高寒环境下铁路路基冻害成因及处治对策

高寒环境下铁路路基冻害成因及处治对策

孙家禹,李琦

呼和浩特铁路局呼和浩特工务段  内蒙古呼和浩特市  010000

摘要：随着我国社会经济的不断发展，近年我国东北高寒地区高速铁路开通运营线路逐年快速增加，相继建设了长白铁路、哈佳铁路、京沈铁路等多条高速铁路，进一步促进了整个铁路网络的完善、安全和畅通。但由于东北高寒地区独特的气候环境，铁路路基易产生冻害问题，严重影响了高铁正常运行，给高铁的运行带来了极大的安全隐患。因此，有必要围绕冻害现象的具体成因展开探讨，提出针对性的处治对策，以给铁路运营安全创设良好的条件。

关键词：高寒环境；铁路路基；冻害成因；处治对策

引言

由于季节性冻土区冬季温度低，夏季温度高，土体常年处于冻融循环过程中，导致该类土体在不同的季节结构受力存在极大的差异。土体冻融循环还可能会导致土体在不同的季节出现塌陷及鼓包的现象，导致在季节性冻土区经常出现路基冻害。近年来，越来越多的专家学者围绕季节性冻土区既有铁路路基冻害防治措施开展了深入系统的研究，取得了丰硕的成果，但是对冻土区铁路路基建设完成之前的相应防冻害措施研究较少。

1研究的意义

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响，甚至是永久性破坏。其中，最为常见的便是路基的变形影响，随着四季更替，温度冷暖的周期性变化，使得路基发生冬季冻胀变形、夏季融沉变形的现象。由于路基-轨道结构的层间变形传递规律，会引起轨道结构的不均匀变形，导致高速列车的平顺性与舒适性的下降。因此，季冻区高速铁路路基冻害问题亟需解决。目前，对季冻区高速铁路路基冻胀融沉变形研究主要通过理论分析与现场监测开展，相关学者针对不同工程实例进行了一些研究工作。研究较多涉及到温度与冻胀规律之间的关系，但对于冻胀时的水分迁移、温度与冻胀量之间的对应研究较少。而冻胀时的水分迁移、温度与冻胀量之间的对应关系，恰恰是研究高速铁路路基冻胀、解决冻胀病害的关键因素。同时在路基冻胀对轨道结构的变形影响及路基冻胀对轨道系统的动力学效应影响方面研究甚少。因此，结合高速铁路冻胀区段的气候状况，研究温度变化情况下路基内部温度场、水分场的分布及变化规律、路基的变形特性、以及冻胀作用对轨道结构的动力效应影响等，为季冻区银西高速铁路的路基冻胀控制与补强措施方面的研究提供理论依据。

2路基工程冻害类型及成因

2.1路堑侧沟平台冻胀鼓裂、侧沟冻胀倾倒

铁路路基路堑地段坡脚设2～3m宽侧沟平台，再依次为侧沟、混凝土路肩、路基。其冻害主要影响因素有：①路堑地段土质为粘性土、黏土等含水量高透水性差的土，及膨胀土等工程性质差的土；②侧沟平台浆砌片石砌筑横坡不足造成积水及浆砌片石防水性差，水渗入平台下土内含水量升高；③春融季节，平台及边坡上积雪融化，冻融循环造成冻害。

2.2融沉翻浆、变形

路基沉降变形是季冻区铁路工程最主要的病害，且在含水量较大的黏性土地带极易发生。有学者对青藏铁路沿线路基变形进行调查，发现超过85％的路基变形为融沉变形，对铁路运营安全造成了极大隐患。另外，冻结期路基表面水分积聚，且春融期路基中水分自上而下融化后来不及排出，导致路基反复冻融循环，最终因为路基强度降低至不能承受外荷载而造成路基结构破坏。

