嚴寒地區(qū)高速鐵路路基防排水施工技術

范先知

【摘 要】以哈齊高鐵為工程背景，針對路基防排水是影響嚴寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹的主要因素，結合前期凍脹觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)設計要求提出一系列防排水措施并付諸實施；通過后期凍脹變形觀測驗證了防排水措施的效果，形成了較為穩(wěn)定成熟的嚴寒地區(qū)高速鐵路防排水體系設計與施工控制措施。

【關鍵詞】嚴寒高鐵 防排水 技術

1 引言

隨著我國高速鐵路建成公里的日益增加，高速鐵路給國民帶來的快捷、舒適、安全性日益體現(xiàn)。高速鐵路慢慢從經(jīng)濟發(fā)達、人口密集區(qū)走進了高寒、高原地區(qū)。高速鐵路施工技術難題也隨著鐵路緯度的不斷增加而顯現(xiàn)。哈齊高鐵是我國建成緯度最高的高鐵，同時哈齊高鐵地處松嫩平原，緊鄰既有濱州鐵路而建，如何保證嚴寒高鐵路基不發(fā)生凍脹？完善的防排水體系是防凍脹的關鍵所在，本文就哈齊高鐵路基防排水體系設置以及施工過程控制等方面做了闡述，希望對今后相關工程施工提供參考。

2 工程概況

哈齊高鐵是黑龍江省“十一五”期間重點工程，也是黑龍江省首條城際間的高速鐵路，工程沿線大部屬于中溫帶亞濕潤～亞干旱大陸性季風氣候區(qū)。沿線最冷月平均氣溫均低于-15℃，按對鐵路工程影響的氣候分區(qū)，均屬嚴寒地區(qū)。年平均氣溫4.1℃～4.7℃，極端最高溫度38.7℃～40.8℃，極端最低溫度-36.8℃～-39.3℃。年平均降雨量418.1～537.5mm，最大積雪厚13～24cm，最大季節(jié)凍土深度189～272cm。

哈齊高鐵全長280.879km，其中路基31段長度107.3km（含大慶站改3.8km），占線路全長的38.2%，其中小于2.7m填高的低路基有40.86km，占全線路基長38.1%。在低路基中設置為素混凝土基床的段落23.2km，占低路基長度的56.8%。我集團承建的哈齊高鐵四標段，位于黑龍江省大慶市境內(nèi)。線路緊鄰既有濱洲線右側，起訖里程DK173+600～DK218+000，正線長度44.4km，其中路基長24.737km，占標段總長的55.7%。正線采用無砟軌道（I型板）。根據(jù)氣象和調(diào)查資料，沿線土壤最大凍結深度劃分如表1。

3 引起路基凍脹的主要原因分析

3.1 凍土是復雜的多相和多成分體系

路基凍脹是指土壤在負溫條件和存在一定溫度梯度條件下，路基本體內(nèi)水分向凍結面遷移凍結，凍結后路基土體體積增大導致路基頂面高程發(fā)生變化的現(xiàn)象。影響土體凍脹的主要因素為溫度、水分、巖性；

（1）溫度條件：區(qū)域氣候凍結指數(shù)（負溫和負溫延續(xù)時間乘積的代數(shù)和）決定了土體凍結深度，凍結期溫度高差決定了凍結速率，二者疊加綜合影響了土體凍脹量。（2）水分條件：水分是凍脹的主導因素。水分條件包括兩個方面，一是土體含水條件達到起始凍脹含水量時，土的凍結開始產(chǎn)生凍脹。二是水分補給條件，具有水分補給的開敞系統(tǒng)凍脹大于無補給條件的封閉系統(tǒng)凍脹。（3）巖性條件：主要指土的粒度成分、礦物成分、化學成分和密度等，其中最主要的是土的粒度成分。按照粒度成分進行凍脹性排列自小至大為：粗顆粒土<細顆粒土。國內(nèi)外均將細顆粒含量小于5%的碎石、礫石和砂類土歸屬于不凍脹或凍脹性很小的土。

