兰新高铁兰州铁路局管段季节性冻胀变形分析及治理措施

兰新高铁兰州铁路局管段季节性冻胀变形分析及治理措施

兰新高速铁路的正线路线全长1376公里，是国家高铁“八纵八横”线路的主要组成部分。本线建成后新疆与内地间形成一条全天候、大能力的高速铁路通道。兰新高铁兰州铁路局管段2014~2016年冬季无砟轨道精测精调时发现K2005~K2030区间的路基存在不同程度冻胀变形,为保持高铁的正常运营,发生冻胀段落需要反复精测精调才能使轨道平顺性符合要求,因此要投入大量人力物力对线路进行维护。对于季节性冻土地区铁路路基冻胀影响因素以及路基冻害治理措施已经有一定的研究。叶阳升等本文通过对兰新高铁K2005~K2030区间7段典型段落现场调查、试验研究,探究该区间路基冻胀变形的原因,从路基填料的颗粒组成、水分、低温三方面进行了系统的分析,并对各种治理冻害措施进行比较,提出相应的工程整治措施。1基多基本情况兰新高铁K2005~K2030区间7段典型段落发生路基冻胀变形:K2005+918~K2006+062,K2008+000~K2008+450,K2009+250~K2010+200,K2017+100~K2017+500,K2017+854~K2019+923,K2020+900~K2021+100,K2028+689~K2029+844。路基多为路堑、零断面换填、小于3m矮路堤结构形式,如图1所示。线路位于山丹军马场一场~三场之间,祁连山北侧高海拔地段,地貌为河西走廊山前倾斜冲、洪积平原,地形平坦、开阔,地势南高北低,海拔在3129~2620m。路基所在段地层主要为第四系上更新统(Q(1)粉质黏土(腐殖土Q(2)砂质黄土(Q(3)细圆砾土(Q(4)粗圆砾土(Q路基填料多为粗圆砾土、细圆砾土等,属于含有细颗粒的粗颗粒填料(B组)。该区间所在地冬季气候寒冷且持续时间较长,最冷月平均气温达到-8.4℃,极端最低气温可达-31.5℃,年平均气温4.8℃;土壤标准最大冻结深度为1.84m,属于深季节冻土区。通过以CPⅢ桩网为基准,以安博格小车等进行人工测量,在测量过程中对变形监测数据收集、分析,并根据《铁路技术管理规程》,两股钢轨水平面偏差不得大于4mm、10m内钢轨的冻胀差不得大于4mm为依据,将4mm作为冻胀与不冻胀的界限。2014~2015年冬季精测精调时发现K2005~K2030区间7段典型段落发生路基冻害15处,其中上行线8处,下行线7处,最大冻起高度15.23mm。具体情况见表1。与寒区兰新铁路等其他普速铁路、哈大及哈齐客专等相比,路基冻胀高度相对较小,但已经影响高铁轨道平顺性,需要进行治理。2路基冻害原因分析路基填料颗粒组成、水分、负温是形成路基冻害的3个基本条件,路基填料物理性质是内因,水分是条件,温度是外因,只有三者的不利组合才能形成冻害。2.1充填细粒含量对b组的影响通过对兰新高铁K2005~K2030区间内路基基床底层填料随机取样10组,进行室内筛分试验,发现A组填料2组,粒径小于0.075mm的土颗粒含量分别为3.76%、6.56%;B组填料8组,粒径小于0.075mm的土颗粒含量在10%~15%的占2组,分别为10.96%、14.1%,大于15%的占6组,在15.6%~21.46%之间。故该段路基基床底层及以下多为细颗粒含量较高的B组粗颗粒填料。文献[1-7]认为细粒含量较高的填料会有利于冻胀的发育,产生不均匀的冻胀变形,影响高速铁路线路的平顺性。所以,该段路基填料在水分、温度合适条件下会发生一定程度的冻胀,造成高铁轨面不平顺。2.2路基土体水分来源水的作用是造成路基冻害最主要的原因。K2005~K2030区间所处军马场至民乐区间降雨(雪)量较大,年平均降雨量381.2mm,远高于临近张掖市甘州区年平均降雨量133.9mm。于军马场至民乐区间K2020处及2038处测得近两年年降雨量,如图2所示。图3为该段路基边坡积雪情况。该区间年降雪量在22cm以上,由于温度时起时落的影响,融化的雪水会从路基边坡渗入路基中,也是路基土体水分来源之一。而且个别段落地表90%为耕地,灌溉水使得地下水位升高,从而提供了水分来源。雨(雪)水、农田灌溉水等从边坡、天然护道、排水沟两侧等进入路基,造成路基体内水分较高。通过对该处断面基床不同深度处土体随机取样进行含水率测试发现,该区段路基粗颗粒填料的含水率在9.8%~11.3%,这为路基在冬季发生冻胀提供了有利条件。文献[18]对该线各处粗颗粒填料在封闭系统下进行冻胀特性试验,发现在压实系数为0.93、含水率在6%~8.91%的情况下,填料冻胀率为0.15%~1.49%,且随着含水率的增大冻胀率也随之增大,如图4所示。由于路基冻深在2.5m以上,当平均冻胀率超过0.2%时,其冻胀变形将超过5mm,影响轨道表面平顺性。