路基冻害治理

我国铁路发展迅速，正在向重载和高速发展，随着列车的提速，越来越多的既有线出现了病害情况，如路基病害。路基的病害有多种，如翻浆冒泥、路基下沉、路基冻害等。

我国国土面积较大，冻土面积也大，在寒区修建的铁路因环境恶劣，出现了许多冻害，路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉和冻融翻浆。水、温度、土质是路基产生冻害的三因素，治理路基冻害，可采取隔水、换土和隔温等措施。本文通过阐述路基冻害产生的机理来采取不同的治理措施治理，具体措施有排水设施（如排水沟）、保温隔温设施（保温护道、片石通风路基结构、热棒路基结构）和换土措施，在青藏铁路上就采用了热棒路基。又多年冻土地区不良地质较多，如冰锥、冰丘，可通过冻结沟或积冰坑防止冻害发生。冻土地区的环境保护也是至关重要的，它能够减少路基冻害的发生和延长路基的使用寿命。

本设计针对冻土区路基病害的提供了一些治理措施，能有效的保证路基的稳定，不受破坏，可供同类工程借鉴。

关键词:路基冻害 冻胀 温度 治理措施

目 录

第1章 绪 论 ....................................................................................................................... 1

1.1 我国铁路发展现状及存在问题 ............................................................................. 1 1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害 ..................................................................... 2 1.3 国内外研究现状 ..................................................................................................... 3

1.3.1 国外路基冻害研究现状 ............................................................................... 3 1.3.2 我国路基冻害研究现状 ........................................................................................... 4

第2章 路基冻害种类 ......................................................................................................... 5

2.1 按外部表现特征分类 ............................................................................................. 5 2.2 按负温总量分类 ..................................................................................................... 5 2.3 按产生部位分类 ..................................................................................................... 5

2.3.1 道床冻害形成原因 ....................................................................................... 6 2.3.2 表层病害形成的主要原因 ........................................................................... 6 2.3.3 深层冻害的形成 ........................................................................................... 7

第3章 路基冻害的表现形式及其产生机理 ..................................................................... 8

3.1 融沉病害 ................................................................................................................. 8 3.2 冻胀病害 ................................................................................................................. 8 3.3 冰害 ....................................................................................................................... 10 3.4 冻融翻浆 ............................................................................................................... 10 3.5 铁路路基次生灾害 ............................................................................................... 11 第4章 路基冻害防治措施 ............................................................................................... 13

4.1 水作用的机理及治理原则 ................................................................................... 13

4.1.1 水作用机理 ................................................................................................. 13 4.1.2 治理原则 ..................................................................................................... 14 4.2 排水系统 ............................................................................................................... 14

4.2.1地表排水系统 .............................................................................................. 14 4.2.2 地下排水系统 ............................................................................................. 18 4.2.3 其它排水系统及方法 ................................................................................. 22 4.3 温度对路基冻害的影响及治理措施 ................................................................... 26

4.3.1 温度与路基冻害的关系 ............................................................................. 26 4.3.2 温度在路基中的传播方式及治理路径 ..................................................... 27 4.3.3 温度治理措施 ............................................................................................. 27 4.4 其他路基病害及治理措施 ................................................................................... 34

4.4.1 冰锥、冰丘地段的路基整治 ..................................................................... 34 4.4.2 路堑边坡失稳及治理 ................................................................................. 36

第5章 多年冻土地区的环境保护 ................................................................................... 37

5.1 既有线运营中的环境保护 ................................................................................... 37 5.2 多年冻土区环境监测和管理 ............................................................................... 37

第6章 结论与展望 ........................................................................................................... 39

6.1 结论 ....................................................................................................................... 39 6.2 展望 ....................................................................................................................... 40 参考文献 ............................................................................................................................. 41 致谢 ..................................................................................................................................... 42 附录A 外文资料翻译 .......................................................................... 错误!未定义书签。

A.1 英文 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 A.2 译文 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

第1章 绪 论

1.1 我国铁路发展现状及存在问题

世界铁路已有180多年的历史，1803年英国人特里维西克试制了第一台行驶于轨道上的蒸汽机车，1825年英国在大林顿到斯科托顿之间修建了世界上第一条铁路，长21km。我国第一条铁路是1865年英国商人社兰德在北京宣武门外修建的窄轨铁路约0.5km试行小火车。我国铁路建设在新中国成立后有很大的发展。在路网建设、线路状况、技术装备和运输效率上，都有极大的成就。在崇山峻岭的西南地区，修建了成渝、宝成、黔桂、川黔、贵昆、湘黔、湘渝、阳安、来睦（来宾-睦南关）、黎湛、内宜、达成、南昆等干线，构成了大西南的铁路网骨架。在前根本没有铁路的西北地区，建成了天兰、兰新、兰青、青藏（西宁—格尔木—拉萨）、南疆、包兰、干武、宝中、北疆等干线。在华北地区，建成了丰沙、京承、京原、京通、京秦、太焦、邯长、新荷、侯西等干线，以及纵贯南北的京九干线，首都北京已形成九条干线引入的大型枢纽。在东南沿海，建成了焦枝、枝柳、汉丹、武大、大沙、合九等干线；在东北地区，修建了沟海、通让等联络线、汤林、牙林、长林、嫩林、林碧等林线，以及霍林河、伊敏河等煤矿支线。截止到2004年底，我国铁路营运里程突破7万余km，居是世界第三；其中复线2.5万多km，复线率约为40%，电气化铁路里程1.8万km，电气化率约30%，内燃化铁路里程4万多km，占营业里程的63.6%[1]。此外，各省区建成的地方铁路还有6218.4km。我国《中长期铁路规划网》的发展目标是，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50%，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。 到2010年，随着我国铁路“十一五”建设计划的即将完成，铁路网营业里程达到8.5万公里左右，其中客运专线5000公里，复线3.5万公里，电气化铁路3.5万公里。

由于我国铁路建设较早，设计时速较低，对铁路的技术要求不高。在这几万里长的线路上，由于列车荷载的反复作用、自然条件、线路条件等原因，线路上产生了各种各样的病害，这些病害影响了线路的质量状态，甚至危及铁路的行车安全。

既有线常见病害有[2]:钢轨的病害:轨头核伤、钢轨磨耗、轨腰螺栓孔裂纹、钢轨接头伤损等；轨枕病害（轨枕失效）:明显折断、纵向断裂、横裂（或斜裂）接近环

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状裂纹、挡肩破损、严重掉块、承轨槽压溃、钢筋（或钢丝）外露；道床病害:脏污、折断；路基病害:路基翻浆冒泥、路基下沉（基床下沉、地基下沉、边坡外臌）、基床外挤、路基冻害、边坡溜塌、风化剥削、滑坡、不良地质和水文条件造成的路基破坏。

路基是线路的基础，路基病害严重影响了线路的正常使用。又我国冻土面积较大，在冻土区修建了许都铁路，随着青藏铁路的建设竣工，冻土区铁路病害更值得我们关注。

既有线路基冻害现状调差[3]:通辽枢纽为既有通辽一霍林河铁路的起点。既有线以路基为主，路基占线路全长的97%。沿线为填方，平均高度4m～8m。既有线路基经过多年运营，大部分路段较为稳定，据沈阳局通辽工务段2006年秋检资料、路基病害资料、2006年～2007年冻害资料，结合调查访问，现状路基病害主要类型有:一般冻害150 m／6处、边坡溜坍5035 m／6处。引起路基病害的最主要原因为冻胀和融沉问题，经常造成路基边坡开裂、发生溜坍等，直接影响了既有线的正常运营，且每年需花费较大的工程费用进行病害治理。因此对冻土区既有线铁路路基进行全面考察处理，寻求合理有效的处置措施，以提高铁路的运营能力，就显得尤为重要。

1.2 季节性冻土的分布及路基主要冻害

在我国，季节性冻土的分布很广，普遍分布于长江流域以北十余个省市，约513.7万平方公里，占国土面积的55%左右。其大体分布情况（如图1.1所示）

多年冻土区

多年冻土占20%

季节冻土占55%

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图1-1 我国各类冻土分布图

在冻土地区修建各种工程构筑物，困难重重。许多公路、铁路、桥涵、房屋、管道、渠道和人工冻结井壁等各类工程建筑物会遭到严重冻胀破坏，且量大面广，有的开裂、有的倾斜、有的甚至倒塌。铁路路基冻害主要有冻胀（主要为不均匀冻胀）、融沉、冰害、翻浆等。

1.3 国内外研究现状

人们很早就认识到路基冻害对道路的破坏作用。为了减小冰冻破坏，延长道路的使用寿命，改善道路的使用性能，不少道路工作者一直在进行着对冰冻作用的本质研究。自上世纪开始，人们逐渐对影响路基冰冻破坏作用的因素有了认识。认为路基冻害是由于在冰冻过程中积累了大量的水分造成的；冰冻过程中水分向冻结区的迁移是在各种梯度作用下完成的。目前，俄罗斯的西伯利亚、美国的阿拉斯加、中国的大兴安岭和青藏高原等地广泛分布有冻土环境。各地的冻土本身的性质没什么不同，但由于各地冻土年均气温、地表植被等生物条件的不同，因此，世界各地的冻土研究发展过程是不同的。冻土问题是目前世界性的难题，世界上几个冻土大国，如俄罗斯、美国、加拿大、中国等都在为解决冻土难题而进行着不懈的努力。

1.3.1 国外路基冻害研究现状

1885年工程师斯图金伯格提出了冻土水分迁移假说[4]，将冻胀形成与土的毛细管作用相联系。根据这个假说，水转变为冰时体积增大，结果在入冻带里形成微裂隙造成入冻土里水分迁移，土中水沿毛细管由下层向上迁移。他的这种思想在勃格达诺夫著作中得到发展（1912）。1916-1930年由美国学者泰伯研究出结晶力作用下迁移理论，使水分迁移理论向前跨出了一大步。他揭示了由于在冰的表面存在着吸附水膜，它具有很大的拉力强度，所以水分向增长起来的冰晶迁移。泰伯认为，虽然水是沿着毛细管迁移，但它还是在结晶力下移动的。

