李先明

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川成都610031)

季节性冻土区高速铁路路基防冻胀设计优化

李先明

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川成都610031)

哈大(哈尔滨—大连)高铁是我国第一条季节性冻土区无砟轨道高速铁路，抑制路基冻胀变形是保证轨道结构稳定的必要条件。哈大高铁在建造过程中，通过前期控制和后期补强，将路基冻胀变形控制在有限范围内，保证了运营安全。本文根据哈大高铁路基冻胀深化研究成果及监测数据，对哈大高铁路基冻胀规律及工程特点进行总结，对路基防冻胀设计中填料冻胀特性的辨识、路基冻结深度的选取与修正、级配碎石掺水泥的冻胀特性、既有路基防排水结构的优劣等问题进行了探讨，从工程应用方面提出了建议。

季节性冻土区;高速铁路;路基冻胀;设计优化

1　概述

根据季节性冻土区公路、普速铁路等工程建设经验和研究结果，在负温条件下路基会出现不同程度的冻胀变形，幅值一般在10～30 cm，甚至可超过40 cm。这些变形是由于:①路基冻结深度范围内孔隙水冻结成冰，体积发生膨胀(膨胀系数为9%);②在降温冻结深入的过程中，下部未冻土层中的水分源源不断地向冻结锋面迁移、聚集并冻结。路基发生较大冻胀变形，会对建(构)筑物产生极大破坏，是季节性冻土区工程病害产生的主要原因之一。

高速铁路对轨道结构以及路基基础的变形提出了极为严格的要求。在季节性冻土区如何将路基冻胀变形控制在一定范围之内是建造者面临的一个难题。

哈大高铁南起大连市，经辽宁省营口、鞍山、辽阳、沈阳、铁岭市，吉林省四平、长春、松原市，终于哈尔滨市，线路纵贯东北三省，途径3个省会城市和7个地级市及其所辖区县。其沿线气候寒冷，极端最低温度－39.9℃，最大积雪厚度30 cm。沿线土壤最大冻结深度在93～205 cm，每年从10月开始冻结，次年4—5月全部融化，经历时间长达5～6个月。

针对哈大高铁季节性冻土区路基冻胀隐患，建造过程中围绕路基冻胀三要素——土质、水和温度，以基床填料防冻胀和“封排结合”控水措施并重为原则，施工过程中对填料的含水量、粒径、细颗粒含量等关键参数进行了重点控制。后期又对因地貌改变引起地下水变化的地段采取了防冻胀补强措施。通过哈大高铁开通运营来的历年监测数据可以发现，哈大高铁路基冻胀变形呈现总体稳定且峰值逐年减小的趋势。

2　季节性冻土区路基冻胀特点

2.1季节性冻土区路基填料的冻胀特性

通过哈大高铁沿线成型路基的挖探试验数据可知，虽然沿线施工质量略有差异，但其路基本体范围内细颗粒(粒径d≤0.075 mm)含量在4.19%～14.56%，均不大于15%，满足《铁路特殊路基设计规范》(TB 10035—2006)对路基填料的规定。沿线基床填料颗粒分析及含水率试验结果见表1。

表1　基床填料参数统计

粗粒土细粒含量与冻胀的关系见图1。按照TB 10035—2006对不冻胀土的定义，细颗粒含量为15%时，土的冻胀率已达到1%。当细粒含量超过15%之后，随着细粒含量的增加土体冻胀敏感性显著增大。哈大高铁按照平均冻结深度1.5 m计算，理论上冻胀量会达到15 mm，对于高速铁路而言变形很大。这也从理论上证明了路基冻胀的普遍性。建议在后续规范修订完善时，应提出新的填料冻胀级别划分标准，为设计和施工提供依据。

图1　粗粒土细粒含量与冻胀的关系

另外按照填料的客观冻胀特性，要将土的冻胀变形控制在一定范围内，在温度和水2方面条件不变的情况下，需要将细颗粒的含量尽量降低到5%以下甚至更低。这对于填料的选择和现场施工提出了苛刻要求。因此应在温度和水2方面进行控制。

