摘 要：在推動(dòng)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，高速鐵路起到的作用至關(guān)重要。但是，因?yàn)榄h(huán)境、氣候等因素的影響，西北地區(qū)大部分都屬于季節(jié)性凍土區(qū)，高速鐵路路基凍害問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，對(duì)高速鐵路路基安全產(chǎn)生了較大的影響，高速鐵路列車在行駛時(shí)，難以達(dá)到提速要求，導(dǎo)致高速鐵路未能發(fā)揮應(yīng)有的作用，對(duì)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響。因此加強(qiáng)高速鐵路路基凍害特征分析，采用科學(xué)合理的方式，提高路基的穩(wěn)定性勢(shì)在必行。基于此，本文對(duì)西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害主要類型、原因以及相應(yīng)的解決措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 路基凍害 原因 措施

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重視程度的不斷提升，國(guó)家在西北地區(qū)加大了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度，高速鐵路成為西北地區(qū)重要的建設(shè)方向。但是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)氣候、環(huán)境、土質(zhì)、地形等因素的影響，西北地區(qū)高速鐵路對(duì)路基的要求較為嚴(yán)格，如何確保西北地區(qū)高速鐵路路基穩(wěn)定安全，減少路基凍害對(duì)高速鐵路產(chǎn)生的影響，是現(xiàn)階段高速鐵路治理的關(guān)鍵問(wèn)題。在我國(guó)西北，季節(jié)性凍土路基是較為常見的類型，這類路基在春冬兩季經(jīng)常發(fā)揮凍脹、翻漿、融沉等問(wèn)題，對(duì)西北地區(qū)高速鐵路與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了較大的影響。因?yàn)殍F路路基在建設(shè)初期，基本上都是就地取材，所取地區(qū)的土質(zhì)、排水以及當(dāng)時(shí)的布局與施工技術(shù)等因素，導(dǎo)致路基建設(shè)之初，未能達(dá)到高速鐵路路基要求，再加上凍害問(wèn)題的影響，西北地區(qū)高速鐵路列車很難適應(yīng)提速后的運(yùn)行需求。

西北地區(qū)某高速鐵路因建設(shè)及投入使用的時(shí)間較長(zhǎng)，路基凍土問(wèn)題相對(duì)較為嚴(yán)重，為該高速鐵路的發(fā)展帶來(lái)了較大的影響。不但路面高低不平，影響了線路的平順度，對(duì)列車運(yùn)行速度也產(chǎn)生了較大的影響，存在著較大的安全隱患。為此，加強(qiáng)西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害特性分析，針對(duì)路基凍害問(wèn)題，選擇合理的優(yōu)化措施至關(guān)重要。

1 高速鐵路凍土區(qū)路基凍害原理

高速鐵路的路基是列車運(yùn)行的基礎(chǔ)，其主要是修筑在地表的條形土工構(gòu)筑物，長(zhǎng)期暴露在外部自然環(huán)境中，受自然環(huán)境、氣候等影響較大。在冬季凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榧竟?jié)交替變化而產(chǎn)生一定的問(wèn)題，形成暖季—寒季、寒季—暖季交替的凍融循環(huán)效益，并導(dǎo)致路基一定范圍內(nèi)溫度、水分等一系列的變化，進(jìn)而引發(fā)路基凍害問(wèn)題。尤其是高速鐵路建設(shè)時(shí)間越長(zhǎng)，路基經(jīng)歷的凍融循環(huán)效益就越多，就越容易產(chǎn)生凍害問(wèn)題。凍結(jié)期的土體溫度一旦降低到零下，土壤顆粒中的水分子就會(huì)變動(dòng)冰晶，凍結(jié)鋒面向下移動(dòng)，周圍土壤中的水分則會(huì)快速遷移，并凍結(jié)在凍結(jié)鋒面上，進(jìn)而出現(xiàn)路基面變形。同時(shí)，路基周圍土壤中的水分來(lái)源不同，其產(chǎn)生的土體凍脹也不同，主要以原位凍脹與分凝凍脹為主。土體溫度越低，表面的溫度下降得越快，并在地基與路基體之間產(chǎn)生溫度梯度現(xiàn)象。另外，路基表面的填料、含水狀態(tài)等也對(duì)土體的宏觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，土中的水基本上以自由水、結(jié)合水與氣態(tài)水為主。大部分未凍結(jié)的水分基本上會(huì)在0到5攝氏度之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而影響了土體中的水分布，最終遷移至凍結(jié)鋒面形成冰晶?？偟膩?lái)說(shuō)，高速鐵路凍土區(qū)路基凍害問(wèn)題廣泛分布在我國(guó)的東北、西北等地區(qū)，在高速鐵路建設(shè)過(guò)程中，一定要結(jié)合該地區(qū)氣候，對(duì)影響路基凍害問(wèn)題的原因進(jìn)行分析，并采取合理的建設(shè)方法，確保高速鐵路的安全。而對(duì)于投入運(yùn)行的高速鐵路，一定要定期對(duì)路基凍害問(wèn)題進(jìn)行維護(hù)，制定科學(xué)合理的維護(hù)方法，減少路基凍害問(wèn)題發(fā)生概率，確保高速鐵路平穩(wěn)安全運(yùn)行[1]。

