季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹評(píng)價(jià)及工程對(duì)策研究

楊軍生 王春雷

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300308)

我國(guó)東北地區(qū)鐵路網(wǎng)密布，大部分線路地處季節(jié)性凍土地區(qū)，既有線路基凍害發(fā)生比較普遍。結(jié)合各鐵路路基工程特點(diǎn)，在哈牡、哈齊、盤營(yíng)及沈丹等客運(yùn)專線建設(shè)過(guò)程中，均開展了幾個(gè)凍融周期的路基凍脹變形監(jiān)測(cè)工作。由于路基凍脹機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多且相互作用[1-3]，監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、數(shù)據(jù)量大，針對(duì)高速鐵路毫米級(jí)變形標(biāo)準(zhǔn)，正確、科學(xué)地進(jìn)行凍脹評(píng)價(jià)十分困難[4-5]。

本文結(jié)合近幾年工作實(shí)踐[6-9]，嘗試性研究了一套高速鐵路路基凍脹評(píng)價(jià)方法，總結(jié)了凍脹原因，提出了工程措施建議，研究成果可為建設(shè)質(zhì)量評(píng)價(jià)和安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 高速鐵路路基凍脹評(píng)價(jià)技術(shù)要點(diǎn)

高速鐵路路基凍脹評(píng)價(jià)內(nèi)容較多，加之路基凍脹機(jī)理復(fù)雜，影響因素多且相互作用，限于篇幅，僅對(duì)幾項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行概述。

1.1 氣候特點(diǎn)評(píng)價(jià)

通過(guò)各線自動(dòng)監(jiān)測(cè)及軌道綜合列車檢測(cè)結(jié)果表明，路基凍脹變形發(fā)展與氣溫的變化緊密相關(guān)。氣候特點(diǎn)評(píng)價(jià)是區(qū)域路基工程凍脹評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，其評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要通過(guò)氣溫特征和氣候凍結(jié)指數(shù)實(shí)現(xiàn)。

牡綏高速鐵路沿線各城市的2013-2014年度冬季大氣溫度變化移動(dòng)平均曲線，如圖1所示。

圖1 2013-2014年牡綏線沿線主要城市氣溫變化曲線

由圖1可知，各地氣溫波動(dòng)曲線形狀完全一致，呈下凹狀，大致可分為溫度下降、低溫持續(xù)、溫度回升3個(gè)階段。根據(jù)軌道檢測(cè)結(jié)果，在氣溫下降期，降溫作用十分明顯，軌道狀態(tài)也出現(xiàn)超限情況，并一直呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)；在低溫持續(xù)期超限數(shù)量有一定程度的增加，但增速減緩；在溫度上升期，溫度回升到0 ℃以上，軌道狀態(tài)超限數(shù)量開始迅速減小，直到基本消失。

氣候凍結(jié)指數(shù)是指一年或整個(gè)冬季中連續(xù)低于0 ℃氣溫的持續(xù)時(shí)間與氣溫?cái)?shù)值乘積之總和。以牡綏線為例，2個(gè)年度凍結(jié)指數(shù)對(duì)比，如表1所示。

表1 2013-2014年度牡綏線沿線主要城市凍結(jié)指數(shù)

由表1可得2個(gè)年度該線沿線凍結(jié)指數(shù)分布情況，可知東北凍結(jié)指數(shù)基本上沿著緯度呈增大趨勢(shì)，凍脹評(píng)價(jià)中，氣候凍結(jié)指數(shù)可以較好的反映每個(gè)監(jiān)測(cè)年度沿線區(qū)域氣溫特征，凍結(jié)指數(shù)的大小決定了凍結(jié)深度的大小，也間接影響凍脹變形。目前在鐵路及相關(guān)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)采用的凍結(jié)深度普遍采用了凍結(jié)指數(shù)作為最基本的參數(shù)。

1.2 人工變形觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

人工變形觀測(cè)是指通過(guò)幾何水準(zhǔn)量測(cè)方式獲取的路基面變形數(shù)據(jù)，它的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面廣，數(shù)據(jù)可靠，是路基凍脹評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

針對(duì)人工變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理，首先可以結(jié)合高速鐵路運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將變形數(shù)據(jù)劃分為4 mm、8 mm、10 mm、12 mm等級(jí)別進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，掌握路基總體變形情況。牡綏線人工觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。