3.2 水是路基凍脹的主要影響因素

（1）含水率與凍脹率的關系。并非所有含水的土凍結時都會產(chǎn)生凍脹。只有當土中的水分超過某一界限值后，土的凍結才會產(chǎn)生凍脹，這個界限即為該土的起始凍脹含水量。當土體含水量小于其起始凍脹含水量時，土中有足夠的孔隙容納未凍水和冰，凍結時不發(fā)生凍脹。按有無水分的補給，劃分為兩種凍脹：封閉系統(tǒng)凍脹，在凍結過程中沒有外來水分補給，凍脹形成的冰層較薄，凍脹也較小。開敞系統(tǒng)凍脹，在凍結過程中有外來水分補給，凍脹形成的冰層厚，產(chǎn)生強烈的凍脹。在天然情況下，水分補給主要來源于大氣降水和地下水。秋末降水多，冬季土的凍脹量就大。地下水位越淺，土的凍脹量也越大。根據(jù)《寒區(qū)鐵路路基防凍脹結構及設計參數(shù)研究》（鐵科院研究成果）中關于體積含水率與凍脹率關系曲線：當含水率低于12%時凍脹率低于0.5%，當土體含水率大于12%后，凍脹量隨著含水率的增加而顯著增大。當含水率超過15%后，凍脹率超過1%。

（2）路基表面地表水下滲至基床表層底部引起表層凍脹。高速鐵路路基表面地表水下滲存在3個途徑，一是路基表面存在著混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫、纖維混凝土與底座板間等各種結構縫，接縫采用的瀝青軟膏或聚氨酯等封堵材料，在混凝土熱脹冷縮作用下會壓縮與脫裂，導致接縫封堵失效，地表水下滲；二是路肩兩側的電纜槽是在路基碾壓成型后開挖，電纜槽與路基本體的縱向界面很難保證密實不透水，積水通過預制節(jié)段間及槽底向路基基床表層級配碎石層滲透；三是路基表層的纖維混凝土或瀝青混凝土防水層在東北惡劣的氣候環(huán)境下反復熱脹冷縮作用下容易不斷出現(xiàn)新裂紋，導致地表水下滲。在凍融季節(jié)時，由于路肩先期凍結，下滲的地表水不能有效向外排出，形成表面級配碎石層富水或飽水，導致基床表層級配碎石層發(fā)生凍脹。因此，路基表面地表水下滲至基床表層底部是引起路基淺層凍脹的主要原因之一。

（3）水的補給來源：一、側向補給：發(fā)生于路塹地段，與路塹開挖后地下水徑流的改變相關；（滲水盲溝）。二、豎向補給：沿路基基底補給、沿路基面補給。三、電纜溝槽橫向排水不暢，基床表層局部積水。

4 前期凍脹監(jiān)測結果

2012年11月上旬、11月中旬、11月下旬、12月上旬、2013年1月中旬、2月上旬、3月上旬、3月下旬、4月上旬、4月中旬、4月下旬、5月上旬各觀測1次，共計12次。全線路基變形在4mm以內(nèi)，約占90%左右，個別點最大凍脹量達到13mm。

從表2可以看出，凍脹變形≤4mm地段，路橋過渡比例明顯大于一般路基地段，路涵過渡段接近于一般路基地段。凍脹變形的最大值發(fā)生于填料路基地段。相對于填料控制細顆粒含量及滲透性能，級配碎石摻水泥施工控制難度相對較小，各條線的觀測數(shù)據(jù)證明，級配碎石摻水泥地段路基凍脹變形得到改善。

5 哈齊高鐵路基防排水體系設置

由上述分析可知，嚴寒地區(qū)路基凍脹的主要原因在于引水和排水，結合以往鐵路路基凍脹分析，在哈齊高鐵中采取了多項引、排水技術，下面就路基排水體系設置進行簡要闡述：

