吉琿客運專線路基凍脹變形及影響因素分析

黃新文,崔俊杰,易菊香

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

吉琿客運專線路基凍脹變形及影響因素分析

黃新文,崔俊杰,易菊香

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

隨著我國在嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的發(fā)展,路基凍脹變形對高速鐵路的影響凸顯出來,針對路基凍脹變形規(guī)律及影響因素的研究尚不完善,根據(jù)吉琿客運專線路基凍脹變形監(jiān)測數(shù)據(jù),采用綜合分析方法分析了本線路基凍脹變形的一些規(guī)律,并對凍脹變形影響因素進(jìn)行分析。通過分析得出吉琿客運專線路基凍脹變形規(guī)律及基床表層變形所占比例的不同與產(chǎn)生原因的對應(yīng)關(guān)系。

吉琿客運專線；路基；凍脹；監(jiān)測

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的路基凍脹變形控制，是我國在高速鐵路建設(shè)過程中遇到的一大技術(shù)難題。路基季節(jié)性凍脹、融沉帶來的不均勻變形會引起軌面不平順，直接影響列車行駛的舒適度和設(shè)計目標(biāo)值的實現(xiàn)，嚴(yán)重時甚至?xí)＜案哞F的行車安全[1]。根據(jù)東北既有鐵路及公路的凍害調(diào)查結(jié)果，路基凍脹現(xiàn)象在東北地區(qū)存在普遍性、不確定性和難以避免的特點[2]。從吉琿客運專線的路基凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)著手，對凍脹變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，對凍脹影響因素進(jìn)行分析。

1 概述

1.1 工程概況

新建吉琿客運專線位于吉林省中東部，自吉林站引出，途經(jīng)蛟河、敦化、安圖、延吉、圖們，止于琿春市，線路全長360.602 km。設(shè)計速度250 km/h，有砟軌道。正線路基長度114.546 km，占正線長度31.77%。2013～2014年監(jiān)測周期監(jiān)測路基段落長91.218 km。

1.2 氣象特征

按照對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，該區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)。最冷月平均氣溫-10.3～-23.4 ℃，極端最低氣溫-29.2～-42.5 ℃，年平均降水量528～670 mm，主要集中于6～8月，土壤最大凍結(jié)深度： 168～192 cm。每年從10月底開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，歷時長達(dá)5～6個月。

1.3 監(jiān)測方法和監(jiān)測點布置原則

采用埋設(shè)凍脹觀測樁，人工精密水準(zhǔn)測量的監(jiān)測方式進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測斷面設(shè)置原則一般按照不大于50 m布設(shè)1個監(jiān)測斷面，長大路堤段落人工觀測樁按照100～200 m布設(shè)1個監(jiān)測斷面。路涵過渡段布設(shè)5個斷面，其中涵洞中心布設(shè)1個斷面，涵洞中心兩側(cè)各布設(shè)2個斷面，一般在其邊墻外1、5 m左右。路橋(隧)過渡段在路基上設(shè)置2個監(jiān)測斷面，分別距橋臺(隧道口)2、10 m。每個監(jiān)測斷面布設(shè)3個監(jiān)測點，分別位于路基線路中心及兩側(cè)砟腳附近。

2 吉琿客運專線路基凍脹規(guī)律

2.1 凍脹量分布情況

根據(jù)2013～2014年監(jiān)測周期監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，吉琿客運專線的凍脹變形整體不大，但局部存在凍脹變形較大的情況，具體分布情況詳見表1。

表1 全線路基變化情況統(tǒng)計

從表1可以看出，變形在0 mm以上的測點占總測點80.12%，說明路基凍脹現(xiàn)象存在的普遍性；凍脹量小于8 mm的點占總監(jiān)測點數(shù)的83.10%，說明吉琿客運專線的工程質(zhì)量整體較好；凍脹量大于12 mm的點占總監(jiān)測點數(shù)的6.01%，說明局部凍脹量較大。

2.2 路堤及路塹凍脹變形情況分析

對監(jiān)測點所處的工點類型分析，本線路堤、路塹凍脹變形發(fā)生率并不一致，總體反映出的規(guī)律與哈大高鐵基本一致，即路塹地段測點比率明顯大于路堤比率。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(剔除了數(shù)據(jù)異常點和因觀測樁受施工擾動導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整的點)，路塹變形>8 mm的發(fā)生率為25.79%，路堤變形>8 mm的發(fā)生率為12.71%，路塹較路堤的發(fā)生率高2.0倍。路塹變形>12 mm的發(fā)生率為10.41%，路堤變形>12 mm的發(fā)生率為3.93%，路塹較路堤的發(fā)生率高2.6倍。詳見表2。

