鐵伊高速鐵路島狀多年凍土融沉特性及工程對策

王斌

黑龍江鐵路發(fā)展集團有限公司，哈爾濱 150000

在多年凍土地區(qū)修建高速鐵路，破壞了多年凍土的賦存狀態(tài)。全球氣候變暖，氣溫逐漸升高，鐵路路基下伏多年凍土逐步開始融化。凍土層厚度減小、凍土上限下降、季節(jié)活動層厚度增加等現(xiàn)象是多年凍土退化的主要表現(xiàn)，原本銜接的多年凍土成為不銜接狀態(tài)，多年凍土的退化是路基差異沉降的主要原因，而路基差異沉降又是各種病害發(fā)生的直接原因［1］。島狀多年凍土是不連續(xù)多年凍土，是連續(xù)多年凍土帶的邊緣，呈島狀分布，工程穩(wěn)定性較多年凍土差，對溫度變化敏感。鐵伊高速鐵路位于高緯度島狀多年凍土區(qū)，該地區(qū)島狀多年凍土分布零散，規(guī)模小，厚度變化較大，工程穩(wěn)定性差。研究島狀多年凍土的融沉特性及工程處理措施對高速鐵路的建設及后期運營維護具有重要意義。

相關學者通過室內試驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值計算等方法對島狀多年凍土工程特性開展了大量研究。Shan 等［2］采用地質勘探、室內試驗、數(shù)值模擬、理論分析等方法研究多年凍土力學性質、退化過程等，得出隨著凍土融化巖土力學指標顯著下降，含水率越大，孔隙率越高，力學指標下降幅度越大。張書良［3］通過室內試驗測定了凍土層的物理、力學指標，從土的固結壓縮性質和彈塑性變形性質出發(fā)研究了凍土退化對路基變形及穩(wěn)定性的影響。宇德忠等［4-7］結合室內外試驗測定了樁基所在區(qū)域典型土層的天然密度、含水率等物理參數(shù)，在低溫條件下測出了凍土土樣內摩擦角、黏聚力等力學參數(shù)，利用溫度監(jiān)測系統(tǒng)對樁基回凍前后溫度場實現(xiàn)監(jiān)測，通過靜動載試驗揭示了高緯度島狀多年凍土橋梁樁基回凍前后承載力特性。常繼峰［8］綜合考慮了凍土上限處土體性質、融沉性質、地基處理方式等因素，共設置20個路基斷面作為試驗斷面，通過對島狀多年凍土路基進行地溫變化趨勢分析、數(shù)值仿真及現(xiàn)場實測對比研究，提出較為精確的凍土退化型路基地溫特征數(shù)值計算模型。霍明等［9］通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬計算分析了清基對東北島狀凍土路基產生的影響，研究了清基對路基融化核形成和發(fā)展的影響以及清基對于路基溫度場的影響特性。邢向達［10］對博牙高速公路凍土路基鋪筑后的溫度及含水率進行跟蹤觀測，從而評價島狀凍土路基處置效果。張旭東［11］依托大興安嶺南麓地區(qū)某公路的多年凍土段路基處理工程，研究CFG 樁-筏板復合地基在島狀多年凍土中的承載力特性并進行現(xiàn)場試驗，結果表明復合地基周圍凍土回凍緩慢，復合地基的樁端反力占基礎承載力的50%以上，并隨著荷載的增加樁周土承擔的荷載逐漸增大。張冬［12］通過室內試驗研究了凍土的物理力學特性，結合現(xiàn)場監(jiān)測手段分析了凍土的不同類型，通過工前溫度監(jiān)測分析了地表溫度對凍土工程性能的影響范圍，比選出適合的凍土地基治理方案。

綜上所述，在東北島狀多年凍土區(qū)，凍土地基受到不同程度工程擾動后，其工程穩(wěn)定性必將受到影響。鐵伊高速鐵路是世界上第一條穿越島狀多年凍土區(qū)的高速鐵路，島狀多年凍土的工程穩(wěn)定性是保障高速鐵路列車安全運營的重要保障。本文結合鐵伊高速鐵路通過島狀多年凍土融沉特性試驗，探明島狀多年凍土的融沉特性，研究分析相應的工程處理措施，研究成果將為高寒高緯度島狀多年凍土區(qū)高速鐵路建設提供技術參考。

1 工程概況

鐵伊高速鐵路地處我國東北高緯度深季節(jié)凍土區(qū)，穿越大片不連續(xù)且處于持續(xù)退化狀態(tài)的島狀多年凍土，線路沿線土質含冰量高，有機質豐富。目前對飽冰、富冰多年凍土路段，設計采用挖除換填的工程措施進行處理，以節(jié)省旱橋等措施所產生的經(jīng)濟成本。鐵伊高速鐵路設計時速250 km，是構建哈爾濱2 h 經(jīng)濟圈之哈伊客運系統(tǒng)的組成部分。該線位于黑龍江省中部偏北，呈近南北走向，線路南起黑龍江省鐵力市，經(jīng)綏化市慶安縣、伊春市翠巒區(qū)，北迄于伊春市烏馬河區(qū)，線路全長112.299 km，線路走向如圖1所示。線路位于小興安嶺南段的低山丘陵及沖洪積平原區(qū)，沿線主要出露白堊系砂泥巖，侏羅系凝灰質砂巖、凝灰熔巖、凝灰?guī)r，華力西期和燕山期花崗巖等。島狀多年凍土是線路主要地質問題之一。

