严寒地区高速铁路路基防冻胀关键措施

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【摘要】本文结合新建吉林至珲春铁路站前工程JHSⅡ标施工实例，对高速铁路路基冻胀机理及影响因素展开分析，围绕路基结构、地下水位较高或地势低洼地段路堤护道、路堑基床表层以下区域换填、路基防水及排水设计等方面介绍了防止高速铁路路基出现冻胀变形的有效方式，以供参考。

【关键词】严寒地区；高速铁路；路基防冻胀；路基结构

引言

随着高速铁路技术的不断发展，“中国速度”已经享誉世界。然而在严寒地区，高速铁路路基经常受自然环境影响，出现冻胀变形等现象，严重威胁高速铁路的安全性。为了尽可能降低严寒地区高速铁路路基出现冻胀变形的概率，以及在冻胀变形出现后，尽量减小其形变程度，使工程达到铺设无砟轨道的条件，必须对防冻胀的关键措施进行全面总结，提升严寒地区高速铁路防冻胀等级。

1工程概况

吉珲铁路位于吉林省中东部，JHSⅡ标区段地层主要为第四系全新统冲洪积粉质黏土、黏土、粉土及砂砾，第四系全新统残破积粉质黏土，白垩系下统保家屯组砂砾岩、页岩。本区段属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，为严寒地区。夏季短促温暖，冬季漫长酷寒，年平均气温4.0～6.8℃，极端最高气温36.3～37.7℃，极端最低气温-29.2～-42.5℃，年平均降水量528～670mm；土壤最大冻结深度：168～192cm。

2高速铁路路基冻胀机理分析及影响因素

高速铁路路基出现冻胀变形情况主要受水、空气、土颗粒的影响。严寒地区的温度除了长时间处于单一的“冷寒”状态之外，在部分时段内还会出现温差较大的情况。上述三种物质在温度由高骤然转低的过程中，将会从液体或气体形态迅速转变为固态，使高速铁路路基出现“冰冻”现象，进而造成体积增大，威胁高速铁路的正常使用。具体的冻胀机理分析及影响因素如下：（1）严寒地区的土质。根据数学原理，如果土层中单位土颗粒的粒径越小，形成一个整体之后，其表面积总量将会越大，将会提升水的“渗透”作用。在此情况下，一旦温度骤然降低，土质的体积迅速提升，使路基产生冻胀形变。如果降低土颗粒的黏性，控制不同颗粒之间的间隙，水的渗透作用将会减弱，冻胀变形程度也会随之下降[1]。（2）水分。在冻胀变形现象中，水分是核心因素，如果土层中没有丝毫水分，外界温度变化对土颗粒几乎不会产生影响。而现实情况是，空气中存在水分、土层下方存在地下水，无时无刻不在向土层中渗透，故而无法从源头上隔绝水分，为了提升路基防冻胀能力，必须从结构设计等方面着手。（3）温度环境变化。若要解决这一问题，必须明确温度变化后，土层中产生的“连锁反应”。一般来说，严寒地区的外界气温骤然降低，土层内部温度也会随之降低，一旦土体温度低于0℃，土层内部的水分将会出现“迁移”现象。受土体颗粒密度、有无外部接触水源等条件的影响，水分迁移及冻胀程度是不同的。综上所述，为了提升严寒地区高速铁路路基的防冻胀能力，设计人员务必充分考虑上述三项影响因素。一旦脱离实际，路基的整体质量将会大打折扣，进而影响高速铁路的正常使用。

