淺析高原多年凍土路基病害成因與整治方法

李學峰

摘要：文章以青藏鐵路路基實際發(fā)生的病害為例，根據(jù)青藏鐵路所處地區(qū)多年凍土的特征，分析路基病害的成因，運用的綜合整治方法及預防措施，以期為多年凍土路基施工、病害整治及預防提供借鑒。

Abstract： This paper takes the roadbed disease of the Beijing-Tibet Railway as an example. According to the characteristics of permafrost in the Beijing-Tibet Railway， the causes of subgrade diseases are analyzed. The paper puts forward comprehensive treatment methods and preventive measures， so as to provide experience for the construction of permafrost subgrade， prevention and cure of subgrade diseases and preventive measures.

關(guān)鍵詞：高原多年凍土；路基病害；成因；整治

Key words： plateau permafrost；subgrade disease；cause；regulation

中圖分類號：U216.42+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0196-03

0 引言

青藏鐵路格爾木至拉薩段擴能改造工程三標段，北起唐古拉山脈，沿青藏公路蜿蜒南行，經(jīng)由安多縣、那曲地區(qū)、當雄縣、羊八井鎮(zhèn)，穿越堆龍曲峽谷，直至拉薩市附近[1]。標段內(nèi)所通過的連續(xù)多年凍土區(qū)的長度546.43km，里程范圍K951+450-K1497+860，其中K1404+470-K1497+860段處于多年凍土范圍內(nèi)，全長93.39km，位于安多峽谷區(qū)。

位于青藏高原的多年凍土作為一種特殊的土體，其特性：具流變性、具有長期強度遠遠低于瞬時強度的特性，正因為這些特性，修筑在凍土區(qū)的工程構(gòu)筑物就一定面臨凍脹和融沉的危險[2]。由于全球變暖凍土區(qū)在不斷衰退。青藏鐵路沿線分布著面積較大的多年凍土區(qū)，其活動層的季節(jié)性融合融沉、凍脹和不良凍土現(xiàn)象每年都發(fā)生，并伴隨著各種不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1 產(chǎn)生的路基病害

作為全國面積最大的凍土地——青藏高原，凍土層正呈現(xiàn)出：凍結(jié)持續(xù)天數(shù)縮短、最大凍土深度逐漸減小等不利現(xiàn)象頻發(fā)。經(jīng)前期調(diào)查，標段沿線分布的各類多年凍土層，凍脹融沉較為強烈。正持續(xù)退化的凍土區(qū)廣泛分布在從岡底斯山-念青唐古拉山北側(cè)、鐵路的南北側(cè)的30多萬平方公里的區(qū)域內(nèi)[1]。

青藏鐵路所處的高原凍土區(qū)，因融沉加劇造成地面不穩(wěn)定，次生災害頻發(fā)，災害地質(zhì)問題頻現(xiàn)，極大不利于所處凍土地區(qū)的公路、鐵路等各種基礎設施建設。

青藏鐵路工程格拉擴能改造工程三標段范圍內(nèi)唐古拉、唐古拉南、扎加藏布、雪查瑪車站均存在凍土融化的反復凍脹、融沉等各項工程地質(zhì)問題，凍土沼澤（濕地）不良凍土問題以唐古拉站較為顯著。標段內(nèi)鐵路路基凍脹、翻漿、松散凍融、融沉、低溫開裂、邊坡融沉滑塌均為多年凍土路基的主要病害表現(xiàn)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，格拉擴能改造工程三標段內(nèi)存在如下路基病害形式：

①多年凍土區(qū)橋頭路基不同程度存在沉降現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為道床厚度較大、漿砌片石擋碴墻局部有破損、局部地段路肩寬度不足。

調(diào)查數(shù)據(jù)如下：K1406+498-K1426+097唐古拉車站（K1405+303）至唐古拉南車站（K1426+097）間。共計：雙側(cè)6652m。

K1426+097-K1444+980唐古拉南車站（K1426+097）至扎加藏布站（K1444+980）間，共計：雙側(cè)6806m。

K1444+980-K1484+100，扎加藏布站（K1444+980）至托居站（K1484+100）間，共計雙側(cè)7762m。

K1484+100-K1508+867，托居站（K1484+100）至安多站（K1508+867）間，共計雙側(cè)3582m。

②經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)唐古拉車站（K1405+303）至扎加藏布站（K1444+980）間均發(fā)現(xiàn)個別路基在每年6-8月存在不同程度邊坡熱融滑塌情況。表現(xiàn)形式：6-8月路基坡腳處明顯融化下陷，邊坡出現(xiàn)滑塌，9月-第二年5月均無現(xiàn)象。

