青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基變形原因及對策研究

唐彩梅,楊永鵬,李 勇,楊曉明,蔡漢成,牛東興

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 蘭州 730000)

青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基變形原因及對策研究

唐彩梅,楊永鵬,李 勇,楊曉明,蔡漢成,牛東興

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 蘭州 730000)

橋頭路基的變形問題是普遍存在的影響凍土區(qū)道路工程穩(wěn)定的技術(shù)難題,結(jié)合青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基的變形問題,采用資料調(diào)研、現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和總結(jié)等研究手段,對運營后多年凍土區(qū)橋頭路基變形的特征及沉降原因進行分析研究,提出了通過改善地基多年凍土環(huán)境和優(yōu)化橋頭路基防排水系統(tǒng)等措施對橋頭路基病害進行治理的方法。

青藏鐵路；橋頭路基；變形；對策

1 概述

青藏鐵路是世界上第一條高海拔多年凍土區(qū)鐵路干線，其在修建時充分吸取了青藏公路和東北多年凍土鐵路對凍土認識不足的經(jīng)驗教訓(xùn)，采用了一系列新的凍土保護措施[1-3]，但多年凍土區(qū)橋頭路基下沉現(xiàn)象仍較為普遍。養(yǎng)護部門每年需花費大量經(jīng)費進行維修和養(yǎng)護，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

本文采用資料調(diào)研、現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和總結(jié)等研究手段，調(diào)查青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基變形現(xiàn)狀，對運營后橋頭路基變形的特征及沉降原因進行分析研究，提出解決多年凍土區(qū)橋頭路基下沉的整治措施。

2 橋頭路基變形特征

2.1 橋頭路基變形分布特點

通過現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基下沉現(xiàn)象較為普遍，部分橋頭路基在道路運行數(shù)年后仍處于緩慢下沉中，其中部分橋頭路基沉降嚴重，年沉降量大于全線平均值(圖1)。

青藏鐵路橋頭路基變形比較突出的段落主要分布在以下幾個區(qū)段。

(1)楚瑪爾河高平原K1001～K1006高溫高含冰量地段。

(2)唐南多年凍土南界附近K1431～K1497多年凍土退化區(qū)段。

(3)多年凍土區(qū)高含冰量橋頭路基。

(4)融區(qū)和多年凍土區(qū)過渡段路基。

圖1 橋頭路基沉降

2.2 橋頭路基變形特征

多年凍土地區(qū)橋頭路基變形主要包括融沉變形、凍脹變形、壓密變形及固結(jié)變形[4]，即路基本體和地基土體在荷載作用下的壓縮、固結(jié)變形以及由于地溫變化而引起的含水或含冰土體體積變化產(chǎn)生的凍脹、融沉變形。

經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析得知：青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基沉降具有以下4個特征。

(1)沉降量較大的橋頭路基均位于高含冰量多年凍土區(qū)，且所處地勢低洼，凍結(jié)層上水發(fā)育，地表覆蓋率差、地表有積水。

(2)相對于其他地段路基，橋頭路基的年累計沉降量大。

(3)橋頭路基沉降量與靠近橋臺的距離成反比。

(4)由于橋頭路基受水熱環(huán)境影響的不均勻性，致使路基兩側(cè)沉降量不一致，且差異沉降較明顯。

3 橋頭路基變形原因分析

橋頭路基變形的影響因素既有一般地區(qū)的共同因素如剛性差異、填料壓實度不足，又有凍土地區(qū)的特殊因素，并且往往是這些因素共同作用的結(jié)果。運營后多年凍土區(qū)橋頭路基下沉可歸納為如下幾類主要影響因素。

3.1 熱影響3.1.1 氣溫

近十年來，在全球氣候轉(zhuǎn)暖的背景下，青藏高原氣候也隨之發(fā)生明顯變化，氣溫影響著青藏高原多年凍土的發(fā)育和分布。20世紀50年代到90年代的40年里，中國的年平均氣溫呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.04 ℃/10 a，而青藏高原平均氣溫傾向率為0.16 ℃/10 a，遠大于全國的平均值[5]。

表1為青藏高原幾個氣象站的升溫率，由表中可以清楚地看出，自1957年以來的55年里(1957～2011年)青藏高原多年凍土區(qū)年平均氣溫以0.030～0.033 ℃/a的速率升高，其中安多地區(qū)的升溫率最大，為0.033 ℃/a。由此看出，氣候變暖是不爭的事實。

