范先知

【摘 要】以哈齐高铁为工程背景，针对路基防排水是影响严寒地区高速铁路路基冻胀的主要因素，结合前期冻胀观测数据，根据设计要求提出一系列防排水措施并付诸实施；通过后期冻胀变形观测验证了防排水措施的效果，形成了较为稳定成熟的严寒地区高速铁路防排水体系设计与施工控制措施。

【关键词】严寒高铁 防排水 技术

1 引言

随着我国高速铁路建成公里的日益增加，高速铁路给国民带来的快捷、舒适、安全性日益体现。高速铁路慢慢从经济发达、人口密集区走进了高寒、高原地区。高速铁路施工技术难题也随着铁路纬度的不断增加而显现。哈齐高铁是我国建成纬度最高的高铁，同时哈齐高铁地处松嫩平原，紧邻既有滨州铁路而建，如何保证严寒高铁路基不发生冻胀？完善的防排水体系是防冻胀的关键所在，本文就哈齐高铁路基防排水体系设置以及施工过程控制等方面做了阐述，希望对今后相关工程施工提供参考。

2 工程概况

哈齐高铁是黑龙江省“十一五”期间重点工程，也是黑龙江省首条城际间的高速铁路，工程沿线大部属于中温带亚湿润～亚干旱大陆性季风气候区。沿线最冷月平均气温均低于-15℃，按对铁路工程影响的气候分区，均属严寒地区。年平均气温4.1℃～4.7℃，极端最高温度38.7℃～40.8℃，极端最低温度-36.8℃～-39.3℃。年平均降雨量418.1～537.5mm，最大积雪厚13～24cm，最大季节冻土深度189～272cm。

哈齐高铁全长280.879km，其中路基31段长度107.3km（含大庆站改3.8km），占线路全长的38.2%，其中小于2.7m填高的低路基有40.86km，占全线路基长38.1%。在低路基中设置为素混凝土基床的段落23.2km，占低路基长度的56.8%。我集团承建的哈齐高铁四标段，位于黑龙江省大庆市境内。线路紧邻既有滨洲线右侧，起讫里程DK173+600～DK218+000，正线长度44.4km，其中路基长24.737km，占标段总长的55.7%。正线采用无砟轨道（I型板）。根据气象和调查资料，沿线土壤最大冻结深度划分如表1。

3 引起路基冻胀的主要原因分析

3.1 冻土是复杂的多相和多成分体系

路基冻胀是指土壤在负温条件和存在一定温度梯度条件下，路基本体内水分向冻结面迁移冻结，冻结后路基土体体积增大导致路基顶面高程发生变化的现象。影响土体冻胀的主要因素为温度、水分、岩性；

（1）温度条件：区域气候冻结指数（负温和负温延续时间乘积的代数和）决定了土体冻结深度，冻结期温度高差决定了冻结速率，二者叠加综合影响了土体冻胀量。（2）水分条件：水分是冻胀的主导因素。水分条件包括两个方面，一是土体含水条件达到起始冻胀含水量时，土的冻结开始产生冻胀。二是水分补给条件，具有水分补给的开敞系统冻胀大于无补给条件的封闭系统冻胀。（3）岩性条件：主要指土的粒度成分、矿物成分、化学成分和密度等，其中最主要的是土的粒度成分。按照粒度成分进行冻胀性排列自小至大为：粗颗粒土<细颗粒土。国内外均将细颗粒含量小于5%的碎石、砾石和砂类土归属于不冻胀或冻胀性很小的土。

3.2 水是路基冻胀的主要影响因素

（1）含水率与冻胀率的关系。并非所有含水的土冻结时都会产生冻胀。只有当土中的水分超过某一界限值后，土的冻结才会产生冻胀，这个界限即为该土的起始冻胀含水量。当土体含水量小于其起始冻胀含水量时，土中有足够的孔隙容纳未冻水和冰，冻结时不发生冻胀。按有无水分的补给，划分为两种冻胀：封闭系统冻胀，在冻结过程中没有外来水分补给，冻胀形成的冰层较薄，冻胀也较小。开敞系统冻胀，在冻结过程中有外来水分补给，冻胀形成的冰层厚，产生强烈的冻胀。在天然情况下，水分补给主要来源于大气降水和地下水。秋末降水多，冬季土的冻胀量就大。地下水位越浅，土的冻胀量也越大。根据《寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究》（铁科院研究成果）中关于体积含水率与冻胀率关系曲线：当含水率低于12%时冻胀率低于0.5%，当土体含水率大于12%后，冻胀量随着含水率的增加而显著增大。当含水率超过15%后，冻胀率超过1%。