2.3路基填料的密实度

回填土的压实度同样也是土体冻胀的影响因素之一。土体压实度又称夯实度,是土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度的比值。它表示的是回填料压实后的密实状态以及土的其他物理特性,是控制路基填料压实质量的标准之一。改变填料的压实度并不会影响其含水率,但是土颗粒间排列越紧密,其孔隙率就会相应越小。当填料中含水量相同时,压实度小的土体,其孔隙率就相对较大,水分就更容易通过结构内的毛细孔道发生土层区域间的运动,当土体温度达到冻结温度时,水分会通过毛细孔道由高温区域向低温区迁移,结构内部的自由水向冻结面聚集,土颗粒间的孔隙被充满后不断膨胀,导致土体体积增大,从而引起路基冻胀的发生。而压实度小的土体,土颗粒间的孔隙率较大,液态水分子凝结硬化成为冰晶体时,对于结构体积的变化相对较弱,冻胀变形相对不明显。

3路基工程冻害处治对策

3.1排水隔水法

水是路基冻胀的必要条件，所以减弱路基冻害可以从排水隔水的思路出发。现阶段，排水法主要分为地表排水和地下水引导。隔水法主要在路基土体内设置一层隔水层，直接减弱甚至阻止隔水层上下水分交换。两种方法都是以减小路基土体含水量的方式防治路基冻害。在实际工程中，合理选择排水隔水方法不仅能够起到良好的冻害防治效果，还能够节约工程成本。但是，如果不结合工程实际地质条件、水文条件等因素进行考虑便采用该方法，可能会使冻害防治效果大打折扣，甚至会对工程造成危害。

3.2注盐法

在明确路基冻胀发展最严重区域的基础之上,利用注盐法进行冻害整治。目前使用较多的是钻孔埋管注盐法和钢管花注浆法,通常使用的氯化钠、氯化镁等无机盐溶液,通过钻孔管在压力作用下注入路基结构,盐溶液的冻结温度随其盐离子浓度的升高而降低,从而降低路基填料中水分的凝结温度,同时盐离子可以增大土颗粒表面的水膜厚度,降低土颗粒的表面势能,抑制水分迁移,从而达到路基结构冻胀防治的目的。在采用注盐法进行路基冻害防治时,需要考虑用盐类型、加盐浓度以及施工工艺等因素对于冻胀防治效果的影响。

3.3路堑

（1）中心冻高8～12mm低填及路堑地段。检查并疏通侧沟、渗水盲沟、渗水盲管及护肩泄水孔。（2）中心冻高≥12mm的低填及路堑地段。单个散点断面，结合细颗粒含量及冻高情况，采用挖除表层，换填级配碎石掺5%水泥的措施。（3）中心冻高≥12mm的低填及路堑地段。连续段落，考虑其两侧侧沟平台或坡脚设置渗水盲沟，并结合细颗粒含量及两侧监测点冻高情况，挖除表层，换填级配碎石掺5%水泥措施。

3.4路基结构形式优化

路基断面形式对路基冻害的影响不可忽视。由于路基为线状结构，设计师通常将路基段面形式设计成零挖填、路堑及路堤等不同结构形式。路堑及零挖填部位地下水往往比较活跃，最终导致上述位置路基冻胀且发生概率较大。所以，铁路工程抗冻设计过程中应重点把控该部位。路堤高度会对多年冻土区及季节性冻土区路基热稳定性造成影响。设计师在进行路基设计时，可重点考虑路堤高度对路基下层冻土热稳定性的影响，通过合理设计，确保路基下层冻土不会形成融化夹层，同时冻土上限不会发生下移。另外，在多年冻土区建设铁路时，往往会因为路基截面形式的不同而导致原地表水文条件改变，破坏原地表热平衡，严重影响路基稳定性。因此，在铁路路堤设计过程中对合适路堤高度进行考虑的同时，需辅以相关冻土保护措施。

结语

总而言之，为防止严寒地区的高铁路基发生严重的冻害，就要在设计阶段对施工区域气候条件、路基结构设计、路基填料要求、路基防排水措施、路基防护设施等进行精细设计。改变路基结构形式能够对路基冻胀进行有效防治，但是会对地底冻土与上层热交换造成影响，严重时可能会破坏多年冻土区冻融平衡，应加强在路基结构形式方面的研究，有效防治路基冻害，维持冻土区原有的冻融平衡。施工阶段严格按照设计要求进行施工，并加强检验和监测，及时发现冻害问题并及时处理，确保线路开通运营后线路状态良好。

参考文献

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［3］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.