和田南部藏北高原地區(qū)多年凍土公路路基及邊坡處理研究

趙奇峰

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830006)

以青藏、青康、新藏等公路為依托，2002年交通部確立了《多年凍土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究》項(xiàng)目，歷時(shí)5年系統(tǒng)總結(jié)了中國(guó)多年凍土區(qū)公路修筑經(jīng)驗(yàn)，取得了一系列理論與技術(shù)成果。目前，多年凍土路基處治中主要采取保護(hù)凍土并控制融化速率的原則，一般少冰多年凍土采用抬高路基的措施，凍土含冰量高、凍土溫度較高、凍土地質(zhì)條件較差路段的處理方式主要有XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風(fēng)路基、通風(fēng)管路基及熱棒路基等。但多年凍土地區(qū)公路建設(shè)項(xiàng)目在眾多科研成果的支撐下還是不同程度地出現(xiàn)了路基沉陷病害。該文以G216民豐段多年凍土處治為依托，通過(guò)對(duì)多年凍土地區(qū)自然地理環(huán)境的分析，研究適用于該地區(qū)多年凍土路基及邊坡處治方案，為多年凍土處治提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

G216線民豐段部分段落位于和田南部藏北高原區(qū)，地形起伏不大，海拔4 800～5 297 m，沿線從藏北高原過(guò)渡地帶到藏北高原新藏界范圍均分布有多年凍土。其含冰土層主要為角礫土、碎石土等粗粒土，屬不融沉～弱融沉性多年凍土。其中山脊處以少冰～多冰凍土為主，溝槽中以多冰～富冰凍土為主，局部為飽冰凍土；多年凍土厚度不一，上限為1.0～1.5 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地溫為-0.52～-1 ℃，據(jù)此評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)多年凍土屬高溫不穩(wěn)定多年凍土。

2 沿線多年凍土發(fā)育條件

(1) 氣候。新疆和田南部藏北高原地區(qū)平均海拔在4 900 m以上，主要以寒冷干旱高原氣候?yàn)橹?。全年降水量少，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，年平均氣溫低，多風(fēng)。據(jù)南端改則縣氣象站資料，改則縣年平均氣溫-0.2 ℃，1月平均氣溫-12.8 ℃，7月平均氣溫11.9 ℃；年平均降雨量189.6 mm，極端降水量最大295.8 mm(1977年)、最小84.5 mm(1982年)；降水主要集中在6—9月，降水量為170.8 mm，占全年降水總量的89.94%。受地形地貌、海拔高度及緯度差異的影響，氣溫呈明顯的地理分布特征。新疆和田南部藏北高原地區(qū)海拔比改則縣更高，區(qū)內(nèi)氣候條件比改則縣更惡劣，降雨、降雪更稀少，氣溫更低，這些因素形成了多年凍土得以保存的外在條件。

(2) 地形、地質(zhì)。該項(xiàng)目所在高原區(qū)地形起伏不大，以高原丘陵地貌和高原沖積平原地貌為主。受強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，道路沿線褶皺、斷裂、儲(chǔ)水構(gòu)造極為發(fā)育，地層主要為第四系全新統(tǒng)角礫，稍密～中密，充填中細(xì)砂，山前沖洪積層分布著深厚松散的礫石層，構(gòu)成儲(chǔ)水空間和移動(dòng)通道。據(jù)地質(zhì)調(diào)查，地形低洼處排水不暢，多年凍土較發(fā)育；苦牙克大裂谷進(jìn)入藏北高原過(guò)渡地帶為高原區(qū)水源補(bǔ)給區(qū)排泄通道，且覆蓋層較厚，該處多年凍土較發(fā)育；多年凍土厚度由高原平臺(tái)頂(0.8 m)至下部逐漸增大，多年凍土由少冰多年凍土逐漸變?yōu)楦槐嗄陜鐾痢?/p>