美国学者贝斯考认识到吸附水在结冰迁移过程中的意义。通过观察冰的形成得出结论，在自然条件下，土的分散性和毛细管作用具有重大作用。贝斯考进行了专门的试验，提出了冰析出和冻胀的土颗粒“临界尺寸”概念[4]。因为在水分迁移过程中土的分散性是通过毛细管作用表现出来。贝斯考选用毛细管水上升高度作为冻胀性的指标。将地下水、土颗粒性质、毛细管性质综合起来评价土的冻胀情况。

随着理论研究的深入，人们对土的冻胀机理有了更进一步的认识。更多的研究者对此进行了研究，提出了众多的水分迁移理论，对未冻土和已冻土中的水分结构和性

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质有了更清楚的了解和认识。从而对工程冻害的治理提供了有力的理论依据。

据俄罗斯1994年调查，20世纪70年代建成的第2条西伯利亚铁路，线路病害率达27%。运营近百年历史的第1条西伯利亚铁路，1996年调查的线路病害率达45%。截止1978年，加拿大哈尔逊湾铁路800 km中有700余处沉降地段，年沉降量约100～150mm，有38座木制桥出现不同程度的冻拔变形，但应用波纹管圆涵使用良好，这些工程病害主要在不连续多年冻土区。国外寒区施工中也尝试了各种不同的工程措施，如块石路堤和抛石护坡、通风管、热桩和保温材料等。

1.3.2 我国路基冻害研究现状

我国早在20世纪60年代就开始对冻土进行了许多科学、综合性的考察研究。五十年代初期，道路建筑事业迅速发展，由于技术标准低，没有采用有效的防冻抗冻措施，致使道路的冻胀翻浆破坏大量出现，严重阻碍交通运输事业的发展，这时，人们才注意到研究路基土冰冻性质的重要性。五十年代和六十年代，人们主要是通过对野外道路实际情况的调查，分析产生路基冻害破坏的原因，因地制宜地采取冻害防治措施，并取得了一定的成效。在这一时期内，人们还着重研究了石灰土、粉煤灰土等混合土的抗冻性问题，并利用混合土作为防冻张路基或建筑物的基础。这些研究对当时改善运输条件，减少道路冻胀与翻浆起到了很大的作用。随着实验技术的发展和工程建筑事业的需要，对土基冰冻性质的研究走上了野外现场试验与室内模拟试验并行的发展道路。

随着在青藏高原地区修建的青藏铁路等工程的竣工，我国的冻土研究进入世界领先水平，在世界上首次提出解决冻土上的问题的指导思想，即主动降温、减少传入地基土的热量，保证多年冻土的热稳定性，从而保证修筑在上面的工程质量的稳定性。在工程措施方面，根据冻土状况的不同采取不同的工程措施。在稳定的冻土地段，采取以对流交换热为主要作用机理的片石路基结构、碎石护坡结构，同时采用无源重力式热虹吸技术的工程应用——热棒路基结构，而这些工程措施都是在世界冻土区道路建设上第一次大规模成功运用。对于极不稳定的多年冻土地段，我国采取“以桥代路”的工程结构，青藏铁路“以桥代路”桥梁长度达120多公里。

青藏铁路是目前世界上海拔最高的铁路，沿线常年平均气温在零摄氏度以下，空气中的含氧量仅为平原地区的一半。铁路穿越海拔4000米以上的地段为960公里，其中翻越唐古拉山最高点海拔达到5072米。青藏铁路的修建给我们提供了大量的预防和治理冻土路基病害的资料，从而使我国冻土研究进入世界先进行列。

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第2章 路基冻害种类

引起路基冻害的主要因素有:路基土、温度、水分、路基基床结构、荷载等。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。路基冻害从不同的角度有不同的分类方法[5]。

2.1 按外部表现特征分类

1）冻峰由于路基基床在较短距离内的冻胀高度大于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凸起达30mm。

2）冻谷由于路基基床在较短距离内的冻胀高度小于相邻地段的均匀冻胀高度所形成的冻胀，其最大凹陷达160mm。

3）冻阶由于路基基床两相邻地段均匀冻胀高度不同，在该高度交换点处所形成的冻害，最大相差达80mm。

4）单侧冻胀在线路同一横断面上左、右股钢轨下，由于基床的冻胀高度不同所形成的冻害。这种冻害常伴随以上三种冻害之一同时产生。

5）交错冻害由于线路纵、横断面上路基基床的相邻地段及线路左、右股钢轨下基床的冻胀高度不同所形成的冻害。

2.2 按负温总量分类

1）当负温总量小于400～500C、道床厚度为50cm时，冻害产生在道床中，路基则几乎不产生冻害。

2）当负温总量为800～1500C且遇冻胀敏捷的土质及较好的水文地质条件时，其冻胀可达120～150mm的冻害。

3）当负温总量为1500～3000C时，冻胀量可达200～250mm的冻胀。

2.3 按产生部位分类

1）道床冻害，即产生在路基基床面之间上的道床里。

2）表层冻害，产生的部位在路基土体临界冻结深度的上半部分，当冻结深度为2m时，一般为从基床面向下至0.8或1.0m范围之内。

3）深层冻害，产生的部位在立即土体临界冻结深度的下半部为，当冻结深度为

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2m左右时，一般为基床面以下0.8或1.0m到临界冻结深度下缘。

第一种分类方法仅反映了冻害的外部表现形态，第二种分类方法仅反映了一个气温与时间的概念。低三种分类法，即明确了冻害产生的部位又反映了产生冻害的情况，所以可以根据冻胀量大小预测冻害产生的原因。因此，第三种分类法较第一种和第二种分类法更为全面。下面着重介绍道床冻害、表层病害和深层病害形成的原因。

2.3.1 道床冻害形成原因

主要有以下几个方面[3]:

1）道砟不洁，道砟材料不符合技术标准。

2）由风吹或雨水冲洗，或因机车运行时带起的泥土，落入道床中，致使粉、粘土量超过限度。

3）道砟在使用过程中遭受到列车运行中或公务养路维修机械破坏。

4）因更换枕木等原因，道床厚度不足，在列车荷载作用下造成道砟压入路基基床面，从而形成贮水沟或囊。

5）由于粉尘质粘土含量的增多，造成毛细水的上升，重力水滞留或地表水向道床中浸透及渗透。

2.3.2 表层病害形成的主要原因

主要有几个方面[6]:

1）路基基床面不平整，造成基床面积大，因水分渗到基床表面，使土层含水量增大，超过了起始冻胀含水量，在表层中水结冰，体积膨胀的同时，水分又向冰洁锋面补给，水分比冻前增加较大，形成了冻害。

2）路基土体的表层为非均质。由于路基地质来源不同，且在填筑时，土层的厚薄和夯填密实不同；路堑的土体虽然自然形成，但是土和覆盖堆积厚度及层次也是不完全相同的。由于这些土质、结构、层次等条件的不同，在冻期，水分迁移、聚积时，其聚流量也不尽相同。产生的冻胀量也不等，从而形成冻害。

3）地表水和地下水对路基本体的不均匀浸湿。路基基床面不平整积水，因而各处抽吸的水多少不同，冻胀量不同，形成冻害。路基两侧的积水，由于积水的水位及深度、范围不同，因而形成冻害。上层潜水的裂隙水及侧沟积水，由于地形，水分的多少，都对路基土体影响及路基土体导热不均匀形成的冻害。气温影响土体的冻结，主要是随地形、地质、日照及植物的不同其热交换不同，同时对土中的冻结率的影响也不同，在土冻结时，由于表层土温及冻结速率的不同，其水分迁移的聚流量和冻胀量不相同，产生了冻害。

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2.3.3 深层冻害的形成

路基深层冻害的产生的时间较晚[3]，在冻期的后半期产生，东北地区在12月中旬以后，至到冻期末冻害才停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系，因为如果没有地下水，虽然土质有所差异，但下部呈现脱水现象，所以已无多少冻胀了。若地下水充分，冻期时水分迁移的聚流量大，引起冻胀差异，一次深层冻害的冻害可高达300mm，是较为严重的。

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第3章 路基冻害的表现形式及其产生机理

路基冻害主要发生在多年冻土地区，因为多年冻土地区特殊的地理环境，形成了许多不良的地质现象，如地下冰、冰锥、冰丘、热融坍滑、热融沉陷、热融湖（塘）和冻土沼泽等。路基的冻害表现在路基上有不同的形式，多年冻土地区的主要冻害有融沉、冻胀、冰害、冻融翻浆等[7]。

3.1 融沉病害

融沉是多年冻土地区路基主要病害之一。一般多发生在含冰量大的粘性土地段，当路基基底的多年冻土上部或路堑边坡上分布有较厚的地下冰时，由于地下冰层埋藏较浅，在施工及运营过程中各种人为因素的影响下，改变了多年冻土的热平衡状态，使多年冻土层局部融化，上覆土层在土体自重和外力作用下产生沉陷，造成路基的严重变形，具体表现:路基下沉、路堤向阳侧路肩及边坡开裂、下滑、路堑边坡溜坍等。

融沉的特点:1突然地大量下称；2周期性的持续下降。

融沉的形式有:1危剧沉落型，主要发生在有厚层地下冰地段；2缓慢沉落型，主要发生在富冰或饱冰多年冻土地区。

（据19年铁三院实地调查，在位于大兴安岭西坡的牙林线根河工务段管内，就有严重下沉地段225处，总延长18.952km。有的地段在融化季节几天就需抬道一次，严重地段如潮乌段K0+070～+200及K0+380～+400路基连年下沉，1961年和1962年下降量分别达到1.5m及1.8m，线路坡道标志沉至地面。1963年在长60m范围内卸混碴7车，经捣固后仍不见路基形状。因路基下沉抬道，全段每年用砂石达3万余立方米，花费人工2万多工日。）

3.2 冻胀病害

冻胀病害（图3-1所示）是寒区铁路特有的主要病害之一，在季节冻结深度较大的地区及多年冻土地区均有发生，尤以多年冻土地区最为严重。由于地基土及填筑土中的水冻结时体积膨胀产生不均匀的冻胀造成了线路超限。根据铁路部门有关标准，左右两股路轨之间或每股路轨在10 m以内的变形差不能超过4 mm，一旦超过这个规定，视为超限，有可能发生火车脱轨、翻车等事故。

