关键词 严寒； 路基； 客运专线； 冻胀； 防治措施
1 引言
随着我国铁路提速范围的扩大以及列车速度的不断提高，路基暴露出的问题也越来越严重。提速后行车密度加大，维修作业时间相对减少，而且列车提速对线路的标准要求更高。现阶段北方地区已建或在建的高速铁路（客运专线），变形要求很高，且铁路路基对于冻胀反映比较敏感，我国各地区工务段每年需要投入大量人力物力进行钢轨线形调整，效果并不理想。部分列车必须限速200km/h以下，严重影响了客运专线快捷、安全优势的发挥，所以进行路基冻害成因和路基防冻胀结构措施的研究具有十分重要的现实意义。
2 路基冻胀机理及原因分析
2.1工程概况
新建哈尔滨至牡丹江铁路客运专线工程六标一分部施工区段为DK208＋400～DK224＋800，线路全长16.4km，设计时速250km/h，位于黑龙江省哈尔滨市尚志市亚布力和虎峰岭隧道之间，属严寒地区。季节性冻土分布普遍，正常每年10月底土体开始冻结，3月中旬冻结深度到达最大，最大冻结深度1.9m～2.1m，4月中旬开始融化，5月下旬冻融结束。黑龙江省尚志市地区路基冻害较为普遍，路基冻害会使路基产生不均匀变形，损害轨道的平顺性，进而影响铁路运行速度及安全，是高速铁路主要病害之一。
路基冻胀在我国已有了较长时间的研究，对于季节性路基冻土的研究也有了较为完整的体系，但在实际施工过程中由于自然环境的不同、施工材料及施工工艺的影响引起的路基冻胀情况依然时有发生，究其原因，主要在于研究侧重理论，对工程施工过程中的实际控制指导不足。文章通过对路基冻胀原因进行归纳总结，提出了相对应的防治措施及处理方法。
2.2 路基冻胀的主要机理
根据以往研究成果，路基冻胀产生的原因主要是路基中水分在0℃或0℃以下，路基土中水分发生冻结，而在冻结过程中，温度较高的水分会向温度较低的土层方向迁移，即路基更深层的水分会向冻结面移动，从而导致冻结面增大变厚，最终在温差聚水的持续作用下，形成聚冰层，挤压土颗粒，使土体膨胀，最终导致路基冻胀病害的发生。
路基冻胀由路基表面开始，向路基深处递进发展，直到路基土体温度与外界气温达到平衡，冻结停止。路基冻结所能达到的最大深度为路基的冻结深度。冻结深度与冬季的负温总量、冻结速率、土的含水量有关，冻结速率与冻结深度都随负温总量呈曲线递增关系[1]。
黑龙江尚志市地区纬度较高，年各月极端最高气温35.7℃，累年各月极端最低气温-32.1℃，属中温带，湿润～亚湿润大陆性季风气候，夏季短促温暖，冬季漫长寒冷。地下水均分布在填料以下，但沿线路基低填方及土质路堑基床距离地下水位较近，笔者认为这些地段是宜发生冻胀的区域，需加强防排水措施。
2.3 路基冻胀的主要影响因素
影响路基冻胀的因素很多，大体可以分为内因和外因两类。内因主要是填土土质和水分；外因主要是环境温度和荷载。对于铁路来说，外因是客观存在的，无法改变，因此路基设计及施工时，防冻胀措施主要是从内因考虑。
2.3.1 填料土质对冻胀的影响
填料土质对路基冻胀的影响主要是填料中细粒含量对冻胀的影响。细粒含量指的是小于0.075mm粒径的颗粒含量，即粒径d≤0.075mm颗粒质量占总质量的百分数[3]。土粒径越细，土粒与水接触面积越大，相互产生的作用越强，当粉粒含量占主要组成时，冻胀性最强。填料粒径对路基冻胀影响很大，是引起路基冻胀主要因素之一。
2.3.2填料中含水量对冻胀的影响
路基产生冻胀，与填料中的水分有直接的关系，水分是引起路基冻胀的必要条件。但并不是有水分就一定产生冻胀，只有含水量超过其起始冻胀量时，才会发生冻胀，结合本项目，基床底层230cm，采用A、B组填料，主要是级配良好的碎石类细角砾土；基床底层以下采用A、B、C组填料，主要是砂土。
过低的含水量虽更不易产生冻胀，但对路基压实度将产生较大影响。冻胀率表示土的冻胀程度（η=冻结量/冻结深度×100%），冻胀量为零时的含水量即为起始冻胀含水量[1]。当冻胀率≤1时，冻胀量对建筑物不构成威胁。
2.4其他对路基冻胀影响的因素
除上述主要影响因素外，其他对路基冻胀影响的因素还有环境温度、荷载、填
料在施工过程中的施工质量、地下水位至地面的距离等。
3 路基冻胀的防治措施
针对引起路基冻胀的各因素，从材料到施工都要考虑防冻胀的措施，要以预防为主，防治结合，综合治理的思想进行防治。其中填料土质和防排水为防治路基冻胀的主要方向。
