青藏鐵路修筑后次生不良凍土現(xiàn)象的特征及發(fā)展趨勢

于雪飛，熊治文，武小鵬，周有祿，丁惠祥

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京　100081; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州　730000)

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青藏鐵路修筑后次生不良凍土現(xiàn)象的特征及發(fā)展趨勢

于雪飛1，2，熊治文2，武小鵬2，周有祿2，丁惠祥1

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州730000)

摘要：青藏鐵路的修建會形成次生不良凍土現(xiàn)象，次生不良凍土現(xiàn)象會對鐵路產(chǎn)生諸多危害。研究青藏鐵路修筑以后次生不良凍土現(xiàn)象的特征及發(fā)展趨勢意義重大。 對青藏鐵路沿線不同類型的次生不良凍土現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查研究，研究青藏鐵路修筑以后次生不良凍土現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理、發(fā)育特征及發(fā)展趨勢。查明對青藏鐵路有直接或潛在威脅的次生不良凍土現(xiàn)象18處，其中與路基有關(guān)的次生不良凍土現(xiàn)象較少；與橋梁有關(guān)的次生不良凍土現(xiàn)象，主要是橋下形成冰椎、冰幔等；與涵洞有關(guān)的次生不良凍土現(xiàn)象，主要有涵洞下沉等。研究表明：未來氣溫升高導(dǎo)致多年凍土上限附近地下冰大量融化，將會產(chǎn)生諸多次生不良凍土病害，影響鐵路的正常運營。

關(guān)鍵詞：青藏鐵路；次生不良凍土；多年凍土區(qū)；發(fā)展趨勢

1概述

不良凍土現(xiàn)象，是指土體在凍結(jié)和融化作用下產(chǎn)生的對工程有不利影響的物理地質(zhì)現(xiàn)象。在多年凍土區(qū)修建鐵路會遇到許多不良凍土現(xiàn)象，反過來，鐵路修建又會形成新的不良凍土現(xiàn)象即次生不良凍土現(xiàn)象。青藏鐵路工程的建設(shè)活動以及鐵路建筑物，不可避免地會對高原多年凍土環(huán)境和水文地質(zhì)的變化產(chǎn)生一定的影響，而且，這種影響是長期性的。因此，研究青藏鐵路修筑后次生不良凍土現(xiàn)象的特點和發(fā)展趨勢，對于防止次生不良凍土現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展，保證青藏鐵路的正常運營有著非常重要的現(xiàn)實意義。

多年凍土地區(qū)之所以會形成次生不良地質(zhì)現(xiàn)象，在于多年凍土地區(qū)不僅氣候嚴(yán)寒，而且還有多年凍土層作為底板使地表水的下滲和多年凍土層上水的活動受到約束，青藏鐵路的修筑改變了天然的水文地質(zhì)條件，這是誘發(fā)多年凍土區(qū)次生不良地質(zhì)現(xiàn)象的基本條件。李永強(qiáng)等[1]系統(tǒng)闡述了青藏鐵路多年凍土工程地質(zhì)特征，王小軍等[2]調(diào)查了青藏鐵路沿線不良凍土現(xiàn)象，余紹水等[3]對青藏鐵路沿線主要次生不良凍土現(xiàn)象形成機(jī)理作出了分析。通過以上分析，國內(nèi)對于青藏鐵路修筑以后次生不良凍土現(xiàn)象發(fā)育特點及發(fā)展趨勢鮮有相關(guān)文章報道。鑒于此，本文對青藏鐵路沿線次生不良凍土現(xiàn)象的發(fā)育特征進(jìn)行了研究，并且對次生不良凍土的發(fā)展趨勢作出了預(yù)測。

2鐵路修筑后次生凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象的特征

2.1次生不良凍土現(xiàn)象的主要類型

青藏鐵路自從開始建設(shè)，各參建單位已經(jīng)對青藏鐵路可能出現(xiàn)災(zāi)害的地段進(jìn)行了多次調(diào)查研究。結(jié)合前人調(diào)查資料，可對青藏鐵路多年凍土區(qū)次生不良凍土現(xiàn)象進(jìn)行分類。

