南疆铁路某路段路基冻害及防治措施研究

宋文燕+李克松

摘要：通过对某路段路基进行野外观察、钻探调查以及室内试验研究，结合研究路段工程地质条件，对不同路基形式：隧道、桥涵、路堤、半挖半填路基以及低路堤的冻害特征进行了研究，并针对不同的情况提出了合理的治理建议。

关键词：冻害特征；防治措施；路基；隧道；桥涵；路堤

某路段地处天山多年冻土分布区的边缘地带，由于季节冻土的冻结影响，自线路投入运营以来，该区段线路多处发生冻胀病害。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。在原有路基病害处，动应力加大致使病害加重，造成线路的恶性循环，更加严重地影响行车安全。为此，深入研究该段路基冻害特征，对于采用合理措施治理，以及为其他季节冻土区铁路的建设和维护提供参考有重要意义。

1.工程地质条件

1.1地层岩性

研究路段地层岩性主要为人工填土和块石或碎（卵）石土，其中人工填土厚6.0m～8.0m，填料主要为腐殖质粉质黏土或粉土。腐殖质粉质黏土粉土含量大，含水量约16%～ 32%。下部填土含卵碎石或少量的块碎石，直径一般为20cm～30cm，最大可达40cm，透水性好。该层持水性相对较好，干燥时，强度相对较高，潮湿或饱水时，软化、泥化现象严重，强度迅速降低。

1.2水文地质

研究路段地表水补给来源为大气降水（包括冰雪融水）。由于大气降水直接渗入路基，导致土体含水量较高。部分路段路基基本垂直山坡，汇水面积大，强降雨时地表水丰富。另外，由于筑路取土，导致局部地带低洼，加上腐殖质粉质黏土也被作为填料填筑路堤，因此地表水容易在此积水下渗，沿水力坡度和冻融界面渗向路基。路堤坡脚处冻融界面为凹形，易积水，导致局部土体含水量较高。

地下水补给来源为上述地表水的下渗和季节性冻土层的层间水。雨季导致季节性冻土层的融化。路堤本身和山侧的季节融化层的融化水将沿水力坡度和冻融界面渗向路基，汇集于路堤左侧坡脚的融化槽，高处的融化槽水向低处排泄，一旦遭堵，难以排出，就成为冻土层上水，此处的含水量就较高。而路堑段一般在路基中心形成凹形的冻融界面，因此冻土层上水也聚积于此。据钻孔资料显示，初见地下水位在4.0m附近。土体含水量不大，无明显含水层，局部地带含水量较大。而4月～9月的雨季期间，易在路基土层中形成暂时性持水，并使路基融化层处于饱水状态。

2.不同形式路基冻害特征及治理措施建议

路基是铁路的重要组成部分，必须有足够的强度、稳定性和耐久性，路基冻害严重影响路基强度和稳定性。针对路基冻害问题，人们进行了广泛的研究，提出了各种路基抗冻害的工程措施，其中，在路基中铺设聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）保温板就是保温隔热措施之一[1，2]。对于特定的冻土区，以往措施不都是合理和可靠的。针对路基形式的差异，有必要进一步研究具体有效的路基抗冻措施。

2.1隧道冻结特征及防治措施建议

由于受寒冷气候的影响，隧道易产生冻害现象。冻害一旦发生，不仅会使隧道衬砌遭到不同程度的破坏，而且挂（积）冰、冻胀还会侵入行车限界危及行车安全。其后果不仅给隧道运营管理带来了很大的工程隐患，处理起来费工、费时、费财。而且在冬季大大弱化了隧道的使用功能，造成了巨大的资源浪费和经济损失。

该路段隧道坐落在断层及构造裂隙发育的破碎岩层中，隧道中漏出的水流，因排水系统的排水不畅（由于施工质量引起）而流入整体道床的上部，形成冰锥，当排水系统冻坏或失效后，隧道的漏水就会流入整体道床的下部并冻结成冰，使此段整体道床发生冻胀隆起。夏季，因隧道内的气温回升不太大，所以，上年的冻胀隆起无法融冰回落原位；下年冬季，隧道漏水又可能还会渗入上年冻胀隆起的下部，结冰并抬高上年的冻胀隆起。在施工过程中共发现有九处相互交叉的断层，构造裂隙水极发育，基岩构造裂隙水也有直接补给冻胀部位的可能，所以加强隧道漏水的治理成为治理隧道冻害的重要措施。

防寒泄水洞是隧道排除地下水的主要措施之一，位于隧道的正下方，并将所设竖向盲沟、泄水孔、支导洞、检查井、椎体保温出水口等组成一个排水系统，通过该系统将衬砌后面围岩中的地下水汇集在泄水洞中，然后再排出隧道。

2.2桥、涵冻胀病害及防治措施建议

桥涵是地表水排出路基的主要通道，所有的路基排水设施都必须与桥涵构成一个完整排水体系，所以在路基排水措施中显得尤为重要。下面分別进行阐述：

2.2.1桥冻胀病害及防治措施建议

路段内桥面及其两侧易发生较严重冻土病害，究其原因主要有以下几点：（1）桥面排导积水的排水孔堵塞或设计偏高，不能及时排走桥面上道床内的积水；（2）墩台实际上起到了挡水和隔水作用，桥梁施工中其两端墩台的回填土不是渗水土；（3）桥梁两侧路基填土多为粉质黏土，透水性和渗水性均较差，易产生路基翻浆冒泥现象，导致道砟陷槽或形成道砟囊，且积水不易排出，久而久之，形成较为贯通的道砟囊，水流流入和聚积在桥梁两端，导致路基冻胀变形。