2.2季节性冻土区路基冻结深度的规律

理论上温度受沿线气候影响属于不可控因素，路基冻结深度无法通过人为因素改变。在季节性冻土区修筑路基工程后，打破了原有地气之间相对热平衡的交换状态，导致路基冻结深度与原状土冻结深度出现差异。特别是对于铁路这种长大线性工程，受地形、土质、日照、植被、线路走向等因素影响，相同温度条件下，不同的路基形式、路基填料和日照部位，路基的实际冻结深度都会发生一定程度的变化。根据青藏线既有研究与调查成果，同一区域的野外冻结深度是气象部门提供的冻结深度的1.2～1.3倍，同一地点、同一时间阴坡的冻结深度是阳坡的1.1～1.5倍，路基换填后冻结深度是原状土冻结深度的1.2～1.5倍。

哈大高铁沿线路基冻结深度统计结果见表2，2012—2013年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻结深度之比在1.16～1.79，平均为1.43;2013—2014年观测最大冻结深度与天然土壤最大冻结深度之比在0.76～1.44，平均为1.21。

表2　哈大高铁沿线路基冻结深度统计结果

哈大高铁的工程实践说明，铁路路基最大冻结深度较天然土壤最大冻结深度普遍加大。这与填料的导热系数较高、含水率较低有关。这为季节性冻土区高速铁路路基的基床结构设计提供了重要的参数。

哈大高铁路基设计参数参考当地气象部门提供的最大冻结深度。由于铁路路基最大冻结深度普遍较天然土壤最大冻结深度大，因此渗水盲沟等排水设施在冬季易冻结，加剧路基冻胀变形。

在后续设计中，应基于填料的物理特性，通过理论计算和实测分析确定适用于高速铁路路基防冻胀设计的冻结深度，并根据线路等级、荷载、运行速度、轨道条件等确定是否采用有害冻结深度的概念。

哈大高铁在后续补强设计中，已对冻结深度进行了修正。修正公式为:设计冻结深度=当地最大冻结深度×1.3+0.5。

2.3季节性冻土区路基冻胀变形规律

尽管铁路沿线的气候特征在空间上、时间上、地域上的不确定性在一定程度上导致了路基冻胀具有随机性和不确定性，但是根据哈大高铁路基冻胀自动监测数据，路基冻胀发展变化过程可大致划分为冻胀初始波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、波动融沉、变形稳定5个发展阶段，见图2。

图2　K186+740断面路基冻胀变形过程

从图2可知，路基冻胀快速发展阶段(即第2阶段)和波动融沉阶段(即第4阶段)冻胀变形速率快、冻胀变形程度大，对轨道几何状态和线路平顺性影响大。现场维护经验表明，这期间路基冻害频繁发生，线路超限处所数量增加。

季节性冻土区具有地下水丰富，入冬前降水充沛，冬季低温严寒等气候特点。当气温下降至负温时，土层中孔隙水冻结成冰，体积膨胀，从而产生冻胀变形。这是路基冻胀变形在初期快速发展的原因。这期间路基冻结前的降雨或降雪容易渗透路基，增加路基顶层范围内含水量。此外，在个别地下水位较高的路堑地段，地下水也会向冻胀锋面迁移，随着冻结深度的加大而产生持续、较大的冻胀变形。

季节性冻土区还具有春融期间昼夜温差大的特点。这期间随着大气温度升高至0℃以上并持续一段时间，路基冻土层开始双向融化，随着温度在0℃上下波动，短时融化雪水进入基床表层，基床呈现反复冻融变形现象。

从上述分析可知，路基基床表层由于直接与大气环境接触，受温度、水分的影响较路基其他部位明显，在季节性冻土区的冻胀变形程度也更为明显。在后续设计中，应充分考虑路基基床表层填料在季节性冻土区气候环境条件影响下的冻胀特性。

3　季节性冻土区路基防冻胀设计优化思路

3.1季节性冻土区路基冻胀变形控制标准的确定

哈大高铁的建造经验表明，我国高速铁路设计规范关于路基冻胀变形的规定还需继续完善，主要有以下方面:

1)哈大高铁修建过程中对无砟轨道的沉降变形有着极为严格的规定，从设计、施工、评估到验收等工序均有一套成熟的制度。因为有章可循，加之严格的过程管控，无砟轨道的沉降变形得到控制。但是现有的设计规范中对于无砟轨道向上容许的变形量却没有标准，这就需要设计者进一步调研，充分结合已建高铁的经验，对规范、制度等进行完善。