5.1 路基面防排水體系設置與施工

結合哈大高鐵凍脹研究，路基面排水體系不暢通是導致路基凍脹的重要原因：

（1）哈齊高鐵采用基床表層頂部設置0.08m厚纖維混凝土封水層，兩側支承層邊緣至路肩為向外4%的排水坡，雙線之間做成向內(nèi)4%的排水坡；哈齊高鐵無砟路基地段線間排水采用在底座間設置橫向排水通道的方式。底座板每隔一定距離將伸縮縫加寬至100mm，作為橫向排水通道，并將對應位置的圓形凸臺調(diào)整為兩個半圓形凸臺。排水通道處的底座板下設置鋼筋混凝土搭板。搭板沿線路縱向長2m，橫向與底座板等寬，搭板表面設置2%的橫向排水坡。線間級配碎石頂部用C25混凝土封閉，封閉層頂面設置不小于3‰的縱坡，縱坡宜結合線路縱坡進行設置。在排水通道下坡位置處的底座板之間設置橫向混凝土擋水墻，擋水墻厚200mm，高150mm。線間封閉層與底座板和搭板間采用塑料薄膜隔離，并用熱瀝青澆注灌縫處理。（2）電纜槽細部排水設計。原設計電纜槽設置在路肩上，影響路基表面防排水層效果，表面排水易積存于電纜槽，且一定程度增加路基凍結深度。后變更設計為：在有保溫護道的地段，將電纜槽放在保溫護道上；沒有保溫護道的地段仍將電纜槽放在路肩上，采用整體式電纜槽。整體式電纜槽一般每隔20m左右整體式電纜槽安裝兩節(jié)蓋板式電纜槽。電纜槽在路肩和護道上需要上下過渡，在過渡的地方于路肩和護道上各設一個電纜井，通過電纜井實現(xiàn)電纜槽的上下過渡。（3）基床表層級配碎石摻水泥阻水?；脖韺蛹壟渌槭瘬?%水泥，水泥采用P.042.5級普通硅酸鹽水泥，（摻入水泥前）回填的級配碎石細顆粒含量必須滿足≤5%的設計要求。

5.2 路堤基床（路堤高度大于最大凍結深度）防排水措施

（1）限制路堤最小高度。路堤高度原則上大于凍結深度+0.5m，常年積水地段路基面位于常水位以上不小于凍結深度+0.5m。（2）防凍脹填料設計?；驳讓犹钪嗀、B組填料，厚2.3m。凍深+0.25m范圍內(nèi)滿足細顆粒（顆粒粒徑≤0.075mm）含量小于5%、壓實后小于7%，壓實后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s。粒徑小于0.5mm的細顆粒的液限不大于25%，塑性指數(shù)小于6，不得含有黏土及其它雜質。加強基床填料的細顆?？刂?，細顆粒測定采用水洗法?；惨韵侣返烫钪嗀、B組或C組碎石、礫石類填料。（3）混凝土基床設計。哈齊線對于路基面以下凍結深度范圍內(nèi)無自然排水條件的地段均設置了混凝土基床，設防厚度采用最大凍結深度+0.25m。（4）保溫護道設計。于填料路基坡腳兩側設置保溫護道，護道寬度不小于2.5m，護道頂面位于基床表層底面，護道內(nèi)設置0.3m厚滲水土排水層（設置在基床底層底部，約在最大凍深線處）。

