鐵道路基凍害防治方法研究

鄧友生,劉俊聰，彭程譜，付云博，李令濤

(西安科技大學(xué) 樁承結(jié)構(gòu)研究中心，陜西 西安 710054)

凍土在全球分布廣泛，大約有1/4的陸地為多年凍土區(qū).我國是凍土大國，其中，多年凍土面積約2.06×106km2，占中國陸地面積的21.5%；季節(jié)性凍土面積約5.137×106km2，占中國陸地面積的53.5%[1].

目前，已有很多國家在凍土地區(qū)開展鐵路工程建設(shè)，但由于凍土的特殊性質(zhì)，路基會產(chǎn)生裂縫、凍脹、沉降等現(xiàn)象，影響路基長期穩(wěn)定[2].隨著西部大開發(fā)及東北老工業(yè)基地的振興，我國也在逐步完善凍土區(qū)鐵路網(wǎng)，因此，凍土研究在我國工程建設(shè)中愈發(fā)重要.

凍土地區(qū)路基病害在鐵路運(yùn)營中的危害非常嚴(yán)重，即便行車運(yùn)營幾年甚至幾十年后仍會陸續(xù)出現(xiàn)新的病害.為解決這些問題，世界各國學(xué)者相繼進(jìn)行了許多系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究.本文通過整合梳理國內(nèi)外幾十年來寒區(qū)凍土鐵道路基的病害類型及防護(hù)措施，為該方向的研究發(fā)展提供借鑒指導(dǎo).

1 凍土區(qū)鐵道路基主要病害

1.1 路基沉降變形

多年凍土區(qū)鐵路工程最主要的病害就是沉降變形，多發(fā)生在含冰量大的粘性土地帶.青藏鐵路沿線現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)查結(jié)果表明，在整個青藏鐵路沿線凍土區(qū)，有超過85%的路基變形表現(xiàn)為沉降變形[3]，這嚴(yán)重影響著路基的平穩(wěn)性，給列車安全行駛帶來隱患.

多年凍土區(qū)路堤變形的最主要因素是融沉.凍土對溫度等外界氣候變化極其敏感，V.G.Kondratjev[4]通過對阿穆爾—雅庫次克鐵路的研究發(fā)現(xiàn)，由全球變暖導(dǎo)致多年凍土退化引起的融沉在一定程度上會破壞鐵路路基.蘇聯(lián)鐵路局通過長期觀測發(fā)現(xiàn)，積水滲透和路堤本身的熱效應(yīng)會引起路基的融沉.此外，凍土融沉還與地基土體、含水量、凍土層中粉黏粒含量等因素密切相關(guān).

1.2 凍脹

季節(jié)性凍土區(qū)的路基病害以凍脹為主，這種病害的治理隨著寒區(qū)高速鐵路的發(fā)展也顯得尤為重要.以俄羅斯貝阿鐵路為例[5]，1984-1990年鐵路路基凍害數(shù)量年增幅約為25%～53%，到了1990年變形數(shù)量高達(dá)1 154 km.我國北方的鐵路，如沈陽局鐵路沿線在2012-2015年期間內(nèi)凍害里程達(dá)482 207 m，約52 375處發(fā)生了凍害，這直接影響到鐵路的平順性，給鐵路工程安全帶來嚴(yán)重隱患.

影響路基凍脹的主要因素有土質(zhì)、溫度和水分，其中影響程度最大的是水分，水分遷移是路基產(chǎn)生凍害的本質(zhì)原因.黃新文等[6]根據(jù)吉琿客運(yùn)專線路基凍脹變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基床排水不暢是引起路基凍脹變形較大的主要因素.土的粒徑[7]也是影響土體凍脹性的主要因素之一，在其他因素基本一致的情況下，土體凍脹性自礫砂、粗砂、礫石土、粘性土依次增大.此外，土體密度和礦物成分等對凍脹性也有影響.