2 路基病害成因

針對標段內(nèi)路基病害成因進行分析

2.1 多年凍土工程地質(zhì)條件是產(chǎn)生凍土路基病害的根本原因

對于多年凍土，平均地溫、其含冰量、多年凍土天然上限等方面均為多年凍土工程地質(zhì)條件的主控方向。以上幾個主控因素加上凍結(jié)層上含水量等地質(zhì)水文條件，尤其這幾大要素的組合，直接決定了多年凍土的工程地質(zhì)狀況，因受多年凍土的工程地質(zhì)狀況影響，高原凍土地區(qū)路基工程產(chǎn)生了不同于其他地區(qū)的特殊性病害形式：橋頭路基沉降、路基開裂等。

2.2 外部條件變化是影響凍土穩(wěn)定性的直接原因

①路基作為跨越各種地址、地錨、凍土環(huán)境的長距離帶狀結(jié)構(gòu)物、具有與大自然接觸廣泛的特點，影響路基基底下多年凍土地基的熱穩(wěn)定性的因素有氣溫、年平均地溫、太陽輻射、凍結(jié)層上水、路基結(jié)構(gòu)形式、路基邊坡朝向、施工季節(jié)、施工方式等。

②多年凍土段存在水文及水溫地質(zhì)條件復雜等因素，水所攜帶的熱量日積月累降低了多年凍土相對的熱穩(wěn)定，多年凍土的天然凍結(jié)深度發(fā)生改變，凍結(jié)深度的不穩(wěn)定，融沉界限下降，直至不良凍土問題出現(xiàn)。

③建設期間，橋臺基坑開挖及樁基、大體積混凝土澆筑，破壞了原有的凍土環(huán)境，對凍土產(chǎn)生極大擾動，路橋過渡段基底下臥多年凍土的工程性質(zhì)因此也受到不利影響，從而造成凍土的天然上限值下降，多年凍土逐步融化下沉。endprint

2.3 路基、橋臺對凍土工程性質(zhì)影響不同

標段內(nèi)路基與橋臺的材料構(gòu)成不同、結(jié)構(gòu)的形式不一、幾何尺寸各異，同時地區(qū)太陽輻射不同，引起的溫度改變及效應不同，從而對路基填料的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大差異影響，尤其銜接處附近極易產(chǎn)生不均勻沉降，直至路基病害的發(fā)生。

3 路基病害綜合治理

路基病害處理施工：邊坡防護工程、路基加固工程。

根據(jù)多年凍土區(qū)的支擋、防護建筑物不采用漿砌片石結(jié)構(gòu)[3]的原則，標段內(nèi)橋頭路基病害處理采用浸塑網(wǎng)片隔離加干砌片石護肩的處理方案，部位路段采取防凍脹護道（坡腳下傾填片石）、干砌片石護坡、熱管。

①標段內(nèi)干砌片石護肩（坡）因鄰近營業(yè)線施工，采用浸塑網(wǎng)片防護柵欄隔離施工。防護柵欄最內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)物邊緣，與線路中心線大于鐵路建筑限界，不損壞道床坡腳，浸塑網(wǎng)片隔離在道碴下坡腳位置設置。

干砌片石抗壓強度不小于MU30[4]。片石厚度應在15-20cm之間，為保證運營安全，采用干砌片石加高路肩至道床頂面下0.45m（或與既有擋碴墻頂面齊平），干砌片石頂面寬度0.8m，頂面采用5cm厚M10砂漿抹面。既有線路采用碎石護坡形式的則干砌片石垛加高、加寬以滿足路肩要求。在橋頭附近1m長度范圍內(nèi)設置干砌片石垛對端部進行加高、加寬封閉，如圖1所示。

②為保證路基的邊坡、坡腳穩(wěn)定，可采取坡腳處施做防凍漲護道（傾填片石）的原則，為保護路堤、坡腳不因凍土的季節(jié)性變化而引起路基面、坡腳處高低起伏而損壞路基。路基的填筑高度>3m時，路基路堤兩側(cè)設置防凍漲傾填片石護道，高度、寬度必須大于當?shù)囟镜淖畲髢鼋Y(jié)深度，傾填片石的選用原則與干砌片石一致，干碼。