5.3 特殊地段設置滲水盲溝排水

在哈齊高鐵與既有濱洲線近距離并行且地下水位埋深相對較低的填料低路堤段落，由于哈齊高鐵與濱洲線間排水溝溝底高程高于原設計路基本體橫向排水通道（滲水土層），為保證排水通道暢通，在哈齊與既有濱洲線間設置滲水盲溝，將路基本體中的水引入盲溝中，通過盲溝將水排到檢查井中，最后將水通過滲水管井導入地下，同時阻斷了線間地下水的側向補給。滲水盲溝設置于左側護道下部，盲溝右側1m翼緣搭在筏板或樁帽邊上，埋深不滿足最大凍深+0.25時，在其左側及上側鋪設一層XPS保溫板，厚0.1m。滲溝溝底縱坡原則上同線路縱坡，困難地段不小于2‰。滲溝底寬1.2m，垂直開挖，滲溝內(nèi)充填洗凈碎石，下設C25混凝土基礎，厚0.2m，基礎底部設置4%排水坡，其上設φ315mmPVC帶孔雙壁波紋滲水管，在滲溝左側及上側設置一層不透水土工布，右側及下側采用一層透水土工布反濾層包裹。滲溝每隔30m及平面轉折處均設置一處檢查井，圓形檢查井采用預制拼裝式，并在井內(nèi)設置防寒木蓋。沿滲溝每隔120m，于檢查井中設管井。管井采用DN300鑄鐵管，直徑300mm，管井長10m。管井上部2m的井孔采用粘土回填，其余井孔采用碎石回填。管井底采用10mm厚鋼板焊接封堵。管井周邊采用玻璃纖維增強塑料絲纏裹，纏絲間隙2mm。鑄鐵管周邊打孔，孔徑5mm，間距20mm。

5.4 地基處理樁筏結構

標段內(nèi)軟土地基多數(shù)采取CFG樁加固+整體樁伐板結構，CFG樁樁頂全斷面采用50cm厚的鋼筋混凝土筏板。整體筏板結構即增大了地基的復合承載力，又阻斷了路基填料和原地基間的水分聯(lián)系，對高寒路基的同步沉降和工后沉降控制起到關鍵作用。同時筏板上按3×3m梅花型布設泄水孔，泄水孔底部穿透砼墊層，孔內(nèi)填充潔凈粗顆粒碎石，將路基填料內(nèi)沉積在筏板頂部的水分導出至凍脹線以下。

5.5 流入涵洞外排

當?shù)乇硭ㄟ^邊坡防護坡面、路基基床內(nèi)水分通過保溫護道滲水層排入縱向排水溝后，根據(jù)匯水方向流入相近的涵洞中，受緊鄰既有濱州線影響，水流匯入涵洞后，集中排放至遠離既有線側，因哈齊客專地處松嫩平原，涵洞出口排水困難，后設計采用埋管引流至低洼處或設置機排等輔助排水設施，保證排水管網(wǎng)暢通。

6 確保防排水體系暢通的施工控制要點

6.1 路基填料控制

嚴格按照設計要求凍深+0.25m范圍內(nèi)滿足細顆粒（顆粒粒徑≤0.075mm）含量小于5%、壓實后小于7%，壓實后滲透系數(shù)不小于5×10-5m/s。按照工藝性試驗總結，管段內(nèi)填料最佳含水量在3.5%～4.4%之間，含水量的大小直接影響填料的壓實效果。

