東北凍土區(qū)鐵路路基病害防治若干問題的思考

周脈健

哈爾濱鐵路局海拉爾工務(wù)段，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000

1 東北凍土分布及退化現(xiàn)狀

1.1 東北凍土基本特征

東北多年凍土主要廣泛分布在呼倫貝爾高原、松嫩平原北部以及大小興安嶺森林地區(qū)[1]，東北地區(qū)是歐亞大陸多年凍土的最南部突出地帶，屬于中高緯山地凍土，也是我國唯一的高緯度多年凍土地區(qū)。在各種地質(zhì)地理因素的影響下，東北多年凍土區(qū)域具有低溫低、凍土厚度最大以及分布面積極為廣泛的基本特征。東北凍土的形成受到多種因素的影響，水、熱、質(zhì)狀態(tài)隨著時間的遷移和地域的變化，具有顯著的時空轉(zhuǎn)變特征。不同緯度地帶凍土區(qū)域特征明顯不同，影響凍土區(qū)域的積雪、植被、水分、地形和大氣逆溫等的變化，經(jīng)過多年質(zhì)的積累，形成了與極地和高海拔多年凍土區(qū)域截然不同的東北地區(qū)獨有的凍土特征。東北凍土區(qū)根據(jù)特征的不同基本可分為大片多年凍土、島狀融區(qū)多年凍土和島狀多年凍土地帶[2]，分布情況見圖1。

圖1 東北多年凍土分布情況

1.2 凍土退化及原因

目前科學(xué)研究表明，東北多年凍土區(qū)域呈現(xiàn)區(qū)域性退化狀態(tài)，在全球氣溫持續(xù)轉(zhuǎn)暖和全球排放等因素的強烈影響下，東北凍土層退化速度明顯加快。專業(yè)研究機構(gòu)出具了一份東北凍土區(qū)域近50年來的報告，報告顯示東北多年凍土南界有較大幅度北移，北移幅度大約在40～120km，專家預(yù)測未來50～100年氣候若是持續(xù)變暖條件下，東北的多年凍土層將繼續(xù)退化。因地表目前的綠色覆蓋層的保護和來自西伯利亞—蒙古顯著的高壓作用下，東北凍土層退化速度將放緩。與此同時，地區(qū)的工業(yè)發(fā)展、人類活動極大地加劇了多年凍土層的退化，隨著東北地區(qū)重工業(yè)基地的大規(guī)模振興，以及為響應(yīng)國家“一帶一路”倡議的大力推進(jìn)，多項重大的國家級重點工程如火如荼地開展，比如哈大高速鐵路是世界上第一條在凍土地區(qū)興建并運行的高速鐵路，也是目前我國最北端、最嚴(yán)寒地區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路之一[3]。除此之外，東北大小興安嶺的牙林線和嫩林線等主要鐵路干線都是在凍土區(qū)域建成，鐵路干線橫穿多年凍土區(qū)域超過1500km。在東北多年凍土區(qū)域進(jìn)行鐵路施工建設(shè)，打破了原天然地表與大氣之間的熱量平衡條件，改變了原來多年凍土的水熱穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致東北凍土區(qū)域退化嚴(yán)重[4]。另外，最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，東北多年凍土面積縮減至2.4×105km2。

全球氣溫升高同樣極大地導(dǎo)致了東北地區(qū)多年凍土區(qū)域性退化，根據(jù)近年來溫度評估報告表明，東北地區(qū)溫度升高明顯，尤其黑龍江氣候變暖最為明顯。根據(jù)東北地區(qū)幾十個氣象臺的資料分析，近幾十年來東北氣候變暖速度加快，尤其是近10年來，氣候變暖極為顯著，基本年年出現(xiàn)歷史性高度的氣溫。氣候變暖在東北局部地區(qū)呈現(xiàn)不一樣的勢態(tài)，根據(jù)凍土區(qū)域退化速度，可以總結(jié)出南部大于北部，城鎮(zhèn)大于田野，農(nóng)田快于林區(qū)，采伐過林區(qū)快于原始林區(qū)；根據(jù)凍土地表植被類型、綠色覆蓋程度、巖性及水分等分析，凍土退化程序從農(nóng)田(裸地)—草地—灌叢—樹林—沼澤濕地，意味著多年的凍土層從有到無、溫度從低到高、凍土退化速度從慢到快變化，而且變化效果依舊在加快。經(jīng)專家研究判斷，目前的沼澤濕地可以最有效地抑制和減緩凍土退化強度和速度，是保存僅剩的凍土區(qū)域較為有利的地理特征。除此之外，降水量的大小、降水時間和形式以及其變化對凍土區(qū)域都非常重要，東北地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，在夏季凍土退化速度較大，不利于凍土發(fā)育。以上因素均對凍土退化產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致凍土退化速度因種種因素的不同出現(xiàn)差異，地域、氣候、環(huán)境以及人為因素在不同的凍土區(qū)域綜合影響著東北凍土區(qū)域的地域。

