CN110273341A - 一种季节性冻土地区制热路基结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种季节性冻土地区制热路基结构及其施工方法，一种季节性冻土地区制热路基结构，包括路基层和设置在其上方的基床；路基层和基床之间设置有保温隔热层；基床上表面设置有封闭层；基床内设置有监测基床温度的温度传感器和沿基床纵向设置的一层制热网片，温度传感器和制热网片均通过导线与加热控制装置连接；加热控制装置由太阳能机构进行供电，利用温控单元控制是否往制热网片进行供电；路基结构采用泡沫轻质土作为填料和设置保温隔热层，以降低路基制热的能耗。本发明对路基内部温度进行调控，解决了季节性冻土地区铁路路基冻胀融沉病害问题。

Description

一种季节性冻土地区制热路基结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及季节性冻土地区铁路建设领域，具体涉及一种季节性冻土地区制热路基结构及其施工方法。

背景技术

季节性冻土主要分布在我国东北三省、内蒙古、西藏和新疆等地区，在这些地区建设铁路路基，均会面临其冻胀融沉的关键技术难题。季节性冻土地区铁路路基冻胀融沉主要体现为秋冬随大气温度的降低，路基表层温度逐渐降低，当其低于0℃时，土中的水产生冻结成冰。随着外部大气温度的进一步降低，冻结锋面自上而下进一步移动，在路基内部形成季节冻结层，造成路基土体体积增大产生冻胀。冻胀可使铁路有砟轨道结构向上隆起，恶化轨道线路的平顺性。在春夏季随着大气温度的逐渐升高，路基表面温度随之升高，使路基内部在秋冬季形成的冻结层融化，导致铁路路基沉陷，同样会恶化轨道线路的平顺性，另外路基冻结层融化后土体富含水分，造成其强度显著减小。

季节性冻土地区铁路有砟轨道路基冻胀融沉主要发生于基床区域，其根本原因是外部气温降低促使基床内部温度低于0℃和基床填料含水两个方面。由于路基外部大气温度难以调控，以及基床填料是由固相、气相和液相三相体构成，也难以消除基床内水分，因此铁路路基防冻胀融沉设计主要通过调控路基基床内部温度、降低基床填料含水量和采用低冻胀的填料填筑基床三个主要途径。其对应的主要工程措施有限制路堤高度、设置隔水和排水设施、改良路基填料和铺设保温层等措施。这些措施在季节性冻土地区铁路路基建设中得到了大量的应用。据对已投入运营的青藏铁路、兰新高铁、哈大高铁和京沈高铁等线路路基段进行调查发现，采用上述防冻胀融沉措施对路基进行处理后，路基季节性冻胀融沉问题得到了极大的控制。但是仍然普遍存在冻胀融沉现象，只是在线路运营中辅助大量的维修后其对线路运营未构成严重影响。

在采取设置隔水和排水设施、改良路基填料和铺设保温层等措施条件下，季节性冻土地区路基冻胀融沉问题仍然未得到根治，并且由此极大的增加了铁路有砟轨道路基段养护维修工作量。主要原因是在上述措施处理条件下基床内部温度仍然会出现低于0℃，引起其填料中的水冻结。据此可知，使季节性冻土地区路基基床内部温度始终不低于0℃是根治其冻胀融沉病害的关键途径之一。要实现此条件，则需要在季节性冻土地区铁路路基内部通过人为增设制热设备，但是传统路基填料导热系数一般在0.55～1.20W/（m·k）之间，由其建造的路基结构制热能耗高，导致其在铁路路基运营中运营成本高，不具有实施性。