表1 青藏高原多年凍土區(qū)各氣象站升溫率

注：風(fēng)火山凍土定位觀測站1957年～1975年資料用五道梁氣象站同期資料相關(guān)所得。五道梁氣象站1957年～1965年資料用那曲氣象站同期資料相關(guān)所得。

據(jù)風(fēng)火山觀測站觀測資料(表2)，可以看出，青藏高原氣溫升高引起了地表溫度的升高，且升溫速率高于氣溫，幾乎是氣溫升溫速率的2倍。地表溫度是地下不同深度凍土溫度變化的能量標志。因此，氣溫的升高必將影響多年凍土的生存狀態(tài)，導(dǎo)致凍土的融化、多年凍土上限下降，特別是橋頭路基處于路橋結(jié)合部，比一般路基在橫向增加了一個換熱面，在空間上形成了三維傳熱的條件，使得傳入地基多年凍土的熱量大大增加，將進一步加快其下多年凍土的退化，直接影響多年凍土區(qū)工程安全。

表2 風(fēng)火山1976～2010年氣溫、地表溫度均值 ℃

3.1.2 太陽輻射

青藏高原日照時間長且強烈。一年日照時數(shù)長達2 600～3 000 h[6-7]。日照百分率平均在50%～80%，如此之大的太陽輻射總量和多年凍土表面相對較低的太陽輻射地表反射率，使得高原多年凍土的表面在全年絕大部分時間地面凈輻射為正值，處于吸熱狀態(tài)，從而對多年凍土的熱狀況造成重大影響。青藏鐵路多年凍土區(qū)線性構(gòu)造物兩側(cè)邊坡吸收太陽輻射量是不均衡的，陽坡側(cè)吸收的太陽輻射將遠大于陰坡側(cè)[8]。

現(xiàn)以尺曲谷地中橋A為例，分析太陽輻射對橋頭路基沉降的影響。A橋位于高含冰量多年凍土區(qū)，橋位南偏西56°，兩側(cè)邊坡陰陽側(cè)較明顯。圖2清晰地顯示了左路肩孔(陽坡側(cè))2007年與2013年暖季和寒季平均地溫均高于右路肩孔(陰坡側(cè))，且暖季兩側(cè)的地溫差要大于寒季的溫差，因暖季太陽輻射時間和強度均高于寒季，可見太陽輻射對多年凍土地溫影響顯著。

圖2 2007年、2013年左右路肩地溫均值曲線

表3列出了A橋2009年～2013年全年累計變形量，對比5年以來該橋頭路基兩側(cè)路肩全年累計沉降量，陽坡路肩(左路肩)的沉降量均大于陰坡路基(右路肩)。路基陰、陽邊坡表面由于吸收的太陽輻射能的差異影響著坡面熱狀況差異，進而影響到了路基橫向的熱差異，導(dǎo)致不平衡的凍融狀態(tài)，產(chǎn)生路基不均勻沉降。

表3 2009年～2013年全年累計變形量 mm

3.2 水影響3.2.1 降水量

水的傳熱特性使之成為凍土層以及凍土工程散熱的重要影響因素[9-10]。大氣降水時間影響凍土工程結(jié)構(gòu)的散熱性能發(fā)揮，降水量最終影響季節(jié)融化層中水分狀況，也將影響凍土工程散熱效率。青藏高原寒季降雪少，且由于風(fēng)力風(fēng)速的原因鮮有積雪，因此，在青藏高原對凍土工程散熱影響較大的是大氣降雨。

圖3 風(fēng)火山降水量距平圖(1976年～2010年)

圖3是利用風(fēng)火山觀測站35年年降水總量值，繪制的降水量距平圖。由圖3可以看出，1976年～1988年13年間降水量偏少，隨后兩年轉(zhuǎn)折上升，從1990年～2003年14年間降水量又有所偏少，從2004年降水量開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，至2010年7年間降水量單調(diào)增加，近10年間風(fēng)火山地區(qū)處于豐水期，降水量持續(xù)高于35年平均降水量值。降水形成的地表徑流和滲流對多年凍土層形成熱侵蝕，降水不及時排走，將使路基護道和路肩產(chǎn)生裂縫，影響路基穩(wěn)定，使融沉、凍脹病害加劇發(fā)生。