（2）路基表面地表水下渗至基床表层底部引起表层冻胀。高速铁路路基表面地表水下渗存在3个途径，一是路基表面存在着混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间等各种结构缝，接缝采用的沥青软膏或聚氨酯等封堵材料，在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂，导致接缝封堵失效，地表水下渗；二是路肩两侧的电缆槽是在路基碾压成型后开挖，电缆槽与路基本体的纵向界面很难保证密实不透水，积水通过预制节段间及槽底向路基基床表层级配碎石层渗透；三是路基表层的纤维混凝土或沥青混凝土防水层在东北恶劣的气候环境下反复热胀冷缩作用下容易不断出现新裂纹，导致地表水下渗。在冻融季节时，由于路肩先期冻结，下渗的地表水不能有效向外排出，形成表面级配碎石层富水或饱水，导致基床表层级配碎石层发生冻胀。因此，路基表面地表水下渗至基床表层底部是引起路基浅层冻胀的主要原因之一。

（3）水的补给来源：一、侧向补给：发生于路堑地段，与路堑开挖后地下水径流的改变相关；（渗水盲沟）。二、竖向补给：沿路基基底补给、沿路基面补给。三、电缆沟槽横向排水不畅，基床表层局部积水。

4 前期冻胀监测结果

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月上旬各观测1次，共计12次。全线路基变形在4mm以内，约占90%左右，个别点最大冻胀量达到13mm。

从表2可以看出，冻胀变形≤4mm地段，路桥过渡比例明显大于一般路基地段，路涵过渡段接近于一般路基地段。冻胀变形的最大值发生于填料路基地段。相对于填料控制细颗粒含量及渗透性能，级配碎石掺水泥施工控制难度相对较小，各条线的观测数据证明，级配碎石掺水泥地段路基冻胀变形得到改善。

5 哈齐高铁路基防排水体系设置

由上述分析可知，严寒地区路基冻胀的主要原因在于引水和排水，结合以往铁路路基冻胀分析，在哈齐高铁中采取了多项引、排水技术，下面就路基排水体系设置进行简要阐述：

5.1 路基面防排水体系设置与施工

结合哈大高铁冻胀研究，路基面排水体系不畅通是导致路基冻胀的重要原因：

（1）哈齐高铁采用基床表层顶部设置0.08m厚纤维混凝土封水层，两侧支承层边缘至路肩为向外4%的排水坡，双线之间做成向内4%的排水坡；哈齐高铁无砟路基地段线间排水采用在底座间设置横向排水通道的方式。底座板每隔一定距离将伸缩缝加宽至100mm，作为横向排水通道，并将对应位置的圆形凸台调整为两个半圆形凸台。排水通道处的底座板下设置钢筋混凝土搭板。搭板沿线路纵向长2m，横向与底座板等宽，搭板表面设置2%的横向排水坡。线间级配碎石顶部用C25混凝土封闭，封闭层顶面设置不小于3‰的纵坡，纵坡宜结合线路纵坡进行设置。在排水通道下坡位置处的底座板之间设置横向混凝土挡水墙，挡水墙厚200mm，高150mm。线间封闭层与底座板和搭板间采用塑料薄膜隔离，并用热沥青浇注灌缝处理。（2）电缆槽细部排水设计。原设计电缆槽设置在路肩上，影响路基表面防排水层效果，表面排水易积存于电缆槽，且一定程度增加路基冻结深度。后变更设计为：在有保温护道的地段，将电缆槽放在保温护道上；没有保温护道的地段仍将电缆槽放在路肩上，采用整体式电缆槽。整体式电缆槽一般每隔20m左右整体式电缆槽安装两节盖板式电缆槽。电缆槽在路肩和护道上需要上下过渡，在过渡的地方于路肩和护道上各设一个电缆井，通过电缆井实现电缆槽的上下过渡。（3）基床表层级配碎石掺水泥阻水。基床表层级配碎石掺5%水泥，水泥采用P.042.5级普通硅酸盐水泥，（掺入水泥前）回填的级配碎石细颗粒含量必须满足≤5%的设计要求。