對于次生不良凍土現(xiàn)象的劃分，主要根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的原因進(jìn)行分類，其中熱融性次生災(zāi)害是由于多年凍土融化或退化過程中，土體壓縮、固結(jié)或變形、移位所引起的災(zāi)害，這種災(zāi)害可以表現(xiàn)為巖土體的變形和失穩(wěn)，也可以表現(xiàn)因地表形態(tài)改變而形成的其他地質(zhì)體，當(dāng)其對工程產(chǎn)生影響以后，便表現(xiàn)為次生災(zāi)害[4-6]；凍脹性次生災(zāi)害主要是由于土體凍結(jié)過程中水分遷移或原位凍結(jié)產(chǎn)生的體積膨脹類災(zāi)害，表現(xiàn)為構(gòu)筑物的凍脹危害或因施工造成地下水通道的改變而出現(xiàn)的冰錐、冰幔等；凍融性次生災(zāi)害是指由于受凍融循環(huán)的影響，巖土體材料形態(tài)或強(qiáng)度等物理特性發(fā)生變化所引起的災(zāi)害。根據(jù)災(zāi)害成因、破壞形式將青藏鐵路次生災(zāi)害可分為三大類10種表現(xiàn)形式(表1)。

2.2青藏鐵路修建對多年凍土區(qū)的影響

與北美和俄羅斯的高緯度多年凍土相比，青藏高原凍土具有地溫高、厚度小、自身熱穩(wěn)定性差等特點，因此對工程活動的擾動更加敏感[7-10]。青藏鐵路修建以后改變了包括微地形(邊坡、坡向)、地表覆蓋(植被、積雪、地表水)及淺層土體的熱物理性質(zhì)等在內(nèi)的局地因素[11]，不可避免地會產(chǎn)生諸多次生不良凍土現(xiàn)象。

表1　次生不良凍土現(xiàn)象類型

鐵路修建破壞了脆弱的凍土環(huán)境，改變了地表狀態(tài)和土體內(nèi)部的冰-水平衡狀態(tài)[12]，導(dǎo)致凍土中的地下冰融化，產(chǎn)生了人為干擾的熱融湖塘和洼地，引起地表積水和季節(jié)融化層中含水率增加。熱融洼地積水長期暴露在大氣中，水溫較高，促使多年凍土上限處地下冰繼續(xù)融化，地面下沉而逐漸形成熱融湖塘。此外，鐵路修建改變了原有的地表水和地下水徑流條件，造成路基附近積水。在夏季，水流對路基周圍土體沖刷、掏蝕，使得鐵路路基沉陷；在冬季，凍脹問題普遍，凍脹丘和冰錐發(fā)展速度較快，產(chǎn)生的凍脹力使得鐵路路基產(chǎn)生不均勻沉降[13]。

2.3青藏鐵路沿線次生不良凍土現(xiàn)象的調(diào)查結(jié)果分析

為了更好地了解和掌握青藏鐵路修建引起的次生不良凍土現(xiàn)象，課題組對青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)不良凍土現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查，查明對路基、橋涵有直接或潛在威脅的次生不良凍土現(xiàn)象18處，詳見表2。

調(diào)查總結(jié)如下所述。

(1)與路基有關(guān)的次生不良凍土現(xiàn)象較少，例如K1312+640～K1312+703處的路基滑坍。其形成原因是由于路基上方排水不暢，地表水及雨水浸泡路基土，造成下部地基土(粉質(zhì)黏土)飽水呈軟塑至流塑狀，在橋臺缺口填筑時，下部土體來不及排水固結(jié)，支撐不住上部高填方土體荷載，在上部填方土體不密實的情況下，從填方土體中部(即線路中線處)產(chǎn)生滑坍。

(2)對橋梁有影響的次生不良凍土現(xiàn)象，主要是橋下形成冰椎、冰幔等。按其形成原因可分為4種情況：①K1138+776日爾拉瑪中橋、K1181+803以橋代路特大橋等橋梁下面的冰椎和冰幔，均是由于橋梁附近地下水受承壓作用溢出地表后邊流邊凍而形成的。其中，K1181+803以橋代路特大橋冰椎現(xiàn)已頂?shù)綐蚨粘信_底面，對橋梁的安全性構(gòu)成威脅，應(yīng)立即采取處理措施，其它冰椎和冰幔尚未對橋梁造成危害。②K1229+290原為涵洞，現(xiàn)為小橋，上側(cè)仍有冰椎和冰幔，是由于打測溫孔時打出承壓水，水在壓力作用下溢