3.2.2 凍結(jié)層上水

凍結(jié)層上水主要由大氣降水、季節(jié)性冰雪融水、河溪入滲以及季節(jié)融化層中冰的融化補給[11]。凍結(jié)層上水的動態(tài)極不穩(wěn)定，寒季凍結(jié)、暖季生成，其補給量、排泄量以及地下水的礦化度等隨季節(jié)而變化。

以尺曲谷地中橋B為例，分析凍結(jié)層上水的影響。該橋位于高含冰多年凍土地層，分布大量的含土冰層或厚層地下冰，工程措施為片石氣冷+塊石護坡，地基土為含砂礫黏性土。圖4是B橋橋頭路基人為上限位置示意，從圖中可以看出，天然條件下多年凍土上限為3.26 m，路基左坡腳孔的人為上限為3.78 m，比天然上限低0.52 m，這主要是由于左側(cè)邊坡為陽坡側(cè)，左坡腳兩面受熱形成了融化凹槽。路基右側(cè)為陰坡側(cè)，人為上限本應(yīng)高于左路肩處人為上限，但實際情況右路肩人為上限低于左路肩，且在路基基底附近同一深度處地溫也高于左路肩，分析其原因，主要是受凍結(jié)層上水的影響。此凍結(jié)層上水從B橋右側(cè)地面出露，形成積冰，如圖5所示。

圖4 橋頭路基人為上限位置示意(單位：cm)

圖5 右側(cè)積冰

從B橋橋頭路基斷面左、右路肩累計變形量曲線(圖6)可以看出，路基沉降速率在每年的12月前后明顯加大，且此時凍融界面正處于零點幕。該地段地面為砂黏土，在含水量較大且未凍結(jié)狀態(tài)時其承載力較小，致使路基下沉。因此，凍結(jié)層上水是造成此路基沉降的主要原因。

圖6 橋頭路基左右路肩累計變形量曲線

3.3 路基結(jié)構(gòu)

青藏鐵路格拉段主要的設(shè)計理念是“保護多年凍土”，目的就是要求路基修筑完成以后的若干年內(nèi)原天然上限上升至路基本體，形成穩(wěn)定的人為上限，保護地基多年凍土[12]。這種原則保護了多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定，但同時也阻隔了路基兩側(cè)凍結(jié)層上水和地表水的徑(滲)流，致使地表水和凍結(jié)層上水不得不從附近的橋、涵處通過，這就造成了水對橋頭路基的侵蝕，水的進一步侵蝕則影響到地基多年凍土的穩(wěn)定，引起青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基的變形。

4 橋頭路基變形治理措施

筆者多年來一直參與橋頭路基下沉現(xiàn)場整治研究，經(jīng)過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)僅采取傳統(tǒng)的抬高路基、增加熱阻的保護凍土方法已經(jīng)難以抵御氣候變化和工程作用的綜合影響，需要采取更加積極的主動保護凍土的工程技術(shù)措施，才能使凍土路基保持長期穩(wěn)定性。橋頭路基病害的防治，應(yīng)本著“治水優(yōu)先”、“主動降溫與保溫并舉”的原則。

4.1 防排水措施

防排水設(shè)施在設(shè)置時應(yīng)兼顧地表水、凍結(jié)層上水的排除問題。全面疏通橋頭路基排水系統(tǒng)，將地表水及凍結(jié)層上水阻擋在橋頭路基基礎(chǔ)之外，減少水對多年凍土的熱侵蝕。

(1)增設(shè)保溫盲溝

在凍結(jié)層上水比較發(fā)育地段，可采用設(shè)置保溫盲溝的方式對凍結(jié)層上水進行截排。保溫盲溝應(yīng)縱向順坡修筑。圖7為保溫盲溝的橫斷面。

圖7 保溫盲溝

(2)修復(fù)或重建排水溝

當(dāng)橋頭路基坡腳有積水時，采取橫向排水和縱向排水相結(jié)合的方法，自路基坡腳向外設(shè)置2%橫坡橫向排水。如果具備縱向排水條件，則沿線路方向在橫向排水措施外側(cè)設(shè)置縱向排水溝，引排至已有橋下排水設(shè)施內(nèi)。

