嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹關(guān)鍵措施

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【摘要】本文結(jié)合新建吉林至琿春鐵路站前工程JHSⅡ標(biāo)施工實(shí)例，對(duì)高速鐵路路基凍脹機(jī)理及影響因素展開分析，圍繞路基結(jié)構(gòu)、地下水位較高或地勢(shì)低洼地段路堤護(hù)道、路塹基床表層以下區(qū)域換填、路基防水及排水設(shè)計(jì)等方面介紹了防止高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形的有效方式，以供參考。

【關(guān)鍵詞】嚴(yán)寒地區(qū)；高速鐵路；路基防凍脹；路基結(jié)構(gòu)

引言

隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，“中國(guó)速度”已經(jīng)享譽(yù)世界。然而在嚴(yán)寒地區(qū)，高速鐵路路基經(jīng)常受自然環(huán)境影響，出現(xiàn)凍脹變形等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅高速鐵路的安全性。為了盡可能降低嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形的概率，以及在凍脹變形出現(xiàn)后，盡量減小其形變程度，使工程達(dá)到鋪設(shè)無砟軌道的條件，必須對(duì)防凍脹的關(guān)鍵措施進(jìn)行全面總結(jié)，提升嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路防凍脹等級(jí)。

1工程概況

吉琿鐵路位于吉林省中東部，JHSⅡ標(biāo)區(qū)段地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、黏土、粉土及砂礫，第四系全新統(tǒng)殘破積粉質(zhì)黏土，白堊系下統(tǒng)保家屯組砂礫巖、頁(yè)巖。本區(qū)段屬北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，為嚴(yán)寒地區(qū)。夏季短促溫暖，冬季漫長(zhǎng)酷寒，年平均氣溫4.0～6.8℃，極端最高氣溫36.3～37.7℃，極端最低氣溫-29.2～-42.5℃，年平均降水量528～670mm；土壤最大凍結(jié)深度：168～192cm。

2高速鐵路路基凍脹機(jī)理分析及影響因素

高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形情況主要受水、空氣、土顆粒的影響。嚴(yán)寒地區(qū)的溫度除了長(zhǎng)時(shí)間處于單一的“冷寒”狀態(tài)之外，在部分時(shí)段內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)溫差較大的情況。上述三種物質(zhì)在溫度由高驟然轉(zhuǎn)低的過程中，將會(huì)從液體或氣體形態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，使高速鐵路路基出現(xiàn)“冰凍”現(xiàn)象，進(jìn)而造成體積增大，威脅高速鐵路的正常使用。具體的凍脹機(jī)理分析及影響因素如下：（1）嚴(yán)寒地區(qū)的土質(zhì)。根據(jù)數(shù)學(xué)原理，如果土層中單位土顆粒的粒徑越小，形成一個(gè)整體之后，其表面積總量將會(huì)越大，將會(huì)提升水的“滲透”作用。在此情況下，一旦溫度驟然降低，土質(zhì)的體積迅速提升，使路基產(chǎn)生凍脹形變。如果降低土顆粒的黏性，控制不同顆粒之間的間隙，水的滲透作用將會(huì)減弱，凍脹變形程度也會(huì)隨之下降[1]。（2）水分。在凍脹變形現(xiàn)象中，水分是核心因素，如果土層中沒有絲毫水分，外界溫度變化對(duì)土顆粒幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。而現(xiàn)實(shí)情況是，空氣中存在水分、土層下方存在地下水，無時(shí)無刻不在向土層中滲透，故而無法從源頭上隔絕水分，為了提升路基防凍脹能力，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手。（3）溫度環(huán)境變化。若要解決這一問題，必須明確溫度變化后，土層中產(chǎn)生的“連鎖反應(yīng)”。一般來說，嚴(yán)寒地區(qū)的外界氣溫驟然降低，土層內(nèi)部溫度也會(huì)隨之降低，一旦土體溫度低于0℃，土層內(nèi)部的水分將會(huì)出現(xiàn)“遷移”現(xiàn)象。受土體顆粒密度、有無外部接觸水源等條件的影響，水分遷移及凍脹程度是不同的。綜上所述，為了提升嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基的防凍脹能力，設(shè)計(jì)人員務(wù)必充分考慮上述三項(xiàng)影響因素。一旦脫離實(shí)際，路基的整體質(zhì)量將會(huì)大打折扣，進(jìn)而影響高速鐵路的正常使用。