圖1 鐵伊高速鐵路地理位置

2 沿線島狀多年凍土分布特征

通過工程地質調繪、工程地質遙感、物探等措施，得出鐵伊高速鐵路多年凍土上限深度和下限深度一般分別在1.5～2.6、6.0～11.8 m；大部分厚度3～6 m，最大處達9.5 m。鐵伊高速鐵路多年凍土在平面上連續(xù)性差，呈島狀零星分布，且段落長度較?。欢嗄陜鐾撂烊簧舷掭^小，厚度變化較大，為中心厚邊緣薄，剖面多呈梯形或透鏡狀。根據(jù)鉆探與取樣結果，驗證了物探成果的準確性，揭示了鐵伊高速鐵路多年凍土的主要類型為多冰、富冰、飽冰凍土和含土冰層多年凍土。其中多冰、富冰多年凍土多為粗顆土，飽冰凍土和含土冰層多為粉質黏土和泥炭化凍土。對于細粒土而言，多年凍土類型主要為富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層；對于砂類土而言，多年凍土類型主要為多冰凍土和富冰凍土；而對于碎石類土而言，多年凍土類型主要為少冰凍土、多冰凍土和富冰凍土。

3 島狀多年凍土融沉特性試驗

3.1 多年凍土的物理組成

1）固體土骨架

固體土骨架結構是決定凍土性質的主要因素。土顆粒之間相互作用對土骨架結構影響較大。此外，土顆粒尺寸大小、形狀結構及土顆粒表面離子交換量都會對土骨架結構、凍結水分遷移等產生影響。

2）冰

含冰量是多年凍土類型劃分的重要指標，冰與凍土的結構構造、融沉特性及力學性能密切相關。

3）未凍水

土的凍結作用是隨時間發(fā)生的復雜過程。土體發(fā)生凍結時，并不是所有的水都凍結成冰，由于土顆粒表面的吸附作用等，部分水會保持未凍結狀態(tài)，這部分水就是未凍水。在一定負溫下，未凍水含量與負溫條件不相關，即一部分水與冰處于共存的不凍結狀態(tài)。

4）水汽

多年凍土孔隙結構中會有部分水汽存在，水汽狀態(tài)變化對凍土的相變有重要影響。水汽是凍土凍結過程中水分向凍結前緣遷移的主要因素。

3.2 融沉試驗方法

根據(jù)GB∕T 50123—2019《土工試驗方法標準》的試驗方法進行試樣制備及試驗操作，測試島狀多年凍土在自重、不同荷載作用下的融沉與融化壓縮值，分析不同種類島狀多年凍土體的融沉特性。

3.3 融沉試驗結果分析

多年凍土的融沉是熱融沉陷和壓縮沉降共同作用的結果，工程設計計算地基結構穩(wěn)定性時，需要考慮多年凍土的融沉系數(shù)α0和融化壓縮系數(shù)mv。一般凍土的融沉系數(shù)和融化壓縮系數(shù)通過試驗確定，本文通過現(xiàn)場取樣和室內試驗對融沉壓縮試驗的融沉系數(shù)與融化壓縮系數(shù)的主要影響因素進行分析。

3.3.1 多年凍土的融沉系數(shù)

多年凍土的含冰量是評價凍土融化的重要指標，體積含冰量與土體的組合關系決定了凍土的融化壓縮沉降量。通過相關文獻調研可知多年凍土的融沉系數(shù)主要取決于凍土密度和含水率。

1）含水率與融沉系數(shù)的相關性

多年凍土融化過程導致冰水相變發(fā)生，土顆粒產生相對移動，進而引起路基結構變形。細圓礫土、黏性土、泥炭質土3 類土的含水率與融沉系數(shù)的關系見圖2?？芍?類土的融沉系數(shù)都隨含水率的增加而增大，黏性土的融沉系數(shù)最大，泥炭次之，礫砂最小。多年凍土凍土的總含水率與起始融沉含水率的差值，是引起多年凍土融沉的關鍵影響因素。由于所取黏性土試樣多數(shù)含或微含細圓礫、砂土（礫砂、粗砂、中砂、細砂及粉砂），影響了黏性土的α0-W回歸擬合效果，相關系數(shù)為0.731。今后的研究中應細化黏性土土體分類，提高黏性土融沉系數(shù)公式的準確性。