2 高速鐵路凍土區(qū)路基凍害問(wèn)題研究意義

隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，高速鐵路是推動(dòng)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展的重要支撐與保障。確保高速鐵路發(fā)揮應(yīng)有的作用，提高高速鐵路運(yùn)行速度，確保高速鐵路運(yùn)行安全，既是我國(guó)鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的需求，也是確保西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。而我國(guó)西北大部分地區(qū)屬于多年凍土與季節(jié)性凍土區(qū)，高速鐵路路基凍害問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，導(dǎo)致高速鐵路運(yùn)行線路受阻，既存在著較大的安全隱患，也增加了高速鐵路線路維護(hù)工作難度。眾所周知，高速鐵路列車提速必須建立在安全可靠的路基基礎(chǔ)上，因此，解決西北地區(qū)高速鐵路路基凍土問(wèn)題，是高速鐵路列車提速的關(guān)鍵，對(duì)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有著極大的影響。深入研究季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害治理技術(shù)，既是鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的需求，同樣也有著非常廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。為此，鐵路部門要深入分析西北地區(qū)高速鐵路凍土問(wèn)題及其成因，積極探索有效解決問(wèn)題的技術(shù)與方法，最大程度上減少路基凍害問(wèn)題帶來(lái)的影響，滿足高速鐵路列車提速需求，在為西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供支撐的同時(shí)，為其他凍土區(qū)路基凍害問(wèn)題治理提供技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)參考，推動(dòng)我國(guó)高速鐵路現(xiàn)代化發(fā)展。

3 高速鐵路凍土區(qū)路基凍害問(wèn)題分析

3.1 路基沉降變形

季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基凍害問(wèn)題主要表現(xiàn)之一便是路基沉降變形。該問(wèn)題主要發(fā)生在含冰量較大的黏土性地帶。對(duì)西北地區(qū)某高速鐵路進(jìn)行研究得出，在該線路的沿線都存在著凍土區(qū)，其中絕大部分的路基都存在著嚴(yán)重的沉降變形，對(duì)高速鐵路路基的平穩(wěn)性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，存在著較大的安全隱患。凍土對(duì)外部環(huán)境有著較大的敏感性。V.G.Kindratjev通過(guò)對(duì)阿穆爾—雅庫(kù)次克鐵路的研究發(fā)現(xiàn)，全球變化是凍土區(qū)發(fā)生融沉現(xiàn)象的重要原因之一，而因?yàn)槿诔恋某霈F(xiàn)，鐵路路基基本上都在一定程度上受到了影響。同時(shí)，蘇聯(lián)鐵路局也發(fā)現(xiàn)，積水滲透與路堤的熱效益，也會(huì)在一定程度上引起融沉，導(dǎo)致路基沉降變形。

