朱志有　李雄銳　王珍?！∩┩?/p>

摘 要：近年來，我國季凍區(qū)既有鐵路路基凍害研究積累了諸多經驗，取得了良好的工程實踐效果。但是，在地質、氣候、凍融循環(huán)等諸多因素的共同影響下，季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍害問題仍舊突出。在交通強國、東北老工業(yè)基地振興、川藏鐵路建設等新時代戰(zhàn)略驅動下，將有更多的鐵路工程向季節(jié)性凍土區(qū)推進，進一步完善我國鐵路網。為此，對鐵路路基凍害特征、凍害成因進行整理分析，針對規(guī)劃中及建設過程中的鐵路提出相應路基凍害預防措施，避免鐵路在運營過程中頻繁出現路基凍害。

關鍵詞：鐵路;路基凍害;凍脹

中圖分類號：U216.412 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0110-03

Research on Prevention and Control Measures of Freezing Damage

of Railway Subgrade Under Construction in Seasonal Frozen Area

ZHU Zhiyou LI Xiongrui WANG Zhenfu SANG Yanting

（China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 404100）

Abstract： In recent years， a lot of experience has been accumulated in the research on frost damage of existing railway subgrades in seasonal freezing areas in China， and good engineering practice results have been achieved. However， under the combined influence of many factors such as geology， climate， and freeze-thaw cycles， the problem of frost damage to railway subgrades in seasonally frozen soil areas is still prominent. Driven by new era strategies such as the power of transportation， the revitalization of the old industrial base in Northeast China， and the Sichuan-Tibet Railway， more railway projects will be promoted to seasonally frozen soil areas， and China's railway network will be further improved. To analyze the characteristics of railway subgrade freezing damage and the causes of freezing damage， and then proposes corresponding subgrade freezing damage prevention measures for railways in the planning and construction process to avoid frequent subgrade freezing damage during railway operation.

Keywords：railway; frost damage of subgrade;frost heave

我國多年凍土面積約2.06×10 km，占全國陸地面積的21.5%;季節(jié)性凍土面積約5.14×10 km，占全國陸地面積的53.5%[1]。凍土在凍結狀態(tài)下強度較大、壓縮模量高，具有彈性體的工程性質特征。但是，當溫度升高時其凍結狀態(tài)逐漸消失，土體強度急劇下降，并產生凍土蠕變和流變現象[2]。在交通強國、東北老工業(yè)基地振興、川藏鐵路建設等新時代戰(zhàn)略驅動下，我國凍土區(qū)鐵路網將進一步完善。凍土地區(qū)所特有的地理位置、氣候特征及地質條件等因素，導致基礎設施建設過程中存在諸多問題，其中路基凍害就是一個較為嚴重的問題。

由于季節(jié)性凍土區(qū)冬季溫度低，夏季溫度高，土體常年處于凍融循環(huán)過程中，導致該類土體在不同的季節(jié)結構受力存在極大的差異。土體凍融循環(huán)還可能會導致土體在不同的季節(jié)出現塌陷及鼓包的現象，導致在季節(jié)性凍土區(qū)經常出現路基凍害。近年來，越來越多的專家學者圍繞季節(jié)性凍土區(qū)既有鐵路路基凍害防治措施開展了深入系統的研究，取得了豐碩的成果，但是對凍土區(qū)鐵路路基建設完成之前的相應防凍害措施研究較少，故筆者擬對相關建設過程中的鐵路路基凍害防治措施展開研究。

1 鐵路路基主要凍害

1.1 凍脹

季凍區(qū)鐵路路基凍害主要為路基凍脹，因路基凍脹而出現的路基病害主要表現為路基縱橫向撓曲變形。路基縱橫向撓曲變形對鐵路運營危害較大，線路縱橫向變形不均勻，如圖1所示。路基凍脹裂縫在季凍區(qū)較易出現，且在早期建設過程中低溫環(huán)境下易發(fā)生早期凍脹裂縫。隨著線路投入運營和長期凍融循環(huán)作用，早期凍脹裂縫未進行及時修補，融雪水、雨水不斷侵入，導致路基凍脹裂縫寬度、長度不斷增大。鐵路凍脹直接影響鐵路運營的平順性且嚴重威脅運營安全。

