新疆多年凍土地區(qū)橋涵病害調(diào)查及防治措施

秦 毅

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

1 多年凍土地區(qū)橋涵調(diào)查現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有公路區(qū)域自然條件概述

昆侖山邊防公路哈巴克至神仙灣段，處于東經(jīng) 77°50′～78°30′，北緯 35°30′～36°15′。起點(diǎn)從G219國(guó)道的K404+800（哈巴克）處開(kāi)始，沿途經(jīng)過(guò)神岔口、哈巴克達(dá)坂、黃羊?yàn)⒈?，終點(diǎn)至神仙灣邊防連神仙灣哨卡，全長(zhǎng)約119km，沿線海拔高程約5000m，全線均為公路改建工程，設(shè)計(jì)道路等級(jí)為四級(jí)，路面為砂石路面。

本項(xiàng)目位于西昆侖高山地區(qū)，屬于高原亞寒帶干旱氣候。因?yàn)槭芨呖窄h(huán)流、地理位置和地形地勢(shì)的影響，整體上屬于大陸性干旱氣候區(qū)。由于本項(xiàng)目區(qū)地形起伏大，垂直地帶性較顯著，氣候狀況有較大差異，水分、熱量的分布差異最為突出。降水在高山區(qū)多為固體降雪，從而在昆侖山高山區(qū)形成了大面積的冰川和積雪。沿線較大水系有喀喇喀什河、喀喇昆侖河、沙特巴克蘭沙河、神仙灣大溝等。短期觀測(cè)取得的天文點(diǎn)（5100m）及神仙灣（5370m）年降水量依次為54.6mm和67.7mm，推算沿線年降水量60～80mm。獅泉河（4278.8m）年平均氣溫僅0.4℃，極端最低氣溫-34.6℃；年平均地溫5℃，最低地溫-7.2℃。甜水海附近年平均氣溫為-4.42℃，年平均地溫-3.5℃。沿線年平均相對(duì)濕度小于40%，年蒸發(fā)量為2000～2500mm，具備凍土生成的水熱條件。

1.2 現(xiàn)有涵洞、過(guò)水路面的技術(shù)狀況

本項(xiàng)目沿線現(xiàn)有橋梁2座，其中中橋1座、小橋1座、涵洞37道、過(guò)水路面75段。老路橋梁結(jié)構(gòu)形式為鋼桁架梁橋，設(shè)計(jì)荷載為汽—15級(jí)、掛—80級(jí)，橋面凈寬為凈—3.7m；涵洞為鋼筋混凝土蓋板明暗涵；過(guò)水路面為混凝土路面。

經(jīng)調(diào)查，嚴(yán)重受損的涵洞11道，占本項(xiàng)目沿線涵洞總數(shù)的29.7%；一般受損的涵洞16道，占本項(xiàng)目沿線涵洞總數(shù)的43.2%；輕微受損或使用情況良好的涵洞10道，占本項(xiàng)目沿線涵洞總數(shù)的27.1%。涵洞受損最多最嚴(yán)重的部位是洞口接的附屬構(gòu)造物和涵底鋪砌。嚴(yán)重破壞的過(guò)水路面41段，占本項(xiàng)目沿線過(guò)水路面段落總數(shù)的54.7%；一般破壞的過(guò)水路面16段，占本項(xiàng)目沿線過(guò)水路面段落總數(shù)的21.3%；輕微破壞或使用情況良好的過(guò)水路面18段，占本項(xiàng)目沿線過(guò)水路面段落總數(shù)的24.0%。過(guò)水路面破壞最多最嚴(yán)重的部位是下游垂裙掏空和路面破壞。