圖2 各類土含水率與融沉系數(shù)的關系

2）干密度與融沉系數(shù)的相關性

多年凍土融沉會導致土骨架間孔隙不斷變小。水到冰的相變會引起土骨架結構的擴張，即凍脹融沉特性。當土體孔隙比小于某個數(shù)值后，多年凍土融沉量顯著降低，接近較穩(wěn)定狀態(tài)。

各類土的干密度與融沉系數(shù)的關系見圖3?？芍?，土顆粒變細、塑性增強和有機質含量增加會使土體的密度變小，隨著土樣的干密度逐漸降低，其融化下沉系數(shù)逐漸增大。

圖3 各類土干密度與融沉系數(shù)的關系

3.3.2 多年凍土融化壓縮系數(shù)

融化壓縮系數(shù)與干密度密切相關。用二次多項式對細圓礫土、黏性土和泥炭土土樣融化壓縮試驗所得融化壓縮系數(shù)與干密度數(shù)據(jù)進行回歸分析，結果見圖4?？芍?，在一定試驗荷載范圍內，融化壓縮系數(shù)不是穩(wěn)定不變的，而是隨著荷載的增大逐漸減小。

圖4 各類土干密度與融化壓縮系數(shù)的關系

4 工程對策

對小興安嶺地區(qū)既有工程調查研究發(fā)現(xiàn)，多年凍土區(qū)鐵路工程病害多發(fā)生于路基工程段落，對橋梁地段基本上影響較小。目前鐵路路基工程中多年凍土的處理措施主要為保護或破壞方式。在保護凍土方面，通過增設熱棒、片石層等措施減緩多年凍土退化速度，提升多年凍土上限，減小融沉變形，預防多年凍土路基工程病害，適用于凍土上限較大，凍土層厚度較深情況；在破壞凍土方面，采取的措施主要有預融或挖除凍土后換填粗顆粒填料，適用于凍土層較薄、凍土上限較小情況。鐵伊高速鐵路沿線島狀多年凍土多為高溫極不穩(wěn)定多年凍土，凍土上限較小，所以設計采用的是破壞多年凍土的措施，主要包括挖除換填、挖除換填+預融、螺桿樁及素混凝土樁等措施。

1）挖除換填

飽冰凍土或富冰凍土厚度小于6 m 時，全部挖除飽冰、富冰多年凍土，并換填凍脹不敏感A、B 組填料。挖除應選擇冬季施工，以保證開挖換填基坑邊坡穩(wěn)定并減少地表水對基坑內地基的影響，挖除換填范圍至排水溝外3 m（無排水溝時，至坡腳外）。

2）挖除換填+預融

粗粒土及全風化基巖多年凍土，上限埋深小于3 m且多年凍土厚度小于3 m時，挖除上限以下細粒土（粉質黏土、黏土等）多年凍土（飽冰凍土、富冰凍土），換填凍脹不敏感A、B 組填料。下層粗粒土或全風化基巖的多冰凍土及少冰凍土融沉系數(shù)較小，采取預融的方式處理。挖除時應選擇春季施工，挖除換填范圍至排水溝外3 m（無排水溝時，至坡腳外3 m），并將挖除的棄土堆至基坑邊緣形成臨時圍堰，防止晾曬期間地表水的侵入，對基坑內的積水及時抽除。待多年凍土完全融沉后，各相關單位驗槽確認后方可回填。

3）樁基加固

下限埋深大于6 m 的多年凍土地基，采用螺桿樁或素混凝土復合地基處理，樁采用正方形布置，樁徑0.5 m，樁間距為2.2 m。

5 結論

1）鐵伊高速鐵路沿線多年凍土的土體類別主要為礫砂、黏性土和泥炭化土，其中黏性土的融沉系數(shù)最大，泥炭土次之，礫砂最小，礫砂土是良好的凍土地基。

2）島狀多年凍土的融沉系數(shù)隨其含水率的增加而增大；凍土的總含水率與起始融沉含水率的差值是引起凍土融沉的含水率。土顆粒變細、塑性增強、有機質含量增加等因素變化會導致干密度逐漸變??；島狀多年凍土的融化下沉系數(shù)與干密度負相關。

3）島狀多年凍土的融化壓縮系數(shù)在試驗荷載范圍是不斷變化的，隨著試驗荷載的增大而逐漸減小，實際壓力對融化壓縮系數(shù)影響較大。

4）多年凍土地基處理措施主要有保護和破壞兩種方式，鐵伊高速鐵路沿線島狀多年凍土為高溫極不穩(wěn)定型，工程措施采用破壞的方式。當凍土類型為融沉系數(shù)較大的飽冰或者富冰凍土，且埋深較淺時，采用挖除換填措施；當凍土類型為融沉系數(shù)較小的多冰或者少冰凍土時，采用挖除換填+預融處理措施；當多年凍土埋深較大時，采用樁基礎加固，確保路基結構的穩(wěn)定性。