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冻夹层 冻夹线 图3-1 路基土冻结时产生不均匀冻胀

路基的冻胀病害是与气温、土质及水源条件密切相关的，主要发生在气候严寒、季节冻结深度较大的地区和多年冻土地区。其土质以细颗粒的粘性土为主，往往富含水分。工程上主要发生在土质的浅路堑和修筑在塔头沼泽积水地段的较低路堤上。分析冻胀产生的原因主要有以下几个方面:

1)路基基床表面不平整，积水冻结膨胀形成冻胀病害。其最大量很少超过50 mm，一般最多在30 mm～40 mm，多在25 mm以下。形成时间从10月中旬，到11月末便趋于稳定，一般产生在路基基床表面往下30 mm～50 mm左右。

2)碎石或混砂道床垫层不洁，污染严重，混入泥土较多，遇积水产生冻胀。当含泥量为20%～50%时，冻胀量可达10 mm～20 mm左右，道床冻胀在时间上从10月中旬～11月上旬基本稳定。

3)地表水或地下水(或浅层水)对路基土的不均匀浸湿。

4)路堤填土不均匀及路堑基底土质差异，因土的性质及结构不同，从而形成不同的冻胀病害。

5)路基不同朝向形成的不均匀冻胀，如线路走向为东西向时，路基有明显的向阳和背阳坡，使路基填土的冬季含水量和冻结深度发生差异，其结果是出现单侧冻胀。

（如牙林线91km处冰锥冰丘地段，与1956年一季度线路中心突然冻起1.3m，长达50m，曾采取紧急措施防水落道。以后虽经整治，但有时仍有比较严重的冻胀隆起，危及行车安全。又如1973年2月下旬就曾在线路延长10m范围内，钢轨面突然鼓起200mm，致使线路的水平、高低、方向等出现严重超载。牙林线阿乌呢至满归间438km附近，由于受线路右侧约10m处出现的冰丘影响，1973年5约25日线路突然发生水平超限100mm，高低超限42mm，并有严重超限的三角坑。现场除进行人工爆破、防水落道外，曾一度定开满归开往齐齐哈尔的旅客列车，后改为慢行通过；京包、包兰线呼局管界内，属季节性冻土区，年平均气温在7℃以上，历年最低气温低于零下30℃，冻胀病害十分显著。据呼局05年3月份统计的野外冻害调查及现场观测资料，京包、包兰线呼局管界内冻胀量在20mm以上就多达124处，延展米达

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5000多米，冻胀量在20mm以下更是达到了近30公里。对铁路运行安全带来严重威胁，严重制约着列车速度的提升[8]。）

3.3 冰害

冰害主要是指在路堤上方出露地表的泉水，或开挖路堑后地下水自边坡流出，在隆冬季节随流随冻，形成积冰掩埋路基面或边坡挂冰，堑内积冰等冰害。是发生在寒冷及严寒地区特有的路基病害，在严寒的多年冻土的去则尤为严重。对于路堑内的工程来讲，路堑地段较路堤地段冰害要多，尤其发生在浅层地下冰发育的低填浅挖及零断面地段的冰害，危及程度更大。对有一定填土高度的路堤，危害程度相对较小。

（例如牙林线依加段140km洪积扇上的一处路堑，1962年春，堑内普遍积冰，致使线路无法通车。白阿线K311、牙林线K437，博林线K52等处，由于积冰掩埋路面，都曾发生脱轨事故。牙林线的青年龄、十年、八里沟、小二坑等4处深路堑，堑内冬季积冰。去其中尤以青年龄路堑最为严重，19年冬季（临管期间），40天内积冰量即达24000立方米，较长时间内路堑不能交付运营。牙林线阿满段K1158附近，山坡草皮下潜流水在冬季白天流，晚上冻，10~11约积冰量最严重，只得设专人看守。曾发生积冰越过轨面，造成机车脱轨事件。）

3.4 冻融翻浆

“冻融翻浆”（图3-2所示）是寒冷地区路基基床在冻融循环作用下所产生的一种特有的翻浆现象[9]。冻融翻浆的变形时间虽然较短，但在运营铁路线上，往往同一时间、同一地点连片发生，直接危及行车安全。如烟双专用线在1996年春季，一次性发生冻融翻浆17处，长465m，造成基床松软、路肩挤出、道中心与碴肩冒泥，不得不插封锁线路。

融化后湿土壤 未化冻土 图3-2 路基土融化时未化冻土隔水层形成翻浆

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翻浆形成原因如下: 1）气候

秋末初冬，形成较大的温差梯度。由于土中薄膜水具有自高温向低温转移的特性，较大的地温差，将使深部的土中水向基床上聚集，结成扁冰体。初冬气候温和，降温缓慢，使冻结线在基床上层滞留时间较长，造成水分向上聚集的有利条件。春寒较长，晚春气温急剧回升，基床上部土融化较快，大量的融冻水分无法排出，又来不及蒸发，形成流塑状泥浆。

2）水源

秋末多雨，冻结前土基原始含水量大。台地区域上层滞水或丘陵区域的层间水丰富，地下水位偏高。土层冻结具“开系统”条件，地下水位在冻层附近。地表排水系统不畅，积水较多，或路基有道碴槽积水，向基床渗透聚集。最后，侧沟积雪较多，春融期又遇降水，造成融冻层湿度恶化。

3）土质

具有较强的毛细作用和渗透性较差的细粒土，薄膜水聚流性能强烈。如B、C、D基床填料中的粉质土和粘性土，在适当条件下，均会产生强烈的聚流现象。

4）动荷载的作用

列车动荷载通过松软基床时，动应力将远远超过基床承载力，特别由于翻浆基床的存在，加剧了列车的冲击作用，成为翻浆冒泥的直接原因。

3.5 铁路路基次生灾害

在路基稳定性方面，也时常面临着各种冻融灾害问题，即不良冻土现象。它包括以冻结过程为主的冻胀丘、冰锥、冰丘等，以热融过程为主的热融湖塘、热融洼地、融冻泥流、融冻滑塌、边坡滑塌、路堤纵向裂缝等[10]。这些现象大都是工程构筑物修建后破坏了原有的水热平衡条件而产生的。这些与冻融过程有关的不良地质现象，当它们威胁到铁路安全运营和工程稳定性时，就演变为破坏铁路路基稳定性的冻融灾害。这种工程灾害主要与地下冰、冻融过程和冻土温度有关。特别是在高含冰量、高温多年冻土的斜坡地带，微弱的工程热扰动可能就会引起冻土区斜坡稳定性变化。对于斜坡地段出现的冰锥、冰丘，对工程的危害非常之大，常会导致铁路运营出现问题。对于路基附近出现的冰锥、冰丘，常会引起路基产生冻胀问题，也应对其给予极大的重视。例如:

1）边坡滑塌，主要是热融滑塌，当冻融作用路堤边坡时，土体的平衡状态改变，产生滑塌。主要原因包括:挖方边坡未采取保护措施，导致边坡的融化加快；排水措

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施不合理形成积水或水流加速引起路基冻土融化；以及路堤下路基冻土融。

2）路堤纵向裂缝，是由于路堤的不均匀受力而产生变形，产生原因一般是挖方段地基底部发生条带状融化，或路基不均匀冻胀引起上伏路堤纵向裂缝。

3）冰锥，又称涎流冰，指水在地表冻结而成的地面冰体。主要是由于路堤阻隔了正常的水系而造成水多次流出地面而形成的。

4）冻胀丘，指土的不均匀冻胀作用形成的丘状地形，由于融化层冻结过程中冻结层上水处于承压状态，同时水分发生迁移产生聚冰层，随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时发生隆起而形成的。

这些次生灾害在我国多年冻土区的青藏公路上经常可以发现，在以往对灾害的治理中花费了许多人力资源和经费，总结以往经验和教训，可为当前的铁路建设打下基础。对于这样一些地表敏感性极强的多年冻土地带，工程勘测、设计、施工及养护维修都应引起极大的重视。

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第4章 路基冻害防治措施

路基冻害是在水、温度、土质的不利组合下形成的。其中土质是内因，水分是条件，温度是媒介，荷载是激发。土质、水、温度是形成路基病害的3个自然因素，只有三者同时其作用才能形成病害。所以，路基冻害的治理可以从这三个方面入手。

4.1 水作用的机理及治理原则

4.1.1 水作用机理

在一定的土质、温度条件下，土中水分的多寡是引起土体冻胀性强弱的基本因素之一，路基中的水的来源主要有地表水、地下水、路基填料中的水等。土中水分在冻结时有迁移现象，即当温度降至土体冻结温度以下时，土中的自由水线冻结成冰粒，温度继续降低，冰粒会吸引土粒表面的薄膜水参与冻结，这样就形成水向低温迁移的现象。具体表现为:当孔隙中的水产生结晶，冰晶体便在这冷区中形成。冻结期间，当通过地表进入土中的冷能与孔隙水结冰而放出的潜热以及下卧未冻土中传来的地热相平衡时，冻结锋面便相对的稳定在某个位置，靠着土颗粒及冰结晶的吸附力把附近的水分子吸附到自身表面，构成一层水膜，新的冰晶又首先从这里产生。这样，在冻结锋面上的冰晶体就不断地增长。土颗粒为了恢复水膜中的吸力和压力的平衡，就要从邻近处，即非冻结土体中的土颗粒束缚水膜，把水分子拉过来，以补充迁移走的水量。这就产生了向冻结锋面迁移的水分子流，以保持冰晶体增长成冰透镜体时能够得到源源不断的水分补给。在冰晶体增长引起土颗粒间距扩展与土粒位移过程中，外界水流侵入且结晶，产生“冰劈”作用[11] ，使冻土体分成层理，形成厚度不等的冰透镜体。当冰晶分凝作用远比土颗粒的薄膜水向冻结锋面迁移大时，导致下卧有效水分补给区的土体含水量减小，冻结线前缘的土体产生收缩。由于冻结锋面上得不到水分补给而破坏了其热平衡状态，随着土体温度继续下降，冻结线就继续下移。在到达土体中含水量较多、水分补给充裕地带，又出现新的热平衡状态，冻结线又缓慢地停止移动，冰晶分凝作用又活跃了起来，形成新的冰透镜体。这样，冻结线时而快，时而慢地向着土体深部推进。每阶段都是一直到土的结构、散热速率、向上迁移的土中水分子流束和压力之间平衡遭到破坏时，冰透镜体的生长停止，冻结线向前延伸。这样，冻结过程便形成冻土中冰透镜体成层分布的规律。由于冻土中负温度是逐渐降低的。尽管冻结锋面已经向深部推进，但在已冻结土中未冻水膜外界面的水仍具有自