3防止高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹的有效方式

3.1防凍脹路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的路基設(shè)計(jì)，必須使其在整體上具備防凍脹能力。（1）在路基基床設(shè)計(jì)時(shí)，需要在基床表層填筑級(jí)配碎石。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621—2009）中嚴(yán)寒地區(qū)鐵路基床表層的有關(guān)要求，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)必須符合如下要求：能夠滿足高鐵列車250km/h的行駛速度；壓實(shí)厚度達(dá)到0.7m；壓實(shí)系數(shù)K大于0.97；地基系數(shù)大于190MPa/m；動(dòng)態(tài)變形模量大于55MPa。基床底層應(yīng)該采用兩組填料，粒徑級(jí)配必須滿足壓實(shí)性能的有關(guān)要求，且填料需要符合防凍脹要求。總體來說，填料中化學(xué)改良土的壓實(shí)系數(shù)不得小于0.95、7d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度必須大于550kPa；砂類土及細(xì)礫土的壓實(shí)系數(shù)至少為0.95、地基系數(shù)至少達(dá)到130、動(dòng)態(tài)變形模量至少為40；碎石類及粗礫土的壓實(shí)系數(shù)不得小于0.95、地基系數(shù)不得小于150、動(dòng)態(tài)變形模量不得小于40。需要注意的是，兩組非凍脹性填料中，細(xì)顆粒土的含量不得超過15%[2]。在施工中，路堤區(qū)段的基床底層頂部應(yīng)該設(shè)置一層厚度為0.2m的厚中粗砂，其內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜，起到阻隔作用。此外，在基床底層上部1m范圍內(nèi)、基床底層下部1.1m范圍內(nèi)填筑兩組填料（上部為非凍脹性）。如果路塹地段的地基條件較差，無法滿足填料強(qiáng)度和防凍要求，應(yīng)該在基床底層厚度范圍內(nèi)換填兩組非凍脹性填料，并在換填頂部設(shè)置一層厚度為0.2m的厚中粗砂，其內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜層。如圖1、圖2所示，為路基基床結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖。（2）路基過渡段的常見形式為路橋過渡段、陸地與橫向結(jié)構(gòu)物過渡段、路堤路塹過渡段、路隧過渡段等。受篇幅所限，本文主要介紹路堤與橋梁過渡段的防凍脹設(shè)計(jì)。首先，確認(rèn)級(jí)配碎石過渡段的長(zhǎng)度，計(jì)算公式為：L=a+n×（H-0.7）（1）式中：H為臺(tái)后路堤填高；a常取值為5；n的取值范圍在2～5之間；如果路堤較低，則n取最大值。需要注意的是，L的總長(zhǎng)度必須在20m以上。過渡段路堤基床表層級(jí)配碎石在滿足長(zhǎng)度要求的情況下，可以摻入占總量5%的水泥，基床底層、基床以下路堤需要摻入占總量3%的穩(wěn)定級(jí)配碎石，并進(jìn)行分層建筑。此種過渡段填料壓實(shí)需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：過渡段路基基床表層的填料為級(jí)配碎石，壓實(shí)系數(shù)K不得小于0.97、地基系數(shù)不得小于190、動(dòng)態(tài)變形模量達(dá)到55；過渡段路基基床表層以下的倒梯形陰影部分填料也為級(jí)配碎石，其壓實(shí)系數(shù)K不得小于0.95、地基系數(shù)在150以上、動(dòng)態(tài)變形模量至少達(dá)到50[3]。

