對凍土環(huán)境的鐵路工程施工技術(shù)的研究

姬浩浩+田川

摘 要：凍土具有極不穩(wěn)定性，且受多種因素影響--氣候、太陽輻射、地質(zhì)地理條件等。凍土環(huán)境中路基常見病害為凍脹和融沉，其主要受地下冰變化的影響，在鐵路施工時可以采取的對應(yīng)措施來預(yù)防路基病害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：凍土環(huán)境；影響因素；鐵路施工技術(shù)

1.凍土環(huán)境

凍土，顧名思義就是受凍的土，通常情況下水在0℃以下變成冰，而土體中含有巖石，故凍土是處于0℃或以下環(huán)境中含有冰的土體和巖石的統(tǒng)稱。根據(jù)凍結(jié)狀態(tài)的不同，把凍土分為季節(jié)凍土和多年凍土。

凍土是一種對溫度及其敏感而且物理性質(zhì)極不穩(wěn)定的地質(zhì)體。其成分、組構(gòu)、熱物理及物理力學(xué)性質(zhì)與一般土體均有著大不相同的許多特點。因為凍土中含有冰，由于冰受溫度影響很大，溫度升高冰會熔化變?yōu)樗?，體積縮小，會導(dǎo)致凍土整體結(jié)構(gòu)下陷、坍塌等，相反由水變成冰會使凍土“膨脹”也會使凍土變形；凍土還與土中含冰量有關(guān)，而含冰量又直接與溫度有關(guān)，它隨著溫度的升高而減少，造成凍土的力學(xué)特性發(fā)生巨大變化，并且溫度與多種因素相關(guān)，很難人為地控制，故在鐵路施工中凍土環(huán)境是需要克服的一大困難。

2.凍土環(huán)境對鐵路工程施工的影響

凍土在正負(fù)溫度交替變化過程中水分產(chǎn)生劇烈的相變，伴隨產(chǎn)生凍土體積的變化，表現(xiàn)在工程建設(shè)中就是凍脹和融沉變形，對路基的破壞極大，而凍土極不穩(wěn)定，受自然環(huán)境、人為因素等的影響。

2.1常見的路基破壞問題

（1）凍脹問題

凍脹是因為當(dāng)溫度降低達(dá)到水的凝固點時，土體和巖石中含有的液態(tài)水變成了固態(tài)的冰，體積膨脹增大而產(chǎn)生的，表現(xiàn)為地表的不均勻升高變形。伴隨著凍土的凍脹，在建筑基礎(chǔ)表面將產(chǎn)生凍脹力，從而產(chǎn)生凍脹變形，嚴(yán)重時將引起建筑物的破壞。

（2）融沉問題

融沉由于多年凍土里含有的冰融化成為水后體積縮小造成的。主要表現(xiàn)為路基下沉、路基向陽側(cè)邊坡和路肩開裂及下滑、路塹邊坡溜塌等，使建在多年凍土區(qū)的建筑物地基變形和破壞。

（3）地下冰

地下冰最為集中分布在多年凍土上限附近，修筑路堤后引起多年凍土上限變化，其結(jié)果就會造成地下冰融化，導(dǎo)致路堤產(chǎn)生融化下沉破壞。由于地下冰受多因素控制，在空間上形成不均勻的和不同的含冰狀態(tài)，這種不同的含冰狀態(tài)直接影響著凍土路基的穩(wěn)定，而富冰、飽冰凍土和含土冰層一旦融化就會產(chǎn)生巨大的下沉量對工程產(chǎn)生巨大的破壞。

2.2影響路基工程狀態(tài)的因素

凍土是地層通過地面與大氣之間進(jìn)行水熱交換的產(chǎn)物，其水熱狀況受氣候和地質(zhì)地理條件的制約。氣候是多年凍土水熱狀況變化的動力，地質(zhì)和地理條件則會導(dǎo)致多年凍土水熱狀況發(fā)生空間分異。

2.2.1氣候條件

（1）氣溫：低溫（0℃及以下）可以保護(hù)凍土，穩(wěn)定的氣溫對凍土環(huán)境穩(wěn)定性的保持起到一定作用，另一方面，也給凍土區(qū)路基工程的正常運營帶來許多技術(shù)難題。

（2）降水：降水形成的地表徑流和入滲，攜帶大量的熱量向路基及基底多年凍土層傳輸，促使多年凍土融化，對路基工程人為上限的形成具有很大影響。

（3）積雪：積雪具有低導(dǎo)熱性和較大容積熱容量等特性，積雪覆蓋阻擋了地面的熱量散失，對多年凍土具有保溫作用；同時，積雪反射了80-90%的太陽輻射，在一定程度上延滯了外部氣候條件對多年凍土熱狀況的影響。

2.2.2太陽輻射

太陽輻射是地球表面的能量的主要來源，它是影響多年凍土熱狀況的重要外部因素。地面與大氣之間的熱交換關(guān)系呈線性關(guān)系，在自然條件下，地面溫度變化大的下墊面因?qū)α鲹Q熱作用失去或獲得的熱量也大，這種巨大熱量的變化再加上多年凍土表面相對較低的地表反射率，使得多年凍土的表面在全年絕大部分時間處于吸熱狀態(tài)，從而對多年凍土的熱狀況造成很大影響。