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由活动性。随着冻土中温度下降，在冻结锋面后面的冰透镜体就靠着这部分未冻水供给，继续缓慢地扩大。当孔隙水发生结晶并在冻结锋面附近形成冰透镜体和冰夹层时，土体的冻胀就由此而产生。这是土中的水分及从地下水面处迁移来的水分结晶作用的结果。冻结锋面上形成的冰透镜体和已冻结土体内未冻水结晶形成的分凝冰体所产生的冻胀增量构成了土体的最大冻胀量。

当温度生高时，土中冻结部位就会融化，形成沉降。土中水反复冻融，路基就会形成冻融翻浆。另外水还会使路基产生边坡堆塌、冰害、路堑边坡失稳等多种病害。这将严重影响铁路的运营。

4.1.2 治理原则

针对冻害产生的原因，采用综合治理措施。因此治理水因素以截排地表水、地下水、降低路基土体的含水量为原则，使路基土体长期保持通风、干燥。

4.2 排水系统

排水措施具体包括:基床排水——通过基床整形（平整基床及路肩）、挖除道碴陷槽、路肩换渗水性土壤、加设横向盲沟、纵向盲沟、横向排水管等排水；地表排水——通过修建侧沟、天沟、排水沟、排水槽、截水沟等，尽一切可能使地表排水畅通，并将大量地表水由桥梁及涵洞排走；排除地下水——通过截水明沟、渗水暗沟（截水渗沟、边坡渗沟、支撑渗沟）、渗水隧洞等排水；隔水——利用塑料薄膜、聚苯乙烯薄板、聚氯乙烯软板材料制成的隔水层或树脂类注入等方式隔断毛细水的上升厦隔断冬季土冻结时所产生的水分向上迁移。

4.2.1地表排水系统

排水是治理冻胀最常用也是必不可少的一种措施。路基排水设计的任务是针对不同水源，设置相应的排水措施，把影响路基强度和稳定性的水排到路基范围以外的适当地点，将土基湿度降低到一定范围，保持路基处于干燥或者中湿的状态。排水设施有排水沟、侧沟、截水沟（天沟）、急流槽和缓流井等[2]。排水设施能够排除路基两侧积水、渗透、最大程度的减轻路基土体在冻融过程中的各种物理力学性质的变化。但是设置地表排水系统会破坏原有的自然地表，如果不准确掌握地质条件，就可能改变和破坏多年冻土的生存状态，反而引起新的病害。

排水设备的作用是排除路基本体范围内的地面水及自田野方向流向路基的水，并将水导引至铁路过水建筑物或自然沟渠中排走。由于汇水面积一般不大，流量不多，

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故除特殊情况外均不作个别水力计算，直接采用规范规定的断面尺寸和有关规定（纵坡和加固等）。

排水设计应首先作好排水规划，规划排水设施平面布置的原则是使地面水尽快通过水沟汇集排除，水沟应尽可能设在距路基本体较近位置，使流向路基的水和降落在路基内的雨雪水均可由此排除。水沟的长度应取短，但如地形起伏，为减小工程量，可按最大纵坡顺地形绕行。水沟的拍水能力，在不允许满溢的情况下，如路堑的水沟、滑坡地区水沟，若流量较大，应作水力计算检算。

1）排水沟

用以排除路堤范围内的地面水。当地面较平坦时，设于路堤两岸，当地面较陡时，应设于迎水一侧（图4-1所示）。当有取土坑时，可用取土坑代替排水沟。排水沟应设在路堤天然护道内。开挖排水沟会破坏冻土影响路堤。根据大量的既有线调查资料表明，开挖排水沟对两侧沟边多年冻土的并影响不大，一般进3～5m左右。而且排水沟水流对水沟两边的影响亦很小。因此，从70年代起排水沟至路堤坡脚（含护道）的距离改为不小于5m。对埋藏较浅的厚层地下冰地段定为距坡脚10m。

图4-1纵向排水沟

排水沟长采用梯形断面（图4-2所示）。根据需要，有时也采用矩形断面。为避免水流冲刷或淤积，水沟纵坡最大不得超过8‰，最小不得小于2‰，困难地段不得小于1‰。水沟纵坡大于8‰的地段，应对水沟的沟身进行加固，防治冲刷破坏。在水沟纵坡变化段、水沟弯曲段尤应注意。

1:m h 1:m b 图4-2梯形排水沟横断面

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2）侧沟（图4-3所示）。在路堑地段用以排除路基面和路堑边坡面的地面水，设于路基两侧或 一侧（半路堑）。

3）天沟（图4-3所示）。用于排除山坡迎水方向流向路堑的地下水。

天沟 侧沟 侧沟 图4-3侧沟及天沟 4）跌水（图4-4所示）主槽底部呈台阶状的急流槽，其结构可有单级和多级两类，每级高差为0.2～2.0m，利用台阶跌水消能。一般应作铺砌防护。

图4-4 跌水

5）急流井

沟底纵坡较陡的水沟，可设计成两段较缓坡的水沟用缓流井连接起来。两段水沟的落水差最大可达15m（图4-5所示）。

图4-5 急流井

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6）急流槽

是用片石、混凝土材料筑成的衔接两段高程较大的排水设施。主槽纵坡大，水流急，出口设有消力池、消能槛等消能装置，沟底纵坡可达1:2。设在路堑坡上的急流槽又叫吊沟（图4-6所示）。

i=1:2 图4-6 急流槽

注意:排水沟、侧沟、天沟、边坡平台截水沟等各类排水沟的出口，应将水应将水排至路基以外，以防止水流冲刷路基。路基横坡明显的地段，排水沟天沟可在上方一侧设置。若地面横坡不明显，宜在路基两侧设置。排水沟、侧沟、天沟的横断面，应有足够的过水能力。位于反坡排水地段或小于2‰线路坡道路堑侧沟，其分水点的沟深可减少至0.2m。边坡平台截水沟尺寸，可采用底宽0.4m，深度0.2～0.4m。

7）防渗墙

为防止路基两侧积水渗入路基，在路基坡脚设置隔排水渗墙， 以减轻路基外侧积水对线路的影响。尤其是路基两侧积水没有处于同一位置，对路基形成不均匀浸湿，极易发生单冻胀病害，对线路安全运营的威胁更大[7,12]。

防渗墙一般设墙高2.5m，高出路基坡脚1.0m，埋人地下1.50 m，墙宽0.3m，采用C15素混凝土现场浇注，墙两侧设置渗水滤层，滤层共由三层组成，每层厚0.2m，由外往里分别为粗砂、砾石和碎、卵石，滤层底铺设隔水土工布，土工布下设20cm厚细砂垫层。沿墙长每10 m设伸缩缝一道，缝宽2cm，内填沥青麻筋。它兼具隔渗水及拍水功能，设计中还应注意其底部低排水坡度。（防渗墙大样如图4-7）

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1.50.31:1夯填粘土碎、卵石滤层厚20cm砾石滤层厚20cm粗砂滤层厚20cm0.2土工布C15素混凝土隔水墙厚30cm粗砂垫层厚20cm

路堤1.0地面线2.51.3图4-7 防渗墙大样图（单位:除注明者外余均为m）

4.2.2 地下排水系统

铁路沿线多年冻地段，冻土在垂向的发育状况可分为衔接状和不衔接装（有融化夹层）。多年冻土的分布制约着地下水的发育，因此，路基下地下水按其其赋存方式基本上分两类[8]。（1）季节融化层（或季节冻结层）内水:是指路基下的多年冻土在垂向上衔接路段的季节融化层内水或在不衔接路段内的季节冻结层内水。该类水埋藏浅，含水层底板即为冻土融化的界面，含水层不稳定，随季节融化深度而变化，每年9～10月含水层最厚，此时地下水最丰富。该类水多具有潜水性质，水量小，不稳定，水的相态随气温而发生变化，每年12月至翌年4月则变为固态。（2）路基下融化核内水:是指赋存于路基下常年不冻的融化核内水。该类地下水性质主要取决于融化核的厚度、岩性及路段所处的微地貌部位，含水层较稳定，局部具有承压性，常年为液态水。

这两类水的共同点是均以冻土层作为隔水层地板，以大气降水、地表水和冻土融化水作为补给源。地下水与顶土层相互依托、互相作用，冰并向下渗流。尤其是在有融化核发育的路段，当每年暖季来临，随着气温逐渐升高亦达最大；在季节冻结层向下融化过程中，路基下垂向剖面上可同时出现两个含水层，即季节冻结层内水和水并存阶段；当季节冻结层全部融完后，季节冻结层内水可补充于融化核内水。

路基内地下水的存在，制约多年冻土的分布和发育，同时也直接影响路基稳定。

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由于路基内水的冻融作用，产生冻胀和融化下沉。铁路冻害现象的实质是图层中水的相变造成的，其物理过程是地下水直接参与的。

地下水的处理原理一般为疏干、拦截、降低及引排措施。以降低地下水位来整治冻害。降低路基地下水及排除地下水设备的选择，应根据不同类型的地下水及工程具体条件、要求确定。常用的降低和排除地下水的设备主要有:

1）明沟及排水槽

明沟是兼排地面水及地下水的排水设备。沟底一般应挖至不透水层（图4-8所示）。若不透水层太深，沟底置于透水层内（图4-9所示），则沟底及水沟边坡应用不透水材料作护层，以免彀中水渗入土中。

图4-8 沟底为不透水层的深水沟

图4-9 沟底进入深水层的深水沟

排水槽也是一种兼排地面水的设备（如图4-10所示）。排水槽侧壁有渗水孔，侧壁外最好天一层粗砂、细砾石或炉渣组成反滤层。渗水孔在槽壁的上部，槽内水面以下的槽壁述不透水的，以免水反渗入土中[2]。

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渗水孔 填土夯实 1:n 1:n b1Ht0.6cmb2）站区排水渗沟