1.3 不良地質(zhì)環(huán)境

凍土區(qū)氣候寒冷，地質(zhì)環(huán)境惡劣，且隨著全球氣候變暖，凍土區(qū)的工程活動很容易破壞原本脆弱的凍土環(huán)境，從而進(jìn)一步誘發(fā)或加劇沿線的地質(zhì)災(zāi)害.因此，必須采取合理的施工工藝、工程結(jié)構(gòu)保證原凍土與路基之間的熱平衡，必要情況下還需調(diào)控?zé)醾鲗?dǎo)、對流和輻射，建立二者之間新的熱平衡體系.

精河-伊寧鐵路沿線部分地段為緩坡丘陵區(qū)，風(fēng)雪災(zāi)害嚴(yán)重，強(qiáng)烈的風(fēng)沙、風(fēng)雪會降低能見度，導(dǎo)致鐵路沉雪、積沙，嚴(yán)重威脅鐵路安全運(yùn)營[8].林戰(zhàn)舉等[9]進(jìn)行數(shù)值模擬，研究熱融湖的側(cè)向熱侵蝕對凍土路基的影響，指出熱融湖危害凍土路基具有時間效應(yīng)，且隨著湖底年平均氣溫的升高和湖邊到路基距離的靠近，對路基的熱影響越嚴(yán)重.我國青藏鐵路沿線自然條件極其惡劣，存在大量海拔高達(dá)6 000～7 000 m的山脈，不良地質(zhì)異常發(fā)展，風(fēng)沙、崩塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害屢見不鮮，給工程安全穩(wěn)定帶來隱患，需要進(jìn)行常年不斷地防災(zāi)減災(zāi)工作.

2 凍土區(qū)鐵路路基病害防治方法

凍土區(qū)鐵路路基病害防治是鐵路建設(shè)和運(yùn)營過程中的重大工程問題，一直以來都是科學(xué)研究和工程實(shí)踐的重點(diǎn).國外早在20世紀(jì)60年代就開始采取行動進(jìn)行防凍脹設(shè)計，隨著各種理論和模型的建立，目前已有大量研究成果和豐富的工程經(jīng)驗(yàn).我國國土幅員遼闊，寒區(qū)凍土環(huán)境復(fù)雜，不同地質(zhì)的路基凍害原因及治理措施千差萬別，不能全盤照搬國外的防凍脹設(shè)計經(jīng)驗(yàn).我國凍土研究雖起步較晚，但隨著青藏鐵路、哈大高鐵等一系列寒區(qū)鐵路的建設(shè)，我國在鐵路路基抗凍防護(hù)方面也取得了一定的進(jìn)展，在國際領(lǐng)域占有重要地位.

2.1 消極保溫方法

2.1.1 保溫材料

在路基內(nèi)鋪設(shè)一層保溫材料，其熱阻效應(yīng)會減少上部熱量向下擴(kuò)散，有效延緩多年凍土的融化速度，減輕路基周期性的凍脹和融沉變形.國外早在20世紀(jì)60年代就在道路路基中嘗試使用保溫材料，70年代美國和蘇聯(lián)研究了聚苯乙烯保溫材料對道路路基的影響[10-11]，70年代中期我國在青藏高原風(fēng)火山地區(qū)也開展了相關(guān)試驗(yàn)研究.盛煜等[12]系統(tǒng)闡述了保溫處理措施對多年凍土的保護(hù)原理，在青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)保溫層上下面溫差較大，且下部地溫年變化幅度較小，說明保溫材料在一定程度上可以保護(hù)或延緩多年凍土的融化.蘇謙等[13]在青藏鐵路清水河段比較了EPS和PU兩種保溫材料的工程應(yīng)用效果，指出PU板的保溫隔熱性能更好，且保溫性能與板厚為非線性關(guān)系.

保溫材料作為一種被動的保護(hù)凍土措施，只能延緩多年凍土的升溫，不能扭轉(zhuǎn)路基修筑后的熱積累效應(yīng)，即便在有效果的地段，也不能保證良好的長期服役性.為減小保溫材料隔冷隔熱的反作用，工程中多輔以熱棒等主動措施來增加其對凍土的保溫效果.東北鐵路嫩林線和牙林線，就采用熱棒、保溫護(hù)道和保溫板等措施整治鐵路沿線多年凍土區(qū)的路基病害，有效控制了土體地溫，改善了路基下多年凍土的熱平衡,如圖1所示[14].