表2 全線路堤、路塹變化情況統(tǒng)計

2.3 凍脹量隨時間變形情況分析

2013～2014年監(jiān)測周期共進(jìn)行了7次人工精密水準(zhǔn)監(jiān)測，選取全線大于8 mm點的平均值進(jìn)行統(tǒng)計，分析全線整體凍脹過程，全線大于8 mm點平均凍脹變形過程見圖1。

圖1 全線大于8 mm點平均凍脹變形過程

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖2綜合分析，第1次測量(2013年10月底至11月初)時觀測點尚未凍脹，基本認(rèn)定此次測量為初始值，第2次測量(2013年11月中下旬)時凍脹量尚不明顯，凍脹量平均值約2.9 mm。第3次測量(2013年12月中旬)時部分凍脹已開始發(fā)生，凍脹量平均值約5.7 mm，凍脹量大部分在第四次(2014年1月初)至第五次測量(2014年3月)時達(dá)到最大值，第4次凍脹量平均值約7.5 mm，第5次凍脹量平均值約11.2 mm。第6次測量(2014年4月)時隨著溫度的逐漸回升，大部分開始進(jìn)入融沉階段，凍脹量平均值約2.6 mm，第7次測量(2014年5月)時整體融沉過程結(jié)束，融沉殘值約1.0 mm。

圖2 不同變形區(qū)段凍脹量發(fā)生位置

全線凍脹量大于8 mm點最大變形平均值為11.5 mm，凍脹量大于8 mm點中在第4次測量時達(dá)到最大凍脹量的點占24.9%，第5次測量時達(dá)到最大凍脹量的點占75.1%，但第4次測量與第5次測量雖然經(jīng)歷時間較長，但該階段卻只凍脹了3.7 mm。

以上分析結(jié)果說明，本線凍脹量主要發(fā)生在第四次測量之前。

2.4 路基凍脹變形量發(fā)生部位分析

為了更準(zhǔn)確地分析凍脹量發(fā)生部位，分析僅采用凍脹量大于8 mm的觀測點進(jìn)行分析，本線凍脹量主要發(fā)生在第4次測量之前，根據(jù)本線地溫監(jiān)測顯示，全線第4次測量(2014年1月初)時，地溫零度線基本在0.9 m左右，因此可初步判斷第4次測量的凍脹量基本發(fā)生在基床表層，而第5次測量(2014年3月)時，地溫零度線基本在最大凍深1.6～2.3 m，因此第5次測量與第4次測量的凍脹量差值主要發(fā)生在基床底層。據(jù)此分析，再根據(jù)凍脹量不同對全線凍脹量發(fā)生位置進(jìn)行統(tǒng)計，詳見表3及圖2。

表3 不同變形區(qū)段凍脹量發(fā)生位置統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計可知，凍脹量發(fā)生在8～10 mm時，基床表層變形占69.57%；凍脹量發(fā)生在10～12 mm時，基床表層變形占73.08%；凍脹量發(fā)生在12～14 mm時，基床表層變形占64.78%；凍脹量發(fā)生在14～16 mm時，基床表層變形占67.27%；凍脹量發(fā)生在16～20 mm范圍內(nèi)時，基床表層變形占57.25%；凍脹量發(fā)生在大于20 mm范圍內(nèi)時，基床表層變形占67.60%。

綜合分析可知，發(fā)生在基床表層變形量總體占66.59%，發(fā)生在基床表層與基床底層所占比例隨著凍脹量的增大變化不大。

為了進(jìn)一步分析凍脹變形發(fā)生在基床表層和基床底層的觀測點分布情況，針對本線凍脹量大于8 mm的凍脹觀測點統(tǒng)計結(jié)構(gòu)見表4。

表4 表層占比統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，基床表層凍脹量占比大于2/3的點為53.19%，占比2/3～1/2的點為17.65%，占比1/2～1/3的點為16.72%，占比小于1/3的點為12.43%。由此可見，該線表層凍脹變形占比超過1/2的觀測點達(dá)到70.85%，僅29.15%的觀測點主要凍脹量發(fā)生在基床底層。

