严寒地区牡佳高速铁路路基冻胀特性研究

孙英潮

黑龙江铁路发展集团有限公司，哈尔滨 150000

铁路路基季节性冻胀变形对列车运营安全性、平稳性有直接影响。近年来在我国季节性冻土区铁路建设大规模开展，对路基冻胀变形的控制十分严格，设计阶段制定了一系列防冻胀方案，防冻胀效果需要通过严格的施工质量控制来保证，以及长期监测来验证［1-3］。关于高速铁路路基冻胀变形特性及监测已有研究。陈则连等［4］以哈齐高速铁路为依托，研究其冻胀变形发展随着时间的变化规律。孙英潮等［5］结合自动监测、水准观测和轨道动态检测相结合的综合冻胀监测系统应用要求，探讨了高速铁路建设与运营各阶段不同监测方式的相互关系。杨有海、夏琼等［6-7］以兰新高速铁路为研究对象，研究了路基土分层冻胀变形与冻结深度的关系，分析了冻胀率随冻结深度的变化规律，提出了抑制冻胀发展的措施。张正义［8］以沈丹客专为背景，系统研究了严寒地区山区高速铁路路基防冻胀技术措施，得出合理的防冻胀措施可以有效控制冻胀变形发展。

综上所述，季节性冻土区高速铁路路基冻胀是存在的，但采取适当的措施可以有效抑制冻胀变形的发展。牡佳高速铁路位于黑龙江省东部，全线处于严寒地区，线路长度374.744 km，路基176.079 km，占线路全长的47.5%。路基处于季节性冻土区，易发生冻害，掌握其路基冻胀的发展变化规律可为牡佳高速铁路后期运营维护提供依据，为我国季节性冻土区高速铁路设计施工提供参考。

1 牡佳高速铁路路基防冻胀措施

1.1 路基防冻胀结构设计

基床表层填筑级配碎石，其颗粒粒径d≤0.075 mm含量小于5%，压实后小于7%，同时满足压实后的渗透系数大于5 × 10-5m∕s，并掺入5%水泥。无砟轨道路基基床表层底面以下至设计冻结深度范围内填筑级配碎石。有砟轨道基床底层采用A、B 组填料，其中基床表层底面以下至设计冻结深度范围内，填筑非冻胀A、B 组填料。

1.2 防冻胀护道

对水稻田、雨季滞水或地下水位高（地下水位距地表0.5 m）的低洼谷地路堤地段及地势平坦、排水条件困难地段，且地基土为冻胀性土层时，两侧边坡设防冻胀护道，护道高宽均为3.0 m。路堤填高小于3.0 m 的低路堤，两侧边坡基床表层底面处设置宽3.0 m的保温护道。

1.3 限制路堤最小高度

路堤高度原则上应大于基床厚度，常年积水地段路肩高程应位于常水位以上不小于设计冻结深度+0.5 m。对于低路堤及路堑段落设置渗水盲沟，盲沟出口采取保温措施。

2 路基冻胀变形观测方法

2.1 人工观测

沿线路方向每50 m 设置一个观测断面，路桥及路涵过渡段内应布设不小于1个观测断面，涵顶布设一个观测断面，共布设3 185个断面。每个断面布设3个观测点，即线路中心和左右线轨道外侧各设一个观测点，测点位置如图1 所示。首次观测应联测线下深埋水准点和线路水准基点，进行构网观测，建立线上监测基准网。首次观测应编制好水准线路图，以后每次观测均固定水准路线，并且规定仪器的摆放位置。后期每次路基变形监测前，应采用二等水准测量方式对线上基准点进行检核。如果各个基准点间满足二等水准的限差要求，则采用原值。如果不满足可采用内插法进行调整，当内插法无法调整时，需重新联测线下基准点并对线上基准点进行检核及调整。常规监测时间为 11 月以及次年的 1、3、5 月，每隔 1个月中旬观测1次，共观测4次。

图1 监测点横断面布设

2.2 自动监测

根据路基工点类型、地貌类型、地质条件、地下水分布情况以及现场施工情况选择具有代表性的监测断面进行监测元器件布设。每个自动监测断面在路基表面横向布设2 排平行监测孔，分别位于路基中心和路堤左线外侧1 m 或路堑右线外1 m；纵向布设5 排平行监测孔，相邻两孔间距1 m，由小里程到大里程方向孔深分别为0.7、1.7、2.7、5.0、5.0 m，进行冻胀变形、含水率、地温监测，测点布设如图2 所示。共计30个监测断面，所有元器件埋设后必须至少测试5 次初始读数，稳定后确定初值。测读频率可根据需要设定。待稳定后，每天采集 4 次，分别于00：00、06：00、12：00、18：00 四个时刻进行自动采集，可根据实际情况加密监测频次，频次增加时可等间隔采集，时间起点为00：00。

图2 路基自动监测断面元器件布设平面示意

3 路基冻胀变形分析

3.1 路基面冻胀观测分析

2020—2021 年全线监测路基段落169个，人工监测四个期次，分别为 2020 年 11 月，2021 年 1 月、3 月、5月，统计每个测点冻胀最大值所在期次。不同期次对最大冻胀变形的贡献率，在第三期（2021 年3 月）达到最大值测点占 68.8%，在第二期（2021 年 1 月）占31.2%，第一期和第四期没有，可知冻胀变形主要在三月份达到最大值。全线测点平均变形量随期次的变化曲线见图3。可知，在第四期出现冻胀回落，部分测点经过一个冻融周期路基冻土层结构发生变化，并表现为表面相对疏松。现场施工机械（整平、铺轨等）在第四期现场测量之前进场施工，来回重载碾压引起路基出现再次压实而产生一定沉降，但沉降变形总体上不大。