3防止高速铁路路基出现冻胀的有效方式

3.1防冻胀路基结构设计

严寒地区高速铁路的路基设计，必须使其在整体上具备防冻胀能力。（1）在路基基床设计时，需要在基床表层填筑级配碎石。根据《高速铁路设计规范》（TB10621—2009）中严寒地区铁路基床表层的有关要求，压实标准必须符合如下要求：能够满足高铁列车250km/h的行驶速度；压实厚度达到0.7m；压实系数K大于0.97；地基系数大于190MPa/m；动态变形模量大于55MPa。基床底层应该采用两组填料，粒径级配必须满足压实性能的有关要求，且填料需要符合防冻胀要求。总体来说，填料中化学改良土的压实系数不得小于0.95、7d饱和无侧限抗压强度必须大于550kPa；砂类土及细砾土的压实系数至少为0.95、地基系数至少达到130、动态变形模量至少为40；碎石类及粗砾土的压实系数不得小于0.95、地基系数不得小于150、动态变形模量不得小于40。需要注意的是，两组非冻胀性填料中，细颗粒土的含量不得超过15%[2]。在施工中，路堤区段的基床底层顶部应该设置一层厚度为0.2m的厚中粗砂，其内夹铺一层复合土工膜，起到阻隔作用。此外，在基床底层上部1m范围内、基床底层下部1.1m范围内填筑两组填料（上部为非冻胀性）。如果路堑地段的地基条件较差，无法满足填料强度和防冻要求，应该在基床底层厚度范围内换填两组非冻胀性填料，并在换填顶部设置一层厚度为0.2m的厚中粗砂，其内夹铺一层复合土工膜层。如图1、图2所示，为路基基床结构横断面示意图。（2）路基过渡段的常见形式为路桥过渡段、陆地与横向结构物过渡段、路堤路堑过渡段、路隧过渡段等。受篇幅所限，本文主要介绍路堤与桥梁过渡段的防冻胀设计。首先，确认级配碎石过渡段的长度，计算公式为：L=a+n×（H-0.7）（1）式中：H为台后路堤填高；a常取值为5；n的取值范围在2～5之间；如果路堤较低，则n取最大值。需要注意的是，L的总长度必须在20m以上。过渡段路堤基床表层级配碎石在满足长度要求的情况下，可以掺入占总量5%的水泥，基床底层、基床以下路堤需要掺入占总量3%的稳定级配碎石，并进行分层建筑。此种过渡段填料压实需要满足以下标准：过渡段路基基床表层的填料为级配碎石，压实系数K不得小于0.97、地基系数不得小于190、动态变形模量达到55；过渡段路基基床表层以下的倒梯形阴影部分填料也为级配碎石，其压实系数K不得小于0.95、地基系数在150以上、动态变形模量至少达到50[3]。

3.2地下水位较高或地势低洼地段路堤防冻胀护道设计

在严寒地区，面对地下水位较高或者地势低洼等情况，需要按照以下标准，做好路堤防冻胀护道设计。如果周边环境为水田，受强降雨、水分滞留、地下水位较高（距地表距离小于0.5m）等影响的区段均可以被视为低洼谷地，为了保护路堤不受水分“侵袭”，可以将厚度达到0.5m左右的表层原生土层予以清除，换填具备较强渗水性的填料，其性能与上文所述标准相同。此外，换填高度务必超出地表0.5m。如果地基土为冻胀土，则还需额外设置防冻胀护道，其高度、宽度不得小于2m。

3.3路堑基床表层以下区域换填设计

（1）如果路基地质条件为弱风化硬质岩（如花岗岩、大理岩等），可以采用换填级配碎石的方式，其中换填基地需要设置4%的排水坡，在凹凸不平处施加C25混凝土，作填平处理。基床表层的换填厚度应该达到0.2m。在此种条件下，进行硬质岩路堑值开挖面作业时，应该使用物探等方式，对岩溶发育程度进行精确探查。（2）路基地质条件如果为弱风化、不易风化的软质岩（包含板岩、石英片岩等）、强风化硬质岩、碎石类土、砾石类土，需要使用两种非冻胀性的填料，正线基床底层的换填厚度不得小于0.8m。（3）易风化软质岩（包含泥质砂岩类、页岩等）、强风化的不易风化软质岩（砂岩类、板岩等），使用两种非冻胀性填料，厚度不得小于1.5m。

3.4路基防水、排水设计

为了保证路基的正常使用，还应设计完善的排水系统。总原则为：排水设备布设必须合理，且能够与桥涵、隧道、车站等排水设备形成良好的配合。此外还应具备较强的“过水”能力，使水流顺利通过。

4结语

与普通地区相比，严寒地区受自然环境影响，土层结构存在较大差异，特别是水分含量较多的区段，出现冻胀变形，进而导致路基沉降的现象较多。基于此，设计施工人员必须充分结合严寒地区的环境特点，设计针对性较强的防冻胀路基结构等应对方式，重点在于平衡路基土体中水分含量，尽量减少其对路基的影响，从根源上增强路基的稳定性。

参考文献

[1]张义理.京沈客专季节性冻土区路基结构防冻胀技术[J].铁道建筑技术，2019（11）：113-116.

[2]石刚强.季节性冻土地区高铁路基冻胀规律及防治对策研究[J].路基工程，2019（3）：99-103，119.

[3]王功博，钱国玉，王永.XPS保温板在高速铁路路基结构防冻胀措施中的应用[J].铁道勘察，2019，45（3）：56-60.

作者：曹敬新 单位：中铁十一局集团有限公司