3.2 凍脹

凍脹則是季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害的主要問(wèn)題之一，該問(wèn)題隨著我國(guó)高寒地區(qū)鐵路的快速發(fā)展也變得愈發(fā)重要。以俄羅斯貝阿鐵路為例，該鐵路在1984到1990年之間，鐵路路基凍害問(wèn)題每年增幅25%到53%，1990年達(dá)到最高值，涉及了1154km。而我國(guó)的北方鐵路凍害問(wèn)題同樣不可小覷，以沈陽(yáng)鐵路局為例，其沿線在2012至2015年間，鐵路路基凍害里程達(dá)到482207m，大約5萬(wàn)余處發(fā)生了凍害，對(duì)其鐵路運(yùn)行平穩(wěn)與安全產(chǎn)生了影響。導(dǎo)致路基凍脹的因素相對(duì)較多，如土質(zhì)、溫度、水分等，而在這諸多因素中，水分無(wú)疑有著非常大的影響，這對(duì)西北地區(qū)高速鐵路路基建設(shè)過(guò)程中，排水能力有著極大的要求。無(wú)論是在建設(shè)或是維修養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，強(qiáng)化基床排水能力至關(guān)重要[2]。

4 西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害成因分析

西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害產(chǎn)生的原因，主要是因?yàn)槁坊恋夭粔蚱椒€(wěn)，發(fā)生凍脹與沉降，凍脹發(fā)生相對(duì)而言較為復(fù)雜，主要是因?yàn)橥饨鐨鉁氐淖兓?，?dǎo)致土地內(nèi)部溫度降低，土地中的自由水與結(jié)合水相繼凍結(jié)，形成冰晶體、冰層等，從而使路基地面內(nèi)部體積變化，進(jìn)而發(fā)生凍脹。目前來(lái)說(shuō)，凍脹發(fā)生的原因主要與四個(gè)因素有著較為密切的關(guān)系。

4.1 溫度

西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路冬季氣溫基本上均處在0攝氏度以下，時(shí)間大概由每年的10月份持續(xù)到第二年的3月份，凍土路段的氣溫低、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，凍結(jié)指數(shù)大，同等土質(zhì)下，土體凍脹面積較大。因此，溫度是導(dǎo)致西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路路基凍害問(wèn)題的主要原因之一。

4.2 水分

路基內(nèi)的水分是導(dǎo)致路基土體發(fā)生凍脹的重要原因。通過(guò)液、塑限聯(lián)合測(cè)定法，對(duì)某高速鐵路凍害路段的土樣進(jìn)行分析，兩種土樣均為粉質(zhì)黏土，現(xiàn)有的鐵路路基填料基本上都是就地取材，土體的持水性相對(duì)較好，內(nèi)部水分基本上未曾流失，當(dāng)遭遇外界氣候驟然降低時(shí)，內(nèi)部土體易發(fā)生凍脹，進(jìn)而對(duì)高速鐵路路基產(chǎn)生影響。同時(shí)，對(duì)兩種土樣進(jìn)行研究得知，粉質(zhì)黏土的起始凍脹含水率基本維持在塑限，含水率大概維持在6%～30%，已明顯達(dá)到凍脹所需的含水率標(biāo)準(zhǔn)。這就表明，水分是導(dǎo)致路基凍脹的重要原因。

4.3 土質(zhì)

西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路沿線的路基填料基本為砂礫土與粉質(zhì)黏土，具有較強(qiáng)的凍脹性。在上行線路路基表面的1到1.5米為砂礫土，下面為粉質(zhì)黏土，下行線路基整體為粉質(zhì)黏土。研究得知，粉質(zhì)黏土基本是去就地取材，土質(zhì)良莠不齊，部分土質(zhì)中還有少量的種植土與細(xì)角礫，路基土質(zhì)則為黏土，凍脹量較大。而土質(zhì)中的顆粒占比與凍脹有著重要的關(guān)聯(lián)。土顆粒粒徑在0.05～0.1mm區(qū)間時(shí)，土體較易發(fā)生凍脹，處在0.002～0.05mm范圍時(shí)，凍脹性達(dá)到最大。而粒徑小于0.002mm時(shí)，因?yàn)橥令w粒的分散性較大，水分牽引量相對(duì)較小，凍脹性則相對(duì)較弱。而對(duì)兩種土樣進(jìn)行測(cè)試得知，一處的土顆粒粒徑小于0.075mm大概在80%，另一處則為77%左右，均易發(fā)生凍脹。這就表明，土質(zhì)是導(dǎo)致路基凍脹的重要原因[3]。

