呼和浩特铁路局既有线路基冻害成因分析及整治措施

王悦

（呼和浩特铁路局工务处，内蒙古呼和浩特012000）

呼和浩特铁路局既有线路基冻害成因分析及整治措施

王悦

（呼和浩特铁路局工务处，内蒙古呼和浩特012000）

随着铁路机械化维修的全面覆盖，专业修、精确修的开展以及设备等级的更新，设备质量安全储备大幅提升，但呼和浩特铁路局管内大部分线路地处乌兰察布高原，海拔在1000m以上，冬季寒冷、夏季炎热，温差较大。大包线建设年代久远，由于受修建技术和经济条件的限制,管内既有线路基填筑压实标准较低，黏土处理措施、排水系统建设等方面还不完善，在多年运营、运输上量、增密提速等情况下，路基病害突出，部分区段路基冻害频发，严重影响线路稳定性和列车运行舒适度，成倍增加养护维修工作量。虽然在必要时采取了限速措施，但路基冻害影响轨道上部结构的使用寿命，成为铁路运输安全和运输能力提高的瓶颈，因此对既有线路基冻害整治成为当前亟需解决的重大课题。结合呼和浩特铁路局既有线路基冻害整治工程实践和经验，介绍路基冻害整治方法和措施，为类似工程提供借鉴。

呼和浩特铁路局；既有线；路基冻害；成因分析；整治对策

呼和浩特铁路局（简称呼和局）管内冻害较为严重，据2012年统计，全局共有冻害2964处/33217m，其中：京包线1745处/14178m；包兰线426处/12318m；集二线92处/552m；集包线492处/4294m；其他线209处/1875m。冻害冻起高度最厉害处达40mm，冻起高度h≥20mm地段有84处：京包线36处/626m；包兰线17处/576m；包西线17处/131m；集包线11处/117m；其他线3处。

1 冻害成因及类型

1.1 冻害成因

路基冻害的产生和发展与路基填料的工程性质、地表水与地下水、列车振动荷载、土的动力强度特性和温度及其变化有关，主要是路基填料、水、列车荷载和温度变化等因素综合作用的结果[1]。但是，路基土体中的水分是形成路基冻害的决定性因素，由于土中的水在冻结过程中能向冷冻峰面迁移，并不断冻结析出冰层，水结成冰体积增大9%，使土颗粒相对位移发生冻胀，路基就被抬起，即造成土体的冻胀，进一步表现为路基冻害[2-3]。

由于呼和局管内线路存在地下水位较高，水浸路基地段较多，部分路基基床排水不良，个别地段道床脏污、板结，基床平整程度、道砟陷槽深浅不一、路基换土不正确、基床土质在短距离内有较大变化等诸多不利因素，导致在每年12月—次年4月初冻害频发。尤其是京包线、包兰线和集二线3条主干道的岔区、站线地段，部分冻起高度甚至达到40mm，达到严重冻害；在深路堑、高路堤地段，向阳、背风、积雪多的一面，冬季地温较高，其冻胀值较小，由于线路两侧温度条件差异，造成路基内温度场的强烈不对称，从而发生冬季未冻水不等量迁移作用，造成路基不同坡向两侧的含水量和冻结深度都存在差异，进而路基横向发生不均匀冻胀。

1.2 冻害类型

根据呼和局管内冻害在基床内产生的深度范围，可分为表层冻害和深层冻害2种类型[3]。

1.2.1 表层冻害

表层冻害主要是由于道床不洁引起的。发生在路基土体临界冻结深度内的上半部分，一般隆起高度为10～20mm，很少有20mm以上的。其冻害特点是：冻害处所不连续或冻胀较短，主要发生在道床板结、道砟囊积水地段；大多在冬季上半期即能发展到顶点，在内蒙古地区解冻期于11月上旬开始，最晚到12月中旬停止发展，次年4月中旬—5月中旬回落完毕。

1.2.2 深层冻害

深层冻害的产生大多是因地下水的关系，路基土体内土质湿润或水分饱和，深层又伴有永久性冻层冻害，冻起高度一般≥40mm[4-5]。其特点是：发生在路基土体临界冻结深度内下半部分，冻害处所连续，冻胀较长，主要发生在渗水性较好的路堑地段。几有层间水补给的路堤地段，冻害产生的时间较晚，内蒙古地区在12月中旬以后直到冻期末冻害才能停止，冻胀量较大，严重影响既有线的平顺性。

2 冻害整治措施及特征分析

经过分析可知，形成冻害的关键在于路基中有多余的水分，因此整治冻害要从排水和隔水入手，结合改土、隔温、起道等措施进行整治。

2.1 清筛抬道

道床清筛、抬道整治路基冻害主要适用于平面和纵断面条件允许情况下的水浸路基地段和冻害连续地段。随着大型养路机械在呼和局的使用，利用大机清筛并进行抬道整治路基病害是确保行车安全、降低工程造价的最佳选择。这种方法对于道床浅层冻害效果明显，且造价较低。