1.2 融沉翻漿、變形

路基沉降變形是季凍區(qū)鐵路工程最主要的病害，且在含水量較大的黏性土地帶極易發(fā)生。有學者對青藏鐵路沿線路基變形進行調查，發(fā)現超過85%的路基變形為融沉變形，對鐵路運營安全造成了極大隱患[3]。另外，凍結期路基表面水分積聚，且春融期路基中水分自上而下融化后來不及排出，導致路基反復凍融循環(huán)，最終因為路基強度降低至不能承受外荷載而造成路基結構破壞，如圖2所示。

1.3 地質災害

隨著全球氣候變暖，多年凍土區(qū)逐漸融化，導致原本穩(wěn)定的凍土環(huán)境逐漸脆弱。在凍土區(qū)進行相關工程活動會進一步擾動脆弱凍土環(huán)境，誘發(fā)沿線落石、風沙及崩塌等地質災害，給工程施工安全及后期運營安全造成隱患。因此，在季凍區(qū)進行工程施工時須采取合理的施工工藝、工程結構確保新建結構與原凍土間的熱平衡。

2 凍害主要成因

現階段，專家學者對鐵路路基凍害的研究成果表明，鐵路路基結構形式、路塹及路基基床填料物理性質、含水量及環(huán)境低溫等因素是影響鐵路路基凍脹的主要因素。其中，填料自身物理性質是引起路基凍脹的內因，環(huán)境低溫是引起路基凍脹的外因，水分是引起路基凍脹的充分必要條件，三個基本因素的不利組合導致路基凍脹。

多年凍土對外界氣候變化極為敏感，尤其是外界溫度變化。隨著全球氣候變暖，多年凍土逐漸融化，凍土區(qū)鐵路路基隨著地下凍土融化也遭到破壞，出現融沉現象。凍土融沉與路基土體、土體含水量及凍土層中粉黏粒含量等因素密切相關。另外，有研究表明，積水滲透和路堤本身熱效應同樣會引起路基的融沉。

3 鐵路路基凍害防治措施

我國凍土區(qū)已建成的代表性鐵路有青藏鐵路、丹大鐵路等，而在規(guī)劃建設中具有代表性的鐵路有川藏鐵路等，將進一步完善鐵路網。為保證今后列車運營安全，對建設過程中鐵路路基凍害防治措施展開研究十分必要。近年來，諸多專家學者對路基凍害防治進行相關研究，對運營過程中的鐵路和規(guī)劃建設中的鐵路路基凍害防治積累了一些經驗，現階段通常采用路基填料法、消極保溫法、排水隔水法、換填法及優(yōu)化路基結構形式等方法對建設中的鐵路路基凍害進行防治。

3.1 合理選取路基填料法

在路基填料方面，可以采用在凍土區(qū)設置細顆粒含量小于15%的礫類、碎石類等不凍脹土路基防凍層的方式對路基凍害進行預防。另外，可采用將水泥、石灰、粉煤灰等無機材料加入粗顆粒填料的方法對填料滲透性和凍脹特性進行改良，減小級配碎石的滲透系數和凍脹率。

3.2 消極保溫法

通過在路基內鋪設保溫材料，利用熱阻效應延緩凍土融化，減弱路基周期性凍融循環(huán)的方法可以減弱凍土周期性凍融循環(huán)對路基的危害?？刹捎肞U保溫板、半導體制冷裝置、熱棒及熱棒樁基礎等材料或裝置進行凍土保溫，延緩凍土融化對路基凍害的影響。

