丹大鐵路路基凍害原因分析及整治對策

曹 密

（中國鐵路沈陽局集團有限公司，遼寧沈陽 110001）

丹大鐵路位于遼東半島、黃海之濱，是東北地區(qū)首條濱?？焖勹F路，西起大連，向東北方向途徑莊河市，終至丹東市，為雙線電氣化客貨混跑有砟軌道。速度目標(biāo)值200 km/h，全線營業(yè)里程293 km，線路延展長度586.629 km，其中路基延展長度285.679 km，占比48.7%。自2015年12月17日開通運營以來，路基的凍害問題一直困擾著鐵路運營和維護工作，影響了冬季鐵路運營的舒適性、平穩(wěn)性和安全性。

本文通過對丹大鐵路典型路基凍害地段進行取樣勘察、數(shù)值模擬分析，研究丹大鐵路涵洞頂部的凍害原因［1-3］，并開展凍害處理對策的研討［4-5］，為嚴(yán)寒地區(qū)鐵路凍害整治提供借鑒。

1 丹大鐵路歷年凍害情況

丹大鐵路基床厚度為2.5 m，其中基床表層厚度為0.6 m，基床底層厚度為1.9 m?；脖韺硬捎眉壟渌槭钪?，基床底層采用A，B 組填料或改良土，其中基床表層底面以下至凍結(jié)深度范圍內(nèi)填筑非凍脹性A、B組填料（細顆粒含量小于15%）。沿線季節(jié)性凍土層厚0.88～1.20 m。

丹大鐵路歷年凍害情況見表1?？芍?，2015—2016年凍害59 處（涵頂53 處，占比90%），最大凍脹量15 mm。因丹大鐵路開通時已入冬，加之初期部分地段路基不穩(wěn)定，故未統(tǒng)計完全，凍害數(shù)量偏少。2016—2017年凍害203 處（涵頂146 處，占比72%），最大凍脹量25 mm；2017—2018年凍害134 處（涵頂87 處，占比65%），最大凍脹量16 mm；2018—2019年凍害133處（涵頂102 處，占比77%），最大凍脹量10 mm。從凍害發(fā)生位置看，涵洞頂部發(fā)生凍害較多，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，涵頂填土厚度均在0.6～2.5 m。從凍脹量方面分析，近3年最大凍脹量、平均凍脹量均呈現(xiàn)下降趨勢。

表1 丹大鐵路歷年凍害情況

按凍害發(fā)展變化時間看，丹大鐵路凍害一般在12月上旬發(fā)生并持續(xù)上漲，至次年2月中旬基本穩(wěn)定，3月下旬、4月上旬開始回落，4月下旬可全部回落完畢。凍融期達5個月，約130～150 d。

2 現(xiàn)場取樣分析

2.1 取樣工點概況

根據(jù)丹大鐵路凍害情況，選取丹大鐵路旅客通道、涵洞、涵洞相鄰路堤、涵洞相鄰路塹4 種類型地段挖取土樣，里程分別為K225+150，K225+476，191+450和 K296+320。天窗時間為 2016年5月9日至 2016年5月11日。根據(jù)丹大鐵路基床結(jié)構(gòu)，分別選取了土工布上、下基床表層與基床底層的填料。每層取樣2袋，質(zhì)量均約5 kg，分別位于路基面以下0.2 m 和0.6 m的位置，如圖1所示。

圖1 取樣位置示意（單位：cm）

2.2 取樣結(jié)果分析

按TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》開展填料顆粒分析及含水率試驗，檢測結(jié)果見表2、表3。

基床表層級配碎石級配按照TB/T 2897—1998《鐵路碎石道床底碴》中關(guān)于“基床表層級配碎石”的相關(guān)規(guī)定設(shè)計。由表2可知，取樣位置的基床表層級配碎石的級配基本滿足規(guī)范要求。

設(shè)計中對基床底層填料細料的規(guī)定為“填筑非凍脹性A，B 組填料（非凍脹填料要求細顆粒含量小于15%，細砂不可用作路基填料）”。由表3可知，細顆粒含量也有3處超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 基床表層填料顆粒分析及含水率試驗結(jié)果

表3 基床底層不同深度填料顆粒分析及含水率試驗結(jié)果

近年來，根據(jù)高速鐵路凍脹相關(guān)的課題成果，在嚴(yán)寒地區(qū)修建高速鐵路對凍結(jié)深度范圍的填料提出了更高的要求，TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求細顆粒含量不超過5%。按照此規(guī)范，則全部取樣地段的細顆粒含量均超過了標(biāo)準(zhǔn)值。

不同位置處基床底層含水率見表4。可知，各基床底層取樣位置的含水率均較高，說明填料本身的持水能力較高，這為凍脹的發(fā)生提供了必要條件。

表4 不同位置處基床底層含水率

3 數(shù)值模擬分析

為了研究涵洞上部填土溫度場分布及凍結(jié)深度變化情況，本文采用ABAQUS 有限元軟件，對路基溫度場及凍結(jié)深度變化進行數(shù)值模擬計算［6］。模型材料類型包括鋼筋混凝土、AB 非凍脹土和級配碎石。材料屬性見表5。軌枕和涵洞頂部為鋼筋混凝土，道砟和邊坡采用級配碎石表示，道砟以下及涵洞上部填土為AB非凍脹土，計算模型見圖2。