表2　次生不良凍土現(xiàn)象調(diào)查結(jié)果

出地面凍結(jié)形成的。③K1183+891尺之中橋等橋梁下面的冰椎、冰幔都是河水結(jié)冰形成的。④K1206+856大橋、K1208+068大橋，其下方與公路之間均形成冰椎、冰幔，是由于公路涵洞結(jié)冰堵塞，造成鐵路和公路之間積水結(jié)冰形成的。

(3)與涵洞有關(guān)的次生不良凍土現(xiàn)象，按其形成原因可分為兩種情況。① K1352+6961-3.0 m矩涵下沉，其形成原因主要是由于涵址處地勢低洼排水不暢，地表水和雨水在涵址處聚集，積水滲入地基造成基底蓄熱，致使地基富冰凍土融化導(dǎo)致涵洞下沉。由此引起路基下沉形成橫向裂縫，裂縫寬度3～4 cm，裂縫間距21 m。②K1615+650涵洞、K1616+640涵洞、K1616+780涵洞右側(cè)冰幔，主要是因為涵洞修筑后過水?dāng)嗝鏈p小從而改變了地表水的徑流條件，加之涵址處地勢低洼、施工后沒有對涵洞兩側(cè)水流條件進(jìn)行很好的順通，水的流動受到限制在寒冷的氣候條件下逐漸結(jié)冰形成的。

3青藏鐵路次生不良凍土現(xiàn)象的發(fā)展趨勢

3.1沿線多年凍土退化范圍的趨勢及對鐵路的影響

青藏高原的氣溫近幾十年來呈現(xiàn)明顯上升的趨勢[14]。據(jù)青藏高原101個氣象臺1961～2000年氣溫資料統(tǒng)計[15]，40年來青藏高原氣溫平均升高大約0.70 ℃，升高速率約為0.017 ℃/a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中國氣溫的平均升溫速率0.005 ℃/a。從多年凍土分區(qū)變化情況來看，如果采用氣溫升高1 ℃進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測，結(jié)果表明：50年后氣溫升高1 ℃，青藏鐵路沿線約有1.7%極不穩(wěn)定多年凍土(Ⅰ區(qū))退化為季節(jié)性凍土，極不穩(wěn)定型多年凍土約增加8%，不穩(wěn)定型多年凍土(Ⅱ區(qū))約增加5%，基本穩(wěn)定型(Ⅲ區(qū))和穩(wěn)定型多年凍土(Ⅳ區(qū))地溫均會升高[16-17]。盡管上述推測很多不確定性，但青藏高原在未來30～50年內(nèi)退化趨勢將是明顯的。

多年凍土退化，將會造成新的次生不良凍土現(xiàn)象并對工程穩(wěn)定性造成不利影響。在多年凍土的退化過程中，一方面表現(xiàn)在多年凍土的熱狀態(tài)變化，另一方面則是多年凍土厚度減少，多年凍土上限埋深逐漸增大。多年凍土的退化對青藏鐵路路基工程穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在：由于上部多年凍土溫度變化較大，導(dǎo)致上限附近地下冰大量融化，產(chǎn)生次生不良凍土病害；同時，也使多年凍土處于極高的溫度狀態(tài)，使多年凍土具有較強(qiáng)的流變性，導(dǎo)致路基基底土體產(chǎn)生較大的塑性變形。

