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嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹關(guān)鍵措施

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嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基防凍脹關(guān)鍵措施

【摘要】本文結(jié)合新建吉林至琿春鐵路站前工程JHSⅡ標(biāo)施工實(shí)例,對(duì)高速鐵路路基凍脹機(jī)理及影響因素展開(kāi)分析,圍繞路基結(jié)構(gòu)、地下水位較高或地勢(shì)低洼地段路堤護(hù)道、路塹基床表層以下區(qū)域換填、路基防水及排水設(shè)計(jì)等方面介紹了防止高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形的有效方式,以供參考。

【關(guān)鍵詞】嚴(yán)寒地區(qū);高速鐵路路基凍脹;路基結(jié)構(gòu)

引言

隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展,“中國(guó)速度”已經(jīng)享譽(yù)世界。然而在嚴(yán)寒地區(qū),高速鐵路路基經(jīng)常受自然環(huán)境影響,出現(xiàn)凍脹變形等現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅高速鐵路的安全性。為了盡可能降低嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形的概率,以及在凍脹變形出現(xiàn)后,盡量減小其形變程度,使工程達(dá)到鋪設(shè)無(wú)砟軌道的條件,必須對(duì)防凍脹的關(guān)鍵措施進(jìn)行全面總結(jié),提升嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路防凍脹等級(jí)。

1工程概況

吉琿鐵路位于吉林省中東部,JHSⅡ標(biāo)區(qū)段地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、黏土、粉土及砂礫,第四系全新統(tǒng)殘破積粉質(zhì)黏土,白堊系下統(tǒng)保家屯組砂礫巖、頁(yè)巖。本區(qū)段屬北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,為嚴(yán)寒地區(qū)。夏季短促溫暖,冬季漫長(zhǎng)酷寒,年平均氣溫4.0~6.8℃,極端最高氣溫36.3~37.7℃,極端最低氣溫-29.2~-42.5℃,年平均降水量528~670mm;土壤最大凍結(jié)深度:168~192cm。

2高速鐵路路基凍脹機(jī)理分析及影響因素

高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹變形情況主要受水、空氣、土顆粒的影響。嚴(yán)寒地區(qū)的溫度除了長(zhǎng)時(shí)間處于單一的“冷寒”狀態(tài)之外,在部分時(shí)段內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)溫差較大的情況。上述三種物質(zhì)在溫度由高驟然轉(zhuǎn)低的過(guò)程中,將會(huì)從液體或氣體形態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),使高速鐵路路基出現(xiàn)“冰凍”現(xiàn)象,進(jìn)而造成體積增大,威脅高速鐵路的正常使用。具體的凍脹機(jī)理分析及影響因素如下:(1)嚴(yán)寒地區(qū)的土質(zhì)。根據(jù)數(shù)學(xué)原理,如果土層中單位土顆粒的粒徑越小,形成一個(gè)整體之后,其表面積總量將會(huì)越大,將會(huì)提升水的“滲透”作用。在此情況下,一旦溫度驟然降低,土質(zhì)的體積迅速提升,使路基產(chǎn)生凍脹形變。如果降低土顆粒的黏性,控制不同顆粒之間的間隙,水的滲透作用將會(huì)減弱,凍脹變形程度也會(huì)隨之下降[1]。(2)水分。在凍脹變形現(xiàn)象中,水分是核心因素,如果土層中沒(méi)有絲毫水分,外界溫度變化對(duì)土顆粒幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。而現(xiàn)實(shí)情況是,空氣中存在水分、土層下方存在地下水,無(wú)時(shí)無(wú)刻不在向土層中滲透,故而無(wú)法從源頭上隔絕水分,為了提升路基防凍脹能力,必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手。(3)溫度環(huán)境變化。若要解決這一問(wèn)題,必須明確溫度變化后,土層中產(chǎn)生的“連鎖反應(yīng)”。一般來(lái)說(shuō),嚴(yán)寒地區(qū)的外界氣溫驟然降低,土層內(nèi)部溫度也會(huì)隨之降低,一旦土體溫度低于0℃,土層內(nèi)部的水分將會(huì)出現(xiàn)“遷移”現(xiàn)象。受土體顆粒密度、有無(wú)外部接觸水源等條件的影響,水分遷移及凍脹程度是不同的。綜上所述,為了提升嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基的防凍脹能力,設(shè)計(jì)人員務(wù)必充分考慮上述三項(xiàng)影響因素。一旦脫離實(shí)際,路基的整體質(zhì)量將會(huì)大打折扣,進(jìn)而影響高速鐵路的正常使用。