随着我国铁路网向西部发展，目前已建的青藏铁路和在建的川藏铁路等，这些铁路需要穿越季节性冻土地区，穿越季节性冻土地区建造铁路路基的关键技术难题即为路基防冻胀融沉问题。但是在这些地区建造铁路路基跟其它地区不同，我国青藏高原是离太阳最近、全世界太阳辐射最强的地区之一，有着得天独厚的太阳能资源优势。在这些地区建设季节性冻土地区铁路制热路基以防其冻胀融沉病害，可充分利用这些地区丰富的太阳能给制热路基结构的制热装置供电；此外，采用具有优异保温隔热特性的泡沫轻质土填筑路基，能够降低这些地区建设的制热路基结构能耗，减少太阳能发电装置的装机容量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种可对路基内部温度进行调控解决季节性冻土地区铁路路基冻胀融沉病害的季节性冻土地区制热路基结构及其施工方法。

本发明采用的技术方案是：一种季节性冻土地区制热路基结构，包括路基层和设置在其上方的基床；路基层和基床之间设置有保温隔热层；基床上表面设置有封闭层；基床内设置有监测基床温度的温度传感器和沿基床纵向设置的一层制热网片，温度传感器和制热网片均通过导线与加热控制装置连接。

进一步的，所述路基层为泡沫轻质土分层现浇成型，基床为玻璃纤维加强型泡沫轻质土分层现浇成型，封闭层为沥青混凝土摊铺碾压成型。

进一步的，所述封闭层对应有砟轨道横向宽度范围内设置有与有砟轨道相配合的纵向凹槽，凹槽横断面呈锯齿形结构，以限制有砟轨道道床级配碎石的侧向位移。

进一步的，所述制热网片包括结构相同的横向和纵向交叉排列的横向制热管和纵向制热管；横向制热管包括外套管和设置在外套管内的电阻丝；电阻丝通过绝缘固定支架设置在外套管内。

进一步的，所述加热控制装置通过太阳能板供电，加热控制装置内置温控单元，通过温控单元控制加热控制装置是否往基床内的制热网片进行供电。

进一步，所述基床厚度为0.6m，制热网片距离基床底面0.4m，制热网片距离基床顶面0.2m。

进一步的，所述基床侧面也设置有保温隔热层。

一种季节性冻土地区制热路基结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：在处理后的地基上分层浇筑路基层，每层浇筑厚度为0.5～0.8m，浇筑至设定标高处；

步骤2：路基层最后一浇筑层强度形成60%后，开始铺设保温隔热层；

步骤3：保温隔热层铺设完成后，采用玻璃纤维加强型泡沫轻质土浇筑基床；基床分两层浇筑，下层和上层厚度分别为0.4m和0.2m；基床下层浇筑后，开始铺设制热网片，将制热网片的导线引至路基边坡外；然后浇筑基床上层，同时在基床内埋设温度传感器；

步骤4：基床上层强度形成70%后，铺设封闭层，在有砟轨道横向宽度范围内的封闭层上表面用切割机切出纵向分布的凹槽，以限制有砟轨道道床级配碎石的侧向位移；

步骤5：封闭层强度形成80%以后，在封闭层表面凹槽范围内铺设有砟轨道；

步骤6：安装加热控制装置，待路基边坡防护完成后，在路基边坡的向阳坡面设置为加热控制装置供电的太阳能板。

本发明的有益效果是：

（1）本发明利用太阳能对季节性冻土地区铁路路基内部温度进行调控，解决季节性冻土地区铁路路基冻胀融沉病害问题；

（2）本发明中路基层采用普通的泡沫轻质土分层现浇而成，基床采用高性能的玻璃纤维加强型泡沫轻质土分层现浇而成，提高了路基结构的强度和整体稳定性，减小了其自重，可降低铁路路基的沉降变形量；

（3）本发明中路基层和基床均采用低导热系数的泡沫轻质土浇筑成型，并在路基基床底部及侧面设置保温隔热层的协同作用下，可降低调控路基内部温度所需要的电能消耗。

附图说明

图1为本发明路基结构横断面示意图。

图2为制热网片结构示意图。

图3为制热管横断面结构示意图。

图中：1-加热控制装置，2-导线，3-保温隔热层，4-有砟轨道，5-温度传感器，6-制热网片，7-保温隔热层，8-路基层，9-基床，10-纵向制热管，11-横向制热管，12-外套管，13-绝缘固定支架，14-电阻丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种季节性冻土地区制热路基结构，包括路基层8和设置在其上方的基床9；路基层8和基床9之间设置有保温隔热层7；基床9上表面设置有封闭层3；基床9内设置有监测基床9温度的温度传感器5和沿基床9纵向设置的一层制热网片6，温度传感器5和制热网片6均以导线2方式与加热控制装置1连接。