2 凍土區(qū)鐵路路基病害及原因分析

東北凍土區(qū)鐵路線路有牙林線、嫩林線、伊加線、潮莫線和林碧線等，分布在大小興安嶺凍土區(qū)，合計長度超過1500km，均修建于20世紀(jì)五六十年代，主要病害是路基下沉和凍脹病害，病害路段超過營運里程的一半。病害發(fā)生的主要原因有兩個：（1）鐵路沿線多年凍土大多為高溫極不穩(wěn)定多年凍土，受擾動后易發(fā)生凍脹和融沉；（2）該凍土區(qū)域經(jīng)歷了50多年的高速運營和沿線城鎮(zhèn)的大規(guī)模建設(shè)，現(xiàn)已出現(xiàn)了極為明顯的變化，導(dǎo)致路基病害持續(xù)發(fā)生，這在大量工程實踐得以證明[5]。

為了更深層次的分析鐵路路基病害的原因，需要從凍土層的凍脹和融沉的影響因素來討論。其中可歸納總結(jié)引起凍脹的主要原因有三大類：第一類土質(zhì)對凍脹的影響。凍土區(qū)域水分的大量遷移導(dǎo)致凍土區(qū)域水分大量積聚，從而導(dǎo)致土的凍脹。土地中含粉粒較多的細(xì)粒土的滲透性較強且毛細(xì)水可以及時供給區(qū)域調(diào)節(jié)，更容易引起土地中水分的遷移，以致更容易造成水分的大量聚集，從而造就細(xì)粒土凍脹效果非常明顯。第二類土中水分對凍脹的影響。水分是土地凍脹的首要條件，因為土地中水分凍成冰造成土地體積膨脹，而且土地中水分含量的多少是影響凍脹程度的關(guān)鍵因素。在封閉的系統(tǒng)中，土地的凍脹程度隨著土地中水分含量的增加而加深，但是最終會趨向于一個定值，也就是土地中水分的凍結(jié)成冰的量。在開放的系統(tǒng)中，因降雨的因素，導(dǎo)致土地中有源源不斷的水，這樣就大大地增大了土地的凍脹性。其中水的來源主要有兩個，其一是大氣降水即雨水以及各種人為灌溉等引起的回歸地面的水，影響最大是凍前降水。其二是地下水，而地下水位和地表距離制約著此因素，地下水位越高，土的凍脹就越大。第三類溫度對凍脹的影響。低溫是凍脹產(chǎn)生的必要條件之一，土中水分在低溫下凍結(jié)，而且在不同的低溫下顯示出完全不同的凍脹特征，在一定程度上，當(dāng)?shù)蜏卦降蜁r，土的凍脹程度越深，但達(dá)到一定限度后就趨于穩(wěn)定。

影響融沉的主要因素是多年凍土溫度變化量及多年凍土含冰量等[6]。多年凍土溫度變化，使凍土及凍土工程穩(wěn)定性存在以下幾個方面的變化：（1）多年凍土上限變化導(dǎo)致發(fā)生凍融變化的土體厚度改變。（2）地下冰融化，導(dǎo)致附加融化下沉并引發(fā)一些次生凍融災(zāi)害。（3）多年凍土地溫升高，改變了多年凍土熱穩(wěn)定性。

3 凍土地區(qū)鐵路路基病害防治技術(shù)

為了防治凍土地區(qū)的鐵路路基病害，國外早在20個世紀(jì)60年代已經(jīng)開始采取行動，美國申請了應(yīng)用于多年凍土中的熱管技術(shù)專利，并成立了專門的研究機構(gòu)。與美國相鄰的加拿大早已將熱管技術(shù)廣泛應(yīng)用于北美寒冷地區(qū)的工程建筑物。與此同時，在歐洲地區(qū)，德國為鐵路路基制造了專門的防凍脹設(shè)計規(guī)范，其中以凍脹指數(shù)為基本依據(jù)，將全國土地劃分為3個冰凍作用區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體規(guī)劃，從經(jīng)濟和使用角度考慮，根據(jù)不同線路的重要性、載荷情況等級以及允許的運行速度等，確定防凍層需要的厚度，對鐵路路基凍結(jié)層進(jìn)行全部抗凍和部分抗凍進(jìn)行有針對性的設(shè)計，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的防治凍土地區(qū)的鐵路路基病害工作。與中國東北地區(qū)最為鄰近的日本，一般采用凍結(jié)指數(shù)來推算土地凍結(jié)深度，然后在凍結(jié)深度內(nèi)填筑不會凍脹的材料進(jìn)行土地抗凍。上述國外的鐵路防凍脹設(shè)計均是沿用首先對環(huán)境進(jìn)行研究，然后在根據(jù)具體的環(huán)境條件和鐵路干線等級進(jìn)行鐵路路基防凍脹設(shè)計工作這一思路。

