第1章 绪论
1.1 中国冻土分布与冻土区类型
中国是世界第三冻土大国，冻土区类型齐全且分布辽阔［1］。中国冻土区分为多年冻土区、季节冻土区、短时冻土区，其中多年冻土区累计分布面积为2.15×106km2，季节冻土区累计分布面积为5.14×106km2，二者总面积约占国土面积的76%；多年冻土区分为高海拔多年冻土区（青藏高原）、高纬度多年冻土区（大兴安岭，小兴安岭），或者分为大面积连续多年冻土区（青藏高原，大兴安岭）、岛状多年冻土区（青藏高原，大兴安岭，小兴安岭）。冻深达到0.5m且对工程有重要影响的季节冻土区面积为4.46×106km2（占陆地面积的46.46%），其中冻深达到1.0m且对工程有严重影响的中－深季节冻土区面积为3.67×106km2，主要分布在东北、华北、西北、青藏等地区，东北大部分地区均为典型高寒深季节冻土区。
1.2 中国轨道交通建设发展概况
中国是世界第一高铁大国、第二铁路大国、第三重载铁路大国。进入20世纪90年代，中国铁路建设发展经历了六次大面积提速：第一次大提速，1997年4月1日零时，客车*高速度达140km/h、平均速度由1993年的41.8km/h提高到54.9km/h，首次开行快速列车、夕发朝至列车；第二次大提速，1998年10月1日零时，快速列车*高速度达160km/h、客车平均速度为55.2km/h、直通快速与特快客车平均速度为71.6km/h，首次开行行包专列、旅游热线直达列车；第三次大提速，2000年10月1日零时，初步行车全国主要地区“四纵四横”提速网，客车平均速度为60.3km/h，传统快速列车、特快列车、直快列车、普通客车、混合列车、市郊列车、军运列车七个等级调整为三个等级，即特快客车、快速客车、普通客车；第四次大提速，2001年10月21日零时，提速里程达13000km，覆盖全国大部分省（区、市），客车平均速度为61.6km/h，进一步增开特快列车，打造了夕发朝至列车等客货运品牌；第五次大提速，2004年5月18日零时，几大干线基础达200km/h速度要求，提速里程达16500km，客车平均速度达65.7km/h；第六次大提速，2007年4月18日零时，京哈线、京沪线、京广线等既有干线实施速度为200km/h、部分区段速度达250km/h，速度200km/h提速里程达6003km。近20多年来，中国铁路建设快速发展，特别是东北、华北、华中、华南、西北已形成了密度较大的铁路网，2021年底铁路运行里程突破15.0×104km；在全国各种铁路快速发展背景下，中国重载铁路建设速度也较快，2021年底包括既有线改造客货混运干线铁路在内的重载铁路运行里程3.34×104km；在全国铁路第六次大提速之后［2，3］，中国铁路客运开始进入高铁时代，很快规划了“八纵八横”高铁网，自2008年8月1日开通第一条高铁——京津城际铁路（高标准高速铁路，设计速度为350km/h）以来，高铁建设速度日益加快（特别是近年来，每年实际开通运行里程往往超过计划开通运行里程），2021年底高铁运行里程4.1289×104km（*大运行速度为350km/h，平均运行速度为193km/h，*大交汇速度为420km/h。原计划：2020年开通运行3.0×104km、2025年开通运行3.8×104km、2030年开通运行4.5×104km）。根据国家《中长期铁路网规划》，到2025年，铁路网规模达到17.5×104km，其中高速铁路3.8×104km（已提前5年完成），覆盖80%以上大城市。根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，到2035年，全国铁路网20×104km，其中高铁7×104km，20万人口以上城市铁路覆盖，50万人口以上城市高铁通达，全国全面形成1h、2h、3h高铁出行圈与1d、2d、3d快货物流圈；到2050年，全面建成更高水平现代化铁路强国，全面服务与保障现代化强国建设。
