季节冻土区高铁路基冻胀变形控制技术研究现状及展望

王泽成，张潮潮，郭 磊，卜文杰，郭方雨

东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013

0 引 言

近年来，我国铁路建设高速发展，乘客量持续增加，运输规模不断扩大，列车时速也大幅提髙，高铁已然成为当今世界铁路发展的共同趋势。技术的快速更新换代推动着铁路网规模不断扩大，这使得人们将目光投向季节冻土地区。不同于一般地区的是，季节冻土区经受冻融循环作用，从而使高铁路基反复冻胀融缩，影响其平整性，对高铁的顺利建设和安全运营产生威胁［1］。我国作为世界排名第三的冻土大国，季节性冻土是我国冻土的主要类型，在我国分布较为广泛。主要分布在我国纬度较高的东北、西北以及华北等地区，约占国土面积的53.5%。

当土体温度降至0℃以下，土体孔隙中的水就会发生水分迁移，或者原位冻结，而未冻区域的水分就会向已冻结区域的边缘聚集，冻结成冰，使土的体积膨胀，从而引起土颗粒运动，发生相对位移，产生冻胀现象。处于季节性冻土区的铁路路基，会经常暴露在外部，受到大气干扰，从而经受周期性冻融循环的作用，使路基反复产生抬升和下沉，不均匀的冻胀会造成轨道偏差，当偏差尺寸超过容许偏差尺寸时就形成了冻害［2-3］。

高铁路基变形的要求在我国非常严格，规定其工后沉降不得超过5mm。尽管已经采取弱冻胀或者非冻胀路基填料以及保温、封缝等各种防冻胀措施，路基冻胀变形依然普遍存在。

1 冻胀机理

季节冻土区地下水埋藏比较浅，地层一般为粘性土，特别是湿地地段，地下水水位维持在0～0.5m之间，地表表层为含有大量腐殖质的粘土，当地基土的温度跟随大气的温度降至0℃以下时，表面的粘土开始产生冻结，当土体被冻结成冰晶体后，开始继续冻结最外层的弱结合水，冰晶体的范围逐渐扩大，从而引起土颗粒间的水膜变薄。当土体温度继续下降时，与外层冰晶体接触的薄膜水离子受到了冰的作用和弱结晶水吸附压力的作用，迁移的离子落到冰晶体上面继续发生冻结，打破了土体原有的平衡状态。土颗粒间结合水水膜变薄，从而增加离子浓度产生渗透压力差，而土体下部未冻结的区域仍保留有较厚水膜，水膜较薄处的冻结区特别容易吸附弱结合水，并因此发生冻结。

2 冻土区铁路现状

21世纪初期起，我国已在冻土区建设的铁路里程数高达数千公里，在地质情况极其复杂的青藏高原上建成了世界上海拔最高、线路最长的高原铁路——青藏铁路，还在大小兴安岭地区建设了牙林线和嫩林线两条主要铁路干线。随着西部大开发和东北老工业基地振兴战略，冻土区的铁路建设正在快速推进。我国现已开通运营的季节区高速铁路有哈大、哈齐、沈丹、盘营、哈牡、京沈等（见表1）。

以哈大高铁为例，哈大高铁于2012年底正式开通，是我国自主建设的第一条季节冻土区高速铁路，其沿线气候极其严寒，冬季最低温度可以达到-40℃，土壤的最大冻结深度可以达到205cm，这些特殊环境给哈大高铁的建设带来一系列技术难题。最终哈大高铁的成功运营在我国乃至全世界都产生了巨大影响，也为我国其他季节冻土区高铁的建设提供了参考价值。

表1 季节冻土区现运营高铁

3 影响因素及冻胀规律

3.1 影响因素

路基冻胀变形的因素有很多种，包括水分、气温以及土质等，而路基冻胀变形发生的主要条件则是水分［4］，环境气温为辅助因素。由于降雨等产生大量地表水，地表水通过路基面上存在的各种缝隙下渗至路基基床表层，汇集后留存，从而导致基床表层的级配碎石含水率增高，在冬季温度极低的情况下，基床受到外界环境影响，冻结结冰现象会更加明显。