3.2多年凍土區(qū)次生不良凍土現(xiàn)象發(fā)展趨勢及對青藏鐵路的影響

隨著未來時間氣溫的升高，季節(jié)融化層厚度不斷增大，多年凍土上限逐漸下降，使原來主要依靠大氣降水補(bǔ)給的凍土層上水，又增加了一項位于多年凍土層頂板的地下冰不斷融化成水的補(bǔ)給。這就更增大了凍土層上水含水層的厚度及其活動能力，加上氣候變暖后引起冬季凍結(jié)速度的大大減少等因素的影響，將出現(xiàn)一個熱融沉陷、熱融滑坍和中小型冰椎、凍脹丘等冷生作用特別活躍的時期。另外，當(dāng)不斷退化的多年凍土層使路基基底出現(xiàn)貫通融區(qū)時，則沿著貫通融區(qū)向上排泄的承壓凍土層下水，還將發(fā)生使路基在冬季遭受大型冰椎和大型凍脹丘等次生不良作用危害的問題，給鐵路工程的穩(wěn)定性造成很大的影響。

綜上所述，伴隨著全球氣候的不斷升溫，與“水”、“熱”有直接關(guān)系的多年凍土?xí)饾u退化，厚層地下冰發(fā)生融化，多年凍土上限下降，產(chǎn)生新的不良凍土現(xiàn)象，土工建筑物的穩(wěn)定性遭到破壞，因此，在青藏鐵路修筑過程中，就應(yīng)該采取考慮氣候升溫條件下的工程設(shè)計原則，動態(tài)設(shè)計，動態(tài)補(bǔ)強(qiáng)，注重工程質(zhì)量和對多年凍土與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，增強(qiáng)鐵路工程抵御多年凍土退化和次生不良凍土現(xiàn)象的能力。

4結(jié)論

(1)青藏鐵路修筑以后改變了高原多年凍土環(huán)境及水文地質(zhì)條件，不可避免地對路基、橋梁、涵洞等產(chǎn)生了不同類型的次生災(zāi)害。

(2)次生不良凍土現(xiàn)象對鐵路存在潛在的危害，主要表現(xiàn)為路基的沉陷、側(cè)向侵蝕，橋梁下形成的冰錐、冰幔等，涵洞下沉、排水不暢等。對此要及早予以重視，并遵循減小地表擾動、恢復(fù)環(huán)境、保護(hù)凍土的原則進(jìn)行防治。

(3)隨著未來氣溫的升高，凍土層上水活動能力變強(qiáng)，加上氣候變暖后引起冬季凍結(jié)速度的大大減少等因素的影響，將出現(xiàn)一個熱融沉陷、熱融滑坍和中小型冰椎、凍脹丘等冷生作用活躍的時期。

(4)全球氣候的不斷升溫，多年凍土?xí)饾u退化，厚層地下冰發(fā)生融化，多年凍土上限下降，產(chǎn)生諸多次生不良凍土現(xiàn)象，對此應(yīng)當(dāng)引起重視，采取動態(tài)防治的原則予以治理。

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收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-11-21

作者簡介：于雪飛(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：798681091@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0043-04

中圖分類號：U213.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.010

Characteristics and Developing Trend of Secondary Unfavorable Phenomena of Permafrost after Construction of Qinghai Tibet Railway

YU Xue-fei1，2, XIONG Zhi-wen2, WU Xiao-peng2, ZHOU You-lu2, DING Hui-xiang1

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China;2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of CREC， Lanzhou 730000， China)

Abstract：The construction of Qinghai Tibet Railway is likely to result in secondary unfavorable phenomena of permafrost， which may cause a lot of damages to the railway. It’s of great Significance to conduct researches on the characteristics and development law of secondary unfavorable phenomena of permafrost after the construction of Qinghai Tibet Railway. In this paper， the secondary unfavorable phenomena of permafrost along the Qinghai Tibet Railway is investigated and classified， and the mechanism， the characteristics and development trend of the secondary unfavorable phenomenon after the construction of Qinghai Tibet railway are studied. There are 18 secondary unfavorable phenomena having direct or potential threat to the Qinghai Tibet Railway. There are only a few secondary unfavorable phenomena related to the roadbed; the phenomena related to the bridge are mainly ice cone and ice mantle， the phenomenon related to culvert is mostly culvert sinking. Future temperature rise causing melting of underground ice near the upper limit of the permafrost may result in lots of secondary unfavorable phenomena that affect the normal operation of the railway．

Key words：Qinghai-Tibet Railway; Secondary unfavorable phenomenon of permafrost; Permanent permafrost region; Developing trend