嚴寒地區高速鐵路路基防凍脹關鍵措施
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【摘要】本文結合新建吉林至琿春鐵路站前工程JHSⅡ標施工實例，對高速鐵路路基凍脹機理及影響因素展開分析，圍繞路基結構、地下水位較高或地勢低洼地段路堤護道、路塹基床表層以下區域換填、路基防水及排水設計等方面介紹了防止高速鐵路路基出現凍脹變形的有效方式，以供參考。
引言
隨著高速鐵路技術的不斷發展，“中國速度”已經享譽世界。然而在嚴寒地區，高速鐵路路基經常受自然環境影響，出現凍脹變形等現象，嚴重威脅高速鐵路的安全性。為了盡可能降低嚴寒地區高速鐵路路基出現凍脹變形的概率，以及在凍脹變形出現后，盡量減小其形變程度，使工程達到鋪設無砟軌道的條件，必須對防凍脹的關鍵措施進行全面總結，提升嚴寒地區高速鐵路防凍脹等級。
1工程概況
吉琿鐵路位于吉林省中東部，JHSⅡ標區段地層主要為第四系全新統沖洪積粉質黏土、黏土、粉土及砂礫，第四系全新統殘破積粉質黏土，白堊系下統保家屯組砂礫巖、頁巖。本區段屬北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，為嚴寒地區。夏季短促溫暖，冬季漫長酷寒，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；土壤最大凍結深度：168～192cm。
2高速鐵路路基凍脹機理分析及影響因素
高速鐵路路基出現凍脹變形情況主要受水、空氣、土顆粒的影響。嚴寒地區的溫度除了長時間處于單一的“冷寒”狀態之外，在部分時段內還會出現溫差較大的情況。上述三種物質在溫度由高驟然轉低的過程中，將會從液體或氣體形態迅速轉變為固態，使高速鐵路路基出現“冰凍”現象，進而造成體積增大，威脅高速鐵路的正常使用。具體的凍脹機理分析及影響因素如下：（1）嚴寒地區的土質。根據數學原理，如果土層中單位土顆粒的粒徑越小，形成一個整體之后，其表面積總量將會越大，將會提升水的“滲透”作用。在此情況下，一旦溫度驟然降低，土質的體積迅速提升，使路基產生凍脹形變。如果降低土顆粒的黏性，控制不同顆粒之間的間隙，水的滲透作用將會減弱，凍脹變形程度也會隨之下降[1]。（2）水分。在凍脹變形現象中，水分是核心因素，如果土層中沒有絲毫水分，外界溫度變化對土顆粒幾乎不會產生影響。而現實情況是，空氣中存在水分、土層下方存在地下水，無時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，必須從結構設計等方面著手。（3）溫度環境變化。若要解決這一問題，必須明確溫度變化后，土層中產生的“連鎖反應”。一般來說，嚴寒地區的外界氣溫驟然降低，土層內部溫度也會隨之降低，一旦土體溫度低于0℃，土層內部的水分將會出現“遷移”現象。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，為了提升嚴寒地區高速鐵路路基的防凍脹能力，設計人員務必充分考慮上述三項影響因素。一旦脫離實際，路基的整體質量將會大打折扣，進而影響高速鐵路的正常使用。
3防止高速鐵路路基出現凍脹的有效方式
3.1防凍脹路基結構設計
嚴寒地區高速鐵路的路基設計，必須使其在整體上具備防凍脹能力。（1）在路基基床設計時，需要在基床表層填筑級配碎石。根據《高速鐵路設計規范》（TB10621—2009）中嚴寒地區鐵路基床表層的有關要求，壓實標準必須符合如下要求：能夠滿足高鐵列車250km/h的行駛速度；壓實厚度達到0.7m；壓實系數K大于0.97；地基系數大于190MPa/m；動態變形模量大于55MPa。基床底層應該采用兩組填料，粒徑級配必須滿足壓實性能的有關要求，且填料需要符合防凍脹要求。總體來說，填料中化學改良土的壓實系數不得小于0.95、7d飽和無側限抗壓強度必須大于550kPa；砂類土及細礫土的壓實系數至少為0.95、地基系數至少達到130、動態變形模量至少為40；碎石類及粗礫土的壓實系數不得小于0.95、地基系數不得小于150、動態變形模量不得小于40。