摘要：受季節(jié)性變化、溫度變化以及路基含水率高等多種因素影響，冬季高速鐵路軌道容易產(chǎn)生不同程度的凍脹變形，導致線路動靜態(tài)幾何尺寸發(fā)生明顯變化，給高速鐵路平穩(wěn)運行帶來安全隱患。本文以京津冀區(qū)域內5條線路作為研究對象，結合各線凍脹分布情況及特點，進行凍脹發(fā)展規(guī)律的研究，分析其成因和類型，并提出針對性的防治措施，分別在凍害發(fā)展前期、凍害平穩(wěn)期、凍害回落期制定階段性整治重點，并規(guī)范檢查復核制度，形成閉環(huán)管理，實現(xiàn)對高速鐵路線路凍脹病害發(fā)生的預防和整治，確保線路設備安全平穩(wěn)。研究成果可為類似病害預防和整治提供參考。

關鍵詞：線路養(yǎng)護；預防修；統(tǒng)計分析；凍脹成因

1研究背景

受入冬后低溫等因素影響，高速鐵路存在不同程度的凍脹變形風險。凍脹是指基床土凍結引起線路在縱向產(chǎn)生的不均勻凍起，對凍脹量大于等于4 mm（10 m弦測量）的凍脹稱為凍害，凍脹將直接導致線路幾何尺寸發(fā)生變化，使軌道不平順^［1-2］。凍脹病害在動態(tài)波形圖的表現(xiàn)特征如圖1所示。

為有效應對不良因素的干擾，應結合病害不同發(fā)展時段的規(guī)律精準分析原因，開展線路凍害預防修工作，確保高速鐵路線路的安全。因此，開展線路凍脹成因及防治研究是十分必要的。

2線路凍脹現(xiàn)狀

為研究線路凍脹現(xiàn)狀，對京津冀地區(qū)5條線路（2條城際鐵路，3條高速鐵路）進行了調查研究，發(fā)現(xiàn)5條線路在冬季低溫時期均發(fā)生了不同程度的凍脹變形，導致幾何尺寸發(fā)生明顯變化，給高速鐵路行車安全帶來隱患。

2.1各線路凍脹分布情況

篩選分析2022—2023年5條線路發(fā)生凍脹的處所共計1 033處，其中762處動態(tài)高低峰值在2 mm以內，189處動態(tài)高低峰值在2～3 mm，82處動態(tài)高低峰值超過3 mm；675處靜態(tài)高低峰值在2 mm以內，340處靜態(tài)高低峰值在2～4 mm，18處靜態(tài)高低峰值超過4 mm，具體分布情況如圖2和圖3所示。

2.2線路凍脹特點

對比各線路凍脹發(fā)生情況，發(fā)現(xiàn)其具有分布范圍不均勻、發(fā)展速率快等特點。同時，凍脹處所因地而異、因結構而異，上述1 033處凍脹處所中，837處集中于路基、框構橋涵及結合部位置，占比81%；196處位于橋梁地段，占比19%，較歷史前期相比有所增加，同期相比增加68%。2022—2023年各線凍脹處所不同結構形式占比情況如圖4所示。

3線路凍脹發(fā)展規(guī)律及類型影響因素

3.1線路凍脹發(fā)展規(guī)律

研究2022—2023年線路凍脹情況，發(fā)現(xiàn)高速鐵路一、高速鐵路三的凍脹處所于2022年12月快速增長，城際鐵路一、城際鐵路二、高速鐵路二的凍脹處所于2023年1月快速增長。2023年1月下旬5條線路凍脹基本進入穩(wěn)定期，2月下旬起線路凍脹開始呈現(xiàn)回落趨勢，截至2023年3月中旬全部回落完畢。以城際鐵路二為例，其凍脹地段發(fā)展趨勢如圖5所示，可以總結出線路凍脹存在初始波動、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹和融化回落四個階段，從凍脹分布規(guī)律看，受水、土、溫度等因素的影響，絕大部分凍脹分布在路基區(qū)段，因北京局集團公司管轄區(qū)域較廣，受冬季寒潮、早春溫度突變等影響，不同地區(qū)凍害發(fā)展階段也會有所差異。

3.2線路凍脹類型

結合現(xiàn)場檢查，得出凍脹類型主要有3類，分別為表層凍脹、深層凍脹和橋梁無砟道床凍脹，前兩種均為路基及路涵過渡段，后一種發(fā)生在橋梁地段。

3.2.1表層凍脹

表層凍脹凍起量一般為3～5 mm，氣溫達到0 ℃以下逐步發(fā)展，在-5 ℃左右達到最大值，氣溫恢復到0 ℃開始回落，凍起量及回落量基本相同，但是在凍害發(fā)生和回落期間左、右股鋼軌高低存在變化量不一致的現(xiàn)象，所以需注意現(xiàn)場水平和三角坑病害的整治。從城際鐵路二下行K178+080處動態(tài)高低峰值趨勢可直觀看出上述特征，如圖6所示。

3.2.2深層凍脹

深層凍脹的凍脹高度大、凍脹周期長、易受遮掩物影響，在整修過程中可能需要使用特殊扣件調整，整修工作量大，在一次綜合檢測車檢測周期內，凍脹高度可能突變，通過動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控和現(xiàn)場檢查盯控較為困難，因此需要在綜合檢測車檢測前進行預檢查整修。以城際鐵路二上行K246+580處為例，該處涵洞前后5 m頂端埋土1.2～1.7 m，凍起長度及位置不固定，在一個凍融周期內，需結合氣溫和綜合檢測車數(shù)據(jù)進行實時跟蹤檢修以保證線路的平順性，如圖7所示。