3.3 排水隔水法

水是路基凍脹的必要條件，所以減弱路基凍害可以從排水隔水的思路出發(fā)?，F階段，排水法主要分為地表排水和地下水引導。隔水法主要在路基土體內設置一層隔水層，直接減弱甚至阻止隔水層上下水分交換。兩種方法都是以減小路基土體含水量的方式防治路基凍害。在實際工程中，合理選擇排水隔水方法不僅能夠起到良好的凍害防治效果，還能夠節(jié)約工程成本。但是，如果不結合工程實際地質條件、水文條件等因素進行考慮便采用該方法，可能會使凍害防治效果大打折扣，甚至會對工程造成危害[4]。

3.4 換填法

換填法具有施工簡便、適用范圍廣等優(yōu)點。但是，采用換填法對路基凍害進行防治時，換填深度隨著地區(qū)、路基凍脹變形的有效控制范圍等因素的不同而不同。路基凍害防治效果取決于換填深度。現有研究成果表明，換填粗顆粒的方法能減小路基凍脹量，但是對土體中水分遷移的防治效果不明顯[5]。粗顆粒填土含水率在凍融循環(huán)作用下會逐漸提高，可能會發(fā)生翻漿現象[6-7]。因此，換填法的適用范圍及有效性等方面還需要進行深入的研究。

3.5 路基結構形式優(yōu)化

路基斷面形式對路基凍害的影響不可忽視。由于路基為線狀結構，設計師通常將路基段面形式設計成零挖填、路塹及路堤等不同結構形式。有專家學者針對該方面展開研究，結果表明[8]：路塹及零挖填部位地下水往往比較活躍，最終導致上述位置路基凍脹且發(fā)生概率較大。所以，鐵路工程抗凍設計過程中應重點把控該部位。

路堤高度會對多年凍土區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性造成影響。設計師在進行路基設計時，可重點考慮路堤高度對路基下層凍土熱穩(wěn)定性的影響，通過合理設計，確保路基下層凍土不會形成融化夾層，同時凍土上限不會發(fā)生下移。另外，在多年凍土區(qū)建設鐵路時，往往會因為路基截面形式的不同而導致原地表水文條件改變，破壞原地表熱平衡，嚴重影響路基穩(wěn)定性。因此，在鐵路路堤設計過程中對合適路堤高度進行考慮的同時，需輔以相關凍土保護措施。

4 結論

①通過對鐵路路基凍害特征、凍害成因進行分析，針對規(guī)劃及在建鐵路提出相應路基凍害預防措施，避免鐵路在后期運營過程中頻繁出現路基凍害。

②鐵路路基凍害防治已逐漸向綜合防治方向發(fā)展，但是在實際工程中運用較少，需進一步研究路基凍害綜合防治措施的實用性及有效性。

③改變路基結構形式能夠對路基凍脹進行有效防治，但是會對地底凍土與上層熱交換造成影響，嚴重時可能會破壞多年凍土區(qū)凍融平衡，應加強在路基結構形式方面的研究，有效防治路基凍害，維持凍土區(qū)原有的凍融平衡。

參考文獻：

[1]鄧友生，劉俊聰，彭程譜，等.鐵道路基凍害防治方法研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2021（1）：1-8.

[2]喬建偉，鄭建國，劉爭宏，等.“一帶一路”沿線特殊巖土分布與主要工程問題[J].災害學，2019（1）：65-71.

[3]穆彥虎，馬巍，牛富俊，等.多年凍土區(qū)道路工程病害類型及特征研究[J].防災減災工程學報，2014（3）：259-267.

[4]李雨濃，張喜發(fā)，冷毅飛，等.季凍區(qū)高速公路路基凍害調查及試驗觀測[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2010（4）：617-623.

[5]盛岱超，張升，李希.高速列車與路基凍脹相互作用機理[J].巖土工程學報，2013（12）：2186-2191.

[6]劉德仁，賴遠明，董元宏，等.凍土區(qū)塊石夾層路基防凍脹翻漿效果試驗研究[J].巖土力學，2012（3）：753-756.

[7]李安原，牛永紅，牛富俊，等.粗顆粒土凍脹特性和防治措施研究現狀[J].冰川凍土，2015（1）：202-210.

[8]張啟進.高速公路路塹段路基凍脹翻漿的原因與防治[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2000（2）：31-34.