3.1 路基基床填料的选用
哈牡客运专线对路基填料的选择非常严格，且有具体明确的要求，路堤基床表层厚0.7m，采用级配碎石掺加5%水泥填筑，基床底层厚度为2.3m，上部1.8m，采用非冻胀A、B组土填筑，其下0.5m采用A、B组土填筑，标准横断面图及填料颗粒分部曲线见下图所示：
图1.标准路基横断面图
图2.AB组填料颗粒大小分布.png)
曲线
图3.级配碎石填料颗粒大小分布曲线.png)
在《高速铁路路基工程施工质量验收标准》[2]中，对路基填筑所用填料的粒径有明确要求，本项目，根据规范及各参建单位的要求，把路基填料粒径的控制作为一项主控指标。因此，本项目选取了一段路基作为试验段，对此段路基细粒含量、含水率及冻胀量进行监测，验证细粒含量、含水率对冻胀的影响程度，从而确定填料的控制标准。
冻胀监测方法为人工测量和采集箱采集两种方式同时进行，施工单位负责人工测量，自动采集箱由设计单位设置并采集。人工测量主要是利用精密水准仪联测填筑好的路基下埋设的水准点的标高变化，从而得出冻胀量变化；自动采集主要是在现场设置“太阳能电池板+蓄电池”采集终端，与埋设水准点位通过导线连接，自动采集、存储并传输数据，从而测定所测点位的冻胀变化。最后两组数据进行对比分析，得出每一期路基冻胀量的变化。
本项目试验段对计测量数据进行了统计，统计表如下表：
.png)
从数据看出，当细粒含量、含水率都比较大或某一数值较大时，都会造成冻胀量的增加，所以控制填料细粒含量及含水率都很重要，二者也是引起路基冻胀的主要因素，在实际施工中，都应予以高度重视。
3.2水因素的处理
路基中水分主要有两个来源：地表水与地下水，地表水主要是自然降水最终渗透到路基中的部分；地下水主要是从地底下通过土壤的毛细作用不断补充到土体中的水分。在无其他水源补充的情况下，填料的冻胀系数与含水量成正比，但最终会趋近于一个稳定值；在有外界水源补给的情况下，在温度梯度作用下，填土中未冻结区的水分会向冻结区牵引和积聚，使冰晶体继续扩大，在土层中形成聚冰层，外在表现为土体隆起。所以，为了预防路基冻胀，降低地下水位或阻断地下水向上的补充和控制地表水渗入路基本体是十分必要的。
（1）设置各种排水沟及排水坡。
对于路基来说，水是影响路基质量与耐久性的主要因素之一，也是引起路基冻胀的必要条件，所以，排水措施是否有效，直接影响路基的施工质量。本项目主要排水措施有：路堤坡脚两侧，红线往里0.5m，全部设置倒梯形排水沟；路堑地段在路堑顶部设置天沟（截水沟）；在路堤式路堑两侧根据地质及地形情况设置矩形侧沟及渗水暗沟，最终所有排水设施的水汇聚到当地自然排水系统。同时，全线路基路肩处按照1m间距设置直径8cm的横向排水管，路基基床全部按照4%人字坡设置。通过这些措施，最终保证地表水能够顺利排出到路基本体外，消除或减少路基冻胀的可能。
（2）路桥路涵过渡段的处理
路基与桥梁及涵洞过渡段是防止路基冻胀，重点处理的部位，并有专门设计。过渡段的填料选用掺加3%水泥的级配碎石，分层压实，与路基段落通过设置台阶进行连接。在桥台与路基之间设置有10cm宽空心砖，雨雪等自然降水容易渗漏，因此必须处理好此处的防排水问题，台后空心砖对应位置，设置排水软管，锥体铺砌设置间距1.5m，深度不小于1m的PVC排水管，排出的水最终汇到排水沟中。
（3）对路基冻胀超标地段的治理措施
当出现路基冻胀数据超标时，应制定合理可行的治理措施，防止冻胀的继续恶化。本标段路基冻胀超标的段落见表3：
.png)
DK214+748 路堤 中心 10.2 11.1 9.0 6.7
注：表中测量数据由设计院及本项目部共同测定，冻胀量设计要求为≤8，细粒含量设计要求为≤7%。
由表中数据可知，本标段冻胀量超标位置主要集中在一个段落，冻胀量测量位置一个断面选取左中右3个点，冻胀超标位置每个断面并不一样，针对这种情况，本项目结合业主及设计建议，分析原因如下：
（1）局部段落路基两侧填料压实度欠佳，导致表水易渗，致使填料含水量偏高；部分段落，填料细颗粒含量偏高，从而引起冻胀变形。
（2）部分地段电缆槽侧壁高于路基面，路基面水排水不畅，路肩积水下，致使填料含水量偏高，引起路基两侧冻变形胀。
（3）部分地段电缆槽及护肩泄水孔排水不畅，不能及时排除基床表层下渗水引起冻胀变形。
