青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征及影響因素分析

董昶宏,趙相卿

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000)

1 概述

多年凍土被冰所膠結(jié)，具有比較鮮明的物理、化學(xué)特性[1-2]，它既具有一般土的共性，又是一種多相復(fù)雜的體系。青藏鐵路路基常常會(huì)因?yàn)橥馏w構(gòu)造的變化而引起一系列凍脹與融沉變化[3-4]，進(jìn)而影響鐵路路基的穩(wěn)定性，不僅影響青藏鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，而且致使養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用大幅度增加。

青藏鐵路由青海省省會(huì)西寧至西藏自治區(qū)首府拉薩，全長(zhǎng)1 956 km，其中550余km為多年凍土區(qū)。因?yàn)閮鐾翆?duì)于外界的環(huán)境變化十分敏感，尤其在高溫多年凍土地區(qū)，溫度和熱量的擾動(dòng)會(huì)引起凍土上限的變化，進(jìn)而致使地上工程出現(xiàn)一系列病害，嚴(yán)重危及線路的安全運(yùn)營(yíng)。本文依托青藏鐵路沿線長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)，在分析大量相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，掌握了青藏鐵路路基下伏高原多年凍土的沉降變形特征及影響因素，這對(duì)于高原地區(qū)科研項(xiàng)目或設(shè)計(jì)工作均具有十分重要的意義。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置與觀測(cè)

在青藏鐵路沿線布設(shè)66個(gè)觀測(cè)斷面和3個(gè)氣象站，自2006年1月起開始觀測(cè)，通過對(duì)青藏鐵路路基斷面進(jìn)行長(zhǎng)期、系統(tǒng)、連續(xù)的路基沉降變形觀測(cè)、地溫監(jiān)測(cè)和氣溫監(jiān)測(cè)，獲得比較完整的路基變形資料，依托該資料對(duì)高原多年凍土區(qū)鐵路路基的凍脹與融沉變形特征進(jìn)行歸納并分析出青藏鐵路路基對(duì)下伏多年凍土的凍脹與融沉變形特征及其主要影響因素。

2.1 觀測(cè)斷面選擇

系統(tǒng)觀測(cè)斷面主要按照以下原則篩選：

(1)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)高溫高含冰量?jī)鐾练植嫉囟蔚墓こ毯投嗄陜鐾吝吘壍貛У墓こ蹋?/p>

(2)在低溫凍土區(qū)的工程布置適當(dāng)?shù)臄嗝妫?/p>

(3)施工期監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的不良凍土現(xiàn)象危害地段的工程；

(4)施工期監(jiān)測(cè)的工程在監(jiān)測(cè)期內(nèi)一直變形較大，認(rèn)為有必要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)的斷面；

(5)典型工程措施路段包括片石氣冷路基、拋石、碎石護(hù)坡、保溫材料和拋石、碎石護(hù)坡的復(fù)合措施路基、熱棒路基、通風(fēng)管路基、保溫材料等結(jié)構(gòu)措施的斷面。

2.2 觀測(cè)內(nèi)容及方法

依托長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)，從地溫、路基變形、氣象三個(gè)方面對(duì)青藏鐵路進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，從中獲取比較完整的路基變形資料。

(1)地溫觀測(cè)

采用熱敏電阻(其精度為0.01 ℃)，每隔5 d采集一次數(shù)據(jù)。

(2)變形觀測(cè)

采用光學(xué)水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，閉合差按照《建筑變形測(cè)量規(guī)程》(JGJ/T8—97)二級(jí)變形測(cè)量進(jìn)行控制，在路基地溫監(jiān)測(cè)斷面的左右路肩部位設(shè)立變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每月進(jìn)行1次路基變形觀測(cè)，水準(zhǔn)基點(diǎn)設(shè)立于距路基監(jiān)測(cè)斷面坡腳20 m以外的天然地表。

(3)氣象觀測(cè)