国际上，客运铁路速度一般分为常速（100～120km/h）、中速或准高速（120～160km/h）、快速（160～200km/h）、高速（200～400km/h）、特高速（＞400km/h）。西欧，新建速度250～300km/h、旧线改造速度200km/h称为高铁。1985年，国际铁路干线协议规定：新建客运专线高铁速度为300km/h，新建客货混线高铁速度为250km/h。鉴于此，中国已建、在建、拟建的高速铁路、快速客运专线、旧线改造高速客货混线均属于高铁。20世纪初期至50年代，德国、法国、日本等开始致力研究高速铁路建造技术。1964年，日本建成世界第一条高速铁路——东海道新干线（515.4km，210km/h），自此世界高铁建设出现三次高潮。第一次高潮（1964～1990年）：1964年，日本东海道新干线建成通车，法国、意大利、德国也修建高铁；1972年，日本又修建山阳、东北、上越等新干线，法国修建TGV线、TGV线，意大利修建罗马—佛罗伦萨线。第二次高潮（20世纪90年代初期至中期）：法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国等大规模修建本国或跨国高铁，形成了欧洲高铁网络。第三次高潮（20世纪90年代中期至今）：韩国、中国、美国、澳大利亚乃至全球兴起高铁建设新热潮。中国已成为世界高铁系统技术*全面、集成能力*强、运营里程*长、运行速度*高、在建规模*大的国家，*高试验速度为520km/h、*高设计速度为380km/h、*高交汇速度为420km/h、*高实际运行速度为250～350km/h，实际运行速度未来5～10年将突破400km/h、未来20年有望突破500km/h，2020年中国已成功研制速度600km/h的高速磁悬浮列车，并且速度为1000km/h的特高速磁悬浮列车也即将试车，一个长编组列车可运1000多人且每隔3分钟开出一趟，全天候运行、公交化模式，因此中国高铁技术与运行速度即为世界*高水平。
自2007年4月第六次大提速以来，中国铁路进入日益加快发展的崭新时代，其中高速铁路发展从无到有、从跟跑到并跑、从并跑到领跑，成为令世界瞩目的国家名片。
1.3 高寒区轨道路基冻害与防控
1.3.1 高寒区轨道路基冻害问题突出
寒区轨道路基冻害主要存在于多年冻土区、冻深达到1m甚至超过1.5m的深季节冻土区，二者称为高寒区，后者也称为高寒深季节冻土区。冻深为0.5～1m的季节冻土区，轨道路基冻害需要采取一定措施防控，但是问题一般不大，除非浅表地下水丰富或存在厚度较大的软土、盐渍土等冻胀敏感性较大的特殊土场地条件。冻深不超过0.5m季节冻土区，轨道路基冻害问题不大，较少进行冻害防控，除非高速铁路／无碴轨道。
当今，客运高速化、货运重载化成为世界各铁路大国两大发展趋势，并且重载铁路也逐步向速度160km/h的快速方向发展，这是因为铁路客运与铁路货运向高速或快速方向发展，拥有运行速度快、运输能力大、经济效益高、安全系数高、环保效益高五大优势。中国冻土区面积辽阔，致使冻土区铁路达到或超过三分之二，特别是东北、华北、西北、青藏等多年冻土区、冻深0.5～1m而存在重要冻害的中-浅季节冻土区、冻深大于1m而存在严重冻害的中-深季节冻土区广泛分布在已建、在建与计划建设的各种铁路，未来将突飞猛进建设高速铁路、快速客运专线、重载铁路且改造既有干线铁路成为客货混线重载铁路。此外，中国正在积极推进的高铁全球规划中的欧亚高铁、中俄规划高铁与欧亚货运铁路均穿越N45°大面积冻土区，高铁丝绸之路穿越北半球以北的欧亚大陆之间广袤季节冻土区，如北京—莫斯科高铁（超过7000km，速度为400km/h。进一步连接成9447km北京—阿斯塔纳—莫斯科—柏林高铁）中莫斯科—喀山段770km（速度为400km/h）中冻土区超过400km。