1.3 現(xiàn)有橋梁的技術(shù)狀況

（1）K0+460哈神公路大橋。路線在K0+380～K0+520處跨越喀喇喀什河，由部隊(duì)于1984年8月修建的哈神公路大橋鋼桁架梁橋，設(shè)計(jì)荷載為汽—15級(jí)、掛—80級(jí)；上部結(jié)構(gòu)為鋼桁架梁，橋梁全長(zhǎng)41.7m。鋼桁架梁長(zhǎng)30.2m，橋面凈寬3.7m，橋面為木板搭建，現(xiàn)已腐朽，部分破壞。橋臺(tái)為U形臺(tái)，結(jié)構(gòu)基本完好；橋下凈空2～2.2m，測(cè)量時(shí)橋下水位平均為1.0m深。橋梁長(zhǎng)度偏短、凈空較低，原有河床被過(guò)度壓縮，過(guò)水?dāng)嗝娌蛔?，造成泄洪能力不能適應(yīng)河溝的排洪需要。橋面凈寬僅能滿足單車通行，達(dá)不到四級(jí)公路橋面凈寬技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）K11+486.50仙人橋。部隊(duì)于1984年8月修建的鋼桁架梁橋，設(shè)計(jì)荷載為汽—15級(jí)、掛—80級(jí)；上部結(jié)構(gòu)為鋼桁架梁，橋梁全長(zhǎng)19.4m。鋼桁架梁長(zhǎng)12.4m，橋面凈寬3.7m，橋面為木板搭建，現(xiàn)已腐朽，部分破壞。橋臺(tái)為U形臺(tái)，結(jié)構(gòu)基本完好；橋下凈空2.5～2.8m，測(cè)量時(shí)橋下水位平均為0.7m深。橋面凈寬僅能滿足單車通行，達(dá)不到四級(jí)公路橋面凈寬技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。以上兩橋均作為施工便橋使用，兩橋均新建。

2 橋涵工程的病害

橋涵結(jié)構(gòu)物是公路工程項(xiàng)目的重要組成部分，也是路基橫向排水的重要工程之一。因此，一旦橋涵結(jié)構(gòu)物受損，輕則危及路基穩(wěn)定，發(fā)生跳車顛簸，損壞車輛機(jī)件，影響車速；重則會(huì)使交通中斷。

2.1 涵洞病害的成因

2.1.1 洞身、涵臺(tái)的開(kāi)裂和下沉

涵洞在水流方向的長(zhǎng)度一般是10m以內(nèi)，其基礎(chǔ)形式多為分離式基礎(chǔ)，也有少部分整體式基礎(chǔ)。涵洞基礎(chǔ)在回凍前是埋置在季節(jié)活動(dòng)層中的，加上施工過(guò)程中的擾動(dòng)，大量的熱能侵入到了多年凍土層，使得多年凍土融化，承載能力下降。而這時(shí)涵洞洞身、涵臺(tái)混凝土養(yǎng)生時(shí)間短導(dǎo)致強(qiáng)度低，抵抗不了融化下沉產(chǎn)生的應(yīng)力，最終使涵臺(tái)產(chǎn)生斷裂。寒季凍脹、暖季融沉，涵洞基礎(chǔ)在反復(fù)的強(qiáng)凍融作用下，由于基礎(chǔ)埋置深度不足，涵洞易產(chǎn)生開(kāi)裂下沉或是傾斜等形式的破壞。分離式基礎(chǔ)的涵洞沉降縫未處理得當(dāng)，通過(guò)涵底鋪砌的水部分滲漏到鋪砌層下和涵臺(tái)周圍的路基中，導(dǎo)致水的潛熱帶發(fā)展到多年凍土層內(nèi)，改變了地基土的水熱平衡，使涵臺(tái)下沉開(kāi)裂進(jìn)一步擴(kuò)大，更加劇了涵洞洞身的破壞。

2.1.2 涵洞進(jìn)出水口的破壞

涵洞進(jìn)出水口的破壞是本項(xiàng)目多年凍土區(qū)涵洞分項(xiàng)工程中最多、受損最嚴(yán)重的病害。它包括端墻、八字墻的開(kāi)裂，八字墻傾斜、下沉和急流槽的破損、坍塌等形式。

