王澤成，張潮潮，郭 磊，卜文杰，郭方雨

東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013

0 引 言

近年來，我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展，乘客量持續(xù)增加，運(yùn)輸規(guī)模不斷擴(kuò)大，列車時(shí)速也大幅提髙，高鐵已然成為當(dāng)今世界鐵路發(fā)展的共同趨勢。技術(shù)的快速更新?lián)Q代推動著鐵路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，這使得人們將目光投向季節(jié)凍土地區(qū)。不同于一般地區(qū)的是，季節(jié)凍土區(qū)經(jīng)受凍融循環(huán)作用，從而使高鐵路基反復(fù)凍脹融縮，影響其平整性，對高鐵的順利建設(shè)和安全運(yùn)營產(chǎn)生威脅［1］。我國作為世界排名第三的凍土大國，季節(jié)性凍土是我國凍土的主要類型，在我國分布較為廣泛。主要分布在我國緯度較高的東北、西北以及華北等地區(qū)，約占國土面積的53.5%。

當(dāng)土體溫度降至0℃以下，土體孔隙中的水就會發(fā)生水分遷移，或者原位凍結(jié)，而未凍區(qū)域的水分就會向已凍結(jié)區(qū)域的邊緣聚集，凍結(jié)成冰，使土的體積膨脹，從而引起土顆粒運(yùn)動，發(fā)生相對位移，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。處于季節(jié)性凍土區(qū)的鐵路路基，會經(jīng)常暴露在外部，受到大氣干擾，從而經(jīng)受周期性凍融循環(huán)的作用，使路基反復(fù)產(chǎn)生抬升和下沉，不均勻的凍脹會造成軌道偏差，當(dāng)偏差尺寸超過容許偏差尺寸時(shí)就形成了凍害［2-3］。

高鐵路基變形的要求在我國非常嚴(yán)格，規(guī)定其工后沉降不得超過5mm。盡管已經(jīng)采取弱凍脹或者非凍脹路基填料以及保溫、封縫等各種防凍脹措施，路基凍脹變形依然普遍存在。

1 凍脹機(jī)理

季節(jié)凍土區(qū)地下水埋藏比較淺，地層一般為粘性土，特別是濕地地段，地下水水位維持在0～0.5m之間，地表表層為含有大量腐殖質(zhì)的粘土，當(dāng)?shù)鼗恋臏囟雀S大氣的溫度降至0℃以下時(shí)，表面的粘土開始產(chǎn)生凍結(jié)，當(dāng)土體被凍結(jié)成冰晶體后，開始繼續(xù)凍結(jié)最外層的弱結(jié)合水，冰晶體的范圍逐漸擴(kuò)大，從而引起土顆粒間的水膜變薄。當(dāng)土體溫度繼續(xù)下降時(shí)，與外層冰晶體接觸的薄膜水離子受到了冰的作用和弱結(jié)晶水吸附壓力的作用，遷移的離子落到冰晶體上面繼續(xù)發(fā)生凍結(jié)，打破了土體原有的平衡狀態(tài)。土顆粒間結(jié)合水水膜變薄，從而增加離子濃度產(chǎn)生滲透壓力差，而土體下部未凍結(jié)的區(qū)域仍保留有較厚水膜，水膜較薄處的凍結(jié)區(qū)特別容易吸附弱結(jié)合水，并因此發(fā)生凍結(jié)。

2 凍土區(qū)鐵路現(xiàn)狀

21世紀(jì)初期起，我國已在凍土區(qū)建設(shè)的鐵路里程數(shù)高達(dá)數(shù)千公里，在地質(zhì)情況極其復(fù)雜的青藏高原上建成了世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路——青藏鐵路，還在大小興安嶺地區(qū)建設(shè)了牙林線和嫩林線兩條主要鐵路干線。隨著西部大開發(fā)和東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略，凍土區(qū)的鐵路建設(shè)正在快速推進(jìn)。我國現(xiàn)已開通運(yùn)營的季節(jié)區(qū)高速鐵路有哈大、哈齊、沈丹、盤營、哈牡、京沈等（見表1）。

以哈大高鐵為例，哈大高鐵于2012年底正式開通，是我國自主建設(shè)的第一條季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路，其沿線氣候極其嚴(yán)寒，冬季最低溫度可以達(dá)到-40℃，土壤的最大凍結(jié)深度可以達(dá)到205cm，這些特殊環(huán)境給哈大高鐵的建設(shè)帶來一系列技術(shù)難題。最終哈大高鐵的成功運(yùn)營在我國乃至全世界都產(chǎn)生了巨大影響，也為我國其他季節(jié)凍土區(qū)高鐵的建設(shè)提供了參考價(jià)值。

表1 季節(jié)凍土區(qū)現(xiàn)運(yùn)營高鐵

3 影響因素及凍脹規(guī)律

3.1 影響因素

路基凍脹變形的因素有很多種，包括水分、氣溫以及土質(zhì)等，而路基凍脹變形發(fā)生的主要條件則是水分［4］，環(huán)境氣溫為輔助因素。由于降雨等產(chǎn)生大量地表水，地表水通過路基面上存在的各種縫隙下滲至路基基床表層，匯集后留存，從而導(dǎo)致基床表層的級配碎石含水率增高，在冬季溫度極低的情況下，基床受到外界環(huán)境影響，凍結(jié)結(jié)冰現(xiàn)象會更加明顯。