自第一条西伯利亚铁路（全长9288km，1891～1904年）建设开通以来，世界上在寒区修建铁路已有130多年的发展历史，但是一直未长期有效解决路基冻害问题，深季节冻土区铁路路基病害尤其突出。例如：19世纪初建成的第一条西伯利亚铁路1994年线路病害率达27.5%、1996年线路病害率达45%，20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路1994年线路病害率达40.5%；哈尔滨铁路局管辖9417km铁路1985年冻害9000多处，2003年东北、华北、西北铁路冻害20000～30000处，2011年东北铁路冻害率超过40%，哈尔滨铁路局管辖13355km铁路2012年冻害85734处、累计4382.2km，哈尔滨—大连铁路2013年超限Ⅰ级15960次、超限Ⅱ级1031次、*大冻胀35.2mm，2013年哈尔滨—大连铁路41.5%冻胀超过4mm、哈尔滨—齐齐哈尔铁路32%冻胀超过4mm、沈阳—丹东铁路44%冻胀超过4mm，哈尔滨—大连铁路2014年超限Ⅰ级5329次、超限Ⅱ级191次、*大冻胀25.4mm，哈尔滨—大连铁路2015年*大冻胀33.8mm，沈阳铁路局、哈尔滨铁路局每年冬季70%～80%工务力量、50%以上天窗时间投入冻害整修、年均维修材料费3000多万元。
寒区分布较多软土、盐渍土、滩涂土/海土、膨胀土、沼泽土、有机土、湿陷性黄土等工程性能差且冻胀敏感性大的特殊土——特别是高寒冻融区（冻深达到或超过1.5m且工程危害极大的季节冻土区，也称为深季节冻土区或高寒深季节冻土区），如中国东北广泛分布厚度较大的软土（含淤泥、淤泥质土、腐殖土、泥炭土、黑土即为腐殖质与有机质含量极高的软土）、盐渍土、沼泽土且日益发现越来越多的膨胀土，尤其是冻胀敏感性很大的盐渍土与膨胀土分布极其广泛。
多年冻土区铁路路基病害主要源于多年冻土层性能弱化、退化与季节活动层日臻加深、反复冻融。中－深季节冻土区铁路路基出现一系列不同于非冻土区奇特病害现象，如路基冻胀、融沉、翻浆、隆起、鼓包、开裂、折断，路肩热融滑塌、泥流、张裂，以及边坡冻融滑坡、泥流等，不仅因严重恶化正常行车条件与造成安全隐患而使得铁路不能发挥应有的方便快捷物流与商旅功能，而且给铁路运行维护带来极大困难，特别是每年用于这些冻融病害治理的直接费用高达数亿元，显著影响区域经济健康有序发展。根据冻害调查资料（图1-1），在2017～2018年一个完整冻融期，中国寒区铁路路基冻害类型分为冻峰/鼓包、冻谷/凹槽、冻阶/台阶、单股冻起、双股冻起、交错冻起、道床冻胀、基床冻胀、融沉/融滑、翻浆冒泥、土体液化，就纯粹冻胀而言，在填筑满足设计要求条件下，普遍表现为一般冻害，对于低速或中速行驶列车安全性影响不大。
图1-1 中国寒区铁路路基冻害类型与统计结果
1.3.2 多年冻土区轨道路基冻害类型
多年冻土区轨道路基病害率与冻土年平均地温、冻土中含冰量之间具有较大关联。随着多年冻土年平均地温升高，冻土路基沿线次路段比例、差路段比例明显增加，对应的优路段、良路段病害率降低。若多年冻土年平均地温低于-1.5℃，则冻土升温对冻土路基变形与病害贡献相对较小；反之，若多年冻土年平均地温高于-1.5℃，则冻土升温、退化对冻土路基变形与病害贡献显著。多年冻土区，路基病害因冻土中含冰量增加而逐渐严重，融区、少冰冻土区路基病害率明显较低。
多年冻土区，路基上部为季节融化层、基底为多年冻土层，其中季节融化层倍受温度与水分变化影响，进而诱发路基病害。多年冻土区路基病害：从病害原因上看，主要起因是路基顶部季节融化层年年反复融沉、冻胀，次之为基底多年冻土层弱化、蜕化，其中85%病害由融沉造成，15%病害由冻胀与翻浆造成；从表观形式上看，融沉病害主要表现为路基沉降、纵向裂缝、横向裂缝、显著开裂与路肩倾斜、路肩滑移、边坡滑塌；冻胀主要表现为路基凸起、开裂，以及由冻胀丘、冰锥、冰幔引起边坡破坏；此外，不良冻土工程地质现象也导致路基病害。
1）冻胀与翻浆
路基土含水率过大，土体冻结驱使下部非冻土层中水通过毛细孔隙向冻结缘不断迁移、积聚、冻结，导致路基冻胀且日益发展，称为冻胀。此外，行车振动而产生活塞效应，也利于下部非冻土层中水通过毛细孔隙或裂隙
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