本項(xiàng)目多年凍土區(qū)的涵洞洞口附屬工程都是混凝土或漿砌片塊石圬工結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度大，但抗拉、抗剪強(qiáng)度小。錐坡破壞的主要原因是：

（1）錐心填土的壓實(shí)度不夠；

（2）錐坡基礎(chǔ)的埋置深度不足；

（3）錐坡的砌筑厚度偏?。?/p>

（4）錐坡采用的片石尺寸小、強(qiáng)度低、砂漿強(qiáng)度等級(jí)低以及地質(zhì)條件差等。

涵洞一字墻和八字墻產(chǎn)生傾斜、下沉和裂縫的主要原因是：

（1）開(kāi)挖基坑后暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大量的太陽(yáng)輻射熱能進(jìn)入到了多年凍土層；

（2）設(shè)計(jì)的變形縫、沉降縫，施工中不能嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求去做（不設(shè)或?qū)⒖p勾抹）；

（3）基坑回填土的壓實(shí)度不足，且回填料的含泥量偏大。

2.1.3 涵底鋪砌的損壞

涵底鋪砌損壞的主要表現(xiàn)形式是涵底鋪砌斷裂、鋪砌下地基土及基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降和鋪砌凍脹開(kāi)裂破碎等。這主要是由于涵底鋪砌抗凍脹、融沉強(qiáng)度過(guò)低造成的。涵底鋪砌的破壞產(chǎn)生漏水，導(dǎo)致水的潛熱帶發(fā)展到多年凍土層內(nèi)，使得多年凍土融化、上限下移，并導(dǎo)致地基土喪失或降低承載力，涵洞基礎(chǔ)下沉，從而影響了整個(gè)涵洞的正常使用和涵洞附近的路基穩(wěn)定性。

2.1.4 泥石流淤塞及洞內(nèi)冰塞

在較陡的由風(fēng)化碎屑覆蓋表面的山坡上，融凍泥石流溝谷下泄到涵洞內(nèi)堆積堵塞。冰塞多發(fā)生在排泄泉水的涵洞內(nèi)。

另外，涵洞施工不合理會(huì)導(dǎo)致涵洞的破壞，養(yǎng)護(hù)不及時(shí)會(huì)加劇涵洞的破壞程度。總之，本項(xiàng)目多年凍土地區(qū)的涵洞工程主要病害是由于凍脹和融沉產(chǎn)生的各種破壞。如何防治混凝土的凍脹和融沉，就成為在多年凍土地區(qū)修筑涵洞工程的重中之重。

2.2 橋梁病害的成因

調(diào)查表明，基礎(chǔ)的凍脹和融沉，是多年凍土區(qū)橋梁穩(wěn)定性破壞的主要原因。一些橋梁，由于基礎(chǔ)埋置深度不夠，防凍脹措施不力，基礎(chǔ)凍脹、沉降變形過(guò)大，導(dǎo)致橋梁毀壞。多年凍土地區(qū)橋梁病害產(chǎn)生的原因，可歸納為以下幾個(gè)方面。

2.2.1 多年凍土地區(qū)的環(huán)境變化

因?yàn)槎嗄陜鐾恋貐^(qū)橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)，改變了原有路段地表的熱平衡條件，使得原有路基的多年凍土產(chǎn)生了衰退和融化，從而引起橋梁基礎(chǔ)下沉。其中一種狀況為橋梁施工完成后的短時(shí)間內(nèi)，墩、臺(tái)就產(chǎn)生沉降，引起整座橋梁的結(jié)構(gòu)變形。因?yàn)樵诨炷潦┕み^(guò)程中產(chǎn)生的熱量大量傳入，使得地基凍土融化引起下沉。明挖基礎(chǔ)通常在暖季施工，基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)，更易引起這種病害。另一種狀況為在建筑物恒載長(zhǎng)期作用下引起的下沉。原因是地基凍土含冰量較大，且多年凍土的溫度較高，在長(zhǎng)期恒載作用下，地基凍土產(chǎn)生了蠕變引起沉降。

2.2.2 橋梁基礎(chǔ)活動(dòng)層的凍、融循環(huán)

