無砟軌道施工和京沈客專開通運(yùn)營創(chuàng)造了良好的條件。