表5 模型材料屬性

圖2 計算模型

該模型所用溫度為丹東歷史溫度，由于計算頻率按照1次/d，采用夜間24：00時左右的氣溫作為日平均氣溫，計算結(jié)果與實際情況會存在一定程度的誤差。計 算 時 間 為 2015年11月14日 至 2016年2月29日 。2015年12月28日涵洞頂部路基溫度場云圖見圖3。路基斷面線路中心和路肩外側(cè)的溫度隨時間變化曲線見圖4。可知，同一時間內(nèi)線路中心、路肩溫度隨時間變化的趨勢大致相同，11月下旬地溫達到0 ℃以下，1月下旬達到最低溫度（約-10 ℃），期間受氣溫變化影響地溫產(chǎn)生短期波動。

圖3 路基溫度場云圖

圖4 不同位置路基溫度隨時間變化曲線

路基凍結(jié)深度隨時間變化曲線見圖5，淺層凍結(jié)深度指由地表向下凍結(jié)的深度，深層凍結(jié)深度指由涵洞頂部向上凍結(jié)的深度。由圖5可知：在2016年1月1日前，涵洞上部填土已經(jīng)全部凍結(jié)，至2月29日為止未出現(xiàn)融化現(xiàn)象。這說明涵洞位置存在雙向凍結(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致涵洞頂部較其他位置的凍結(jié)深度偏大。

圖5 路基凍結(jié)深度隨時間變化曲線

4 凍害原因分析及處理對策研究

4.1 凍害原因分析

基床底層填料細粒含量較高，超過當(dāng)時建設(shè)的對于非凍脹填料的規(guī)范要求，而且含水率也較大，是丹大鐵路產(chǎn)生凍害的根源。同時由于填料細顆粒含量較高，其自然持水率也會較高，同時由于丹大鐵路沿線降水較為豐富，入冬之前雨水入滲路基，不易排出，這也是填料含水率較高的原因。

通過數(shù)值模擬可知，在涵洞位置，涵洞頂部填土?xí)l(fā)生雙向凍結(jié)，導(dǎo)致涵洞頂一般凍結(jié)深度較大，凍結(jié)層厚度增加速度快于一般路基地段，其凍脹速度也較一般地段快。另外，由于重力作用，入冬前大氣降水入滲，水分滯留在涵洞頂部，填料排水性能較差，導(dǎo)致水分沒有來得及排出就已經(jīng)原位凍結(jié)，產(chǎn)生較大凍脹。

4.2 整治對策分析

針對丹大鐵路凍害特征，除了抬高道砟、注鹽措施外，還有以下整治措施：

1）強化疏排水。對于涵洞頂填料不良、自然持水率較高的情況，應(yīng)強化疏排水措施［7］。可在涵洞頂部高密度設(shè)置排水通道，例如每0.5 m 設(shè)置1 根平排孔，或者在涵洞頂內(nèi)側(cè)向上設(shè)置垂直排水孔，將基床中的自由水充分排出，從而達到降低路基凍脹的目的。

2）不良填料改性。由于填料本身高持水特性，在自由水排出的情況下，其本身產(chǎn)生的凍脹也會較大。因此，可對填料進行凍脹特性改良，例如采用高密度鉆孔進行精細化注鹽，使填料的冰點降低至當(dāng)?shù)刈畹蜏爻潭?，從而消除凍脹。另外，也可采用高滲透化學(xué)注漿技術(shù)，降低填料的自然持水率，增加填料的整體性和剛度，以降低填料的凍脹特性［8］。

3）填料強化置換。強化疏排水措施與不良填料改性技術(shù)均治標(biāo)不治本，無法根除鐵路路基的凍脹病害?？赏ㄟ^對涵洞上部填土進行橫向置換，達到消除凍害的目的。針對涵洞上部填土凍脹層位，通過橫向一定孔徑的跟管掏土將高含水率細粒土填料置換掉，并充填非凍脹材料，在實施過程中保持軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)運營有砟鐵路路基凍害處理的“一勞永逸”，解決長期以來由鐵路路基反復(fù)凍融造成的運營和維護難題［9-10］。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場取樣分析，丹大鐵路路基凍害的主要原因為基床底層填料不良，其細顆粒含量較高，導(dǎo)致自然持水率較高，填料凍脹率較大，加上涵洞頂存在雙向凍結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致了涵洞頂凍脹問題突出。

2）針對丹大鐵路凍害可采取強化疏排水、不良填料改性和填料強化置換等措施進行綜合整治。

3）鐵路運營對線路平順性要求較高，嚴(yán)寒地區(qū)鐵路建設(shè)嚴(yán)格控制填料質(zhì)量，是運營后冬季線路平順性的根本保證。