3防止高速鐵路路基出現(xiàn)凍脹的有效方式

3.1防凍脹路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路的路基設(shè)計(jì),必須使其在整體上具備防凍脹能力。(1)在路基基床設(shè)計(jì)時(shí),需要在基床表層填筑級(jí)配碎石。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)中嚴(yán)寒地區(qū)鐵路基床表層的有關(guān)要求,壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)必須符合如下要求:能夠滿足高鐵列車(chē)250km/h的行駛速度;壓實(shí)厚度達(dá)到0.7m;壓實(shí)系數(shù)K大于0.97;地基系數(shù)大于190MPa/m;動(dòng)態(tài)變形模量大于55MPa。基床底層應(yīng)該采用兩組填料,粒徑級(jí)配必須滿足壓實(shí)性能的有關(guān)要求,且填料需要符合防凍脹要求??傮w來(lái)說(shuō),填料中化學(xué)改良土的壓實(shí)系數(shù)不得小于0.95、7d飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度必須大于550kPa;砂類土及細(xì)礫土的壓實(shí)系數(shù)至少為0.95、地基系數(shù)至少達(dá)到130、動(dòng)態(tài)變形模量至少為40;碎石類及粗礫土的壓實(shí)系數(shù)不得小于0.95、地基系數(shù)不得小于150、動(dòng)態(tài)變形模量不得小于40。需要注意的是,兩組非凍脹性填料中,細(xì)顆粒土的含量不得超過(guò)15%[2]。在施工中,路堤區(qū)段的基床底層頂部應(yīng)該設(shè)置一層厚度為0.2m的厚中粗砂,其內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜,起到阻隔作用。此外,在基床底層上部1m范圍內(nèi)、基床底層下部1.1m范圍內(nèi)填筑兩組填料(上部為非凍脹性)。如果路塹地段的地基條件較差,無(wú)法滿足填料強(qiáng)度和防凍要求,應(yīng)該在基床底層厚度范圍內(nèi)換填兩組非凍脹性填料,并在換填頂部設(shè)置一層厚度為0.2m的厚中粗砂,其內(nèi)夾鋪一層復(fù)合土工膜層。如圖1、圖2所示,為路基基床結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖。(2)路基過(guò)渡段的常見(jiàn)形式為路橋過(guò)渡段、陸地與橫向結(jié)構(gòu)物過(guò)渡段、路堤路塹過(guò)渡段、路隧過(guò)渡段等。受篇幅所限,本文主要介紹路堤與橋梁過(guò)渡段的防凍脹設(shè)計(jì)。首先,確認(rèn)級(jí)配碎石過(guò)渡段的長(zhǎng)度,計(jì)算公式為:L=a+n×(H-0.7)(1)式中:H為臺(tái)后路堤填高;a常取值為5;n的取值范圍在2~5之間;如果路堤較低,則n取最大值。需要注意的是,L的總長(zhǎng)度必須在20m以上。過(guò)渡段路堤基床表層級(jí)配碎石在滿足長(zhǎng)度要求的情況下,可以摻入占總量5%的水泥,基床底層、基床以下路堤需要摻入占總量3%的穩(wěn)定級(jí)配碎石,并進(jìn)行分層建筑。此種過(guò)渡段填料壓實(shí)需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn):過(guò)渡段路基基床表層的填料為級(jí)配碎石,壓實(shí)系數(shù)K不得小于0.97、地基系數(shù)不得小于190、動(dòng)態(tài)變形模量達(dá)到55;過(guò)渡段路基基床表層以下的倒梯形陰影部分填料也為級(jí)配碎石,其壓實(shí)系數(shù)K不得小于0.95、地基系數(shù)在150以上、動(dòng)態(tài)變形模量至少達(dá)到50[3]。