3.2 凍脹規(guī)律

一般情況下凍融發(fā)展規(guī)律的變化分為以下四個(gè)階段［5］：

初始階段：10月中下旬，氣溫在0℃上下波動，路基的表層開始出現(xiàn)小幅度的反復(fù)凍融現(xiàn)象，凍脹變形也隨之小幅度反復(fù)波動，該階段持續(xù)約20d左右。

快凍脹階段：11月上中旬，氣溫大多時(shí)候集中在0℃以下，凍脹持續(xù)時(shí)間增長，凍深和凍脹變形呈線性快速增長，該階段持續(xù)15d左右。

慢凍脹階段：12月上旬，凍脹經(jīng)過拐點(diǎn)后，凍深持續(xù)增加，但增長速度驟減，凍脹變形呈低速穩(wěn)定發(fā)展趨勢。該階段持續(xù)4個(gè)半月（130d）左右，是持續(xù)時(shí)間最長的階段。

融化階段：4～5月份，隨著氣溫逐步上升回到0℃左右，路基開始融化，凍脹變形迅速下降，直至最終全部融透，凍脹消失，但存在較小的殘余變形，該階段持續(xù)約1～2個(gè)月。

4 凍脹變形危害及防治

4.1 危害

圖1 凍脹變形對高鐵路基的影響

凍土具有對溫度敏感性高、低溫易變等特殊性質(zhì)，因此在凍土地區(qū)修建鐵路挑戰(zhàn)極大，特別容易產(chǎn)生路基凍脹變形等病害，嚴(yán)重威脅列車行駛安全（見圖1）。凍脹是由于土顆粒空隙間的水發(fā)生凍結(jié)形成結(jié)冰體從而引起土體膨脹、地表不均勻隆起的現(xiàn)象，造成路基強(qiáng)度衰減、變形等變化，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力大幅增加，導(dǎo)致路基使用壽命降低，甚至出現(xiàn)鐵軌變形等損壞現(xiàn)象，影響正常運(yùn)營［6］。

4.2 防治措施

高鐵路基凍脹變形對鐵路影響巨大，會對國家財(cái)產(chǎn)以及乘客生命安全造成破壞。由于鐵路所在的區(qū)域條件不會輕易改變，根據(jù)凍脹規(guī)律，可知溫度和水分是影響路基凍脹的主要因素。因此，在建設(shè)和整治中應(yīng)該貫徹“保溫防水優(yōu)先”的主要思路，采取保溫、封縫、蓋縫、增設(shè)滲水盲溝等綜合防治措施［7］：

4.2.1 保溫措施

在原有纖維混凝土防水層的基礎(chǔ)上，添加XPS保溫板和PVC真空膜，以保證防水層的頂面面積大于排水橫坡的4%，從而加強(qiáng)對保溫板的使用（圖2）［8］。

圖2 路堤保溫示意圖（單位:m）

4.2.2 封縫措施

圖3 橫向封縫示意圖（單位:m）

均勻設(shè)置橫向和縱向伸縮縫，沿著纖維混凝土線路方向每五厘米設(shè)置一處，并通過密封膠對橫向封縫以及縱向封縫進(jìn)行粘合處理，可以有效防止地表水沿著伸縮縫下滲（圖3）［8］。

4.2.3 蓋縫措施

采用防水鋼片或者其他防水耐用材料，對路基軌道底座以及使用的纖維混凝土防水層之間進(jìn)行蓋縫處理?？梢杂行У姆乐沟乇硭ㄟ^孔縫下滲，但是必須要對一些微小的縫隙進(jìn)行有效封堵，這樣才能實(shí)現(xiàn)更有效的防水。

4.2.4 增設(shè)滲水盲溝

對于部分路塹地段，可能會存在地下水位較高，或者地下水位升高的情況，可以增設(shè)滲水盲溝，這種措施可以有效降低地下水的水位，基床中的積水同時(shí)也可以被疏通排放。但是每隔三十厘米要設(shè)置檢查井，以便排查，同時(shí)也要合理設(shè)置出水口，以保證能夠及時(shí)排水（圖4）［8］。

圖4 滲水盲溝示意圖（單位:m）

5 問題與展望

(1)各方學(xué)者對季節(jié)凍土區(qū)高鐵路基研究較多，但研究不全面。許多學(xué)者主要以哈大（中國第一條凍土區(qū)高鐵）為研究對象，目前我國已開通運(yùn)營了多條凍土區(qū)鐵路，研究較少。并且對凍脹因素的研究較為單一，沒有把氣候、溫度、土的類別、水分遷移以及重分布等多因素結(jié)合起來研究，這樣得出的結(jié)果具有片面性。

(2)目前大都是以保溫、封縫、蓋縫、增設(shè)滲水盲等防護(hù)措施來控制高鐵路基變形，具有局限性，缺乏創(chuàng)新，并且不同的凍土區(qū)高鐵影響因素不同，沒有做到因地制宜，沒有與多年凍土區(qū)的路基變形控制技術(shù)相結(jié)合。

(3)隨著社會進(jìn)步和人民生活水平的提高，對出行有了更高的要求，進(jìn)而高鐵建設(shè)面臨著更智能化、更安全快捷等方面的挑戰(zhàn)，也會對路基的凍脹變形要求更加嚴(yán)格。所以我們應(yīng)該研究出更先進(jìn)、更智能的方法應(yīng)對路基凍脹變形。