3.2 冻胀规律

一般情况下冻融发展规律的变化分为以下四个阶段［5］：

初始阶段：10月中下旬，气温在0℃上下波动，路基的表层开始出现小幅度的反复冻融现象，冻胀变形也随之小幅度反复波动，该阶段持续约20d左右。

快冻胀阶段：11月上中旬，气温大多时候集中在0℃以下，冻胀持续时间增长，冻深和冻胀变形呈线性快速增长，该阶段持续15d左右。

慢冻胀阶段：12月上旬，冻胀经过拐点后，冻深持续增加，但增长速度骤减，冻胀变形呈低速稳定发展趋势。该阶段持续4个半月（130d）左右，是持续时间最长的阶段。

融化阶段：4～5月份，随着气温逐步上升回到0℃左右，路基开始融化，冻胀变形迅速下降，直至最终全部融透，冻胀消失，但存在较小的残余变形，该阶段持续约1～2个月。

4 冻胀变形危害及防治

4.1 危害

图1 冻胀变形对高铁路基的影响

冻土具有对温度敏感性高、低温易变等特殊性质，因此在冻土地区修建铁路挑战极大，特别容易产生路基冻胀变形等病害，严重威胁列车行驶安全（见图1）。冻胀是由于土颗粒空隙间的水发生冻结形成结冰体从而引起土体膨胀、地表不均匀隆起的现象，造成路基强度衰减、变形等变化，导致路面结构层的应力大幅增加，导致路基使用寿命降低，甚至出现铁轨变形等损坏现象，影响正常运营［6］。

4.2 防治措施

高铁路基冻胀变形对铁路影响巨大，会对国家财产以及乘客生命安全造成破坏。由于铁路所在的区域条件不会轻易改变，根据冻胀规律，可知温度和水分是影响路基冻胀的主要因素。因此，在建设和整治中应该贯彻“保温防水优先”的主要思路，采取保温、封缝、盖缝、增设渗水盲沟等综合防治措施［7］：

4.2.1 保温措施

在原有纤维混凝土防水层的基础上，添加XPS保温板和PVC真空膜，以保证防水层的顶面面积大于排水横坡的4%，从而加强对保温板的使用（图2）［8］。

图2 路堤保温示意图（单位:m）

4.2.2 封缝措施

图3 横向封缝示意图（单位:m）

均匀设置横向和纵向伸缩缝，沿着纤维混凝土线路方向每五厘米设置一处，并通过密封胶对横向封缝以及纵向封缝进行粘合处理，可以有效防止地表水沿着伸缩缝下渗（图3）［8］。

4.2.3 盖缝措施

采用防水钢片或者其他防水耐用材料，对路基轨道底座以及使用的纤维混凝土防水层之间进行盖缝处理。可以有效的防止地表水通过孔缝下渗，但是必须要对一些微小的缝隙进行有效封堵，这样才能实现更有效的防水。

4.2.4 增设渗水盲沟

对于部分路堑地段，可能会存在地下水位较高，或者地下水位升高的情况，可以增设渗水盲沟，这种措施可以有效降低地下水的水位，基床中的积水同时也可以被疏通排放。但是每隔三十厘米要设置检查井，以便排查，同时也要合理设置出水口，以保证能够及时排水（图4）［8］。

图4 渗水盲沟示意图（单位:m）

5 问题与展望

(1)各方学者对季节冻土区高铁路基研究较多，但研究不全面。许多学者主要以哈大（中国第一条冻土区高铁）为研究对象，目前我国已开通运营了多条冻土区铁路，研究较少。并且对冻胀因素的研究较为单一，没有把气候、温度、土的类别、水分迁移以及重分布等多因素结合起来研究，这样得出的结果具有片面性。

(2)目前大都是以保温、封缝、盖缝、增设渗水盲等防护措施来控制高铁路基变形，具有局限性，缺乏创新，并且不同的冻土区高铁影响因素不同，没有做到因地制宜，没有与多年冻土区的路基变形控制技术相结合。

(3)随着社会进步和人民生活水平的提高，对出行有了更高的要求，进而高铁建设面临着更智能化、更安全快捷等方面的挑战，也会对路基的冻胀变形要求更加严格。所以我们应该研究出更先进、更智能的方法应对路基冻胀变形。