在國內(nèi)，隨著青藏鐵路、哈大高速鐵路等嚴(yán)寒地區(qū)鐵路的建設(shè)，許多專家教授在凍土路基方面同樣也開展了系列的試驗研究，盡管起步相較發(fā)達(dá)國家較晚，但依舊取得了大量的成果，如初步制定了寒區(qū)凍土的凍脹性分類體系，設(shè)計出相應(yīng)的凍土路基控制措施及防凍脹結(jié)構(gòu)，擁有了凍土路基施工技術(shù)，成立基于工點或斷面的路基凍脹監(jiān)測部門等。與此同時，相關(guān)部門也制定了適合國內(nèi)凍土特征的技術(shù)規(guī)范，目前依舊達(dá)到總體全球同步發(fā)展，局部技術(shù)全球領(lǐng)先。

在現(xiàn)有的經(jīng)濟條件和技術(shù)條件允許下，我國凍土地區(qū)鐵路路基病害防治措施大體有以下幾類。

3.1 通風(fēng)式路基

在鐵路路基上埋填土通風(fēng)管，用于保持地基凍結(jié)狀態(tài)在熱源較弱的地區(qū)。在冬季，有大量的冷空氣，且冷空氣有較大的密度，在地球自重和季風(fēng)的作用下，將通風(fēng)管中的熱空氣擠出，從而不斷地將通風(fēng)管周圍土體中的熱量帶走，達(dá)到保護地基土凍結(jié)狀態(tài)的目的。根據(jù)目前的實際應(yīng)用情況來看，在大片連續(xù)多年凍土地區(qū)使用架空通風(fēng)基礎(chǔ)，年初可全部回凍，目前使用效果良好。

3.2 塊石護坡與塊石路基

塊石護坡和塊石路基是目前鐵路上常見的兩種路基，較之普通路基有兩個改進(jìn)的地方，首先塊石護坡和塊石路基不依賴于改變材料的特性來增加路基穩(wěn)定性，極大地避免了幾何形狀的復(fù)雜、熱融沉、非滲透薄膜以及吸收水分的能力。其次由于塊石護坡和塊石路基依靠自然通風(fēng)，而不是可變的熱傳導(dǎo)來提高冬季路基外的熱傳輸能力，并且封閉狀態(tài)下塊石層內(nèi)部主要以熱傳導(dǎo)過程為主，塊石層內(nèi)的空隙起到了一定的隔熱保溫作用。

3.3 熱棒路基

熱棒是一種高效傳熱裝置，其工作原理是通過棒體內(nèi)工質(zhì)的相變（氣態(tài)—液態(tài)轉(zhuǎn)化）實現(xiàn)熱傳輸即在增發(fā)段工質(zhì)吸熱，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)；在冷凝段工質(zhì)放熱，由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，不斷將熱量從增發(fā)段帶到冷凝段。當(dāng)熱棒安插在多年凍土段，源源不斷將多年凍土的熱量散發(fā)到空氣中，降低凍土溫度，保護凍土。

3.4 遮陽棚 （板）路基

在鐵路路基上增設(shè)遮陽棚（板），主要目的是減少太陽對路堤的直接有效輻射，在一定程度上降低路面及路堤的溫度，從而提高路基穩(wěn)定性，但效果有限，成本較高，目前國內(nèi)較少使用。

3.5 熱半導(dǎo)體保溫材料

目前采用新式熱半導(dǎo)體保溫材料作為鐵路路基病害防治措施，熱半導(dǎo)體保溫材料與其他保溫方法相比，熱半導(dǎo)體保溫的優(yōu)勢在于其能有效地阻止路基上部熱量向下傳輸，同時也有效地阻止了冷季多年凍土向外部的散熱。目前這類材料在諸多領(lǐng)域被廣泛使用，且該材料造價低、便于施工安置、易維護、使用壽命長，應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟，可以非常有效地解決凍土區(qū)路基融沉問題。

4 結(jié)語

東北多年凍土在氣候變暖和人為活動影響下退化顯著，鐵路路基病害嚴(yán)重，凍脹病害考慮采用保暖或者主動加熱方式進(jìn)行防御；融沉病害采用熱棒基礎(chǔ)主動降溫，保護多年凍土，防止融沉對路基的危害。