图3 全线测点平均变形量随期次的变化曲线

统计了每个段落不同部位的变形值，沿线部分断面不同部位最大冻胀变形随里程的变化曲线见图4。可知，每个断面不同部位冻胀差异整体较小，个别断面有明显差异，路基左侧、中心、右侧冻胀随里程变化曲线趋势基本一致，路基变形较大断面相对集中。统计了部分断面最大值最小值随里程变化曲线，两者随里程变化趋势一致，整体差异不大，个别断面差异明显。因此，冻胀变形差异在纵向上比在横向上明显。这是由于纵向的路基工点类型、地形地貌、地下水分布、施工质量等多种因素都存在一定差异，这些因素往往是冻胀变形的控制因素或间接影响因素。

图4 部分断面不同部位最大冻胀变形随里程变化曲线

综合分析了2019—2021 两个年度路基最大冻胀变形、沉降变形，对比情况见图5。可知：2019—2020年冻胀变形最大值、沉降变形最大值均较大，表现为点位分布较为离散，变形区间较大，极端变形值也较多。相比而言，2020—2021 年各监测点位变形相对较小，点位集中分布于0～4 mm，冻胀变形和沉降变形相对较小。主要原因在于2020—2021年，牡佳高速铁路各路基段落基本完成砟石和铁轨铺设工作，地基、路基上覆工程层厚度增加，同部位地温相较于上年度有所升高。此外，路基配套排水设施完成度和畅通情况较上年度施工期显著提高，场地排水条件改善明显。2020—2021 年冻胀变形的测点占总测点数量的78.2%，沉降变形的测点数量占21.8%，全线人工监测点位主要表现为冻胀变形。2020—2021年全线变形小于等于4 mm的测点、4～8 mm 的测点、大于8 mm 的测点占比分别为99.7%、0.3%、0%。

图5 2019—2021两年度最大冻胀变形、沉降变形对比

3.2 路基冻胀变形统计分析

以断面DK133+686 为例，分析该断面右侧冻胀变形随时间变化曲线，见图6。可知：从变形发展阶段来看，变形发展过程主要表现为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀、融化回落4个阶段［9］；从分层变形量值来看，表层（0～0.7 m）变形最大，占总冻胀变形量的50%左右，中部及以下变形较小；从产生原因上分析，监测期间表层为A 组填料，上部覆盖冰雪在白天融化晚上上冻过程中增加填料含水（冰）率，冻胀比较明显。随着深度增加，上部融化的水难以到达而含水率较小，冻胀较小。中部（0.7～1.4 m）位于冻结深度范围内，含水率小，所以增加的冻胀变形不明显，1.35 m 以下含水率较大并逐渐增加，却不具备负温条件，所以对冻胀变形贡献不大，可见冻胀变形需要含水率、地温、填料结构、水分变化迁移共同作用才能发生。冻胀变形在不同深度有一定差异，大致表现为随深度增加而增大。

图6 DK133+686 右侧冻胀变形随时间变化曲线

3.3 路基地温及冻结深度

以断面DK133+686为例，2020—2021年该断面右侧不同深度地温随时间变化曲线见图7。可知，路基表层温度随时间的波动较大，与气温随时间变化曲线相关性较强，随着深度增加波动幅度逐渐降低，地面1.1 m 深度及以下几乎平滑，波动较小，2 月中旬至3月上旬以后（受当年气候影响）表层温度逐渐由降低开始变为升高，但深部温度还在缓慢降低，说明地温从路基表层往下的增减存在明显的时间滞后。

图7 DK133+686右侧不同深度地温随时间变化曲线

DK133+686 右侧不同部位冻结深度随时间变化曲线见图8。可知，在路基冻胀过程中，受外界气温热传导作用从路基表面和侧面向路基体内冻结，进入融化期则从路基表层、侧面以及路基底部向冻结体中心解冻，因此存在两个冻结深度变化曲线。在冻胀初期路基表面为负温，仅存在一个冻结深度变化曲线，冻结深度随时间变化相对较快。进入2 月中旬—3 月初以后冻胀速率开始变缓，冻结深度发展到最大，之后开始减小，减小速率较大。3 月下旬随着气温的回升表层开始解冻，冻结深度变化曲线下降速率比底层冻结深度变化曲线速率快。3月底两条曲线开始靠近或连接，冻结层由最初的较快增大，到中期的缓慢增大，再到后期的快速减小，最后消失。在冻胀监测周期内冻结融化规律大致相似，冻结深度变化略有差异。

图8 DK133+686不同部位冻结深度随时间变化曲线

4 结论

1）2020—2021 年各监测点位冻胀和沉降变形比2019—2020 年小，且点位分布相对集中，其中冻胀变形量呈现逐年降低趋势，主要是路基填土经过了较长时间自然沉降、气温回升、路基上覆层（砟石、轨道板等）厚度增加、路基冻胀历史等多因素共同作用的结果。

2）基床表层的冻胀分层变形量最大，约占总冻胀变形值的50%，冻胀变形需要含水率、地温、填料结构、水分变化迁移共同作用才能发生。冻胀变形在不同深度有一定差异，大致表现为随深度增加而增大。

3）冻结深度的发展表现为随时间先增大后减小直到消失的规律，其中在冻胀初期和中期，冻结深度增加速率相对较小，后期由于表层温度升高，上部融化导致冻结深度减小，由于融化速率较快，冻结深度减小速率比前期和中期增加速率明显快，路基中心和路基一侧冻结深度数值及变幅基本一致。