基床9为玻璃纤维加强型高性能泡沫轻质土分层浇筑而成，基床9厚度为0.6m，分0.4m和0.2m两层进行浇筑，两层均浇筑玻璃纤维加强型高性能泡沫轻质土；其浇筑湿密度、无侧限抗压强度和导热系数分别不小于650kg/m³、不小于1.60MPa和不大于0.14W/（m·k）。封闭层3为沥青混凝土摊铺碾压成型，基床9底面和侧面均采用保温隔热层7进行包裹。

路基层8采用普通的泡沫轻质土进行浇筑，浇筑湿密度和无侧限抗压强度分别为在550～600kg/m³之间和不小于1.0MPa。采用分层浇筑工艺，每次浇筑厚度在0.5～0.8m为宜。

制热网片6包括结构相同的横向和纵向交叉排列的横向制热管11和纵向制热管10；制热管10/11包括外套管12和设置在外套管12内的电阻丝14；电阻丝14通过绝缘固定支架13设置在外套管12内。采用低能耗低功率的电阻式制热装置，每延米功率可根据不同地区需要进行设计调节和确定，制热网片铺设在基床9分层处。

封闭层3对应有砟轨道4横向宽度范围内设置有与有砟轨道4相配合的纵向凹槽，凹槽采用切割机进行切割成型，凹槽横断面呈锯齿形，以限制有砟轨道4道床级配碎石侧向位移。封闭层3采用沥青混凝土摊铺碾压成型，其中掺入玻璃纤维，抗压强度不小于25.0MPa，在路基横断面上铺设厚度由线路中心线往两侧逐渐减小，最小厚度不小于5cm，从而实现路基面横向排水坡。

保温隔热层7为高韧性土工布夹XPS保温板，温度传感器5采用精度为0.1℃的温度传感器，其与加热控制装置1的温控模块连接；结构中的加热控制装置1、温度传感器5和制热网片6均由太阳能板供电。加热控制装置1含温控模块和制热网片智能供电控制装置构成，还设置有独立蓄电装置。

加热控制装置1包括温控模块，温控模块监测温度传感器5测得的基床9表层温度是否低于0℃，若低于0℃则加热控制装置1通过温控模块启动制热网片6进行制热，若高于0.5℃则通过温控模块关闭制热网片6停止制热。

一种季节性冻土地区制热路基结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：在处理后的地基上分层浇筑普通泡沫轻质土路基层8，每层浇筑厚度为0.5～0.8m，浇筑至设定标高处；层间浇筑间隔时间10小时（大气最低温度大于20℃）或14小时（大气最低温度大于5℃），浇筑至保温隔热层7底部设计标高。

步骤2：待普通泡沫轻质土路基层8最后一层浇筑层强度形成60%后，开始铺设保温隔热层7。

步骤3：当保温隔热层7铺设完成后，马上浇筑高性能泡沫轻质土基床9；基床9分上下两层浇筑，下层浇筑0.4m完成起算10小时（大气最低温度20℃）或14小时（大气最低温度大于5℃）后，开始铺设制热网片6。将连接制热网片6的导线2引至路基边坡外；然后浇筑上层0.2m，同时在基床9内埋设温度传感器5。

步骤4：当高性能泡沫轻质土基床9上层强度形成70%后，开始铺设路基表面沥青混凝土封闭层3，封闭层3上表面在有砟轨道4横向宽度范围内设有纵向凹槽；纵向凹槽通过切割机切割成型。