2.2 路基换填

在平面和纵断面受到限制的情况下，如岔区及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。岔区冻害利用封锁实行分线分段换填，近年来呼和局仅在京包线新安庄岔区、集二线贲红岔区结合更换道岔进行换填处理。个别新线路基发现冻害后，在开通前组织施工单位进行设计变更并换填，换填整治冻害效果彻底。但这种方法造价高、操作复杂，封锁次数多，对运输影响较大。

2.3 道床铺盐整治

利用食盐溶化后渗入路基基床，以延缓的方式影响冻害的形成过程，致使冻害的发生期缩短，在相同的环境中使得冻害的冻高降低。盐化处理易于施工，成本较低，但只能减小冻胀，不能根除冻害，主要做法如下：

（1）双股冻起时，铺盐范围为整个轨枕盒及轨枕头部分；单股冻起时，由冻起轨枕头至未冻起股钢轨内侧150mm处。

（2）铺盐用量应因地制宜，根据实际情况确定，一般铺盐用量为：①双股冻起。冻高在20mm以下时，每个轨枕盒铺盐10kg左右；冻高在20～50mm时，每毫米冻高铺盐1kg；冻高超过50mm时，每个轨枕盒铺盐50kg，且每个轨枕盒最多铺盐50kg。②单股冻起。每个轨枕盒的铺盐用量为双股冻起铺盐用量的3/4，铺盐范围为冻起股枕木头至线路中心向未冻起股300m。③道岔内每一岔枕盒内铺盐用量，比照线路铺盐用量的标准，根据岔枕长度适当增加。④铺盐深度一般为轨枕底面以下200mm，并不得扰动枕底道床。

（3）扒开的道床应回填平整并夯实，道床顶面应低于岔枕顶面以下40～50mm。

（4）采用向路基浇灌饱和盐水的方法代替开挖道床铺盐，但应计算铺盐量相当于浇灌饱和盐水的次数，分次进行浇灌，浇灌时间间隔应大于3d，宜在雨季过后进行。

2.4 平排管整治

呼和局京包线K700+986—K701+016处冻害最大冻高40mm，采用了平排管整治冻害法，整治范围为路基冻害段及两侧各设10.0m以上过渡段。平排管法施工的优点是对行车干扰少，只需限速列车就可进行施工，但缺点是工程造价高，整治30m的双线路基造价高达130余万元，除非在特别困难地段，一般不适合大范围推广使用。

2.4.1 HDPE管性能

特制高密度聚乙烯（HDPE）管，公称外径63mm，公称壁厚4.7mm，拉伸屈服强度≥22.0MPa，断裂伸长率≥350%，氧化诱导时间（200℃）≥20min。

2.4.2 HDPE渗水管制作要求

管身渗水孔设计间距15mm按梅花形布置；HDPE管渗水孔孔径8mm，热熔设计长度两头留有1.2m不打孔（其中两侧外露路基边坡0.3m）。

2.4.3 平孔排水布置孔位

（1）平排孔按上下2排梅花形交错布置，其中第一排钻孔位置距路肩下0.7m，第二排距第一排竖向0.5m。

（2）在路基冻害段垂直线路方向间距0.5m布孔，两侧各设10.0m以上，过渡段采用0.5m间距布置，孔内放置特制的HDPE渗水滤管，以利排水、通风、消能，干燥基床降低土中含水量，减缓冻害。

2.5 开挖盲沟整治

鉴于以上方法存在弊端，呼和局首创“开挖盲沟铺盐法”。开挖的盲沟大体分为3层：上面一层为石砟，深度约为350mm，基本与大机清筛的深度相同；中间一层为石砟、煤屑和土的板结层，深度为100～150mm；下面一层为路基本体。由于大机清筛的周期基本可以保证，上面一层石砟相对清洁，水分可以下渗；中间一层石砟混合物板结严重，阻止道床水分进一步下渗，冬季参与冻害的产生，大约产生冻起冻害高度的1/8，这一层越厚产生的冻高越大，为表层冻害；下面一层为路基本体，主要由填土的性质决定，整治过程中挖出的路基填土基本为粉黏土或黏土，土质细粒含量多，且含水量较大。经总结，开挖盲沟铺盐法的主要工艺标准为：

（1）枕木空内，每隔3～4根枕木开挖横沟一条，开挖时垂直下挖，避免枕下破底。轨枕中心处横沟垂直深度1.2m（轨枕底至沟底），底部应向线路外侧顺坡，坡度≥4%。路基形式为路堤时，应将横沟开挖引至路堤外。

（2）横纵沟铺盐参考“开挖道床铺盐双股冻起铺盐”标准，覆盖厚度为1～2cm，每次回填0.2～0.3m厚的石砟夯实，回填至0.6m厚时再次铺盐。开挖盲沟铺盐整治路基冻害纵断面示意见图1。