3.2.3橋梁無砟道床凍脹

橋梁無砟道床凍脹發(fā)展速度快、突變性強、凍起高度大。以高速鐵路二上行K99+998處為例，2019年12月29日綜合檢測車數(shù)據(jù)與歷史基準及前期數(shù)據(jù)對比無任何變化，2020年1月14日檢測，出現(xiàn)5.5 mm凍高變化量，該處位于橋梁區(qū)段，為歷年慣性凍脹處所。如圖8所示，分析2018—2023年數(shù)據(jù)，每年凍脹均為突變型發(fā)展，凍高最大位置處于簡支梁中部，且防撞墻一側凍高數(shù)值較大。根據(jù)歷史現(xiàn)場復核結果，發(fā)現(xiàn)底座板底部出現(xiàn)結晶狀現(xiàn)象，且離縫長度和寬度數(shù)值均較大，具體如圖9所示。

3.3線路凍脹影響因素

通過對5條線路歷年凍脹數(shù)據(jù)分析，結合現(xiàn)場檢查及整修情況，得出影響高鐵線路凍脹變形的主要因素有以下三點。

（1）框構橋及不同結構結合部的軌下基礎整體性和連續(xù)性差，導致設備抵抗溫度變化的能力低，氣溫變化時，極易受溫度影響，從而造成軌道幾何線形的變化。

（2）橋梁區(qū)段個別凍脹處所，凍高量在短時間內呈現(xiàn)突變上漲，造成結構變形，推斷為找平層內含水，無法排出，持續(xù)寒冷天氣，水結冰體積膨脹，造成整體結構出現(xiàn)凍高。

（3）北京局集團公司管內各區(qū)域氣候類型均為季風性氣候，結合各區(qū)域日均氣溫分析動態(tài)高低平均峰值情況，得出氣溫是凍高變化的決定性因素之一，含水量是尤為重要決定性因素。

4線路凍脹防控措施

4.1確定整修重點

高速鐵路線路凍脹是較為典型的季節(jié)性病害，應確定階段性和周期性的整修重點。

在凍害發(fā)展前期，可對有砟線路路基段、過渡段、框構橋地段進行撒鹽處理，增加土壤含鹽成分，降低凝固點，預防凍脹發(fā)生。同時，在涵洞內側增設適當厚度的保溫層，如圖10所示，保溫層材料可選用厚度為100 mm擠塑聚苯板，以改善涵洞及涵洞過渡段的溫度場，使其頂部凍起高度大幅降低。

也可結合凍害重點地段，在凍害發(fā)生前對重點地段進行墊板預撤整修，以防發(fā)生凍害大值。以城際鐵路二下行K247+746處（23.9 m框構）為例，針對長度為10～20 m，凍脹高度為3～5 mm的涵洞凍脹處所，在保證綜合檢測車檢測平順性的前提下，對凍脹區(qū)段進行2～3 mm預撤整修，凍脹周期內，在涵洞范圍內形成一個波峰2～3 mm左右的動態(tài)呼吸區(qū)，以保證動態(tài)數(shù)據(jù)無超限，線路平順性良好，如圖11所示。

在凍害平穩(wěn)期應加強復核檢查，現(xiàn)場復核套拉示意如圖12所示，對重點凍害地點利用10～20 m弦進行套拉，積累原始檢查數(shù)據(jù)，為凍害發(fā)生時凍害整修提供原始數(shù)據(jù)分析，提升數(shù)據(jù)的準確性。同時以動靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，對該時段凍害峰值較大地段進行整修，但要避免大規(guī)模的整修，給后期回落整修造成過大負擔。

在凍害回落期應結合前期整修量較大地段進行預整修，以防回落過大造成大值，并以綜合檢測車、車載儀、便攜數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，根據(jù)整治和回落實際情況，精確調整量，進行凍害回落的復核與整修^［3］。

4.2解決含水問題

為解決路基、無砟軌道和橋梁結構中影響凍脹的含水問題，在設計階段完善排水系統(tǒng)，排水設備需分布合理，能夠將橋隧、路基、車站過水環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起，確保多余的水分有效排出，目前廣泛應用的排水方法有預埋混凝土底座排水管、設置排水側溝、滲水暗溝、在地下水位較淺地段設置降水措施。在運營階段為避免污水、雨水等水源滲入路基中，可以參考借鑒寒區(qū)高速鐵路凍脹防治的封縫措施，沿纖維混凝土的線路方向每5 cm均勻設置橫向伸縮縫，用密封膠進行黏合處理，可以有效防止地表水沿著伸縮縫下滲，橫向封縫示意如圖13所示^［4-5］。

4.3完善靜態(tài)復核制度

（1）對覆土厚度較薄的涵洞、路基與橋隧涵過渡段進行檢查，氣溫急劇變化時加密檢查。

（2）對未在綜合檢測車運行徑路上的薄弱地段，尤其是車站車輛上水點附近，結合道岔巡視，加強日常檢查。

（3）隧道滲水處所應精準掌握位置，加強日常巡視檢查。

（4）對綜合檢測車高低變化超過1 mm地段，現(xiàn)場利用10 m弦對鋼軌進行測量，并使用道尺對水平值進行檢查。利用10 m弦測量時，按照軌枕隔一測一的次序進行測量，曲線地段弦線測量曲線下股，并利用道尺對水平值進行檢查。

5結語

高速鐵路凍脹成因及防治措施應根據(jù)線路具體情況具體分析，本文研究了如何降低線路含水率，提出了改進措施，后續(xù)將關聯(lián)高寒地區(qū)高速鐵路凍脹數(shù)據(jù)，著重研究如何有效解決運營階段的線路含水問題，從而提出普適性更強的解決方案，為相關線路凍脹問題的研究提供思路。

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作者單位：中國鐵路北京局集團有限公司北京高鐵工務段，北京100000

作者簡介：張迪，男，工程師。