4.4 不良的地質(zhì)環(huán)境

西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)，氣候寒冷，地質(zhì)環(huán)境也相對(duì)惡劣，再加上全球變暖的影響，凍土區(qū)進(jìn)行的工程活動(dòng)對(duì)其原本的凍土環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響，這是誘發(fā)高速鐵路路基沿線的地質(zhì)災(zāi)害的重要原因，也是導(dǎo)致高速鐵路凍土區(qū)路基凍害的原因之一。因此，加強(qiáng)工藝的選擇，確保施工技術(shù)與工藝最低程度上對(duì)原地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生影響則尤為關(guān)鍵。在實(shí)際的建設(shè)或維修過(guò)程中，一定要確保原凍土區(qū)與路基之間的熱平衡，同時(shí)做好傳熱導(dǎo)熱、對(duì)流輻射等工作，為二者建立良好的熱平衡體系。西北部分地區(qū)風(fēng)雪災(zāi)害嚴(yán)重，鐵路沉雪、積沙等現(xiàn)象的出現(xiàn)極大影響了鐵路的安全運(yùn)行。同時(shí)再加上風(fēng)沙、坍塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害的存在，需要高速鐵路常年進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)等工作，以便減少不良地質(zhì)環(huán)境對(duì)鐵路路基的沖擊與破壞。

5 西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害優(yōu)化措施

5.1 保溫法

保溫法是現(xiàn)階段有效改善西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)路基凍害的重要措施。保溫法基本上是在路基兩側(cè)加裝相關(guān)的保溫結(jié)構(gòu)，或是在路基體中直接采用導(dǎo)熱性低的保溫材料，從而增加路基的熱阻，最大程度上減少土體中的熱量向外部傳導(dǎo)，進(jìn)而將路基土體的溫度維持在合理的范圍內(nèi)。研究證明，保溫法對(duì)凍害優(yōu)化與改善有著極為明顯的作用，同時(shí)保溫法的有效性與經(jīng)濟(jì)性，也是大范圍應(yīng)用的基礎(chǔ)。保溫法的施工方式相對(duì)簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用最廣的路基凍害優(yōu)化措施。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于保溫材料的研究基本上以礦渣、玻璃纖維、樹皮等材料為主，鐵路路基的保溫材料則起步相對(duì)較晚。路基保溫材料既要具有良好的保溫性與耐用性，也要做到經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性。路基保溫材料的厚度對(duì)其防凍效果影響較大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)以1 cm厚的PPS保溫層為主[4]。

5.2 路基排水

對(duì)于西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害問(wèn)題，在建設(shè)及維護(hù)時(shí)，一定要加強(qiáng)路基排水能力。如果是設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好防排水、優(yōu)化填料等。而對(duì)于投入運(yùn)行的線路，對(duì)于路基凍害區(qū)段應(yīng)當(dāng)以封裂堵縫、兩側(cè)設(shè)置盲溝、加設(shè)防凍護(hù)道等措施為主，從而最大程度上減少凍害帶來(lái)的損失與影響。具體的路基防排水方案，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體的施工圍護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件與自然環(huán)境為主，選擇科學(xué)合理的優(yōu)化措施，提高路基防排水能力。