“系統(tǒng)”設(shè)立了3個(gè)自動(dòng)氣象站，每小時(shí)采集一次。其主要的觀測(cè)內(nèi)容包括：氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向；氣壓、相對(duì)濕度、地表溫度、太陽輻射和日照。

3 路基變形特征

青藏高原多年凍土區(qū)鐵路路基的凍脹、融沉變形主要與多年凍土的構(gòu)造類型、多年凍土的工程地質(zhì)條件、路基施工的質(zhì)量以及路基所在地區(qū)的太陽輻射等條件有關(guān)。從2006年1月至2009年12月底，通過對(duì)66個(gè)觀測(cè)斷面進(jìn)行變形觀測(cè)和和3個(gè)氣象站的氣象監(jiān)測(cè)，在對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，青藏高原多年凍土地區(qū)鐵路路基的沉降表現(xiàn)歸納為下列3個(gè)特點(diǎn)。

(1)青藏鐵路路基在每一個(gè)凍融循環(huán)后，路基整體變形穩(wěn)定性較好。

以2009年青藏鐵路路基變形為例，對(duì)路基斷面變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在觀測(cè)的66個(gè)路基斷面中2009年累計(jì)變形量小于20 mm且沉降速率小于2 cm/年的路基斷面有60個(gè)，占觀測(cè)路基斷面的90.9%，年變形量20 mm≤累計(jì)變形量<50 mm且沉降速率小于5 cm/年的路基斷面有6個(gè)，占觀測(cè)路基斷面的9.1%。按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005、J447—2005)規(guī)定(路基的工后沉降應(yīng)滿足以下要求：Ⅰ級(jí)鐵路不應(yīng)大于20 cm，沉降速率不應(yīng)大于5 cm/年)，青藏鐵路路基整體變形可評(píng)定為穩(wěn)定性較好[5]。

(2)多年凍土地區(qū)鐵路路基的變形分為凍脹、融沉兩部分，凍土路基變形表現(xiàn)為融沉凍脹循環(huán)，路基變形趨勢(shì)以融沉為主。

從圖1可以看出，高原多年凍土鐵路路基的沉降變形隨時(shí)間變化主要有以下特點(diǎn)。

隨著寒季的到來，活動(dòng)層地溫逐漸下降至0℃以下，路基出現(xiàn)凍脹變形，但幅度較小；隨著暖季的到來，活動(dòng)層地溫逐漸上升至0℃以上，鐵路路基表現(xiàn)出融沉變形且幅度較大。

從路基沉降曲線圖分析，在每一個(gè)凍脹～融沉變形循環(huán)內(nèi)，路基的凍脹變形和融沉變形相互作用，高原多年凍土鐵路路基在橫斷面上的融沉變形幅度大于凍脹變形幅度，總體以緩慢下沉變形為主，而且隨著時(shí)間的推移，這種變形速率會(huì)逐漸降低，但短時(shí)間內(nèi)不會(huì)停止。

圖1 路基沉降曲線

(3)多年凍土地區(qū)鐵路陰陽面較為明顯的路基，其橫斷面上的變形會(huì)表現(xiàn)出左右不均勻。

以K1286+197路基斷面為例，該斷面位于通天河盆地南緣布曲河西岸階地，線路走向南偏西68°，路基陰陽面較為明顯。從圖2中可以看出，陽坡側(cè)(左路肩)的累計(jì)沉降量大于陰坡側(cè)(右路肩)，并且陰陽坡的累計(jì)沉降量差值漸漸增大。2008年天然上限2.52 m，年平均地溫-0.33 ℃；左路肩最大融化深度5.94 m，位于原天然地面以下1.75 m；右路肩最大融化深度4.34 m，位于原天然地面。2009年天然上限2.59 m；左路肩最大融化深度6.33 m，位于原天然地面以下2.14 m，比2008年加深0.39 m；右路肩最大融化深度4.31 m，位于原天然地面。2009年左路肩累計(jì)沉降量20 mm，右路肩累計(jì)沉降量6 mm。