2.2.3地質(zhì)和地理條件

地質(zhì)構(gòu)造影響凍土的分布、溫度、厚度、地下冰的結(jié)構(gòu)及形態(tài)組合。地質(zhì)構(gòu)造能夠影響大地?zé)崃鳌r性、地表和地下徑流、地形地貌變化和植被分布等，由此對多年凍土溫度和厚度產(chǎn)生深刻的影響。地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造運動性質(zhì)及地質(zhì)發(fā)育歷史對區(qū)域的巖性、表層堆積物性質(zhì)和裂隙發(fā)育程度有相當(dāng)大的控制作用，而巖性、表層堆積物類型和裂隙發(fā)育程度與多年凍土層中的冰體結(jié)構(gòu)、類型及分布又有著密切的關(guān)系。

除此之外，水文地質(zhì)條件、寒凍風(fēng)化作用以及工程修建等因素引起的水熱環(huán)境的變化也會對凍土環(huán)境造成一定的影響。

3.凍土環(huán)境中的鐵路施工

3.1凍土環(huán)境施工原則

由上述分析可知，在鐵路施工時路基設(shè)計應(yīng)遵循三項原則：保護(hù)凍土環(huán)境，控制凍土環(huán)境的變化，避免凍土發(fā)生強(qiáng)烈的變化。

（1）保護(hù)凍土

保持施工的路基在規(guī)定的使用年限內(nèi)的熱穩(wěn)定性。即人為上限始終控制在指定的深度范圍內(nèi)，保持其下臥多年凍土的凍結(jié)狀態(tài)。

（2）控制融化

允許所設(shè)計的路基基底（或邊坡 ）的多年凍土在使用年限內(nèi)產(chǎn)生局部融化，但是要經(jīng)融化下沉變形量計算，將融化速率和深度控制在路基穩(wěn)定性所允許的變形范圍之內(nèi)。

（3）破壞凍土

在各種條件允許的情況下，將基底（或邊坡）多年凍土融化或清除（全部或達(dá)到設(shè)計深度），并將融化后的水份疏干，使凍土環(huán)境變成普通的土壤和巖石環(huán)境后再進(jìn)行施工，該措施只適用于少冰凍土的環(huán)境，如解決路基施工時開裂和坡面積水等問題。

3.2鐵路施工指導(dǎo)建議

3.2.1路基病害預(yù)防施工技術(shù)

路基是由路堤、路塹及其交界處的填挖過渡段（淺塹、零斷面、低路堤）組成的。針對凍土的病害特點，貫徹以防為主，防治結(jié)合的原則。

常見凍土路基防融沉凍脹的辦法與技術(shù)：

（1）適當(dāng)提高路基填土高度。用天然土保溫，這種方法價廉，可普遍采用；

（2）在路基埋設(shè)工業(yè)保溫層（UP、EPS等）。埋設(shè)5cm左右的保溫板；

（3）埋設(shè)通風(fēng)管。在路堤中埋設(shè)混凝土橫向通風(fēng)管，可以有效降低路基溫度；

（4）采用拋石路基。即用碎塊石填筑路基，利用填石路基的通風(fēng)透氣性，隔阻熱空氣下移，同時吸入冷量，起到保護(hù)凍土的作用；

（5）在少數(shù)極不穩(wěn)定凍土地段修建低架旱橋，工程效果有保證，但造價高；

（6）地基土換填。用粗砂、礫石等粗粒土置換凍脹性或融沉性地基土；

（7）采取排水隔水措施。

3.2.2施工過程注意事項

（1）應(yīng)該選擇低溫耐久的混凝土，水熱化程度小的水泥材料。水泥優(yōu)先采用普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥。

（2）控制混凝土的拌合。采取保溫棚內(nèi)設(shè)置火爐、調(diào)節(jié)拌和水溫等控制拌和溫度?；炷翍?yīng)集中拌和、集中供應(yīng)、禁止分散拌和。拌制混凝土用骨料應(yīng)清潔，不得含有冰、雪、凍塊及其他易凍裂物質(zhì)。

（3）混凝土養(yǎng)護(hù)施工。采取防風(fēng)防凍，或者是蓄熱養(yǎng)護(hù)措施，在混泥土達(dá)到一定抗凍強(qiáng)度后方可拆除模板。

（4）路基填料采用非凍脹性AB料，路基填筑采用草席子覆蓋，白天攤平碾壓，禁止晚上作業(yè)；

（5）在路塹地段挖除換填到設(shè)計標(biāo)高，如果還有凍土，采用設(shè)計變更或一直挖到凍結(jié)深度以下；

（6）水溝采用保溫出水口，涵洞冬修要回填基坑保溫，防治凍脹；

（7）下雪后第一時間安排機(jī)械清理路基積雪，防止融化成水又結(jié)冰。

4、結(jié)束語

凍土物理特性極不穩(wěn)定，且受多因素影響，給凍土環(huán)境施工造成極大阻礙，路基病害層出不窮。但如今技術(shù)越來越先進(jìn)，相信貫徹以防為主，防治結(jié)合的原則，路基病害能夠得到有效控制。

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