(3) 水文特點(diǎn)。和田南部藏北高原地區(qū)地表水主要為天然湖泊，主要分布在昆侖山區(qū)羌塘高原內(nèi)陸區(qū)，由昆侖山冰雪融水在低洼處形成高原湖泊。以該區(qū)降水及高山冰雪融水形成的徑流進(jìn)行補(bǔ)給，維持湖泊面積的穩(wěn)定。地表部分被第四系覆蓋，地下水多儲(chǔ)存于多年凍土層中，多年凍土表層一定深度內(nèi)的水隨著季節(jié)交替凍融循環(huán)，為高原湖泊和地表水的重要補(bǔ)給源。

3 多年凍土路基的處理

3.1 處理措施

目前，凍土路基處理主要采用保護(hù)凍土并控制融化速率的原則，一般少冰多年凍土采用抬高路基的措施，但在凍土含冰量高、凍土溫度較高、凍土地質(zhì)條件較差的路段，路基抬高過(guò)大已不經(jīng)濟(jì)或出現(xiàn)高路堤問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到保護(hù)凍土并控制融化速率的目的，需進(jìn)一步采用其他隔熱、自然降溫措施。主要處治措施及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 多年凍土路基處治措施比選

該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)凍土路段多以填方通過(guò)，但局部從苦牙克大裂谷進(jìn)入藏北高原過(guò)渡地帶因地形起伏較大，路線在爬升克服高差過(guò)程中不可避免地采用路塹方式通過(guò)。在多年凍土路基處治中，根據(jù)填挖情況，結(jié)合土質(zhì)類別、含冰量、地溫等實(shí)際情況，考慮以上處治措施的適用特點(diǎn)，分別采用如下處理方案：

(1) 對(duì)于少冰、多冰凍土路段，在地基無(wú)軟弱土的前題下直接采用礫類土填筑路基，不進(jìn)行特殊處理，保證路基有一定填筑高度(一般不小于3.0 m)，路基兩側(cè)做好截排水設(shè)施。在不破壞多年凍土現(xiàn)狀的情況下直接填筑路基可使多年凍土上限升高，但隨著路基內(nèi)含水量的降低，路基上部將不受多年凍土的影響。

(2) 富冰凍土填方路段采用片塊石通風(fēng)路基，片塊石分2層填筑。上層采用規(guī)格10～15 cm的片塊石，厚度0.2 m；下層采用規(guī)格不小于20 cm的片塊石，厚度0.8 cm。片塊石層和路面結(jié)構(gòu)層之間采用不小于30 cm厚的砂礫石填筑，路基兩側(cè)做好截排水設(shè)施(見(jiàn)圖1)。

圖1 片塊石通風(fēng)路基斷面示意圖(單位：cm)

(3) 對(duì)于低填及挖方段，路面底部以下鋪設(shè)砂礫石防凍層，換填路面結(jié)構(gòu)層以下1.5 m砂礫石，兩側(cè)設(shè)置加深邊溝，挖方邊坡坡率1∶1.5。受造價(jià)限制，挖方坡面未采取隔熱保溫措施(見(jiàn)圖2)。

圖2 低填及挖方段多年凍土換填示意圖(單位：cm)

(4) 路基、路面分期實(shí)施。XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風(fēng)路基、通風(fēng)管路基及熱棒路基有一定效果，但還不能完全解決多年凍土帶來(lái)的問(wèn)題，建成初期依然會(huì)出現(xiàn)很多病害，特別是多年凍土段采用瀝青面層鋪筑后病害比砂石路面明顯增加(瀝青面層和半剛性基層脫離現(xiàn)象嚴(yán)重、水泥穩(wěn)定砂礫基層在低溫條件下不易形成板體、路基路面出現(xiàn)融沉變形沉陷)，路基在建成后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在自然條件下達(dá)到新的平衡后才能穩(wěn)定。因此，路基、路面應(yīng)分期實(shí)施，路面在路基建成通車2～4年后鋪筑，這樣既有利于病害處治，也可避免浪費(fèi)大量資金。