橋梁基礎(chǔ)埋置深度較淺且防凍脹能力差，臺(tái)背回填壓實(shí)度不夠，在凍、融交替作用下，導(dǎo)致墩、臺(tái)身和鋪砌嚴(yán)重變形甚至開(kāi)裂，凍脹變形和融化下沉等病害。對(duì)明挖基礎(chǔ)而言，主要導(dǎo)致橋梁錐坡以及鋪砌等橋梁附屬工程的破壞；對(duì)于深基礎(chǔ)，如果樁基礎(chǔ)埋藏深度不足，也可導(dǎo)致墩、臺(tái)身和鋪砌工程嚴(yán)重變形或開(kāi)裂，甚至引起橋面產(chǎn)生不均勻變形。

2.2.3 凍、融循環(huán)和冰蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和走訪，在青藏高原的多年凍土地區(qū)，一年中出現(xiàn)正、負(fù)溫交替次數(shù)高達(dá)180次左右。嚴(yán)酷的氣候條件和鋼筋混凝土抗凍耐久性能不足，從而導(dǎo)致了混凝土剝蝕、脫落等形式的破壞。

3 橋涵結(jié)構(gòu)物病害的防治原則

在多年凍土地區(qū)修建橋涵工程，進(jìn)行橋涵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮常規(guī)的基礎(chǔ)變形因素外，更多的應(yīng)該考慮與溫度有密切關(guān)系的有效應(yīng)力作用和水潛熱對(duì)橋涵基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。對(duì)多年凍土地區(qū)橋涵工程的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取有效的措施，使得涵洞在施工和使用期間保持其所要求的熱狀態(tài)，這就是多年凍土地區(qū)橋涵工程防止凍害產(chǎn)生的基本原則。為此在橋涵的設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，采取必要的工程措施，不改變或是盡量少改變多年凍土的水熱平衡，減少或消除季節(jié)活動(dòng)層的凍脹影響。防止橋涵工程凍害產(chǎn)生的方法有多種，但可歸結(jié)為以下4種基本方法。

（1）減少施工對(duì)多年凍土的熱擾動(dòng)。

（2）消除或削弱季節(jié)活動(dòng)層的凍脹和融沉。改變（換填）橋涵地基土就是一種減弱地基土凍脹的措施。換填地基土是指用粗砂礫石等非（弱）凍脹性材料置換天然地基的凍脹性土，用來(lái)削弱或是基本消除地基土的凍脹作用。

由凍脹及凍脹力變化規(guī)律可知，水分條件是決定性因素。只要可以控制住水源的產(chǎn)生，同樣可以達(dá)到削減或消除地基土凍脹的目的。

因此，應(yīng)做到以下3點(diǎn)。

①橋涵施工時(shí)，開(kāi)挖的基坑應(yīng)盡快將水排走，不得在基坑內(nèi)留有積水。

②橋涵在使用期內(nèi)，應(yīng)注意在涵底、沉降縫等處不漏水、不滲水；橋梁、涵洞排水通暢，進(jìn)出水口不得積水。

③橋涵在施工和使用過(guò)程中，橋涵內(nèi)不得積水、不得冰塞，不得淤砂。

（3）增強(qiáng)橋涵結(jié)構(gòu)物抵抗和適應(yīng)凍融變形的能力。

（4）人工冷卻橋涵基礎(chǔ)。采用人工冷卻橋涵結(jié)構(gòu)物的地基，減少或是削弱凍土活動(dòng)層凍脹、融沉量，能夠達(dá)到防治涵洞凍害的效果。通常采用熱樁制冷技術(shù)，就可以使多年凍土的地基溫度降低，強(qiáng)化多年凍土地基的穩(wěn)定性，滿足橋涵結(jié)構(gòu)物防凍融破壞的要求。