2.5 凍脹變形量>8 mm點不同線路側(cè)別分析

根據(jù)凍脹變形>8 mm觀測點的相對位置，線路左側(cè)占46.03%，線路中心占20.79%，線路右側(cè)占44.86%。由此可見，線路中心處凍脹變形量>8 mm總數(shù)占比較小，線路兩側(cè)凍脹變形量>8 mm總數(shù)比例較高，初步分析主要由于以下原因所致，第一，兩側(cè)護肩處排水不通暢造成護肩內(nèi)側(cè)兩布一膜頂部積水；第二，在施工電纜槽過程中開挖過大造成兩側(cè)回填壓實度不夠易滲水。

2.6 凍脹變形段落長度分析

吉琿客運專線正線路基長114.546 km，2013～2014年冬季對存在凍脹風(fēng)險的路基工點共計91.218 km進(jìn)行了人工或自動監(jiān)測。由于路堤、路塹、過渡段等不同工點類型的監(jiān)測點布置間距差異很大，單純按監(jiān)測點的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，有可能造成偏差，對全線凍脹量按分布段落進(jìn)一步統(tǒng)計分析如下：

全線凍脹量連續(xù)變形大于12 mm段落占總監(jiān)測長度2.65%，連續(xù)變形8～12 mm段落占總監(jiān)測長度8.03%。詳見圖3。

圖3 凍脹變形段落長度分布

2.7 取消兩布一膜段落凍脹情況

施工過程中，將部分段落基床表層原設(shè)計0.7 m厚級配碎石變更為0.3 m厚摻3%水泥的級配碎石+0.4 m厚級配碎石，取消了基床底層頂部的中粗砂夾兩布一膜。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，凍脹量大于8 mm的點僅有1個，為9.5 mm；融沉量大于8 mm的點有9個，其中5個點位于線路中心，根據(jù)變形情況及現(xiàn)場調(diào)查分析，這5個點均為后期施工擾動所致，另4個點均位于線路左側(cè)，且位于涵洞過渡段內(nèi)，融沉量最大為12 mm。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，該段的凍脹變形明顯小于其他段落的凍脹變形。但這與本段填料較好、工點均為路堤等外部因素也有一定關(guān)系。

2.8 不同最大凍結(jié)深度區(qū)段內(nèi)路基凍脹變形分析

根據(jù)不同最大凍結(jié)深度區(qū)段，統(tǒng)計凍脹變形>8 mm觀測點所占比例，詳見表5。

表5 不同最大凍結(jié)深度區(qū)段凍脹量大于8 mm占比

通過表5分析，凍脹變形大于8 mm的觀測點占比與所處區(qū)域的最大凍結(jié)深度之間并無明顯的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)后續(xù)補充調(diào)查和勘察資料的進(jìn)一步分析，凍脹量與施工過程中填料的細(xì)顆粒含量、含水率控制以及基床表層及底層排水是否通暢等因素的對應(yīng)關(guān)系更為明顯。

3 路基凍脹影響因素分析[3-12]

凍土是復(fù)雜的多項和多成分體系，路基凍脹是指土壤在負(fù)溫條件和存在一定溫度梯度條件下，路基本體內(nèi)水分向凍結(jié)面遷移凍結(jié)，凍結(jié)后路基土體體積增大導(dǎo)致路基頂面發(fā)生變化的現(xiàn)象[4]。影響土體凍脹的主要因素為溫度、水分、巖性[5]。

根據(jù)凍脹變形發(fā)展情況，結(jié)合地溫等監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，吉琿客運專線路基主要凍脹位置大致可以分為基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的2/3以上，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的2/3～1/2，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的1/2～1/3，基床表層產(chǎn)生的凍脹量占總凍脹量的1/3以下等幾類。依據(jù)勘察成果綜合分析各種凍脹變形情況，其主要影響因素如下。

3.1 基床表層凍脹

(1)針對已完成護肩及電纜槽段落調(diào)查分析，基床表層凍脹原因主要為，基床底層頂部兩布一膜鋪設(shè)不規(guī)范(局部坑洼或橫向排水坡度不足)、兩側(cè)泄水孔排水不通暢等導(dǎo)致基床表層局部含水率過高所致。在挖探過程有部分試坑靠近電纜槽一側(cè)兩布一膜處有水不斷的滲入試坑。說明基床底層上部的兩布一膜橫向坡度不能滿足排水要求，以及基床底層排水管排水不通暢。