2Bb2 图4-10 排水槽 站区排水渗沟（图4-11所示）是一种排除地表水及浅层地下水的工程措施，在站区各股道之间设置纵向渗沟， 以一定的坡度将地下水或下渗的地表水引至横向渗沟，再由横向渗沟将水排至路基以外[13]。由于站区排水渗沟兼具渗排水功能，能有效地疏排浅层地下水，大气降水等地表水能迅速地排至站区路基以外， 因而站区排水渗沟是一种有效的疏排地下水、治理站区冻害的工程措施之一。站区排水渗沟的修筑，主要目的是加强路基自身的排水能力，降低路基土体含水量。

它可以起到以下三方面的作用:

可以及时将大气降水排除在路基土体以外。站区内修筑纵横交错的排水渗沟，形成了一套完善的排水系统，大气降水可以通过这套排水系统尽快地排出路基本体，减少了大气降水在路基体内的滞留时间，从而减少了其下渗量，阻止了路基土体含水量的升高。

可以部分疏干路基土体，降低路基土体含水量。由于渗沟兼具排水、渗水的功能，当渗沟内砾石等渗水土含水量与周围土体含水量相当时，由于渗水土的渗透系数远高于周围粘砂土的渗透系数，地下水会部分地向渗沟渗流，由渗沟汇集后排出路基，从而降低路基土体含水量。

在路基表层冻结过程中，可以改变路基深层水分的迁移途径，部分地减少水分向冻结锋面的迁移量。根据冻害原因分析， 由冻结前路基土体内的水分所引起冻胀量是非常有限的，只有在冻结过程中地下水源源不断地迁移至冻结锋面才会产生较大的

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冻胀量，渗沟的修建，可以在冬季土体冻结过程中部分地改变水分迁移的路径，减小水分迁移量，从而减小冻胀量。站区排水渗沟排水效果良好，可以有效排除站区地表水及地下水，减轻冻害，但施工难度较大， 需要封闭线路，对线路的正常运营有影响。它适用于自身排水能力较差的车站站区。

1% 1:1.5 厚0.3粗砂垫层， 中间铺不透水工布 图4-11 排水渗沟示意图

3）截水渗沟

在部分零断面路基或路堑路基地段，为截排地表水及地下水，防止水渗入路基土体中，在线路靠山侧修建截水渗沟[2]。渗沟中心距线路中心线14m，沟底宽1.5m，深2m，沟边坡为1:1.5，梯形断面， 内填块石，上铺30cm厚碎石。为防渗，路基坡脚至渗沟底面及靠山侧边坡距沟底l m范围内铺30 cm粗砂垫层，中间铺设隔水土工布，路基坡脚至沟左侧坡顶粗砂垫层上填30cm厚块石。截水渗沟由于其没有保温措施，只能适用于季节冻土地区，只是一种一般的排水设施（如图4-12所示）。

夯实黏土 单层干 砌片石 反滤层 隔水层 填洗净碎（卵）石 黏土 淤泥层 钢筋混凝土盖板 浆砌 片石 图4-1２ 截水渗沟

黏土防水墙 防水暗沟 4）盲沟

对某半挖半填地段，在线路山侧可设置盲沟（如图4-13），沟壁外侧设三层反滤层，碎石层、砾石层、粗砂层各厚25 cm。为了便于检查、维修和通风，每隔50 m左右及平面转折处设置1座检查井[14]。

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片石 炉碴 碎、卵石 25cm 4% 砾石厚25cm 1:0.2 粗砂厚25cm 汇水孔Φ100mm 图4-13 盲沟结构示意图

5）集水井如图

在地下水及地表水极为丰富河漫滩地段，采用集水井的办法疏干土体、降低路基土体含水量，减少冻胀量，减轻冻害[2]。即在线路两侧路基坡脚处每隔25m设置一座集水井（如图4-14），将地下水引到集水井中，定期将集水井中的集水抽出，排放至河漫滩远处。

集水钻孔集水井 裂缝 排水钻孔集水钻孔 滑体 排水钻孔 图4-14 集水井 4.2.3 其它排水系统及方法

1）挤密砂桩

为降低路基面以下1.5 m范围内土体含水量，同时提高该部分路基土体密实度，加速地下水排出，在路基上部设置碎石挤密砂桩[12,13,] 。从路基顶面打直径为150 mm的垂直钻孔，孔深1.5m，成孔后在孔内夯填碎石和粗砂（如图4-15、4-16所示）。

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2）疏于排水孔群

疏干排水孔群是设置在路基中疏排路基土体内过湿土中自由水的一种工程措施。在路基坡面低于路肩1.45 m的位置打直径为110 mm的仰斜疏于排水孔，降低土体含水量[12~15]。并使仰斜孔穿透垂直孔底部打至道心位置，孔内安放直径为100 mm的软式排水管，使垂直孔内的水沿仰斜孔排至路基以外。仰斜孔仰角5°，平均深度6.8 m。根据现场情况可进行调节，终孔原则为孔端必须设置在道心以下，为防止软式排水管变形，透水管内充填细砂，并在孔口设置沿线路宽0.5 m、垂直线路长1.0 m的砾石保温层。每孔在道心和轨枕端部附近各设置一个碎石挤密砂桩，为增加疏干效果、便于施工，碎石挤密砂桩及疏干排水孔在路基两侧交错布设见（如图4-15、4-16所示）

由于疏干排水孔布设不受路基形态等的影响，可以根据过湿土层及道碴陷槽的位置按疏排水要求灵活布设，并可以根据路基土体含水量的大小灵活调整疏干排水孔的间距以便路基冻胀量均衡，且疏干排水孔的施工不会影响线路的正常运营，是一种治理既有线路路基冻害的理想工程措施。疏干排水孔群作为一种处理路基冻害的综合治理措施，它兼具排水和隔水功能。

疏干排水孔施工工艺包括:

第一步，造孔，首先完成仰斜角为5°左右的钻孔。 第二步，用人工插入或机械顶 入软式排水管。

软式排水管（如图4-17所示）由高强度钢丝圈与有透水、过滤、保护作用的管壁包裹材料两部分构成，其中支撑体高强度钢丝圈由高强度钢线经磷酸防锈处理加工而成，并外覆一层PVC材料，使其与空气、水完全隔绝，避免氧化生锈。包裹材料由三层材料复合而成，内层为透水层，由高强度特多龙纱或尼龙纱作经纱，特殊纤维作纬纱，中层为无纺土工布过滤层，外层为被覆层，材料同内层。为了确保软式排水管复合材料的一体性，支撑体与管壁包裹材料之间以及管壁各层之间均采用强力粘结剂固定。由于其特殊的构造，兼具硬水管的耐用和软水管的轻便，过滤性能强，并具有利用毛细原理使吸水、透水和排水过程连续完成的优点。

疏干排水孔群利用孔内放置的软式透水管的特殊结构，在路基土体含水量很高或饱和时，水分可通过排水管排出路基以外。当含水量比较小时，软式透水管还可阻隔和吸取路基中的水分，降低路基土体含水量。当寒季开始，由于排水孔直接与外界相通，在孔内空气对流的作用下，加速了路基上部土体的冻结速度，使路基下部土体的水分来不及向上迁移，从而阻隔和阻止了下部土体水分向冻结峰面的迁移。同时由于软式透水管具有一定的弹性，当排水管周围土体冻结时，排水软管还可产生一定的弹性变形，这对路基顶面的冻胀亦起到一定的抑制效果。当春季路基土体内的冰融化后，水分可及时通过疏干排水孔排出路基，进一步降低路基土体含水量。

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3）石灰桩

在路基土体含水量很高的路段，除设置上述主要致力工程措施外，害可以设置石灰桩，它能尽快降低路基土体含水量，减轻冻害[2,12,13,]。

对冻胀病害集中出现晃车或冻胀严重地段，于相邻仰斜孔之间的道心处设置石灰桩一根。桩间距1.07m（即间隔两根轨枕），桩径150mm，深2.0m。灰土成分为Ⅰ～Ⅱ级生石灰（粒径1～3 cm）、干细砂（或干粘土粉）、氯化钙，其重量比为3︰1︰0.1。石灰桩填料要拌合均匀；分层夯填，分层捣实。虚层厚30cm，捣实层厚20～25cm。封孔用硬塑粘土，长30～40cm。施工完毕后要清筛道碴，（见图4-15、4-16所示）

石灰桩只能作为一种临时处理冻害的工程措施，因为随着时间的推移，石灰的吸水性能将逐渐消失，石灰桩也随之失效。

碎石挤密砂桩，深1.5m，直径150mm 空口砾石保温层 1 1.45m 5° 疏干排水孔 地面线 图4-15 碎石挤密砂桩及疏干排水孔断面图

2.15路基坡脚线路肩边线碴底线碴顶线钢轨轨枕线 路 中 线局部加强地段增设石灰桩碎石挤密渗井1.072.15疏干排水孔

图4-16 碎石挤密砂桩及疏干排水孔平面布置图

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内衬钢线 透水层（内） 过滤层（中） 被覆层（外） 图4-17 软式排水管结构图

4）支撑渗沟

支撑渗沟本身是一种保持边坡稳定的工程措施。在路基冻害防治上， 由于路基边坡尤其是高填方路基边坡在多年冻土上限附近容易产生春融滑坍病害，可采用支撑渗沟处理春融路基滑坍； 另外支撑渗沟还可以部分地疏干路基土体内水分，降低路基土体含水量，减轻病害， 由于多年冻土地区路基的特殊性，支撑渗沟必须结合疏排水工程使用，以免因路基坡面修筑支撑渗沟而引起不均匀冻胀，产生新的冻害。支撑渗沟一般设置在路基边坡的阴坡，支撑渗沟宽2.0mm，间距10m，台阶式沟底，每级台阶宽2.0～3.0m，最下一级（出口处）宽为4～6m，台阶高1.5～2m，距边坡的最小距离为1m。沟底用M10浆砌片石砌筑厚35cm。两侧壁设厚30am的反滤层。沟内填干砌片石，沟顶铺一层干砌片石，表面勾缝。渗沟出口处设4m长挡墙，墙顶宽2m，胸坡1︰0.4，背坡1︰0.2，墙底为0.2︰l的反坡。墙上设上下两排泄水孔，孔径10cm，下排泄水孔与沟底标高一致，挡墙下部沟底处设3孔25×25cm泄水孔，将渗沟积水引到墙外。