5.3 換填法

所謂的換填法，就是將路基周邊易發(fā)生凍脹的土體進(jìn)行置換，將其換填成非凍脹性的填充材料。在實(shí)施換填法時(shí)，需要綜合考慮地下水位與施工對(duì)列車運(yùn)行帶來(lái)的影響都能。為了確保工程造價(jià)合理，最大程度上降低成本投入，應(yīng)對(duì)換填深度進(jìn)行明確。目前來(lái)說(shuō)，換填法雖然被廣泛應(yīng)用，但是受限于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、材料等多方面的影響，治理效果參差不齊。一般來(lái)說(shuō)，換填深度基本上在90cm左右，軟土地基換填深度基本上在50-60cm。除了要考慮換填深度，換填材料也是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在換填時(shí)，填料的顆粒粒徑對(duì)路基凍脹程度影響較深。因此，在路基填料中細(xì)顆粒的占比一定要維持在10%以下，以礫石為主[5]。

5.4 注漿法

另一種有效改善西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害的措施便是注漿法。注漿法其實(shí)就是將鹽注入路基土體中。鹽離子可以有效地增加土顆粒表面的水膜厚度，進(jìn)而有效降低水的勢(shì)能，減少水分遷移現(xiàn)象，最大程度上降低路基土體出現(xiàn)凍脹。不同鹽分含量下的土體冰點(diǎn)不同，基本上鹽量越大，冰點(diǎn)就越低，因此采用注漿法，改變土體中含鹽量，有利于降低凍害程度。一般來(lái)說(shuō)，注漿法主要是利用NaCl、MgCl2等的無(wú)機(jī)鹽溶液，在磚井管道的幫助下，將鹽離子注入到路基土體?，F(xiàn)階段而言，注漿法最為常見的兩種方式為鉆孔埋管與管頂注入兩種。注漿法采用的鹽的類型、濃度以及采用的方法，都會(huì)對(duì)治理效果產(chǎn)生不同程度的影響。研究表面，在實(shí)施注漿法時(shí)，對(duì)于硫酸鹽的含量最好控制在2%以下，防止過(guò)高導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，降低土體強(qiáng)度等。另外，在注鹽過(guò)程中，應(yīng)深入到凍結(jié)深度的40左右再均勻鋪開，這樣可以使注漿法發(fā)揮最大的作用。再注入完成后，需要對(duì)土體進(jìn)行壓實(shí)，防止鹽離子的流失，延長(zhǎng)注漿法的防治效果。

6 總結(jié)

西北地區(qū)大部分地方地勢(shì)復(fù)雜、氣候寒冷，處在季節(jié)性凍土區(qū)或多年凍土區(qū)，極易發(fā)生路基凍害問(wèn)題，嚴(yán)重影響了西北地區(qū)高速鐵路提速運(yùn)行的需求，對(duì)于西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展也產(chǎn)生了較大的影響。為了滿足西北地區(qū)高速鐵路提速需求，加強(qiáng)對(duì)路基凍害的防治能力，探索有效的防治措施，是西北地區(qū)鐵路發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。因此，本文對(duì)西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路凍土區(qū)路基凍害特性進(jìn)行了研究，對(duì)于凍害類型與成因進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的防治措施，通過(guò)保溫法、強(qiáng)化路基防排水能力、積極利用換填法與注漿法，根據(jù)不同的需要選擇合理的防治措施，對(duì)提高西北某高速鐵路凍土區(qū)路基穩(wěn)定性至關(guān)重要，是確保高速鐵路安全可靠運(yùn)行，降低安全事故發(fā)生概率的重要保障。

基金項(xiàng)目：陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（編號(hào)：YJ24005），名稱：《島狀多年凍土區(qū)高速鐵路路基的穩(wěn)定性研究》；陜西省高校工程研究中心——道路橋隧智慧監(jiān)測(cè)工程研究中心課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝清源.西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)某高速鐵路路基凍害特征分析[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2023.

[2]魏仲赟.蘭新鐵路西段路基凍害特征分析及整治技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2021.

[3]陳佩佩，尚智，王熳祺，等.寒區(qū)高速鐵路凍土路基的水熱耦合響應(yīng)特性分析[J/OL].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1-10[2024-11-04].

[4]朱志有，王磊，劉振奇，等.季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基凍害研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)鐵路，2022（03）：124-130.

[5]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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，53（01）：1-8.