3.2地下水位較高或地勢(shì)低洼地段路堤防凍脹護(hù)道設(shè)計(jì)

在嚴(yán)寒地區(qū),面對(duì)地下水位較高或者地勢(shì)低洼等情況,需要按照以下標(biāo)準(zhǔn),做好路堤防凍脹護(hù)道設(shè)計(jì)。如果周邊環(huán)境為水田,受強(qiáng)降雨、水分滯留、地下水位較高(距地表距離小于0.5m)等影響的區(qū)段均可以被視為低洼谷地,為了保護(hù)路堤不受水分“侵襲”,可以將厚度達(dá)到0.5m左右的表層原生土層予以清除,換填具備較強(qiáng)滲水性的填料,其性能與上文所述標(biāo)準(zhǔn)相同。此外,換填高度務(wù)必超出地表0.5m。如果地基土為凍脹土,則還需額外設(shè)置防凍脹護(hù)道,其高度、寬度不得小于2m。

3.3路塹基床表層以下區(qū)域換填設(shè)計(jì)

(1)如果路基地質(zhì)條件為弱風(fēng)化硬質(zhì)巖(如花崗巖、大理巖等),可以采用換填級(jí)配碎石的方式,其中換填基地需要設(shè)置4%的排水坡,在凹凸不平處施加C25混凝土,作填平處理?;脖韺拥膿Q填厚度應(yīng)該達(dá)到0.2m。在此種條件下,進(jìn)行硬質(zhì)巖路塹值開(kāi)挖面作業(yè)時(shí),應(yīng)該使用物探等方式,對(duì)巖溶發(fā)育程度進(jìn)行精確探查。(2)路基地質(zhì)條件如果為弱風(fēng)化、不易風(fēng)化的軟質(zhì)巖(包含板巖、石英片巖等)、強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖、碎石類土、礫石類土,需要使用兩種非凍脹性的填料,正線基床底層的換填厚度不得小于0.8m。(3)易風(fēng)化軟質(zhì)巖(包含泥質(zhì)砂巖類、頁(yè)巖等)、強(qiáng)風(fēng)化的不易風(fēng)化軟質(zhì)巖(砂巖類、板巖等),使用兩種非凍脹性填料,厚度不得小于1.5m。

3.4路基防水、排水設(shè)計(jì)

為了保證路基的正常使用,還應(yīng)設(shè)計(jì)完善的排水系統(tǒng)??傇瓌t為:排水設(shè)備布設(shè)必須合理,且能夠與橋涵、隧道、車(chē)站等排水設(shè)備形成良好的配合。此外還應(yīng)具備較強(qiáng)的“過(guò)水”能力,使水流順利通過(guò)。

4結(jié)語(yǔ)

與普通地區(qū)相比,嚴(yán)寒地區(qū)受自然環(huán)境影響,土層結(jié)構(gòu)存在較大差異,特別是水分含量較多的區(qū)段,出現(xiàn)凍脹變形,進(jìn)而導(dǎo)致路基沉降的現(xiàn)象較多。基于此,設(shè)計(jì)施工人員必須充分結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn),設(shè)計(jì)針對(duì)性較強(qiáng)的防凍脹路基結(jié)構(gòu)等應(yīng)對(duì)方式,重點(diǎn)在于平衡路基土體中水分含量,盡量減少其對(duì)路基的影響,從根源上增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]張義理.京沈客專季節(jié)性凍土區(qū)路基結(jié)構(gòu)防凍脹技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2019(11):113-116.

[2]石剛強(qiáng).季節(jié)性凍土地區(qū)高鐵路基凍脹規(guī)律及防治對(duì)策研究[J].路基工程,2019(3):99-103,119.

[3]王功博,錢(qián)國(guó)玉,王永.XPS保溫板在高速鐵路路基結(jié)構(gòu)防凍脹措施中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2019,45(3):56-60.

作者:曹敬新 單位:中鐵十一局集團(tuán)有限公司

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