(3)片石注漿

當(dāng)路基為片(碎)石護坡(道)路基，在護道外設(shè)置橫坡排水，為防止橫坡土體填筑后掩埋部分片(碎)石護坡(道)形成新的積水條件，需在片(碎)石護坡(道)內(nèi)注黏土漿，注漿高度與土護道平齊。

(4)設(shè)置豎向擋水板

在地表水比較發(fā)育地段，為了防止地表水在橋頭附近積聚、滲流，可在橋臺護錐邊緣、橋頭路基護道上以及路基坡腳外側(cè)加設(shè)豎向擋水板，用以保護凍土的穩(wěn)定性。

4.2 熱防護措施

為了解決水的熱侵蝕問題，盡快恢復(fù)多年凍土地基的熱平衡，宜采取主動降溫與保溫防護并舉的措施。

(1)布置熱棒

在臺前、護錐及橋頭路基坡腳處插入熱棒，用熱棒采集空氣中的冷量，送入地基多年凍土，降低多年凍土地溫，縮短土體凍結(jié)時間，削弱凍脹發(fā)生的基礎(chǔ)，同時增加地基的承載力。

(2)加鋪片石覆蓋層。

在橋頭路基及護錐體表面鋪設(shè)片石層，利用片石層中存在的大量空隙，冬季起到冷卻降溫，夏季阻止熱量入侵的作用。同時，與熱棒協(xié)調(diào)工作，可加大制冷效果，減小季節(jié)凍融范圍。

(3)設(shè)置保溫護道

在橋頭路基一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置保溫護道，用以減少及削弱因熱傳導(dǎo)對多年凍土的影響。防止陽坡側(cè)人為上限的下降和緩和陰坡側(cè)人為上限上升的坡度，同時可以防止人為活動對路堤邊緣地表的破壞。以黏性土填筑的保溫護道可阻擋和減少路堤坡腳處地表水滲入基底。

(4)植被恢復(fù)

在順坡完成后應(yīng)及時恢復(fù)原地表植被，因植被覆蓋良好地段較之裸露地段，地表暖季獲得的太陽輻射能量較少，對其下伏凍土有一定的保護作用。

5 結(jié)論

通過對青藏高原多年凍土區(qū)橋頭路基變形的影響因素、變形原因進行分析研究，得出以下幾點結(jié)論。

(1)運營期間引起橋頭路基變形的原因主要是由于高含冰量地基多年凍土受水、熱侵蝕產(chǎn)生的融化壓縮下沉，以及路基本體內(nèi)受外來水作用，土體強度較低，擴大了剛度差異和列車動載效果，產(chǎn)生了較大壓縮沉降。

(2)青藏鐵路格拉段主要的設(shè)計理念 “保護多年凍土”原則具有其局限性，該原則保護了多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定，但阻隔了路基兩側(cè)凍結(jié)層上水和地表水的徑(滲)流，導(dǎo)致地表水和凍結(jié)層上水不得不從附近的橋、涵處通過，加劇了水對橋頭路基的侵蝕。

(3)橋頭路基下沉病害，應(yīng)采用“治水優(yōu)先”、“主動降溫與保溫并舉”的治理原則，并針對水、熱及路基結(jié)構(gòu)3個主要影響方面提出橋頭路基病害治理工程措施。

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Causes and Countermeasures for Subgrade Defects at Bridgehead in Permafrost Area of Qinghai～Tibet Railway

TANG Cai-mei, YANG Yong-peng, LI Yong, YANG Xiao-ming, CAI Han-cheng, NIU Dong-xing

(Northwest Research Institute Co., Ltd. of CREC, Lanzhou 730000, China)

Bridge subgrade deformation is a technical problem in Permafrost area. This article addresses the deformation at bridgehead in the permafrost region of Qinghai Tibet Railway by means of literature survey, field survey, theoretical analysis and summary with focus on study and analysis of the causes and characteristics of bridge embankment deformation in permafrost region since the Qinghai-Tibet Railway was put into operation. Forwarded are also such measures to treat these defects as improvement of permafrost environment and optimization of drainage system at bridgehead,

Qinghai-Tibet railway; Bridgehead subgrade; Deformation; Countermeasures

2015-02-03；

2015-02-27

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013003-B)；中國中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013-重大-20-1)。

唐彩梅(1976—)，女，工程師，工學(xué)碩士，E-mail：tcm-ac@163.com。

1004-2954(2015)08-0018-04

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.004