6.2 保溫護道滲水層施工控制

反壓護道內(nèi)滲水層高程控制和滲水填料嚴格按照設計要求施工，滲水層設置在基床底層第一層位置（最大凍脹線位置），滲水層填料的滲水性要滿足設計要求。

6.3 滲水盲溝施工控制

（1）管井施工作業(yè)時，鉆孔直徑為600mm，鑄鐵管管徑為300mm，為了保證鑄鐵管的施工質量，同時方便回填碎石及粘土，需在放置鑄鐵管時保證其垂直度，確保鉆孔中心與鑄鐵管中心重合。因此，在施工前期需對鑄鐵管底部及頂部做出處理，對鑄鐵管底部及頂部加焊定位鋼筋，定位鋼筋長度為550mm。同時對鑄鐵管頂部封堵，防止回填時碎石堵塞其排水通道。下放鑄鐵管時需放慢速度，且及時回填碎石及粘土，防止塌孔造成管井排水不暢。（2）標高控制：管井及檢查井下部設置的PVC帶孔雙壁滲水波紋管管口位置已預制完畢，為確保PVC管能按照基礎排水坡度貫通于管井及檢查井，需要精確控制管井井底標高、檢查井井底標高及基礎頂標高的統(tǒng)一性。在施工前應復核施工里程段路基邊坡點、管井布置點及滲水流向，綜合考慮后確定管井、檢查井及混凝土基礎頂標高。在進行基礎混凝土澆筑時，嚴格控制基礎頂面的縱向及橫向坡度，確保滲水能通過PVC帶孔雙壁滲水波紋管流向檢查井，直至流入管井后深入地下。（3）滲水盲溝施工過程中要嚴格做好保溫板鋪設和及盲管疏通檢查工作；

6.4 樁筏板結構泄水孔埋設施工控制

鋼筋混凝土板上每隔2～3m交錯設置泄水孔，孔徑0.05m，且泄水孔（PVC管）穿透素混凝土墊層，孔內(nèi)以碎石填充。

7 成果

7.1凍脹觀測斷面的布設

沿線路方向每50m設置一個觀測斷面，路涵、路橋等過渡段增設2個斷面，橋臺后1.0m、5.0m，涵洞過渡段設置在涵洞邊墻外1.0m。每個監(jiān)測斷面布設3個監(jiān)測點，分別位于路基線路中心及底座板邊緣（路基中心線外4m）；混凝土基床段落設兩個監(jiān)測點，按照凍脹監(jiān)測斷面設計里程在距基床兩側20cm表面上，涵洞觀測樁設置在四個角的帽石頂上。

7.2 基床凍脹觀測

路基填筑時在筏板頂部埋設沉降板，路基填筑頂面埋設監(jiān)測樁，通過水準測量能夠測出地基（沉降板）的沉降變化Δ1和頂面監(jiān)測樁的高程變化Δ2。沉降板和檢測樁的高程變化差值（Δ2-Δ1）即為路基凍脹融沉值（d）。

7.3 成果

通過后期監(jiān)測，全線路基變形在4mm以內(nèi)，約占95%以上，最大凍脹變形值也處于可控狀態(tài)。一般認為，凍脹小于4mm，不會影響列車舒適性，大于8mm有可能影響運營安全，需要進行處理[4]，滿足評估要求。目前哈齊高鐵已順利通過評估驗收，并正式投入運營，后期設備管理單位將實時監(jiān)測，確保哈齊鐵路安全平穩(wěn)運行。

8 結語

綜上所述，嚴寒地區(qū)高鐵路基防排水體系暢通與否是影響路基凍脹的主要因素，尤其是季節(jié)性凍土地區(qū)，其凍脹融沉現(xiàn)象每年會形成一個疲勞周期，防排水設施需要良好的耐久穩(wěn)定性，這些影響還需要廣大工程技術人員進一步的探索和研究。本文通過上述一系列的防排水措施，以及施工過程中的嚴格控制，從凍脹監(jiān)測結果看，防排水設計與施工對高速鐵路路基凍脹起到了很好的控制，為下一步同類工程施工起到了指導和示范作用。

參考文獻：

[1] 尤昌龍.路基軟彈破壞及其防治措施[J].路基工程，1995（1）：24-27.

[2] 中鐵第三勘查設計院.哈齊鐵路路基設計文件.

[3] 岳祖潤，劉堯軍，李忠.青藏鐵路高原凍土區(qū)段路基沉降變形和地溫監(jiān)測[J].鐵道標準設計，2003（4）：26-27.

[4] 陳則連，冷景巖.哈齊客運專線路基凍脹變形研究[J].路基工程，2014（6）：131-134.

[5] 張先軍.哈大高速鐵路路基凍脹規(guī)律及影響因素分析[J]，鐵道標準設計，2013（07）.