步骤5：当路基表面沥青混凝土封闭层3强度形成80%以后，在纵向凹槽内铺设有砟轨道4。

步骤6：安装加热控制装置1，可以在开展浇筑基床9上层的过程中安装加热控制装置1；待路基边坡防护完成后，在路基边坡的向阳坡面设置为加热控制装置1供电的太阳能板。

在阳光照射条件下，太阳能发电机构将太阳能转换成电能，将其存储于蓄电装置中。当加热控制装置1的温控模块监测到路基基床9内的表层温度低于0℃时，加热控制装置1的控制温控模块启动往基床9内的制热网片6供电，制热网片6开始制热；当温控模块监测到路基基床9内的表层温度高于0.5℃时，控制制热网片6断电，制热网片6停止制热，据此实现季节性冻土地区铁路路基基床9内部温度始终保持不低于0℃状态。铁路路基基床9采用低导热系数的高性能泡沫轻质土填筑，在保温隔热层包裹下，实现在路基外部大气温度低于0℃条件下使路基基床9内部温度不低于0℃状态所消耗的电能更低。铁路路基基床采用玻璃纤维加强型高性能泡沫轻质土填筑，与传统铁路路基填料相比提高了路基基床填料的强度，减小了路基结构自重，降低铁路路基的沉降变形量。

Claims (8)

1.一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，包括路基层(8)和设置在其上方的基床(9)；路基层(8)和基床(9)之间设置有保温隔热层(7)；基床(9)上表面设置有封闭层(3)；基床(9)内设置有监测基床(9)温度的温度传感器(5)和沿基床(9)纵向设置的一层制热网片(6)，温度传感器(5)和制热网片(6)均通过导线(2)与加热控制装置(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述路基层(8)为泡沫轻质土现浇成型，基床(9)为玻璃纤维加强型泡沫轻质土现浇成型，封闭层(3)为沥青混凝土摊铺碾压成型。

3.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述封闭层(3)对应有砟轨道(4)位置设置有与有砟轨道(4)相配合的纵向凹槽，凹槽横断面呈锯齿形结构。

4.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述制热网片(6)包括结构相同的横向和纵向交叉排列的横向制热管(11)和纵向制热管(10)；横向制热管(11)包括外套管(12)和设置在外套管(12)内的电阻丝(14)；电阻丝(14)通过绝缘固定支架(13)设置在外套管(12)内。

5.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述加热控制装置(1)通过太阳能板供电，加热控制装置(1)内置温控单元，通过温控单元控制加热控制装置(1)是否往基床(9)内的制热网片(6)进行供电。

6.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述基床(9)厚度为0.6m，制热网片(6)距离基床(9)底面0.4m，制热网片(6)距离基床(9)顶面0.2m。

7.根据权利要求1所述的一种季节性冻土地区制热路基结构，其特征在于，所述基床(9)侧面也设置有保温隔热层(7)。

8.采用如权利要求1～7所述任一项所述一种季节性冻土地区制热路基结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在处理后的地基上分层浇筑路基层(8)，每层浇筑厚度为0.5～0.8m，浇筑至设定标高处；

步骤2：路基层(8)最后一浇筑层强度形成60％后，开始铺设保温隔热层(7)；

步骤3：保温隔热层(7)铺设完成后，采用玻璃纤维加强型泡沫轻质土浇筑基床(9)；基床(9)分两层浇筑，下层和上层厚度分别为0.4m和0.2m；基床(9)下层浇筑后，开始铺设制热网片(6)，将制热网片(6)的导线(2)引至路基边坡外；然后浇筑基床(9)上层，同时在基床(9)内埋设温度传感器(5)；

步骤4：基床(9)上层强度形成70％后，铺设封闭层(3)，在有砟轨道(4)横向宽度范围内的封闭层(3)上表面用切割机切出纵向分布的凹槽；

步骤5：封闭层(3)强度形成80％以后，在封闭层(3)表面凹槽范围内铺设有砟轨道(4)；

步骤6：安装加热控制装置(1)，待路基边坡防护完成后，在路基边坡的向阳坡面设置为加热控制装置(1)供电的太阳能板。