2)通过哈大、盘营、兰新高铁的建设，我国对路基冻胀变形的认识提到了一个新的高度，但对于冻胀和冻害的界定尚无确切标准。在施工过程中乃至后期运营维护中，确定冻害标准时到底是采用绝对冻胀量还是按行车速度和长短波平顺性的要求采用相对指标，或者二者相结合进行判定都没有一个明确的规定。

以哈大高铁为例，路基冻胀变形在0～10 mm间的段落占总长的72.9%，然而根据动检数据统计，因冻胀引起的高程超限仅占路基总长的5%左右。说明路基在冬季普遍发生不同程度的冻胀，但由于其呈现总体稳定、个别峰值的特点，并非全部形成冻害。

高速铁路的安全性和舒适性均受轨道平顺性控制，而路基冻胀地段的轨道平顺性又主要受路基变形影响，在后续季节性冻土区路基设计中，设计者应充分考量路基变形与轨道变形的关系，在列车安全性和舒适性之间寻找一个平衡点，统筹考虑路基冻胀变形的控制措施和设计参数。

3.2哈大高铁过渡段冻胀特点

过渡段主要有路桥、路隧和路涵3种结构形式。其设置目的:①使支撑轨道的基础刚度不要发生突变;②避免结构物与路基发生较大的不均匀沉降，而导致轨面不平顺，因而影响线路结构的稳定。过渡段须重点关注的问题如下:

1)级配碎石掺水泥过渡段冻胀特性问题

哈大高铁路基过渡段根据国内外高速铁路、公路经验，其填筑材料为掺入一定水泥的级配碎石，长度一般控制在20 m左右。另外为了保证个别短路基(＜200 m)的刚性过渡，其整个段落基床表层均采用级配碎石掺水泥进行填筑。设计之初并未深化研究级配碎石掺水泥与冻胀变形的关系。

表3为哈大高铁路基冻胀变形分类统计结果，可以看出全线过渡段冻胀变形较普通段落明显偏小，另外由于过渡段的倒梯形结构，结构物10 m范围内全部为级配碎石掺水泥填筑，其冻胀变形更加偏小。

表3　路基冻胀变形分类统计结果

从表3可以看出，冻胀变形≤4 mm的比例，过渡段要明显大于其他路段;冻胀变形＞8 mm的比例，过渡段明显小于其他路基段;对于＞12 mm的冻胀变形，过渡段基本没有。

2)级配碎石掺水泥过渡段长度问题

过渡段由于采用级配碎石掺水泥结构，其冻胀变形较其他路基段明显偏小，它与两侧路基段的冻起与不冻起的相对高差导致了线路不平顺，过渡段反而是产生超限处所和冻害较为集中的地段。因此如何减缓过渡段及其两侧路基段的不均匀冻胀性是后续高速铁路设计应重点研究考虑的问题。

通过这一冻胀规律的发现，在盘营、哈齐客专的建设过程中，对基床表层级配碎石层全部添加了一定比例的水泥。从目前的监测数据来看，级配碎石掺水泥后改变了填料的性质，大大缓解了冻胀变形的程度，也解决了过渡段相对变形差异大的问题。

3.3哈大高铁路基防排水结构设计优化

季节性冻土区路基冻胀变形的水分补给主要来源于地表水下渗和地下水向上迁移。哈大高铁的工程实践表明，目前常用的防排水结构设计还存在一些需要细化完善的地方。主要有以下方面:

1)优化电缆槽设置位置

哈大高铁在冻胀补强过程中发现电缆槽是加剧冻胀变形的原因之一。首先，电缆槽的设置改变了路基本体的热对流条件，加大了路肩部位的冻结深度。其次，在冻结季节，电缆槽位置首先冻结，阻挡了路基基床表层水分的排出，使级配碎石含水量升高，加重了冻胀现象。第三，电缆槽在路肩部位形成一个汇水带，增加了地表水渗透至路基本体的通道。因此从减少路基冻胀角度出发，电缆槽不宜设置在路肩上。

哈齐客专在建设过程中将电缆槽位置设置在边坡，解决了潜在渗水途径问题。冻胀监测数据分析表明其防冻胀效果良好。

2)强化表面防排水层作用

路基面设置纤维混凝土防排水层，其结构缝一般采用沥青软膏或聚氨酯材料进行填充封闭处理。由于既有封缝材料技术标准不高，尤其对季节性冻土区的严寒环境适应性低，导致其封水效果差。以哈大高铁为例，密封材料在经历数次冻融循环后，均出现老化、开裂现象，地表水下渗明显，从而直接增大了路基表层冻胀变形。