(2)針對未施做護肩及電纜槽段落調(diào)查分析，基床表層凍脹的原因為，結(jié)凍初期降雨后路基面及側(cè)面迅速凍結(jié)，導(dǎo)致基床表層含水量較大所致。

3.2 基床底層凍脹

(1)基床底層含水量偏高及地下水位高，這種情況多見于地下水位較淺的地下水路塹段落。挖探過程中個別勘探點挖至基床底層底部時有地下水滲出；部分截水滲溝管底高程達(dá)不到設(shè)計要求?；驳讓雍科叩牧硪辉蚴牵穳q換填施工期間，正值雨季，基底潮濕或填料含水率控制不好所致。

(2)局部填料細(xì)顆粒含量較大。根據(jù)挖探及試驗情況，部分工點路基填料細(xì)顆粒含量過大，是造成路基地段凍脹量偏大的內(nèi)因。

4 結(jié)論及建議

對吉琿客運專線路基凍脹變形監(jiān)測的分析表明，吉琿線路基凍脹存在普遍性；變形>8 mm的發(fā)生率路塹較路堤高。本線的凍脹量主要發(fā)生在表層，表層凍脹變形占比超過1/2的點達(dá)到70.85%。此外，凍脹量與最大凍結(jié)深度無明顯對應(yīng)關(guān)系。

通過以上分析，基床排水不暢是引起路基凍脹變形較大的主要影響因素，而基床底層的排水不暢及細(xì)顆粒含量超標(biāo)也是引起個別區(qū)段路基凍脹量較大的重要影響因素。

[1]余雷.哈大客運專線路基凍脹變形的觀測與分析[J].路基工程，2013(3)：54-58.

[2]張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(7)：2-12.

[3]馬紅絳，郭彥榮，楊有海.蘭新鐵路路基土凍脹特性試驗研究[J].鐵道建筑，2010(11)：78-80.

[4]杜兆成，孫瑛琳，蔣大恩.季節(jié)性凍土區(qū)路基土的凍脹特性分析[J].長春工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006(2)：17-20.

[5]章金釗，李祝龍，武憼民.凍土路基穩(wěn)定性主要影響因素探討[J].公路，2000(2)：17-20.

[6]楊君波.齊齊哈爾地區(qū)路基凍脹成因淺析與治理措施[J].黑龍江交通科技，2013(3)：42-44.

[7]楊雍.嚴(yán)寒地區(qū)客運專線路基凍脹原因及處治措施[J].路基工程，2013(1)：188-192.

[8]高志華，石堅，羅麗娟.青藏鐵路路基凍脹變形特點的研究[J].鐵道建筑，2010(6)：94-96.

[9]石剛強，王珣.哈大鐵路客運專線路基填料凍脹性試驗研究[J].鐵道建筑，2011(10)：61-63.

[10]趙潤濤，李季宏，李曙光.客運專線路基工程的防凍脹處理措施[J].鐵道勘察，2011(4)：70-71.

[11]程靜.寒冷地區(qū)建筑工程抗凍脹問題淺談[J].建筑技術(shù)研究，2012(4)：71-72.

[12]卞曉琳，何平，施燁輝.土體凍脹與地下水關(guān)系的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)村水利水電，2007(4)：24-27.

Analysis of Frost Heave Deformation of the Subgrade on Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway Line

HUANG Xin-wen, CUI Jun-jie, YI Ju-xiang

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

With rapid development of high speed railway in cold area, the effect of subgrade frost heaving deformation is becoming more prominent. In view of the insufficient researches on the patterns of subgrade frost heaving deformation and the influencing factors, and with respect to Jilin-Hunchun passenger dedicated railway for subgrade frost heave deformation monitoring data, this paper analyzes comprehensively the laws and influencing factors related to the subgrade frost heaving deformation of this railway line. The results demonstrate the laws in question and the correlation between the percentage of the bed surface deformation and the causes of deformation.

Jilin-Hunchun Dedicated Passenger Railway; Subgrade; Frost heave; Monitoring

2014-12-26；

2015-02-03

黃新文( 1979—)，男，高級工程師，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：33037032@qq.com。

1004-2954(2015)08-0039-04

U238； U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.009