需要注意的是，兩組非凍脹性填料中，細顆粒土的含量不得超過15%[2]。在施工中，路堤區段的基床底層頂部應該設置一層厚度為0.2m的厚中粗砂，其內夾鋪一層復合土工膜，起到阻隔作用。此外，在基床底層上部1m范圍內、基床底層下部1.1m范圍內填筑兩組填料（上部為非凍脹性）。如果路塹地段的地基條件較差，無法滿足填料強度和防凍要求，應該在基床底層厚度范圍內換填兩組非凍脹性填料，并在換填頂部設置一層厚度為0.2m的厚中粗砂，其內夾鋪一層復合土工膜層。如圖1、圖2所示，為路基基床結構橫斷面示意圖。（2）路基過渡段的常見形式為路橋過渡段、陸地與橫向結構物過渡段、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計。首先，確認級配碎石過渡段的長度，計算公式為：L=a+n×（H-0.7）（1）式中：H為臺后路堤填高；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的總長度必須在20m以上。過渡段路堤基床表層級配碎石在滿足長度要求的情況下，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%的穩定級配碎石，并進行分層建筑。此種過渡段填料壓實需要滿足以下標準：過渡段路基基床表層的填料為級配碎石，壓實系數K不得小于0.97、地基系數不得小于190、動態變形模量達到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配碎石，其壓實系數K不得小于0.95、地基系數在150以上、動態變形模量至少達到50[3]。
3.2地下水位較高或地勢低洼地段路堤防凍脹護道設計
在嚴寒地區，面對地下水位較高或者地勢低洼等情況，需要按照以下標準，做好路堤防凍脹護道設計。如果周邊環境為水田，受強降雨、水分滯留、地下水位較高（距地表距離小于0.5m）等影響的區段均可以被視為低洼谷地，為了保護路堤不受水分“侵襲”，可以將厚度達到0.5m左右的表層原生土層予以清除，換填具備較強滲水性的填料，其性能與上文所述標準相同。此外，換填高度務必超出地表0.5m。如果地基土為凍脹土，則還需額外設置防凍脹護道，其高度、寬度不得小于2m。
3.3路塹基床表層以下區域換填設計
（1）如果路基地質條件為弱風化硬質巖（如花崗巖、大理巖等），可以采用換填級配碎石的方式，其中換填基地需要設置4%的排水坡，在凹凸不平處施加C25混凝土，作填平處理。基床表層的換填厚度應該達到0.2m。在此種條件下，進行硬質巖路塹值開挖面作業時，應該使用物探等方式，對巖溶發育程度進行精確探查。（2）路基地質條件如果為弱風化、不易風化的軟質巖（包含板巖、石英片巖等）、強風化硬質巖、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）易風化軟質巖（包含泥質砂巖類、頁巖等）、強風化的不易風化軟質巖（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、排水設計
為了保證路基的正常使用，還應設計完善的排水系統。總原則為：排水設備布設必須合理，且能夠與橋涵、隧道、車站等排水設備形成良好的配合。此外還應具備較強的“過水”能力，使水流順利通過。
4結語
與普通地區相比，嚴寒地區受自然環境影響，土層結構存在較大差異，特別是水分含量較多的區段，出現凍脹變形，進而導致路基沉降的現象較多。基于此，設計施工人員必須充分結合嚴寒地區的環境特點，設計針對性較強的防凍脹路基結構等應對方式，重點在于平衡路基土體中水分含量，盡量減少其對路基的影響，從根源上增強路基的穩定性。
參考文獻
[1]張義理.京沈客專季節性凍土區路基結構防凍脹技術[J].鐵道建筑技術，2019（11）：113-116.
[2]石剛強.季節性凍土地區高鐵路基凍脹規律及防治對策研究[J].路基工程，2019（3）：99-103，119.
[3]王功博，錢國玉，王永.XPS保溫板在高速鐵路路基結構防凍脹措施中的應用[J].鐵道勘察，2019，45（3）：56-60.
作者：曹敬新 單位：中鐵十一局集團有限公司