表2 牡綏線路基凍脹變形統(tǒng)計(jì)表

由表2可知：① 本年度全線統(tǒng)計(jì)2 406個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大凍脹變形為9.28 mm，為一般路堤工點(diǎn)。② 全線凍脹變形≤4 mm測(cè)點(diǎn)占總數(shù)83.50%， 4～6 mm測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)10.39%， 6～8測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)4.95%，大于8 mm測(cè)點(diǎn)占全部測(cè)點(diǎn)數(shù)1.16%，無(wú)大于10 mm變形?？傮w凍脹變形較好。③ 按工點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì)，各工點(diǎn)類型凍脹變形≤4 mm在81.65%～85%范圍內(nèi)，大致相當(dāng)。另外，大于8 mm測(cè)點(diǎn)共28個(gè)，其中13個(gè)約46.4%發(fā)生在路堤地段，路塹及路涵過(guò)渡段分別各5個(gè)(各占17.9%)，路橋過(guò)渡段3個(gè)(占10.7%)，涵洞頂2個(gè)(占7.1%)。

其次，可將人工觀測(cè)數(shù)據(jù)沿線路方向每10 km劃分成一個(gè)區(qū)段，統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)各路基段凍脹量平均值及最大值，繪制沿線縱向區(qū)段路基凍脹變形分布圖，掌握沿線凍脹分布特征，確定凍害發(fā)生嚴(yán)重段落及里程。牡綏線沿線縱向區(qū)段路基凍脹量分布如圖2所示。

結(jié)合表2和圖2，可挑選連續(xù)變形較大的工點(diǎn)，掌握沿線凍脹較大段落，結(jié)合凍脹原因核查，判定凍脹較大段落凍脹原因、凍脹時(shí)間、凍脹主要發(fā)生部位等，為凍脹整治提供依據(jù)。具體方法為：① 首先確定凍脹較大段落(如表3所示)，通過(guò)表3可知牡綏線凍脹大于8 mm共5個(gè)段落，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。② 繪制各段落凍凍脹變形最大值隨里程變化曲線、線路左中右凍脹最大值隨里程變化曲線及典型測(cè)點(diǎn)凍脹變形隨時(shí)間變化曲線(如圖3、圖4所示)，由此可知該段凍脹變形8～12 mm的3個(gè)，大于12 mm的0個(gè)。另外本段凍脹變形右側(cè)明顯偏大，中部其次，左側(cè)最小。③ 經(jīng)調(diào)查，該段地勢(shì)左低右高，現(xiàn)場(chǎng)為匯水地形，路基以低填通過(guò)，路基右側(cè)坡腳處積存雨雪水，路堤填筑后右側(cè)表水易滲入路堤本體，基床個(gè)別點(diǎn)填料細(xì)顆粒含量不滿足要求，致使凍脹量偏大，即凍脹補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)注意該段防排水設(shè)計(jì)及填料的質(zhì)量。

表3 牡綏線連續(xù)凍脹變形較大段落統(tǒng)計(jì)表

圖3 凍脹變形最大值隨里程變化曲線

圖4 線路左、中、右凍脹最大值隨里程變化曲線

1.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析主要包括路基分層變形情況、實(shí)測(cè)最大凍結(jié)深度及凍脹規(guī)律3個(gè)方面。

2014年，我們將在黨的十八屆三中全會(huì)精神指引下，按照即將召開的全國(guó)水利廳局長(zhǎng)會(huì)議的決策部署，搶抓機(jī)遇，深化改革，開拓創(chuàng)新，不斷提升業(yè)務(wù)水平和支撐能力，更好地服務(wù)水利改革發(fā)展大局。

(1)路基分層變形情況分析可結(jié)合路基結(jié)構(gòu)，對(duì)基床表層、基床底層及基床以下幾個(gè)部位變形情況分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，掌握分層變形情況，進(jìn)而為凍脹整治提供依據(jù)。牡綏線分層凍脹統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。可以看出：全部工點(diǎn)統(tǒng)計(jì)中，表層凍脹變形占全部變形約30.4%，表明基床底層同樣是防凍脹關(guān)鍵部位。另外路塹工點(diǎn)凍脹變形主要發(fā)生在表層，路堤工點(diǎn)凍脹變形主要發(fā)生在基床底層，對(duì)應(yīng)防凍脹設(shè)計(jì)及整治宜分別重點(diǎn)關(guān)注。

表4 牡綏線路基分層凍脹變形情況統(tǒng)計(jì)表

(2)實(shí)測(cè)最大凍深如表5所示，可得實(shí)測(cè)凍深與收集資料凍深對(duì)比情況。

表5 牡綏線路基實(shí)測(cè)凍結(jié)深度統(tǒng)計(jì)表

由表5可知，本線凍土路基9個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)斷面中，5個(gè)凍深實(shí)測(cè)值大于收集資料的最大凍深，實(shí)測(cè)凍深符合率僅為46.67%，二者比值最大達(dá)120.94%。