圖1 牙林線北段試驗(yàn)工程防治措施示意圖[14]Fig.1 Schematic diagram of prevention and control measures for the Northern Section of the Yalin Line test Project

2.1.2 路堤高度

凍土地區(qū)道路工程穩(wěn)定的核心是凍土路基的熱穩(wěn)定性.為減小路堤對下部多年凍土的影響，必須選擇合適的路堤高度，在保證路堤內(nèi)不形成融化夾層的同時，也要確保路堤下方凍土上限不下移.

在全球氣候變暖的條件下，多年凍土區(qū)必須考慮路堤臨界高度.ZHANG等[15]采用有限元方法分析粗粒土的路堤臨界高度，假設(shè)未來50年溫度上升1.1℃，得到年平均氣溫分別為-6.5℃、-6.0℃、-5.5℃、-5.0℃、-4.5℃和-4.0℃條件下最小、最大路堤高度.為研究普通高路堤對多年凍土熱穩(wěn)定性和熱狀態(tài)的影響，趙相卿等[16]對青藏鐵路多年凍土區(qū)的路堤高度展開研究，指出青藏鐵路沿線路堤的臨界高度不一致，并簡要闡述了超過上臨界高度路堤的分布及特征.以往對凍土區(qū)路堤臨界高度進(jìn)行研究，觀測時凍土條件往往會發(fā)生變化，馬勤國等[17]對青藏高原鐵路臨界路堤高度進(jìn)行有限元分析，重新研究了路堤臨界高度存在時的大氣年平均溫度值和路堤上、下臨界高度隨大氣年平均氣溫的變化規(guī)律.

凍土區(qū)進(jìn)行鐵路工程建設(shè)，無論路堤建造的高低，都會改變原天然地表的水文條件，破壞大氣與原始地表之間的熱平衡，使下部天然季節(jié)融化層的深度發(fā)生變化，影響路堤穩(wěn)定，因此，工程中在選擇合適路堤高度的同時，也必須輔以其他措施保護(hù)多年凍土.

在全球氣候變暖和凍土區(qū)人類活動增加的趨勢下，單純的消極“?！睖卮胧╇y以抵擋多年凍土的變化，相比之下主動冷卻路基的積極“降”溫措施可以有效降低路堤下多年凍土的地溫，保證鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)營.

2.2 積極降溫方法

2.2.1 遮陽板(棚)

遮陽板(見圖2)可以直接遮擋太陽輻射，降低影響范圍內(nèi)的路基溫度，減少路堤面的水蝕和風(fēng)蝕，有效保證路基的凍結(jié)狀態(tài).這種技術(shù)始于俄羅斯，在西伯利亞鐵路和貝阿鐵路的建設(shè)過程中采用該技術(shù)，美國在阿拉斯加公路旁也有遮陽板保護(hù)路基的措施.富冰多年凍土地區(qū)，遮陽板技術(shù)可以較好的應(yīng)用于該地區(qū)的鐵路病害防護(hù)，提高路基穩(wěn)定性.遮陽板還能調(diào)控路基陰陽面吸熱不均勻，降低地溫年振幅，有效治理路基凍脹、融沉等病害[18-19].我國青藏高原多年凍土區(qū)，海拔高且輻射強(qiáng)烈，太陽直接輻射是土體升溫的主要熱源，遮陽板技術(shù)可以有效調(diào)控地溫，維護(hù)路基熱穩(wěn)定性.為提高遮陽板反射率，可在遮陽板外表面涂抹高反射性的涂料油漆，防輻射效果更佳[20].

遮陽板技術(shù)易受風(fēng)、樹木倒塌、故意破壞等的影響，為更好發(fā)揮其作用，學(xué)者在復(fù)合應(yīng)用方面也展開了相關(guān)試驗(yàn)研究.李寧等[21]結(jié)合塊石護(hù)坡和遮陽板的優(yōu)點(diǎn)，提出一種可以人造自然對流換熱的新型路基，既可護(hù)坡免受太陽輻射影響，在夏季又能有效抵擋熱風(fēng)吹進(jìn)護(hù)坡內(nèi)，在高溫凍土區(qū)治理塊碎石護(hù)坡路基病害，是一種有效的補(bǔ)強(qiáng)措施.李國玉等[22]深入研究了該新型復(fù)合護(hù)坡路基的降溫機(jī)制，為該技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù).