③熱管與通風管。

鐵路路基兩旁設置熱管，地面以上高約2m，埋入地下5m。熱管為中空式，內(nèi)部灌有液態(tài)氨。工作原理：每當路基外空氣溫度低于路基內(nèi)部時，熱管中液態(tài)氮則氣化，氨變?yōu)闅怏w后密度變小，上升到熱管的頂部，通過熱管外分布的散熱片使熱量傳遞給空氣，氣態(tài)氨因失去熱量再次冷卻變?yōu)橐簯B(tài)氨，因密度增大、重力作用下再次返回熱管的底部。由此周而復始，最關(guān)鍵一點，熱管僅能單向傳導熱量，傳導方向：只能從地下向熱管頂部傳遞，反之則不能傳導。熱管相當于一臺天然的制冷空調(diào)，完全不受動力系統(tǒng)約束。同時在路基的水平方向設置通風管（與熱管的垂直方向設置相反），路基內(nèi)外產(chǎn)生溫差時，通風管則利用空氣對流的遠離將熱量排出，溫度降低，使多年凍土區(qū)的凍土臨界點提升，從而保證下部凍土的穩(wěn)定，如圖2所示。

4 路基病害預防措施

多年凍土路基在堅持“主動降溫、冷卻地基、保護凍土”的思路同時，廣泛應用片石氣冷、碎石護坡、熱管等主動保護凍土措施[3]。結(jié)合既有路基建設及運營養(yǎng)護維修工程實踐經(jīng)驗，采用片石氣冷、碎石護坡（路基）、熱管、保溫護道、挖除換填等綜合措施保護多年凍土。施工中要保證將既有路基、既有凍土的熱擾動降低到最低程度。

①重視多年凍土環(huán)境保護，不得在高含冰量凍土分布地段取土，不宜在植被覆蓋良好的地段取土棄土。施工便道遠離路堤坡腳、路塹頂部至少20m，并不得在路堤坡腳與排水溝間擾動。

②施工前通過現(xiàn)場復查、核對設計文件，了解路基所處位置的凍土分布類型、凍土上限、地面水及熱融、冰丘、凍土沼澤等情況[1]。施工生產(chǎn)嚴格依照：保持地溫、保護凍土生態(tài)平衡、保持地表附著物的原則。

③路基施工應選擇合理的施工季節(jié)和時段。

1）青藏高原太陽輻射強烈，高含冰量地段路基開挖可在12月-來年2月、6月-8月施工，路基基地、邊坡?lián)Q填等施工應6月底前完工。2）路堤段填筑可在9月-11月、3月-5月施工，一天中高溫時間段應避免施工。

④多年凍土區(qū)路堤填筑可在不清除地表植被的地面上直接施工。根據(jù)凍土區(qū)最大凍結(jié)深度、凍土含冰量、地表植被覆蓋種類、地溫、基礎巖土性質(zhì)等因素，選擇熱管、通風管、保溫護道（傾填片石）、碎石護坡、片石氣冷、保溫材料、換填滲水土、排水管等各種路基處理措施及多種措施的組合運用保護多年凍土，對既有路基、凍土層的的熱擾動降到最低限度。

5 結(jié)論

多年凍土在我國分布較廣，多年凍土路基研究發(fā)展較晚，近些年由于基礎設施建設的大力推進，路基病害的整治與防治措施研究發(fā)展迫在眉睫，文章通過青藏鐵路工程路基病害整治及施工措施實例出發(fā)，將路基病害產(chǎn)生的形式、綜合整治的措施詳細描述，通過實例證明多年凍土路基病害的嚴重性及根據(jù)路基病害的不同形式選擇相對應的治理方法，以期將多年凍土路基病害降低至最低程度，并得到完全根治的目的。

參考文獻：

[1]陳海平.青藏鐵路格拉段擴能改造方案分析及實施建議[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2015.

[2]胥俊德.青藏高原多年凍土區(qū)建筑基礎工程施工和質(zhì)量控制及環(huán)境保護[J].甘肅科技，2015.

[3]中華人民共和國行業(yè)標準.青藏鐵路高原多年凍土區(qū)工程設計暫行規(guī)定（2003年局部修訂版）[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[4]中華人民共和國行業(yè)標準.TB 10414-2003，鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2004.endprint