通過(guò)監(jiān)測(cè)可以掌握區(qū)域凍深發(fā)展情況，防凍脹設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)結(jié)合凍脹監(jiān)測(cè)實(shí)際凍深為準(zhǔn)及時(shí)調(diào)整，凍脹較大段落也應(yīng)及時(shí)查找原因并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)防凍脹設(shè)計(jì)。

(3)凍脹規(guī)律的分析包括凍脹變形隨時(shí)間、凍結(jié)深度隨時(shí)間、地下水位隨時(shí)間以及含水量與凍脹變形、凍結(jié)深度與凍脹變形等各因素之間相關(guān)關(guān)系的分析，通過(guò)凍脹規(guī)律的分析可掌握路基凍脹特征，對(duì)防凍脹設(shè)計(jì)、整治及運(yùn)營(yíng)維護(hù)均有重要的意義，凍脹規(guī)律評(píng)價(jià)方法及主要成果在下章節(jié)詳細(xì)分析。

2 高速鐵路路基凍脹特征分析研究

研究高速鐵路季節(jié)凍土區(qū)路基凍脹變形特征和分布規(guī)律是高速鐵路路基凍脹變形控制、凍脹機(jī)理解釋、以及探索適用的防凍脹措施等方面研究的前提。本文通過(guò)凍脹評(píng)價(jià)方法對(duì)路基凍脹特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，總結(jié)路基工程凍脹特點(diǎn)和凍脹規(guī)律，為今后有針對(duì)性地進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 路基結(jié)構(gòu)凍脹特點(diǎn)

(1)從工點(diǎn)類型來(lái)看，路基過(guò)渡段凍脹變形偏小，其次路堤，路塹最大，初步說(shuō)明過(guò)渡段采用的路基設(shè)計(jì)方案(倒梯形過(guò)渡，分層填筑摻加5%水泥的級(jí)配碎石)對(duì)控制凍脹變形好于一般路基地段。

(2)分層變形統(tǒng)計(jì)中，路基表層凍脹變形占全部變形約1/3，表明基床底層同樣是防凍脹關(guān)鍵部位。

(3)路基不同位置凍脹變形大致相當(dāng)，沒(méi)有表現(xiàn)出路肩或坡腳變形大、軌面變形小的特點(diǎn)，也沒(méi)有表現(xiàn)出原始地面凍脹大、路基凍脹變形小的規(guī)律。各位置凍脹沒(méi)有表現(xiàn)出明顯差異。

(4)有約25%～46%的路基實(shí)測(cè)凍結(jié)深度大于通過(guò)氣象站收集資料獲取的土壤最大凍結(jié)深度，尤其是路塹工點(diǎn)(85%以上大于收集資料凍深)，二者比值最大達(dá)177.49%，說(shuō)明山區(qū)路塹地段的路基設(shè)計(jì)凍深值得進(jìn)一步考慮。

2.2 路基凍脹規(guī)律

路基凍脹是一個(gè)緩慢積累和發(fā)展的過(guò)程，在這一過(guò)程中，不同時(shí)期的凍脹量及其增長(zhǎng)速度不同。高速鐵路路基凍脹過(guò)程基本可劃分為初始波動(dòng)、快速凍脹、穩(wěn)定凍脹以及融化回落4個(gè)階段(如圖5所示)。第一階段為初始波動(dòng)階段，凍結(jié)初期，凍脹變形隨時(shí)間增加，反復(fù)波動(dòng)，無(wú)明顯變幅；第二階段為快速凍脹階段，進(jìn)入凍期后，凍脹變形隨時(shí)間快速發(fā)展，迅速提升；第三階段為穩(wěn)定凍脹階段，凍脹變形達(dá)峰值后，變形發(fā)展相對(duì)平穩(wěn)；第四階段為融化回落階段，即進(jìn)入融期后，凍脹變形迅速回落，完成一個(gè)凍融周期。

圖5 牡綏線典型路基斷面凍脹總變形隨時(shí)間變化曲線

2.3 含水量與地下水位的關(guān)系

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，路基內(nèi)部含水量以及地下水條件是凍脹變形大小的決定性因素，分析季節(jié)凍土區(qū)高速鐵路路基內(nèi)部含水量及地下水的關(guān)系，是解釋路基凍脹機(jī)理，防治路基凍脹病害的關(guān)鍵。