圖2 遮陽板路基模型Fig.2 Sunshade subgrade model

2.2.2 通風(fēng)管道

在熱源較弱的地區(qū)為了保持地基凍結(jié)狀態(tài)，通常在鐵路路基內(nèi)埋填通風(fēng)管，保護(hù)凍土穩(wěn)定性.

路基通風(fēng)多預(yù)埋管壁不能通風(fēng)的PVC管或?qū)嶓w混凝土管(見圖3(a))，通過熱傳導(dǎo)和管內(nèi)空氣流通來冷卻路基.為提高通風(fēng)管的冷卻效果，葛秀潤發(fā)明了透壁通風(fēng)管(見圖3(b))，這種通風(fēng)管孔壁開孔，可以透氣，加強(qiáng)了周圍土體與通風(fēng)管內(nèi)空氣的熱交換，更好降低了路基土體的溫度.胡明鑒等[23]研究透壁通風(fēng)管發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計對青藏鐵路路基具有良好的冷卻能力，且兩側(cè)填土顆粒級配經(jīng)優(yōu)化后冷卻效果更佳.通風(fēng)管在冷季可以加強(qiáng)下部土體放熱，而暖季恰恰相反，可在通風(fēng)管口加裝自動控溫門， 控制通風(fēng)管只在負(fù)溫的冬季通風(fēng).程國棟等[24]在北麓河試驗(yàn)比較了透壁通風(fēng)管和自動控溫通風(fēng)管的冷卻效率，結(jié)果表明相比透壁通風(fēng)管，自動控溫通風(fēng)管的冷卻效果更佳(見圖3(c)).

通風(fēng)管道易被碎片或積雪堵塞，地表水和地下水容易滲透，管道直徑、間距等都需充分考慮風(fēng)向，管道埋設(shè)也與路堤高度有關(guān).從目前情況來看，在連續(xù)多年凍土地區(qū)設(shè)置管道通風(fēng)路基使用效果良好，但通風(fēng)管的復(fù)合應(yīng)用還有待深入研究.

圖3 幾種型式通風(fēng)管Fig.3 Various types of ventilation ducts

2.2.3 塊石層

塊石材料廉價，施工方便，在寒區(qū)能通過調(diào)控對流來改變路基的傳熱方式，因此，塊石層在寒區(qū)道路工程中應(yīng)用較為廣泛.塊石層在路堤上有多種應(yīng)用結(jié)構(gòu)，如塊石護(hù)坡、塊石路堤、U型塊石路堤和塊石基底路堤等(見圖4)，程國棟對這些技術(shù)在青藏鐵路上的應(yīng)用及降溫效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究[24].

大量模擬試驗(yàn)和實(shí)體工程表明相比普通路基，塊石路基下部溫度較低，可以有效保護(hù)下部凍土的熱穩(wěn)定性[25-27].基于北麓河試驗(yàn)段現(xiàn)場地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，穆彥虎等[28]對比分析了U型塊石路基和塊石護(hù)坡路基冷卻效果的差異，雖然二者都能提高路基下部多年凍土上限，但U型塊石路基的冷卻降溫效果較好.全曉娟等[29]提出一種新型拋石護(hù)坡路基，經(jīng)過數(shù)值模擬仿真研究發(fā)現(xiàn)，這種新型路基在冷卻路基的同時，也能解決陰陽坡和風(fēng)沙填埋護(hù)坡等問題.以往很多研究主要針對單一條件，基于某一特定環(huán)境進(jìn)行，沒能從機(jī)理上給出影響塊石路堤冷卻效果共性的影響因素，王愛國等[30]從多孔介質(zhì)滲透理論與機(jī)理著手，研究發(fā)現(xiàn)決定塊石路堤冷卻效果的關(guān)鍵因素在于塊石層空氣在冷季時的對流強(qiáng)度及對流模式，為塊石路堤的設(shè)計提供思路.