从改善防排水效果的角度出发，可从以下方面进行深化研究:①探讨在无砟道床底部全断面满铺一定厚度的沥青混凝土，形成整体结构防水层;②探讨将基床表层全部换填成级配碎石掺水泥的复合结构(目前，盘营、哈齐客专已采用这一成果，效果良好);③研究满足严寒地区环境气候特点的封缝材料，延长路基面防排水层的使用寿命(目前，哈大高铁正进行实体工程试验，效果显著)。建议在后续设计中，设计者应根据不同的地域、环境和工程特点，充分论证，提出适应项目特点的防排水层结构及参数设计。

3)保证地下水位下降效果

既有高速铁路路基降低地下水位的措施主要采用渗水盲沟，设计时依据气象部门提供的当地最大冻结深度确定盲沟深度，这会导致盲沟深度不足产生冻结，造成排水不畅，地下水渗入路基，引发路基冻胀。以哈大高铁为例，按气象部门冻结深度施工的盲沟出现了个别盲沟冬季冻结现象，在后续补强设计中，对冻结深度进行修正后这一问题才得以解决。

在后续设计中，渗水盲沟的深度应根据路基填料的最大冻结深度确定，同时为迅速排出地下水和防止淤积，其底部纵坡不宜过小。对于困难地段，纵坡不易控制时，应采取加强渗水盲沟的反滤层、加大渗水盲沟排水孔尺寸、缩短检查井间距等措施，确保其排水通畅，有效降低地下水位。

4　结语

本文以哈大高铁为背景，提出了在季节性冻土区修建高速铁路路基应考虑的诸多问题，其中部分问题在近年的科研中进行了深化研究，取得了一定成果并在后续项目中陆续得到运用，如路基冻结深度的修正、基床表层级配碎石掺水泥的应用、路基防排水结构的改善和补强等。哈大高铁的建造经验可为国内外类似项目(哈齐高铁、莫斯科高铁等)提供参考。

［1］国家铁路局．TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2014．

［2］刘伟平．严寒地区高速铁路路基冻胀整治技术［J］．铁道建筑，2016(4):92-97．

［3］哈大铁路客运专线有限责任公司．新建铁路哈尔滨至大连客运专线路基冻胀情况报告［R］．沈阳:哈大铁路客运专线有限责任公司，2012．

［4］王仲锦，叶阳升，闫宏业，等．寒区铁路路基防冻胀设计中冻深计算方法的探讨［J］．铁道建筑，2013(2):57-59．

［5］中国铁道科学研究院．寒区铁路路基防冻胀结构及设计参数研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2011．

［6］杨西峰．高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究［J］．铁道标准设计，2014(8):6-11．

［7］石刚强．严寒地区高速铁路路基冻胀和工程对策研究［D］．兰州:兰州大学，2014．

(责任审编 李付军)

Design Optimization of Anti-frost-heaving for High Speed Railway Subgrade in Seasonal Frozen Soil Regions

LI Xianming
(China Railway Urban Development and Investement Group Co．，Ltd．，Chengdu Sichuan 610031，China)

The Harbin－Dalian high speed railway is the first high speed railway with ballastless track in the seasonal frozen soil regions of China and controlling the subgrade frost-heaving deformation is necessary to ensure the stability of the track structure．During the construction process of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frostheaving deformation could be controlled in a limited range for the operation safety through the early control and late rein forcement．Based on the deep research results of subgrade frost-heaving and m onitoring data of Harbin－Dalian high speed railway，the subgrade frost-heaving law and engineering characteristics of Harbin－Dalian high-speed railway were summarized，the problem sincluding frost-heaving characteristics identification of filling material，the adoption and modification of subgrade frost depth，the frost-heaving characteristics of graded gravel with cement and the advantages and disadvantages of existing waterproofing and drainage structures were discussed in subgrade antifrost-heaving design，and the suggestions were put forward from the aspect of engineering application．

Seasonal frozen soil region;High speed railway;Subgrade frost-heaving;Design optim ization

U213．1+53

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．25

1003-1995(2016)11-0096-05

2016-05-09;

2016-08-27

铁道部科技研究开发计划(Z2012-062)

李先明(1986—)，男，工程师。