牡綏鐵路含水量與地下水位的關(guān)系如圖6所示，主要表現(xiàn)出3種特征。

(1)凍期前地下水位大于8 m時(shí)，地下水水位變化對(duì)路基本體含水量基本無(wú)影響，如圖6(a)所示。

(2)凍期前地下水位在4 m左右時(shí)，針對(duì)路塹工點(diǎn)或淺挖低填段，地下水對(duì)基床表層含水量基本無(wú)影響，但影響到了基床底層的含水量，基床底層及以下含水量較大，可達(dá)50%～70%。進(jìn)入凍期后，地下水水位降低，對(duì)基床底層含水量減小，地下水對(duì)基床底層幾乎無(wú)補(bǔ)給，如圖6 (b)所示。

(3)凍期前地下水位小于4 m時(shí)，針對(duì)本路堤工點(diǎn)(浸水路堤，路堤高大于6 m)，地下水對(duì)基床表層含水量影響不大，整個(gè)凍期基床底層含水量在30%左右，如圖6(c)所示。針對(duì)本地下水路塹工點(diǎn)，地下水對(duì)基床底層下部影響較大，整個(gè)凍期接近飽和，對(duì)表層及底層上部?jī)H局部有影響，如圖6(d)所示。說(shuō)明地下水較淺時(shí)(小于4 m)，對(duì)路基基礎(chǔ)底層含水量有較大影響，填料及防排水措施應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

圖6 含水量與地下水位關(guān)系圖

3 高速鐵路路基凍脹原因分析及工程對(duì)策建議

路基凍脹評(píng)價(jià)的目的是為了分析凍脹原因，有針對(duì)性地進(jìn)行工程處理方案設(shè)計(jì)。根據(jù)近幾年各線監(jiān)測(cè)成果，結(jié)合土的凍脹性、水、凍結(jié)溫度等凍脹3因素，初步總結(jié)凍脹原因，提出了如下工程對(duì)策和建議，供今后季節(jié)性凍區(qū)鐵路建設(shè)指導(dǎo)和參考。

(1)季節(jié)性凍土地區(qū)進(jìn)行鐵路建設(shè)時(shí)，在建設(shè)過(guò)程中，防排水措施的完善和路基土施工壓實(shí)質(zhì)量是防凍脹關(guān)鍵。防排水措施應(yīng)在凍期前保持和路基本體填筑同步或提前，排水措施無(wú)法及時(shí)實(shí)施時(shí)，也應(yīng)做好臨時(shí)排水工程，保證凍期前路基地表、地下水排水通暢。

(2)填料質(zhì)量是路基凍脹的重要因素，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制填料中的細(xì)粒土含量，在保證填料質(zhì)量(細(xì)顆粒含量、壓實(shí)度)的前提下，可有效控制路基本體的凍脹。

(3)通過(guò)近幾年監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，路塹工點(diǎn)凍脹變形主要發(fā)生在表層，路堤工點(diǎn)凍脹變形主要發(fā)生在基床底層，即與表層一樣，基床底層同樣是防凍脹關(guān)鍵部位。

(4)山區(qū)半挖低填路段路基地形上是左低右高(或左高右低)，高的一側(cè)易匯水積水。監(jiān)測(cè)普遍發(fā)現(xiàn)類似工點(diǎn)路基靠路塹一側(cè)凍脹變形最大、中間其次，低的一側(cè)最小，說(shuō)明匯水地段為低填淺挖段路基。在匯水一側(cè)宜設(shè)置滲水盲溝，保障路基本體排水通暢，減小凍脹性。

(5)硬質(zhì)巖地段路塹基床的橫向排水坡應(yīng)保持一定坡度且應(yīng)平整，避免表面積水，凍脹變大。

(6)建議凍脹監(jiān)測(cè)與施工同步開展，防凍脹設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)結(jié)合凍脹監(jiān)測(cè)實(shí)際凍深及時(shí)調(diào)整，凍脹較大段落也應(yīng)及時(shí)查找原因并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

(7)在季節(jié)性凍土地區(qū)的鐵路建設(shè)中開展凍脹監(jiān)測(cè)是有必要的，可掌握全線凍脹情況，有針對(duì)性開展防凍脹補(bǔ)強(qiáng)，保障建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)近年來(lái)多個(gè)高速鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。結(jié)合考慮高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，對(duì)路基凍脹評(píng)價(jià)方法技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了研究，可為科學(xué)系統(tǒng)地進(jìn)行建設(shè)質(zhì)量評(píng)價(jià)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。同時(shí)，結(jié)合近幾年各線防凍脹措施、凍脹監(jiān)測(cè)及路基填料核查結(jié)果，總結(jié)出凍脹成因，提出工程對(duì)策和建議，供今后季節(jié)性凍區(qū)鐵路路基勘察、設(shè)計(jì)、施工參考和指導(dǎo)。