圖4 幾種型式塊石路堤結(jié)構(gòu)[24]Fig.4 Various types of block and stone embankment structures

2.2.4 氣冷片石

片石能利用人為造成的空隙，使對流與導(dǎo)熱混合促進(jìn)散熱，提高地基穩(wěn)定性，且造價低，施工方便，適用條件較為廣泛.片石在寒區(qū)路基病害處理有多種結(jié)構(gòu)型式，如片石通風(fēng)路基、片石護(hù)坡等.

片石通風(fēng)路基(見圖5)主要由路基主體、防水層和片石通風(fēng)層構(gòu)成，其施工技術(shù)相較塊、碎石路基也有一定的區(qū)別，必須嚴(yán)格控制片石的質(zhì)量和粒徑，且須平整處理，保證路基的力學(xué)和變形穩(wěn)定.鮑維猛等[31]對片石通風(fēng)路基溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指出為較好地保護(hù)凍土，片石層厚度在1.0～1.5 m為宜.徐學(xué)祖等[32]分析了青藏鐵路片石路基對流效果的主要影響因素，并提出建議性措施確保片石路基的長期降溫效果.魏靜等[33]在青藏鐵路清水河段對比有無片石護(hù)坡對路基的影響，指出相比普通路堤，片石護(hù)坡對路堤的降溫效果尤其是路基陽坡更好，能有效減少路基變形和不均勻沉降.在路基坡面鋪設(shè)片石層，既可以調(diào)控太陽輻射，又能調(diào)控傳導(dǎo)和對流，總體上能夠增加地基冷量的儲備，是一種良好的主動保護(hù)多年凍土的工程措施.

圖5 片石通風(fēng)路基Fig.5 Stone ventilated roadbed

2.2.5 護(hù)坡碎石

碎石作為工程建筑材料，造價低，取材方便且易于施工和維護(hù).在全球變暖的背景下，碎石護(hù)坡地對流降溫效應(yīng)可以主動冷卻地基，保證寒區(qū)鐵路路基穩(wěn)定，對減少路基陰陽坡的地溫差異也有顯著作用，在青藏鐵路已經(jīng)取得了良好的工程效果.

碎石護(hù)坡施工對鐵路運(yùn)行影響小，可作為鐵路運(yùn)營期間的路基補(bǔ)強(qiáng)措施.1969-1970年，蘇聯(lián)斯科沃爾丁研究站根據(jù)監(jiān)測資料提出，用大塊碎石修筑路堤的基底溫度比用其他類型材料修筑的路堤溫度低.YU等[34]對模型尺寸為2.1m×1.64 m×1.3 m，在有風(fēng)條件且溫度周期變化、頂部開放的條件下，試驗(yàn)研究了平均粒徑為7 cm和22 cm兩種塊碎層的降溫效果，發(fā)現(xiàn)二者都能降低下部土體的溫度.各種現(xiàn)場試驗(yàn)和理論分析表明[35-37]，碎石護(hù)坡在鐵路路基防護(hù)中完全可行，且自然對流降溫效應(yīng)隨著粒徑的增大而增強(qiáng)，實(shí)際工程中應(yīng)采用單一粒徑的碎石鋪設(shè)路基，其中粒徑為4～6 cm的碎石降溫效果最佳.

碎石護(hù)坡調(diào)控路基內(nèi)部溫度場是個長期過程，對多年凍土溫度的影響存在滯后性.為有效加強(qiáng)碎石護(hù)坡的作用，可在碎石護(hù)坡路堤頂部下方鋪設(shè)保溫板，能明顯降低路堤中部的地溫[38].在沉降量較大且亟待補(bǔ)強(qiáng)的路基斷面，可增設(shè)碎石護(hù)坡-熱管復(fù)合路基來強(qiáng)化處理，能大幅度提高路基內(nèi)部的熱穩(wěn)定性[39].

2.2.6 熱棒

熱棒又稱熱樁、熱管(見圖6)，是傳熱效率很高的熱導(dǎo)裝置，在將冷量傳遞貯存地下的同時，又能有效阻止熱量向下傳遞，可以有效保護(hù)凍土和增強(qiáng)路基熱穩(wěn)定性，在凍土區(qū)路基病害防治發(fā)揮了重要作用[40].