图1 开挖盲沟铺盐整治路基冻害纵断面示意图

（3）两线间道床排水不良且现场条件允许时，可在两线间开挖平行于线路的纵沟，并与横沟同标准铺盐回填石砟。纵沟开挖时应与横沟连通，同时考虑沟底标高与横沟沟底标高的顺接，纵沟沟底不得低于横沟沟底，避免积水。两线间有排水条件可以将水排至桥涵时，纵沟底宜低于横沟底，并延伸至桥涵。开挖盲沟铺盐整治冻害平面示意见图2。

图2 开挖盲沟铺盐整治冻害平面示意图

（4）道床回填后用小型捣固机械进行整修开通线路。线路车间加强整治地段线路几何尺寸的检查，发现超限处所及时整修。

（5）下一次冻害整治施工时在原地段未开挖横沟的枕木空进行整治，利用3～4次的集中施工将一处冻害处所彻底整治。

此方法的原理为：换填部分冻胀土、盐化未换填的冻胀土、加强路基排水功能。换填后剩余的冻胀土产生的冻胀力可传递到已换填的级配碎石上，减小向上的冻起高度。

3 路基冻害整治效果

呼和局自2011年按上述整治方法进行了大量路基冻害整治，效果极为明显，在近年降雨量增加的情况下，冻害处所减少，冻高降低，冻害岔区晃车明显改善。特别是2016年整治路基冻害共计8413m，其中采用开挖盲沟的方法整治冻害，对局部路基冻胀土体进行换填，整治4881m/3091孔；采用道床铺盐的方法，整治冻害3532m。

2016年冻害与2015年同期相比，普速地段冻害减少394处/5148m，其中：10mm≤冻高h＜15mm地段减少274处/2704m；15mm≤冻高h＜20mm地段减少104处/1997m；冻高h≥20mm地段减少16处/447m。高速地段冻害减少133处/1010m，其中：4mm≤冻高h＜10mm地段减少127处/935m；10mm≤冻高h＜15mm地段减少6处/75m。

4 结论及建议

（1）治理冻害不能盲目，应提前对重点地段冻害进行调查，收集相关资料，掌握成因与发展规律，确定适合的整治方案。

（2）根据前期冻害整治经验，对路基冻害严重地段可采用开挖盲沟铺盐方法。

（3）道床板结易形成道床冻害，建议对道床板结或脏污地段进行大机清筛，暂不能进行清筛的地段可采取道床铺盐的方法进行整治。

（4）路基表层冻害可以结合道床铺盐的方法进行整治。

呼和局工务处将对整治效果进行长期观测，并不断探索完善整治方法，在上述基础上进一步总结经验，为彻底解决铁路路基冻害、实现运输安全稳定而不懈努力。

[1]铁道部工务局. 铁路工务技术手册：路基[M]. 北京：中国铁道出版社，1995.

[2]陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪. 土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006.

[3]刘加军. 季节性冻土地区铁路路基冻害及防治措施研究[J]. 石家庄铁道学院学报，2003，16(Z1)：114-116.

[4]王进昌，李良洲. 青藏线路基冻害治理探讨[J]. 路基工程，2004(4)：63-65.

[5]胡亚峰，董新平，马晓良. 严寒地区拉脊山隧道冻害防治措施[J]. 中国铁路，2013(9)：24-26.

Cause Analysis and Renovation Methods for Frost Heaving of Subgrade on Existing Lines of Hohhot Railway Administration

WANG Yue
（Track Maintenance Division，Hohhot Railway Administration，Hohhot Inner Mongolia 012000，China）

With the popularization of mechanical maintenance for railways, the launching of professional & precise repair and the updating of equipments, there has been great improvements in the quality and safety of equipments. Most railway lines managed by the Hohhot Railway Administration are on the Ulanqab Plateau which is over 1 000 m above sea level. Cold winter and hot summer generate great difference in temperature. Due to limited construction technique and financial condition, the Datong-Baotou Railway, which was constructed many years ago, has poor quality of subgrade compaction, clay treatment and drainage system construction. Due to the damages during operation, increased transport volume and the acceleration of densification, subgrade damage has become a major problem. In some sections,subgrade frequently suffers from frost heaving damages, which has a negative impact on railway stability and travelling comfort, with maintenance work multiplied. Although speed limit was applied when necessary, the frost heaving damage of subgrade shortens the service life of upper structure of tracks. This has already become a bottleneck of transport security and capacity. Therefore, renovating the subgrade suffering from frost heaving damage is an imperative. Based on engineering applications and experiences in the renovation of subgrade with frost heaving damage on existing lines of Hohhot Railway Administration, this paper proposed the renovation methods for frost heaving of subgrade, providing reference for similar projects.

Hohhot Railway Administration；existing line；frost heaving of subgrade；cause analysis；renovation methods

U216.4

A

1001-683X（2017）11-0062-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.062

王悦（1967—），男，高级工程师。E-mail：wangyue67@sohu.com

责任编辑 李葳

2017-06-11