3.2地下水位較高或地勢(shì)低洼地段路堤防凍脹護(hù)道設(shè)計(jì)

在嚴(yán)寒地區(qū)，面對(duì)地下水位較高或者地勢(shì)低洼等情況，需要按照以下標(biāo)準(zhǔn)，做好路堤防凍脹護(hù)道設(shè)計(jì)。如果周邊環(huán)境為水田，受強(qiáng)降雨、水分滯留、地下水位較高（距地表距離小于0.5m）等影響的區(qū)段均可以被視為低洼谷地，為了保護(hù)路堤不受水分“侵襲”，可以將厚度達(dá)到0.5m左右的表層原生土層予以清除，換填具備較強(qiáng)滲水性的填料，其性能與上文所述標(biāo)準(zhǔn)相同。此外，換填高度務(wù)必超出地表0.5m。如果地基土為凍脹土，則還需額外設(shè)置防凍脹護(hù)道，其高度、寬度不得小于2m。

3.3路塹基床表層以下區(qū)域換填設(shè)計(jì)

（1）如果路基地質(zhì)條件為弱風(fēng)化硬質(zhì)巖（如花崗巖、大理巖等），可以采用換填級(jí)配碎石的方式，其中換填基地需要設(shè)置4%的排水坡，在凹凸不平處施加C25混凝土，作填平處理?；脖韺拥膿Q填厚度應(yīng)該達(dá)到0.2m。在此種條件下，進(jìn)行硬質(zhì)巖路塹值開挖面作業(yè)時(shí)，應(yīng)該使用物探等方式，對(duì)巖溶發(fā)育程度進(jìn)行精確探查。（2）路基地質(zhì)條件如果為弱風(fēng)化、不易風(fēng)化的軟質(zhì)巖（包含板巖、石英片巖等）、強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖、碎石類土、礫石類土，需要使用兩種非凍脹性的填料，正線基床底層的換填厚度不得小于0.8m。（3）易風(fēng)化軟質(zhì)巖（包含泥質(zhì)砂巖類、頁(yè)巖等）、強(qiáng)風(fēng)化的不易風(fēng)化軟質(zhì)巖（砂巖類、板巖等），使用兩種非凍脹性填料，厚度不得小于1.5m。

3.4路基防水、排水設(shè)計(jì)

為了保證路基的正常使用，還應(yīng)設(shè)計(jì)完善的排水系統(tǒng)。總原則為：排水設(shè)備布設(shè)必須合理，且能夠與橋涵、隧道、車站等排水設(shè)備形成良好的配合。此外還應(yīng)具備較強(qiáng)的“過水”能力，使水流順利通過。

4結(jié)語

與普通地區(qū)相比，嚴(yán)寒地區(qū)受自然環(huán)境影響，土層結(jié)構(gòu)存在較大差異，特別是水分含量較多的區(qū)段，出現(xiàn)凍脹變形，進(jìn)而導(dǎo)致路基沉降的現(xiàn)象較多。基于此，設(shè)計(jì)施工人員必須充分結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)針對(duì)性較強(qiáng)的防凍脹路基結(jié)構(gòu)等應(yīng)對(duì)方式，重點(diǎn)在于平衡路基土體中水分含量，盡量減少其對(duì)路基的影響，從根源上增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]張義理.京沈客專季節(jié)性凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)防凍脹技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（11）：113-116.

[2]石剛強(qiáng).季節(jié)性凍土地區(qū)高鐵路基凍脹規(guī)律及防治對(duì)策研究[J].路基工程，2019（3）：99-103，119.

[3]王功博，錢國(guó)玉，王永.XPS保溫板在高速鐵路路基結(jié)構(gòu)防凍脹措施中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2019，45（3）：56-60.

作者：曹敬新 單位：中鐵十一局集團(tuán)有限公司