國外早在20世紀(jì)60年代，就已在多年凍土區(qū)的鐵路、橋梁等工程中廣泛采用熱棒技術(shù).20世紀(jì)70年代，美國在阿拉斯加輸油管支架基礎(chǔ)中使用了大量熱棒，目前已成功運(yùn)營40多年[41].1987年加拿大采用熱棒技術(shù)有效整治了哈迪遜海灣鐵路路基的融沉變形.2002年以來，我國在青藏鐵路部分地段采用熱棒技術(shù)，進(jìn)行了大量的現(xiàn)場實(shí)體工程試驗(yàn)，取得了良好的效果.潘衛(wèi)東等[42]系統(tǒng)總結(jié)了熱棒的工作原理，在技術(shù)和理論上證明該措施在處理寒區(qū)路基穩(wěn)定的可行性.李永強(qiáng)等[43]研究了熱棒的埋設(shè)方式、直徑等因素對產(chǎn)冷量及降溫效果的影響，相比熱棒垂直埋置，斜插方式布設(shè)熱棒更有利于路基體下儲存冷量，能有效避免路基沿?zé)岚舢a(chǎn)生縱向裂縫.

熱棒一般暖季不工作，冷季工作顯著.暖季路基易發(fā)生融沉縱向裂縫，對路基體構(gòu)成威脅，實(shí)際工程中多搭配其他措施保護(hù)凍土，如熱棒-保溫板復(fù)合結(jié)構(gòu)，減少路基體暖季吸熱，保持凍土路基穩(wěn)定[44].

圖6 熱棒工作示意圖Fig.6 Schematic diagram of hot rod operation

2.2.7 旱橋

旱橋(以橋代路)通風(fēng)遮陽，力學(xué)穩(wěn)定性很好，既能保證鐵路的安全和暢通，又能保證野生動物遷徙通道的順暢(見圖7).旱橋在高溫極不穩(wěn)定凍土地段有很好的制冷和遮陽效果，僅在靠近橋樁底部產(chǎn)生很小的塑性應(yīng)變，具有良好的可行性與安全性[45-46].旱橋的橋面寬度、高度等因素會影響橋下及周邊范圍的凍土，適當(dāng)高度的旱橋有著很好的遮陽效果，在冬季能增加橋樁周圍凍土的凍結(jié)深度，夏季又能減少橋樁周圍凍土的融化深度，從而滿足路基穩(wěn)定的需要.哈大高鐵沿線橋梁多，設(shè)計條件極為苛刻，在設(shè)計過程中因地制宜，開展了大量的科學(xué)試驗(yàn)工作，不斷優(yōu)化設(shè)計成果，同時融入了大量的新技術(shù)和新理念，很好滿足了哈大高鐵的使用要求，為類似地區(qū)的高速鐵路橋梁設(shè)計施工提供了借鑒[47].

旱橋樁體在施工過程中，特別是采用鉆孔灌注樁施工，總會不可避免的給樁周凍土帶來一定的熱擾動，融化樁基周圍土體，降低樁體承載力，影響鐵路順利施工和安全運(yùn)營.為減少施工過程帶來的熱效應(yīng)，可選在冷季施工，并做好相應(yīng)的溫控措施.

圖7 旱橋Fig.7 Land bridge

3 結(jié)語

(1)從青藏鐵路、哈大高鐵等一系列寒區(qū)鐵路工程的成功建設(shè)分析，整治凍土區(qū)路基病害從根本上是對路基地溫場的控制，目前以主動冷卻路基的積極降溫措施為主，調(diào)控輻射、對流和傳導(dǎo)，保證凍土區(qū)鐵路安全運(yùn)營;

(2)在全球氣候變暖的趨勢下，隨著凍土區(qū)鐵路運(yùn)營及沿線人類活動的增多，將弱化已有路基防護(hù)效果甚至誘發(fā)新型病害.針對這些問題，仍需不斷探索使用新材料、新技術(shù)，同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益，尋求路基病害防治的最優(yōu)策略.