5）隔水法

为防止路基地下水通过毛细作用进入路基上部，保持路基上层土壤较低的含水量，常在路基中设置隔水层。通常分为透水性隔水层和非透水性隔水层两种[8]。

（1）透水性隔水层

透水性隔水层～般用砂砾、碎石炉渣等做成，厚度一般为10～15cm。由于这些材料孔隙较大，所以可以切断毛细孔，有效地阻止地下水向上层的迁移。

（2）不透水隔水层

不透水隔水层可用各种不透水材料制成，通常采用的不透水隔水层的形式有以下几种:

两层油毡纸中间夹沥青；

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沥青和土拌合或者渣油和土拌合； 用喷洒的办法铺一层沥青或渣油；

各种不透水膜料，如塑料薄膜、沥青玻璃布、沥青橡胶布等。

4.3 温度对路基冻害的影响及治理措施

4.3.1 温度与路基冻害的关系

温度对土体冻害的影响主要反映在土体温度的冷却程度和冷却速度。在一定的条件下，温度降到某个特定的温度，土体才开始产生冻胀等病害现象，即冻胀起始温度。同时随着温度的继续降低，冻胀也会趋于停止。土体的冻结温度取决于土体的颗粒成分、含水量、颗粒的矿物成分、空隙水的溶液浓度等。一般地，对于同一种土质，土体的冻结温度随着中含水量的增大而升高。图4-18为在一定条件下测定的不同含水量土的冻结温度，可以看出，含水量高的土样（20%）有一个明显的稳定温度，且这个温度最高。相应地，含水量较小的土体，冻结温度也较低，对于含水量较小的土体（11.76%），几乎没有出现比较明显的稳定阶[8]。

冻结点测试 2.01.0土0.0体100温-1.0度（-2.0℃）-3.0含水量20% 600110016002100在封闭系统中[16]，尤其是对于细粒土，于一定的负温条件下，土体中总保持相应的未冻结的液态水，即未冻水。一般地未冻水的含量取决于土体的温度、粒度组成、矿物成分，含水量、易溶盐成分与浓度等。未冻水含量随温度的降低而减小，并最后趋于平衡。土体的冻胀量实际上就是土体中水分冻结成冰时产生的体积膨胀，土体中未冻水减少，也就意味着冰态水的增多，所以冻胀量也就增加，对于封闭体系，土体

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-4.0-5.0-6.0时间（s）

图4-18 一定条件下不同含水量土体冻结点测定结果

原位冻胀量也就随士中温度的降低而增大，达到某一温度时出现相对稳定值，具有与未冻水含量随温度变化相类似的规律。

粘性土剧烈冻胀土温为－1～－7℃，砂土为－0.5～－3℃，当土体温度继续降低时，冻胀量基本不发生变化，因为此范围内可完成全部冻胀量的80%以上。

4.3.2 温度在路基中的传播方式及治理路径

热量从大气中向路基传播主要通过三种方式[17]:热传导、热辐射及热对流。因此可以通过对流、辐射和传导方式这三个方面来达到保护多年冻土的目的。

1）控制热传导

在工程中主要通过增加热阻的方式来达到控制热传导的目的，这类方法主要由设置泥炭层、反扣塔头草、抬高路堤、设置隔热板（EPS、PU板）。其中设置泥炭层、反扣塔头草的方式由于耐久性差，已基本不采用，目前比较常用的是抬高路堤和设置隔热层的方法。

2）辐射

这种方式的原理是通过增加路基表面的反射率，减少对太阳辐射的接收，从而达到降低地温的目的，主要的方式有采用浅色道碴、设置遮阳棚或在路基边坡上设置遮阳板。

3）对流

对流是利用热空气密度小上升，而冷空气密度大下降的原理，用通风管、碎石等路基内的空气流动，达到保护多年冻土的目的，在路基中设置通风管、采用片石通风路基、碎片石护道，利用热虹吸原理的热棒（桩）也属于对流方式的一种。

在以上方法中，泥炭层、反扣塔头草、抬高路堤、设置隔热板（EPS、PU板）属于一般保护多年冻土方法，而其它的方法则属于冷却地基保护多年冻土方法。当采取以上措施均都不能保证路基稳定性时，经过经济比较，可以考虑采取以桥代路或绕避的措施。

4.3.3 温度治理措施

1）基床保温措施

基底铺设隔温层，可以补偿路堤基底因表层植被及泥炭受到压缩变薄及压实而导致的热传导性能增加，亦可减少填土蓄热对基底的散热影响，起到保温效果[8]。隔温材料的种类，国外有采用泡沫塑料隔热板材的，但造价较高。东北大小兴安岭地表生

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长的塔头草及泥炭层为良好的保温材料，可就地取材，造价低且施工简便。铺设厚度一般为0.2 m～0.3 m。基底铺设泥炭层的多年冻土路堤，在基底泥炭隔温层及两侧设置的保温护道的共同作用下，基底人为上限上升明显。更换基床土为一定厚度的保温材料，如炉渣等，以调整路基冻结深度，减少基床上冻土的水分聚流现象，同时炉渣具有吸着薄膜水和较好的排水性能，可以促使融期基床干燥。炉渣保温层厚度可通过冻渗理论计算，一般不少于0.4 m。

2）导温盲沟

导温盲沟也称冷暖盲沟，是一种由炉渣横向暖沟与卵石纵向冷沟联合起来组成的导温方案。其原理是通过在轨道下基床间隔设置的横向暖沟，使土基冻结滞后。而在轨道两侧设置的纵向冷沟，则由于其填料的温度传导系数大且通风良好，使其周围的基床土先行冻结，因而，轨道下基床土中的水分必然向冷沟附近的冷却区聚集。春融时，冷沟附近冻土及冻体先行融化，土中水由纵向盲沟中排出。这样，整个基床土分期融冻，分期冻结，使轨道下的基床湿度大大降低，并提高了基床的整体承载力。烟双铁路专用线冷沟设计采用似40 mm～200 mm洗净的卵石并包裹土工布代替反滤层，效果较好[9]。

3）设置保温护道

多年冻土路堤的另一保温措施是设置保温护道，用以减少及削弱因热传导作用而引起的对多年冻土的影响。防止向阳坡侧人为上限的下降和缓和坡侧人为上限的破坏。以粘性土填筑的保温护道并可阻挡和减少路堤坡脚处地表水渗入基底，防止基底冻土融化 保证路堤稳定的效果。护道材料宜根据“就地取材，方便施工”的原则，并结合防水综合考虑。采用泥炭草皮或细粒土均可，在需要加强防水的地段以土护道为宜[7,9]。

护道尺寸如下图4-19，冰综合以下因素确定:

（1）当路堤的向阳、背阴侧区分明显时，向阳侧护道用大值或仅在向阳侧设置。 （2）地面横坡陡于1︰10，且向阳侧又处在下方时，下方侧护道用大值或仅在下方设置。

（3）位于岛状多年冻土带中的路堤，路堤坡脚人为活动频繁（大型车展及林业局附近）的地段赢取图4-19中最大值。

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黏土隔水防火 层后0.2m 1.0m

2m 0.04 中 心 线

中 心 线

2.5～3m

0.04 1:1.75 1.5～2.0m

1:2 (a)填料为泥炭、草皮、塔头草时

(b)调料为细粒土时

图4-19 保温护道结构

4）土工布、EPS导温垫床

土工布具有隔离、渗滤、排水、加固和强化土体的作用，在整治一般翻浆中已广泛应用。应用EPS材料整治基床冻害，目的是将冻结线控制在保温层内或使冻胀性土脱离冻结层，从而减少和消除路基土体的冻胀[7,18]。

EPS材料铺设的断面形式如下图4-19所示，以双股铺设为例。EPS材料的规格:1500×1000×50mm。线路横向铺设2块，宽度3.0m。路基顶面保持原路基面形式，向外侧设2%横向排水坡。设计及施工时线路原轨顶标高不变。

2% 3m 路肩 10cm砂保护层 5cmEPS材料 5cm砂保护层 图4-19 EPS材料铺设断面示意图

（1）铺设EPS材料应首先考虑冻高大于30mm以上的路基大冻害处。 （2）铺设EPS材料对解决道口、桥头及道岔路基冻害效果更好，可大大减少维修作业量及维修材料。

（3）根据路基冻害外部表面特征，以及同一横断面上左右股钢轨的单侧冻害、交错冻害发生情况，只要准确判断出冻害的位置，也可采用单股铺设方式。

施工注意事项:

（1）EPS材料铺设深度对整治效果有影响，铺设的EPS材料距轨枕底面的距离过大或过小都起不到良好的效果。过大则形成水槽，材料上积水，水从材料接缝浸入材料下基床；过小则使材料铺放于石碴上，起不到保温作用。所以必须按现场实际情况及各种因素进行设计与施工。

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（2）材料对接缝对整治效果也有影响，对接缝必须严密，离缝过大保温效果不明显，所以对接缝不易大于3mm。

（3）冻害地段铺设EPS材料后，在列车荷载的作用下，会出现轨面标高下降，线路形成漫坑。所以应在施工时予留下沉量，并加强捣固，施工后也应加强整修。

5）遮阳板路基

在富冰冻土地段采用遮阳板遮蔽太阳直接辐射，加强路基稳定性。青藏铁路在风火山地区修筑了遮阳蓬路基实验工程。

遮阳板技术属于辐射的范畴，是一种积极主动的保护冻土的工程措施[7,18]。在有明显阴阳坡面的路段，由于路基阴阳面的吸热不均，融化盘向阳面偏移，导致了路基纵向裂缝的发的生，利用遮阳板路基能有效降低蓬下温度的这一特点，在路基吸热较多的一侧设置遮阳板（图4-20所示）。一方面，它阻止了太阳对路基边坡的直接辐射，明显地减少了路基吸收的太阳辐射热，降低路堤的温度，以达到保护冻土路基的目的；另一方面，它避雨，切断了路基边坡的雨水补给，减少或阻隔了带有融化潜热的雨水下渗路基，减弱了因垂直渗流而加速下部冻结层融化的趋势。对于降低路基体温度，减少路基体下冻土的融化量，治理由于融化盘偏移引起的纵向裂缝严重路段起到非常好的作用，从而有效地保护并加强了多年冻土路基。