针对引起路基冻胀原因，治理措施如下：
（1）路基中心冻胀量大于8mm 地段，参考路基两侧冻胀量，并结合路基填挖 高度，采取路堤两侧或单侧设置横向渗水盲管的措施，以便尽快疏干基床内渗水， 减小冻害。并疏通电缆槽及护肩泄水孔，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合 措施。
（2）路基中心冻胀量小于8mm，路肩冻胀量大于10mm地段，结合路基填挖高 度，采取路堤相应侧设置横向渗水盲管，并疏通电缆槽及护肩泄水孔、侧沟、渗 水盲沟，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合措施。
（3）路基中心冻胀量小于8mm，两侧或一侧冻胀量8～10mm，采取疏通电缆槽及护肩泄水孔、侧沟、渗水盲沟，整平路基面坡度，避免路肩积水等综合措施。
渗水盲管设置如图4、图5所示[4]：
.png)
图4.渗水盲管设置横断面图
图5. 渗水盲管设置纵断面图
两侧设置双排横向渗水盲管地段，上下排盲管交错设置，第一排距路基面竖向1.6m，沿线路方向间距3.8m；第二排距路基面竖向2.4m，沿线路方向间距1.9m。盲管深度至中心点交叉1.0m。单侧设置横向渗水盲管地段，盲管设置要求与两侧设置相同，盲管深 度至对侧中心线外2.0m。渗水盲管采用空心型RCP-10NC(A)渗排水管材，管径100mm，环刚度≥32KPa，管壁空隙率≥80%，外包透水土工布，钻孔直径110mm[6]。
（4）其他防排水措施
基床表层两侧设置的电缆槽，每块均设置泄水孔，泄水孔通过PVC穿过路肩，最终将基床表层的地表水排出到路基外。
在地下水位较高的路堑地段，在路肩两侧纵向设置渗水暗沟，同时每隔一段距离，两侧对称设置检查井，每两个检查井下部通过双壁打孔波纹管进行联通。每段渗水暗沟两侧
出口处设置保温措施，防止冬季出口处阻塞，导致水流不畅。 在路基两侧设置渗水暗沟，沟内放置双壁打孔波纹管。布置形式如图6所示：
.png)
图6.渗水暗沟横断面图
4 结论
通过对路基冻胀原因分析及以上措施的预防与治理，本项目路基冻胀病害防治取得了良好效果，主要得出以下结论：
（1）工程开工前要对当地的天气情况、水文地质、土质情况及设计要求做好现场调查及调研工作，做好记录，对后续工作提供材料支撑。
（2）对施工所用填料多取样并做试验，测定各项技术指标，并严格控制细粒含量及含水率，对不符合要求的填料杜绝使用。
（3）施工前要做试验段，根据试验段数据指导后续施工。
（4）排水工程严格按照设计施工，同时对设计不足地段与设计、业主及当地有关部门沟通后做补强处理，保证排水设施的完善与畅通。
.png)
专线路基工程防冻胀处理处理措施.铁道察.2011年（第4期）
[4] 技术标准.魏志伟.哈尔滨至牡丹江客运专线工程路基设计图.铁道第三勘查设计院集团有限公司.天津.2015.07.
[5] 期刊.郭奕清.冻土地区路基的主要病害分析与防治措施.山西建筑，2007年9（第27期）.309～310.
[6] 哈牡客专路基冻胀整治报告.中国铁路设计集团有限公司.2018.6.15
（5）对路基冻胀要勤量测，及时整理冻胀数据，对超标部位及时分析原因，与设计、业主单位及时沟通，制定整改措施，排除冻胀隐患。
综上所述，严寒地区路基冻胀的防治要综合考虑当地气候、施工环境、施工填料、施工工艺等各项因素，施工前做好各项准备，施工中精细控制并及时与相关单位沟通协调，施工后勤量测，整理相关数据，综合治理方能控制好冻胀病害。
参考文献：
[1] 期刊.刘焕强 张敏 冯瑞玲.客专铁路路基A、B组填料冻胀性浅析.铁道工程学报.2010年11月（第11期）.23～26.
[2]技术标准.中铁十二局集团有限公司.TB 10751-2010高速铁路路基工程施工质量验收标准.2010.12.8.
[3] 期刊.赵润涛 李季宏 李曙光.客运
论文作者:刘青,郑新
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷第22期
论文发表时间:2020/4/3
标签：路基论文; 填料论文; 措施论文; 路肩论文; 含水量论文; 细粒论文; 地段论文; 《建筑实践》2019年38卷第22期论文;