5.2 路堤基床（路堤高度大于最大冻结深度）防排水措施

（1）限制路堤最小高度。路堤高度原则上大于冻结深度+0.5m，常年积水地段路基面位于常水位以上不小于冻结深度+0.5m。（2）防冻胀填料设计。基床底层填筑A、B组填料，厚2.3m。冻深+0.25m范围内满足细颗粒（颗粒粒径≤0.075mm）含量小于5%、压实后小于7%，压实后渗透系数不小于5×10-5m/s。粒径小于0.5mm的细颗粒的液限不大于25%，塑性指数小于6，不得含有黏土及其它杂质。加强基床填料的细颗粒控制，细颗粒测定采用水洗法。基床以下路堤填筑A、B组或C组碎石、砾石类填料。（3）混凝土基床设计。哈齐线对于路基面以下冻结深度范围内无自然排水条件的地段均设置了混凝土基床，设防厚度采用最大冻结深度+0.25m。（4）保温护道设计。于填料路基坡脚两侧设置保温护道，护道宽度不小于2.5m，护道顶面位于基床表层底面，护道内设置0.3m厚渗水土排水层（设置在基床底层底部，约在最大冻深线处）。

5.3 特殊地段设置渗水盲沟排水

在哈齐高铁与既有滨洲线近距离并行且地下水位埋深相对较低的填料低路堤段落，由于哈齐高铁与滨洲线间排水沟沟底高程高于原设计路基本体横向排水通道（渗水土层），为保证排水通道畅通，在哈齐与既有滨洲线间设置渗水盲沟，将路基本体中的水引入盲沟中，通过盲沟将水排到检查井中，最后将水通过渗水管井导入地下，同时阻断了线间地下水的侧向补给。渗水盲沟设置于左侧护道下部，盲沟右侧1m翼缘搭在筏板或桩帽边上，埋深不满足最大冻深+0.25时，在其左侧及上侧铺设一层XPS保温板，厚0.1m。渗沟沟底纵坡原则上同线路纵坡，困难地段不小于2‰。渗沟底宽1.2m，垂直开挖，渗沟内充填洗净碎石，下设C25混凝土基础，厚0.2m，基础底部设置4%排水坡，其上设φ315mmPVC带孔双壁波纹渗水管，在渗沟左侧及上侧设置一层不透水土工布，右侧及下侧采用一层透水土工布反滤层包裹。渗沟每隔30m及平面转折处均设置一处检查井，圆形检查井采用预制拼装式，并在井内设置防寒木盖。沿渗沟每隔120m，于检查井中设管井。管井采用DN300铸铁管，直径300mm，管井长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厚钢板焊接封堵。管井周边采用玻璃纤维增强塑料丝缠裹，缠丝间隙2mm。铸铁管周边打孔，孔径5mm，间距20mm。

5.4 地基处理桩筏结构

标段内软土地基多数采取CFG桩加固+整体桩伐板结构，CFG桩桩顶全断面采用50cm厚的钢筋混凝土筏板。整体筏板结构即增大了地基的复合承载力，又阻断了路基填料和原地基间的水分联系，对高寒路基的同步沉降和工后沉降控制起到关键作用。同时筏板上按3×3m梅花型布设泄水孔，泄水孔底部穿透砼垫层，孔内填充洁净粗颗粒碎石，将路基填料内沉积在筏板顶部的水分导出至冻胀线以下。

5.5 流入涵洞外排

当地表水通过边坡防护坡面、路基基床内水分通过保温护道渗水层排入纵向排水沟后，根据汇水方向流入相近的涵洞中，受紧邻既有滨州线影响，水流汇入涵洞后，集中排放至远离既有线侧，因哈齐客专地处松嫩平原，涵洞出口排水困难，后设计采用埋管引流至低洼处或设置机排等辅助排水设施，保证排水管网畅通。