辐射热量反射热量遮阳板雨水携带热量遮阳板

图4-20 遮阳板作用效果图

遮阳板面板选用不透光材料，用以更好的增强防辐射效果，同时面板应有较大的热阻，减少传导热传递，也可在遮阳蓬外表面涂上具有高反射性质的涂料，例如涂上白色或银白色的油漆板材选柔性材料，以利于抵抗不均匀沉降变形，同时面板要易于施工，易于稳固和加工。面板要考虑其耐久性和经济性，可选用双面铝塑板。遮阳板一般设在高原空旷、风力强大地区，要注意风的威胁。

6）片石通风路堤

通风路基，就是空气可在其内流动的路基，它利用空气的流动来改变路基的传热方式[7,19,20]。一般情况下，在干容重和含水量相同时，粗粒土的总孔隙率小于细粒土

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的总孔隙率，且传热是以固体颗粒接触传导为主，因而粗粒土的导热系数大于细粒土的导热系数。但对于片石堆积体来讲，虽然胶结良好的大块石传热性较好，但块体之间存在的不连续界面使得传热受到阻碍，其传热方式从本质上发生了改变，当孔隙直径大于几毫米时，通过对流进行的传热迅速增加，成为传热的主要方式。片石堆积体以其较大的孔隙和较强的自由对流，在寒季由于气温低于路基体内温度，形成路基外密度大的冷空气不断置换路基内密度小的热空气，不断发生热量交换，在暖季却由于气温高于路基体内温度，抑制了对流传热作用，产生热量屏蔽。其结果是有利于保护多年冻土，保持多年冻土上限稳定或促使多年冻土上限上升，从而达到提高路基稳定性的作用。

片石通风路基是利用20～40cm粒径的块石填筑路堤或者利用粒径更小的碎石附筑在路基坡面上的保温结构（如图4-21所示）。

0.2m中粗砂 0.2m碎砾石 2.0m >3.5 1,2m 2% 原地面 填土 高含冰量冻土天然上限 图4-21 片石通风路基结构示意图

0.3m 直观的看片石通风路堤结构的作用包括以下两个方面:

（1）寒季密度较大的冷空气，在自重和风的作用下将片石层底部的热空气挤走，并在热交换作用的驱动下反复循环，加快传人地基多年冻土的冷量。

（2）暖季密度较小的热空气始终处于片石问空隙的上部，对流热交换停止，仅以片石问的点接触传导少量的热量，同时由于下伏地层水的蒸发，片石间隙空气的流动，消耗一定的热量，这样就起到了类似二极管的热开关作用。

即在暖季减少热量的传人，具有热屏蔽作用，在寒季则能够显著提高冷量的传人，增加寒季的冷量储备，对多年冻土起到保护作用，目前在青藏铁路建设中大量采用此种结构。

7）热棒路基

热棒路基是利用自然能源，在温差作用下驱动内部制冷工质的汽液两相对流循环，通过蒸发段蒸发吸热作用降低周围冻土温度，增加冻土本身的冷储量，提高热稳

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定性，保护多年冻土[21,22]。

热棒技术是60年代初发展起来的一种广泛用于土木工程中的、无需外加动力的冷冻技术，它实际上是一种无蕊重力式热棒。它实际上是由一根密封的管组成，里面充以工质，管的上部接冷凝器，下部为蒸发器，结构如图4-22所示。当冷凝器与蒸发器之间存在温差（冷凝器温度低于蒸发器温度时），蒸发器中的液体工质吸收热量蒸发成汽体工质，在压差作用下，至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，冷凝成液体，在重力作用下液体工质沿管壁流回蒸发器再蒸发，如此往复循环将热量传出。只要冷凝器与蒸发器之间存在着温差据试温差（根据实验，温差0.1℃便可工作），这种循环便可持续进行下去。

散放热热段段3.0m 路基表面 放出汽化潜热 并冷凝为液体 路基填土 3.0m 活动层 绝热段段 多年冻土 工质加6.0m 热段吸收热量 工质蒸发 冷凝段:由于冷凝段外部流过较冷的空气（风），使表层温度降低，蒸汽与较冷管壁接触，放出汽化潜热，通过冷凝段外部的肋片凝结成为液体，将热量释放至大气中；冷凝液体在重力作用下，沿管壁流回蒸发段。

蒸发段:土体热量传至蒸发段，液体工质吸热蒸发蒸，汽沿管内空腔上升至冷凝段。由于在重力场中，蒸汽只可能往上升，冷凝液只可能往下流。所以，工作在地基中的热棒只可能单向传热，即将地基中的热量传向大气，而不用担心它会将大气中热量向下传到地基。

对多年冻土区的冻土层来，讲寒季和暖季的部分时间段（夜晚或太阳落下之后），环境温度低于热管蒸发段所在的周围冻土层温度，地下的热量加热插入地下的热管，使其内部的工作介质汽化，在蒸汽压的作用下向上部冷凝段流动；在冷凝段，由于温度比较低，蒸汽遇冷凝结，凝结液在重力的作用下回到蒸发段，进行下一个循环。如

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图4-22 热棒结构示意图

此不断工作，将地下的热量带走。而夏天，环境温度比较高，由于热管内部没有吸液芯，工作介质不能从下面流到蒸发段，所以此时的热量只能依靠管壁的热传导。正是由于热虹吸管的这个特点，使地下的多年冻土层变厚，加固了冻土的强度，减小了以冻土为路基的铁路在运行时的下沉，在冻土层，没有应用热管时，其内部的冷冻和融化是完全依靠冻土本身的传导，这样在冬天冻土得不到充分的冷冻，低温冻土区冻土层的年平均地温温度只有－2℃。而在放置热管后，土层的冷冻过程就变成了二维的导热过程，其内部增加了一个长期作用的有一定热流密度并在管壁形成一定负温的温度冷源，可以把从地面到地下 5～6m的接近热管壁土层的温度大幅度降低，强化了冻土层的冷冻过程。而在夏天又不会增加融化过程，这样增加了冻土层的冷储量，抵御了环境气温温度升高，而导致的地温升高避免了冻土热稳定性降低的可能。

热棒技术是一种有着广阔应用前景的新技术，尤其是在全球气温升高大环境下，它的不可替代性更明显。热棒的特点有:（1）无需外加动力；（2）无运动部件，运行无噪声；（3）传热能力大，传热效率高，热系数可高达纯银的数千倍；（4）单向传热!热量仅能从下端传向上端，反向不传热；（5）起动温差小，蒸发器与冷凝器之间只要有很小的温差（0.1～0.5℃）即可启动热棒；（6）适用温度范围广，在－60～60℃可有效工作；（7）价格便宜、应用灵活、安装简便、适用范围广；（8）工作安全可靠，使用寿命30天以上；（9）结构坚固，不易损坏，无需日常维修养；（10）无有害物质，符合环保要求。

实践证明，热棒能够很好的防止多年冻土的融沉、冻胀病害。已在青藏铁路、公路多年冻土区路基试验段取得重要的阶段成果。

8）保护地表植被及泥炭层

在地表多为活地被植物及泥炭层所覆盖，这些活地被植物及泥炭层是多年冻土良好的保温层。因为植物介于大气层和地层之间，积极参与两者之间的热量交换，对土的冻结和融化均有很大影响。尤其夏季，植物能遮挡太阳的强热辐射，减弱地表的受热程度，减少进入土中的热量。因此，植被能降低地表的受热程度，减缓和减少冻土的融化速度和深度。冬季，植被使土中的热量不易散发，减小疾患土的冷却速度。植物根系有保持一定水分的能力，若为苔藓及泥炭，吸水能力更强。大量的水分蒸发，消耗很多热量，使相当一部分太阳辐射热达不到冻土中。同时植物在进行光合作用时，也要吸收太阳内能供其生长发育的能量。这就增加了土的热容量，降低了土的导热系数。由此可见，天然植被起着非常重要的作用[7]。

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4.4 其他路基病害及治理措施

路基除以上几种主要病害外，还有一些其它的此生病害，如路堤纵向裂缝、冻胀丘、冰锥等。它们严重影响了路基的稳定性，须采取措施对其进行治理。

4.4.1 冰锥、冰丘地段的路基整治

冰锥、冰丘的防治，实际上是多年冻土及严寒地区的一种特殊的防水措施。治理冰锥、冰丘的措施和方法有:冻结沟、集水坑（沟）、渗水暗沟等[7]。

1）冻结沟

冻结沟是拦截地下水防止冰丘、冰锥危害路基的一种措施。施工简单，如设置得当，能够在一定时间内起到较显著效果。以广泛应用于既有线铁路上，如图4-25所示。

线路中心线 20m以外 冻结沟 h>1.0m 0.5～1.0m 图4-25 冻结沟示意图

多年冻土上限 冻结沟的作用是在路堤的上方垂直地下水流向，开挖一条不大于上限的一定深度的排水沟，并在沟的上方附近铲除地表植被覆盖层，以达到强化冻结的目的。冻结沟虽然在形式上是在地面挖沟，但其作用等于地下筑墙截水。开挖冻结沟需注意一下两个问题:

（1）冻结沟的阻水防渗是关系到冻结沟能否收效的重要环节。应考虑冻结沟沟靠路基一侧边坡透水层的防渗措施，防止由冻结沟上方测边坡流入沟内的地下水通过沟的下方侧坡流向路基，因此冻结沟的沟底及靠一侧边坡粗要采取防渗措施。

（2）尽量将冻结沟选择在路基上方较远处，使冻结沟与线路间有较宽的积冰场地。

2）积冰坑（沟）

积冰坑（沟）是拦截地下水防止冰丘、冰锥危害路基的另一种形式。即拦截地下

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水使其流入天然或人工设置的坑（沟）场地冻结、贮存在内，防止对路基造成冰害，待春夏季节融化后再排走。积冰坑与冻结沟不同之处在于积冰坑主要是用以容纳整个冬季全部积冰为依据，并根据当年降水量与历年降水量的比较分析确定地下水流量，再适当加大，留有余地，以免积冰溢出仍然造成冰害。