针对以上问题，可以疏通排水孔，使积水顺利排放，减少道碴层中的积水，从而相应减少冻胀发生率；换填桥墩处的填土，使墩台内的积水及时排除，减弱桥梁两侧路基冻胀变形的可能性；对路基的翻浆冒泥进行治理，减小道砟陷槽或道砟囊形成的可能性，从而有效地控制冻胀的发生。

2.2.2涵洞冻胀病害及防治措施建议

从前人调查勘探成果来看，涵洞发生冻害的位置相对固定，且冻害发生较早、持续时间较长、冻深较大。涵洞孔径越大、填土越薄，发生冻害越多，涵顶填土有产生双向冻结现象的可能[2，3]。地表水和地下水使涵洞地基土浸湿、饱和，冬季期间导致涵洞的地基土具有强烈的冻胀性。冬季冻胀的作用，致使涵洞的进出口隆起、端翼墙开裂、涵身拔节，涵洞沉陷、塌腰、错牙、漏水，以及涵洞内出现充冰堵塞现象。涵洞病害最终导致排水系统失效，路基冻融病害率增多。endprint

在施工时，只把涵洞出、入水口的基底土层换填成渗水土层，涵洞就会发生不均匀下沉和向下游一侧发生位移。

因此，采用大断面的结构形式，便于养护清理和自然冲淤；同时涵洞进出口应做好顺接跌水结构，防止冲刷和掏空涵洞基础，陡边坡段涵洞也应设进入通道，便于养护[3，4]。

2.3路堤凍胀病害及防治措施建议

研究区路堤内设置的渗水、导水层很低，有的甚至在地面线以下，且厚度较薄（约0.5m～1m），不能起到疏干路堤内积水的作用，当降水较多，路堤路基内水分较多时，路堤容易产生翻浆冒泥等病害，甚至发生冻胀变形。高路堤使路面与地下水的联系大大减弱，材料本身含水量一般又小，不利于冻胀发生。因此，填方高度的增加，会使冻胀量减少。

综上，换填渗水性很好的填土，并且设置到一定的高度和厚度能很好地排除路堤中的水，减少冻胀的发生。

2.4半挖半填路基、低路堤冻胀病害及防治措施建议

半挖半填部位和低路堤部位地下水往往比较活跃，利于冻胀发生。多次调查结果表明，破坏比较严重的地段多数是这三个地段。根据半挖半填路基的设计，在施工时，未按设计施工，在变更设计时，取消了台阶式开挖，填土也改为就地取材，导致路基产生冻胀及冻融滑塌等病害。另外，半挖半填路基一侧为长大缓坡，地下水、地表水容易汇集，加上路基土体本身排水不畅，使路基土体长期处于富水或饱水状态，更加剧了冻胀等病害对路基的破坏。对于低挖低填路基，在施工时，未按要求换填渗水土或采取的工程处理措施不当，使地下水和地表水排泄不畅，使路基长期处于饱水或富水状态，局部地段处于长期浸泡状态，难免受冻土病害侵袭。另外，防水隔水措施不当或缺乏导致冻胀病害的产生。排水、截水沟欠缺或开挖深度不够以及路基附近地下水位长期偏高是低挖低填路基产生冻胀变形的外部原因。因此，加强排水以及换填渗水性较好的填土是治理路堑、半挖半填路基和低挖低填路基冻害的有效措施。

3.结论

（1）隧道冻害产生的原因是隧道中漏出的水无法及时排出，再加上裂隙水直接补给冻胀部位，导致冻害加剧，加强漏水的治理能有效地治理隧道冻害。（2）排水孔的堵塞以及桥墩处所填的粉质黏土是导致桥梁产生冻害的主要原因，可通过疏导排水孔以及换填桥墩处的填土来治理；地下及地表水对涵洞地基土浸湿、饱和，使涵洞基底土反复发生不均匀冻胀，致使洞口发生淤塞等问题，采用大断面的涵洞口可有助于减小该冻害的发生。（3）路基填土本身的渗水性是引起路基冻胀的主要原因，需换填渗水性良好的填土以及合理设计路基的高度和厚度可减小冻害发生；半挖半填路基以及低路堤产生冻害的主要原因是水，需加强排水以及换填渗水性较好的填土达到治理该冻害的目的。

参考文献：

[1]任国华.路基冻害成因及治理方法浅议[J].煤炭技术，2005，24（12）：108-108.

[2]张冬青，张喜发，辛德刚，等.季节冻土区高速公路路基含水状况与冻害调查[J].公路，2004（2）：140-146.

[3]蔡向阳，雷建平，徐茂兵，等. G045线赛里木湖隧道冻害预测分析[J].武汉理工大学学报，2010（11）：54-57.

[4]陈建勋.隧道冻害防治技术的研究[D].长安大学，2004.endprint