6 确保防排水体系畅通的施工控制要点

6.1 路基填料控制

严格按照设计要求冻深+0.25m范围内满足细颗粒（颗粒粒径≤0.075mm）含量小于5%、压实后小于7%，压实后渗透系数不小于5×10-5m/s。按照工艺性试验总结，管段内填料最佳含水量在3.5%～4.4%之间，含水量的大小直接影响填料的压实效果。

6.2 保温护道渗水层施工控制

反压护道内渗水层高程控制和渗水填料严格按照设计要求施工，渗水层设置在基床底层第一层位置（最大冻胀线位置），渗水层填料的渗水性要满足设计要求。

6.3 渗水盲沟施工控制

（1）管井施工作业时，钻孔直径为600mm，铸铁管管径为300mm，为了保证铸铁管的施工质量，同时方便回填碎石及粘土，需在放置铸铁管时保证其垂直度，确保钻孔中心与铸铁管中心重合。因此，在施工前期需对铸铁管底部及顶部做出处理，对铸铁管底部及顶部加焊定位钢筋，定位钢筋长度为550mm。同时对铸铁管顶部封堵，防止回填时碎石堵塞其排水通道。下放铸铁管时需放慢速度，且及时回填碎石及粘土，防止塌孔造成管井排水不畅。（2）标高控制：管井及检查井下部设置的PVC带孔双壁渗水波纹管管口位置已预制完毕，为确保PVC管能按照基础排水坡度贯通于管井及检查井，需要精确控制管井井底标高、检查井井底标高及基础顶标高的统一性。在施工前应复核施工里程段路基边坡点、管井布置点及渗水流向，综合考虑后确定管井、检查井及混凝土基础顶标高。在进行基础混凝土浇筑时，严格控制基础顶面的纵向及横向坡度，确保渗水能通过PVC带孔双壁渗水波纹管流向检查井，直至流入管井后深入地下。（3）渗水盲沟施工过程中要严格做好保温板铺设和及盲管疏通检查工作；

6.4 桩筏板结构泄水孔埋设施工控制

钢筋混凝土板上每隔2～3m交错设置泄水孔，孔径0.05m，且泄水孔（PVC管）穿透素混凝土垫层，孔内以碎石填充。

7 成果

7.1冻胀观测断面的布设

沿线路方向每50m设置一个观测断面，路涵、路桥等过渡段增设2个断面，桥台后1.0m、5.0m，涵洞过渡段设置在涵洞边墙外1.0m。每个监测断面布设3个监测点，分别位于路基线路中心及底座板边缘（路基中心线外4m）；混凝土基床段落设两个监测点，按照冻胀监测断面设计里程在距基床两侧20cm表面上，涵洞观测桩设置在四个角的帽石顶上。

7.2 基床冻胀观测

路基填筑时在筏板顶部埋设沉降板，路基填筑顶面埋设监测桩，通过水准测量能够测出地基（沉降板）的沉降变化Δ1和顶面监测桩的高程变化Δ2。沉降板和检测桩的高程变化差值（Δ2-Δ1）即为路基冻胀融沉值（d）。

7.3 成果

通过后期监测，全线路基变形在4mm以内，约占95%以上，最大冻胀变形值也处于可控状态。一般认为，冻胀小于4mm，不会影响列车舒适性，大于8mm有可能影响运营安全，需要进行处理[4]，满足评估要求。目前哈齐高铁已顺利通过评估验收，并正式投入运营，后期设备管理单位将实时监测，确保哈齐铁路安全平稳运行。

8 结语

综上所述，严寒地区高铁路基防排水体系畅通与否是影响路基冻胀的主要因素，尤其是季节性冻土地区，其冻胀融沉现象每年会形成一个疲劳周期，防排水设施需要良好的耐久稳定性，这些影响还需要广大工程技术人员进一步的探索和研究。本文通过上述一系列的防排水措施，以及施工过程中的严格控制，从冻胀监测结果看，防排水设计与施工对高速铁路路基冻胀起到了很好的控制，为下一步同类工程施工起到了指导和示范作用。

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