4 設(shè)計(jì)中的處理措施

本項(xiàng)目改建設(shè)計(jì)中共設(shè)中橋4座、小橋3座、涵洞136道，其中鋼波紋管涵115道、鋼筋混凝土蓋板涵21道。本項(xiàng)目改建設(shè)計(jì)中均設(shè)置橋涵跨越溝槽，不設(shè)置過(guò)水路面。

在下列情形下適宜優(yōu)先考慮鋼波紋管涵：

（1）不良地質(zhì)段落的橋涵結(jié)構(gòu)物，包括多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等；

（2）人力資源缺乏或是高危險(xiǎn)、高原缺氧地區(qū)的工程項(xiàng)目；

（3）砂石料場(chǎng)資源缺乏的地區(qū)，水泥、鋼材等運(yùn)距較遠(yuǎn)的地區(qū)；

（4）能夠解決北方嚴(yán)寒地區(qū)及凍土地區(qū)對(duì)橋梁、涵洞等混凝土結(jié)構(gòu)物的破壞問(wèn)題（凍脹與融沉）；

（5）現(xiàn)場(chǎng)安裝不需使用大型設(shè)備，安裝方便。

鋼波紋管涵的基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)視管徑及地質(zhì)條件而定。鋼波紋管涵的基礎(chǔ)一般采用砂礫墊層，厚度為波紋管直徑的0.5～0.55倍，最小厚度不小于0.6m，最大厚度不大于1.5m。砂礫最大粒徑不超過(guò)50mm，粉黏粒含量不超過(guò)3%，壓實(shí)度為90%～93%，管兩側(cè)填料與基底材料相同。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，換填分兩層，下層為片塊石，上層為天然砂礫。鋼波紋管涵內(nèi)外壁涂抹熱瀝青2道，每道厚1.5mm，鋼波紋管涵洞涵底縱坡大于3%時(shí)，內(nèi)壁涂抹2cm厚聚合物（環(huán)氧樹(shù)脂）類水泥砂漿，范圍為下半個(gè)涵管。在泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區(qū)段，優(yōu)先考慮鋼筋混凝土蓋板涵。

本項(xiàng)目中，小橋橋墩、臺(tái)基礎(chǔ)均選用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。空心板梁底板應(yīng)預(yù)留排水通氣孔，排水通氣孔直徑5cm。橋涵混凝土采用抗凍水泥混凝土，混凝土抗凍級(jí)別應(yīng)為F300。所有橋涵構(gòu)造物（基礎(chǔ)表面及墩臺(tái)身在臨土面下）須涂抹兩層熱瀝青防腐，每層厚1.5mm。橋涵基礎(chǔ)澆筑（砌筑）后，應(yīng)在地基土凍結(jié)前回填覆蓋。

漿砌工程砌體砌筑后應(yīng)隨時(shí)將縫位刮深2～3cm，用M10細(xì)砂砂漿勾出平縫或1～1.5cm深的凹縫，嚴(yán)禁勾凸縫；砌體砌筑后應(yīng)立即覆蓋灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生期不應(yīng)少于14d。砌體砌筑工程低溫施工必須采取早強(qiáng)或保溫抗凍措施。

施工技術(shù)人員的生活區(qū)應(yīng)選在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)處，以減少人為活動(dòng)對(duì)橋涵多年凍土地基的干擾。在暖季施工時(shí)，一定要注意防止基坑暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?；颖┞稌r(shí)間一般不宜超過(guò)15d，而小型結(jié)構(gòu)物的施工時(shí)間不宜超過(guò)50d。只有當(dāng)基礎(chǔ)所需要的建筑材料、機(jī)具和墊層所用砂礫全部備齊后，才可以開(kāi)挖基坑。如果基坑開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)全部或部分埋在純冰層或含土冰層上，應(yīng)立即采取保溫措施并提高基礎(chǔ)埋置深度，減少施工對(duì)多年凍土產(chǎn)生的熱擾動(dòng)。因此，選擇合理的施工季節(jié)、施工方法，縮短施工工期，是減少施工對(duì)多年凍土產(chǎn)生熱擾動(dòng)最有利的措施。

[1]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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