因此将路基体水分降低在一定限度下,消除冻胀量,才能保证轨道平顺性。2.3近3年传统路基冻结深度该区间所在地气候属于大陆性气候,由于海拔较高使得冬季气候寒冷且持续时间长是本区的主要气象特点,自每年10月下旬至次年3月下旬,长达5个月处于冬季时间段内。近3年寒冷月份日最低气温如图5所示。由文献[10-11]可知,因线路路基结构及填料与天然地基土热力参数存在较大的差异性,故路基的冻结深度要大于土壤的冻结深度。该区间海拔高、冬季气温低且负温持续时间长,使得路基的冻结深度普遍较大,该段路基相邻处实测冻深2.5~3.4m3渗流固结增强设计因为兰新高铁业已建成通车,基床填料性能难以改变,在路基面施做保温措施已无可能。为了不影响高铁的正常运营,对各种冻害治理方案进行比选,决定从防、排水角度出发,通过降低路基土体含水率、切断水源补给来对路基冻害进行整治。由于降雨、积雪融水以及农田灌溉水等地表水从边坡、天然护道、排水沟两侧渗入路基体内,当冬季来临时,这些水分在低温等作用下向冻结锋面迁移。为快速排除地表水以及渗入到地面下、路基体内的水分,通过采取渗水盲沟进行排除,防治冬季冻结时发生水分迁移造成路基冻胀。2012年至2014年施工中对部分低路堤地段为阻止坡脚积水下渗,避免路基冻胀,增设了防冻胀护道,虽有一定作用,但是位于祁连山北侧高海拔地段个别段落其作用较小。为防止路基冻胀,于7处段落修建渗水盲沟,盲沟建在排水沟底部,可以有效降低或排除路基内部水分并截断周围水分补给。渗水盲沟如图6所示。(1)渗水盲沟沟底宽1.0m,深2.9m;(2)排水管采用ue788315mmPE带孔双壁波纹管,底部设0.2m厚C35混凝土基础,中间填充洗净碎石,反滤层采用0.1m厚无砂混凝土板,外侧包裹针刺无纺土工布;(3)沿渗水盲沟每隔30m设置1处检查井,检查井采用C30预制管节拼装,渗水盲沟出水口设置1处检查井,检查井外接排水沟将水引入附近河沟中,排水出口做好保温措施;(4)为防止渗沟开挖过程中坑壁坍塌,在开挖时于渗沟两侧加设ue78889mm钢管加固,钢管底深入渗沟底不小于3.5m,钢管顶与基坑顶平齐,钢管间距1m,顺渗沟方向钢管与渗沟基坑壁间加设1cm厚的钢板挡护,钢板设置高度为自渗沟基底至基坑顶,必要时于钢管顶架设横向支撑。K2005+918~K2006+062,K2008+000~K2008+450,K2009+250~K2010+200,K2017+100~K2017+500,K2017+854~K2019+923,K2020+900~K2021+100六段于2012~2014年建成,K2028+689~K2029+844段渗水盲沟于2015年建成。由于渗水盲沟疏干路基中的水分需要一定时间,故当年高铁开通路基发生了不同程度的冻胀变形。2014~2015年冬季,K2005+918~K2006+062,K2008+000~K2008+450,K2020+900~K2021+100三段路基冻胀量较小,在2015年~2016年冬季未发生冻胀,对以上段落取土测得含水率为5.6%~6.2%。K2009+250~K2010+200、K2017+854~K2019+923两段路基平均冻胀量随着时间的延续,路基土体内水分逐步减少,路基冻胀量随着时间减小,对以上段落取土测得含水率为5.5%~7.6%。K2017+100~K2017+500、K2028+689~K2029+844两段2014~2015年冬季冻胀量较大,2015~2016年冬季减小,2016~2017年冬季略有增大,对以上段落取土测得含水率为9%~11%,含水率略有降低,但仍会使为土体产生冻胀提供有利条件。总体上路基冻胀量呈减小的趋势,K2005~K2030区间近3年冻胀量具体情况见表2。可见修建渗水盲沟是降低路基体内水分的有效措施,在该段冻害治理中发挥了良好的作用。4工程特点及意义通过对兰新高铁K2005~K2030区间路基冻害情况调查、试验,从路基填料细粒含量、水分、温度三方面对冻害原因进行了分析,并实施了冻害治理措施,得出以下结论。(1)基床底层填料多为B组粗颗粒填料,其粒径小于0.075mm的细粒含量为10.96%~21.46%,细粒含量较高会有利于冻胀的发育,产生不均匀的冻胀变形,在水分、温度等条件满足时会发生影响高铁线路平顺性的冻胀变形。(2)该区段雨(雪)水、农田灌溉水等水资源丰润,水分将从路基边坡、天然护道、排水沟两侧等进入路基,造成路基体内水分较高,基床底层含水率达9.8%~11.3%,为路基在冬季负温作用下发生冻胀提供了有利条件。(3)因线路结构及路基填料与天然地基土热力学参数存在较大的差异性,加之该区间海拔高、冬季气温低且负温持续时间长,使得路基的冻结深度普遍较大