积冰坑（沟）的形式对路堑来说，有扩大和加深侧沟积冰（图4-26所示）、侧沟外积冰坑（图4-27所示）、扩大和加深天沟积冰几种。

扩大加深侧沟中心扩大侧沟中心1:1.5 碎石夹土 线路中心 1:1.51:1 碎石夹土 1:1 2.90 图4-26 扩大和加深侧沟积冰沟

1:1 5.0 出水口 积冰沟中心防护堤侧沟中心线路中心 35

图4-27 侧沟外积冰沟

采取加深天沟防治冰丘、冰锥，必须挖到侧沟沟底高程以下，以截断所有流向线路的地下水，并对靠线路一侧的天沟边坡采取有效地防渗措施。

对路堤来说主要是在路堤上方设积冰坑，并常与挡水堤向配合，即将开挖积冰坑的弃土填在靠线路一侧的坑边，做成挡水堤，这样可增加积冰容量。这种措施需要路堤上方有开阔的场地，且需设置好桥涵排泄的通道，积冰是关闭，融化时开放。积冰坑型式在平面上可根据地形设计成正方形、长方形或V字形。横断面如图4-28所示。

0.5-10m 0.5-10m 1:m 1:m 积冰坑 b h 1:m 中心线 挡冰堤 图4-28 积冰坑和挡冰堤

4.4.2 路堑边坡失稳及治理

目前冻土区路堑的稳定性问题主要是局部稳定性问题，即工程造成的水热环境的改变，形成了新的冻土融化上限形态；在新的水热平衡形成的过程中，在人为上限随着冻融循环变化的过程中产生了坡脚冻胀鼓包和坡顶融沉裂缝等潜在病害特征，如果不及时采取措施，任其进一步发展，路堑边坡将有可能产生局部失稳的情况，影响到线路的正常运营。

可考虑在堑坡一级平台上铺上一层碎石护坡来提高融化上限，冰清除掉以被破坏的护坡部位，重做坏掉的坡面；沿坡面破坏带土层位置做泄水孔和疏通断面原有的泄水孔，重点排除该层融化水；在堑定增设保温板或挡水捻等来提高冻土上限，将水分阻隔在路堑范围外；增厚堑顶填土层提高人为上限，保护厚层地下冰等措施来治理路堑边坡失稳病害[26]。

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第5章 多年冻土地区的环境保护

5.1 既有线运营中的环境保护

在多年冻土区进行铁路工程建设，比一般地区困难和复杂，不但在勘测、设计、施工中要考虑和处与理一般地区不同的一些特殊问题，而且在工程竣工投入运营后，还要做好工程运营管理期间的环境保护。如没有做好这方面工作，即使在勘测、设计、施工时考虑的很周全，工程建筑物也难免遭受病害和破坏，所以，做好工程竣工运营管理期间的环境保护是至关重要的[7]。

要保护好工程周围的生态环境。如可以和林业部门协商，在铁路沿线两侧设计规划禁采区，形成绿色保护带，保持多年冻土不受人为经济活动破坏。

做好排水工程。主要是做好几个方面的工作:

（1）防止地面水渗入路基下部，一方诱发不良地质现象；如产生冻胀、融沉定病害；

（2）防止地下水侵入铁路的界限，以免造成隧道内乱兵、路堑内积水等冻害； （3）防止线路两侧积水，以免形成热融湖塘，破坏多年冻土，造成日融夜冻反复循环，是其遭到剥蚀；

（4）不得在周围开荒垦地、引水灌溉、养殖耕作。多年冻土区既有线之所以遭到不同程度破坏和病害，以部分原因是自然条件恶劣，其次是人为的经济活动导致的破坏。

5.2 多年冻土区环境监测和管理

设置永久性标志。对以采用保护措施的工点如厚层地下冰地段的路基，设置起讫里程标冰在标志牌上注明保护要求，便于巡查人员随时监视路基的变化一级观察路基两侧（禁止人为活动范围内）是否有人垦荒、取土以及其他破坏冻土稳定的活动。对有冰锥、冰丘地段的路基要设置标志牌，以利于观测冰锥、冰丘的活动情况，做到及时排水、疏导，预防列车颠翻事故的发生[7]。

设置永久性的观测点。为防止重点工程发生不测事故以及计算参数的验证，要在重点工程地段设置永久观测点。观测内容主要有以下几方面:

（1）温度观测。监测路基温度场的低温变化趋势，对重点工程应设置一定数量的观测孔，及时掌握低温变化动态。对可能出现融沉的地基应加强预报工作。

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（2）冻胀与融沉观测。对冻胀与融沉的观测一般采用水准抄平法进行。为观测路基的冻胀与下沉量，多采用冻胀（融沉）板。冻胀板是早20mm×20mm钢板中间焊上不同长度的钢筋（视其观测深度而定），使钢筋顶部露出地面，冰套上塑料管，管内充填防冻凡士林。

（3）挂冰、积冰及冰塞得观测。隧道、路堑往往在隆冬及春融季节挂冰、积冰，故对那些有地下水涌出的地段要加强监测。实测证明，隧道内出水点位置是变化不定的。涵洞及隧道内的泄水洞有时会出现并塞，充冰量变化不定，冰塞涵洞严重者一个冬季即可被死堵死，春融是洞内积冰迟迟不融化，使涵洞上游形成小型水库，危及路基的安全。泄水洞内融区地段的地下水通过多年冻土地段时，由于东大于融，故在洞壁上每年都要挂上一层冰。少则3～5年，多则7～8年，泄水洞就可能被冰所堵塞。融区的地下水回涌出地面，使隧道内下部积冰、上部挂冰，危及行车安全。因此，均需定时检查观测，当上述积冰、挂冰接近限界是应及时预报刨冰。

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第6章 结论与展望

6.1 结论

多年冻土区铁路路基的冻害主要是由水、温度和土质引起的，治理路基的冻害应从这三个方面着手。根据资料显示，寒区铁路路基的主要冻害为冻胀。治理路基冻害既有传统的老方法，也有新技术、新工艺。

水是引起路基冻害的主要原因，通过排水来治理路基冻害主要是以截排地表水、地下水、降低路基土体的含水量为原则，使路基土体长期保持通风、干燥。排地表排水主要用排水沟、侧沟等。排除地下水主要有渗沟、站区间排水沟、集水井、盲沟等。排除土中水注要应用石灰桩等。另外还有挤密砂桩、疏干排水孔、和用隔水法等措施降低路基中水。不同地区采取不同的排水措施，也可综合考虑，如疏干排水孔和挤密砂桩结合运用能很好的处理路基本体。疏干排水孔群是一种处理路基冻害的综合治理措施，它兼具排水和隔水功能。因其布设不受路基形态等的影响，可根据地下水位和灵活布设，且其施工不会影响线路的正常运营，是治理既有线路基冻害的理想措施。石灰桩可以在短期起到明显的作用，但因石灰的特殊性，时间长了就失去了其作用，石灰桩可处理一些路基土体很水量大的工程，在短期内就能见效。防渗墙不仅可以阻隔地表水，治理路基两侧积水，还能稳固路基，起到挡墙大作用。

多年冻土地区温度较低，在一定的负温下，土体水分随负温度增大不断冻结，未冻含水量减少，含冰量增加，土体体积扩大，形成冻害。温度在土中传导方式为热传导、热辐射和对流。通过阻隔温度传导、降低热辐射和对流治理路基冻害。主要有保温护道、通风路基、热棒路基、土布工、EPS材料等措施治理路基冻害，其中热棒路基以在青藏铁路上应用，并取得的很好的效果，能很好的保护路基下的多年冻土，使路基更稳定、安全，可广泛应用到多年冻土区的各种工程的地基处理中。

路基土质也是路基产生冻害的一个因素，不同的水吸水性不同，主要从换土、人工盐泽化和用憎水性物质改良土的措施治理路基冻害。如可通过换土预防治理融沉病害。

治理路基冻害要综合考虑当地的各方面因素，要采取综合治理措施，充分考虑到其可能发生的病害和次生病害，不能单方面采取一个措施治理。另外特殊地段应设置特殊的结构，如冰锥、冰丘地段，需要时须设冻结沟或积冰坑，以便更好的治理路基冻害。

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6.2 展望

在我国，多年冻土分布面积约占全国面积的21.5%，约占世界多年冻土分布面积的10%，是全球第三冻土大国。我国广袤的多年冻土区大多处于经济欠发达地区，道路等级普遍偏低，交通基础设施已成为制约广大农牧民群众提高生活水平的瓶颈问题。目前，青藏铁路已竣工通车，给藏区人民带来了很大的方便，但是在寒冷地区，铁路的修建和运营面临着巨大的挑战，特别是多年冻土区的铁路养护与维修方面。另外，各种铁路病害的鉴定和预报也是未来研究的一个方向。

我们应该应用新技术、新结构、新材料及新工艺，为多年冻土区铁路勘测设计、施工、养护及管理、改建等提供技术支撑；提高其使用品质和使用寿命。

随着全球气候的变暖，在多年冻土地区修建铁路将面临着更巨大的挑战，同时那些已修建好了的正在为多年冻土区做着贡献的既有线的养护和维修也面临着巨大的考验。因此，要加强寒区既有线路的养护和维修，需应用新技术、新结构、新材料及新工艺解决。寒区铁路病害的治理需研究以下几方面:

1）路基病害的治理与预警 2）路基稳定性的评价

3）寒冷地区铁路建设的技术标准研究

4）不同冻土区路基结合理结构和断面形式的研究 5）各类工程措施应用的量化、优化及强化研究 6）合理路基面结构和材料研究

7）数学仿真技术模拟路基病害的发展过程 8）寒区环境的保护

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参考文献

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社，2008﹒

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致谢

在短短的两个多月的时间里，经过我的努力终于顺利的完成了毕业设计的相关内容，这其中除了自身的不懈努力之外，更离不开老师的悉心教导。

在进行毕业设计的过程中，导师张伟给予了我精心的指导和耐心的帮助，不仅对我所提出的问题进行了深入浅出的讲解，而且向我讲述了许多相关的知识，拓宽了我眼界，增长了我的知识面，使我的各方面综合能力得到很大的提高。同时还为我讲解的毕业设计各个环节的具体要求，经过努力终于完成了设计任务。

最后，我要向我的父母和亲人表示感谢，感谢他们这么多年来对我学业的支持、给予我的孜孜教诲和关爱，是他们鼓励我不断向更高的目标迈进，愿此文能给他们带来欣慰。

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