3.2 施工中遇見(jiàn)的問(wèn)題及解決方案

多年凍土路段一般建議在寒季施工，但該項(xiàng)目區(qū)海拔高度在4 800 m以上，寒季溫度較低，通常在-20 ℃以下，如此高的海拔和低溫對(duì)施工中的給養(yǎng)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，施工成本巨大，在寒季施工不現(xiàn)實(shí)。為此，施工單位不得不在夏季對(duì)多年凍土段進(jìn)行施工。由于氣溫較高，地表的多年凍土融化使表層土體含水量增高，部分低洼處接近飽和狀態(tài)，過(guò)高的含水量造成地基承載力極低，給施工帶來(lái)極大不便。針對(duì)這種情況，考慮到施工的便利性和可行性，對(duì)原設(shè)計(jì)處理措施進(jìn)行調(diào)整。

(1) 少冰、多冰未進(jìn)行特殊處理凍土的段落，施工過(guò)程中出現(xiàn)表層凍土融化現(xiàn)象，造成施工機(jī)械和人員無(wú)穩(wěn)定的施工平臺(tái)，無(wú)法進(jìn)行正常施工。為此，在地表填筑一層不小于50 cm的片塊石作為施工平臺(tái)，再進(jìn)行正常路基填筑。

(2) 挖方段多年凍土在路基開(kāi)挖后出現(xiàn)凍土快速融化現(xiàn)象，無(wú)法進(jìn)行填前碾壓及路基換填砂礫施工。為便于施工并避免路基出現(xiàn)沉陷病害，調(diào)整下部換填方案，將多年凍土路床底部換填70 cm砂礫石防凍層調(diào)整為換填70 cm片塊石(見(jiàn)圖3)。

圖3 低填及挖方段多年凍土換填片塊石示意圖(單位：cm)

(3) 該項(xiàng)目在多年凍土段受地形限制出現(xiàn)較多挖方路基，多年凍土挖方一般建議在寒季施工，但受環(huán)境限制，該項(xiàng)目在夏季施工，采用挖掘機(jī)對(duì)挖方段多年凍土進(jìn)行開(kāi)挖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)挖方情況，少冰多年凍土邊坡在開(kāi)挖至1∶1～1∶1.35時(shí)基本穩(wěn)定，且邊坡滲水較少，邊坡坡率可適當(dāng)調(diào)整；多冰及富冰多年凍土挖方邊坡按設(shè)計(jì)1∶1.5進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖后凍土直接暴露于地表，邊坡凍土出現(xiàn)快速融化情況，邊坡開(kāi)挖十幾分鐘后即有融水滲出，但邊坡整體較穩(wěn)定，未出現(xiàn)邊坡垮塌現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)自然穩(wěn)定邊坡的坡率為1∶1.3～1∶1.5，實(shí)踐表明開(kāi)挖邊坡坡率采用1∶1.5是穩(wěn)定、可行的。另外，受施工季節(jié)影響，該項(xiàng)目開(kāi)挖邊坡處于融化滲水狀態(tài)，對(duì)邊坡進(jìn)行隔熱保溫防護(hù)施工較困難，效果也十分有限，如果造價(jià)有限，對(duì)挖方邊坡可不進(jìn)行防護(hù)，讓其自行融化穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1) XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風(fēng)路基、通風(fēng)管路基及熱棒路基等多年凍土處治措施在實(shí)際應(yīng)用中有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從已建成道路使用效果來(lái)看，片塊石通風(fēng)路基是處理多年凍土最直接、最有效且施工較方便的一種措施，多年凍土地區(qū)工程建設(shè)中可重點(diǎn)考慮采用。

(2) 多年凍土區(qū)因其特殊的地質(zhì)條件，對(duì)工程項(xiàng)目有著長(zhǎng)期的影響，從節(jié)約造價(jià)及工程項(xiàng)目耐久性考慮，有條件的項(xiàng)目在項(xiàng)目立項(xiàng)初期應(yīng)考慮路基和路面分期實(shí)施。

(3) 地基土中含水量大是造成多年凍土病害的根本原因，在路基范圍做好截、排水設(shè)施降低地基的含水率可降低多年凍土上限并有效減輕多年凍土融沉病害。