圖2 K1286+197斷面路基累計(jì)變形曲線

綜合分析，鐵路路基由于吸收太陽輻射等因素的影響，使得陽坡側(cè)的地溫高于陰坡側(cè)(圖3)左路肩沉降量大于右路肩沉降量，出現(xiàn)陰陽坡沉降差異。

圖3 K1286+197斷面左右路肩2009年10月平均地溫曲線

4 路基變形的主要影響因素分析

青藏鐵路自20世紀(jì)50年代修建以來，穿越多年凍土的路段變形病害十分嚴(yán)重，其主要原因在于路基下伏多年凍土持續(xù)發(fā)生著融化、地溫升高、上限下移等顯著的退化現(xiàn)象[5-7]。因此，本文從線路走向、地溫、太陽輻射、工程措施等方面分析青藏鐵路路基變形的主要影響因素。

4.1 線路走向

路基陰陽面熱狀況的差異將會(huì)引起路基下伏凍土層溫度場(chǎng)的不對(duì)稱分布，從而產(chǎn)生路基橫向不均勻變形的隱患。整體而言，路基陽面的沉降變形普遍大于路基陰面，預(yù)示著陽面多年凍土的融化更為劇烈。換言之，路基的陰陽坡差異與路基變形呈正比。

青藏鐵路線路走向方向基本為南偏西，在觀測(cè)的66個(gè)路基斷面中，陰陽面差異較為明顯的路基斷面有34個(gè)，將其路基斷面左右路肩地溫線曲線與其路肩變形曲線進(jìn)行對(duì)比分析可知，路基陽坡面地溫高于陰坡面地溫且陽坡面路基變形大于陰坡面路基變形。

以K0954+185斷面為例，該試驗(yàn)路段縱向走向(拉薩向)為南偏西50°，路基修筑后左右邊坡形成較為明顯的陰陽面(左為陽面，右為陰面)。

通過地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該斷面2006年到2007年鐵路路肩地溫繪制曲線，如圖4給出了該斷面路基左路肩(陽坡面)、右路肩(陰坡面)地溫隨深度變化過程。由圖4可知兩個(gè)規(guī)律：(1)路基陽坡面(左路肩)地層溫度始終高于路基陰坡面(右路肩)地溫；(2)冬季地層溫度差異最大，陽坡面溫度比陰坡面高約5 ℃。

圖4 K0954+185路基斷面(深度0.5 m)地溫變化過程曲線

選擇觀測(cè)期間2006年1月～2007年1月的資料作為一個(gè)年度對(duì)淺地層溫度進(jìn)行年度溫度指標(biāo)分析，結(jié)果見表1。最高溫度2個(gè)面差異不大，陽坡面比陰坡面只高出0.42 ℃；最低溫度2個(gè)面差異非常明顯，陽坡面比陰坡面高出10.52 ℃。陰坡面的凍結(jié)指數(shù)是陽坡面凍結(jié)指數(shù)的2倍多，而陰坡面的融化指數(shù)只有陽坡面的約4/5。

表1 2006年1月～2007年1月年度溫度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(采用天平均溫度統(tǒng)計(jì))

參照n系數(shù)的定義[8-9]，將0.5 m深度溫度的凍結(jié)/融化指數(shù)與對(duì)應(yīng)氣溫凍結(jié)/融化指數(shù)之比定義為淺地層溫度n系數(shù)。圖5給出了路基陰陽坡面、路基頂面以及天然地表淺地層溫度凍結(jié)/融化n系數(shù)。

圖5 路基陰陽面邊坡、路基頂面及天然地表淺地層(深度0.5 m)溫度n系數(shù)

凍結(jié)n系數(shù)越大、融化n系數(shù)越小，越有利于吸熱，反之越利于放熱。因此，路基陽坡面凍結(jié)n系數(shù)最低、融化n系數(shù)最高，最利于吸熱；陰坡面凍結(jié)n系數(shù)最大，融化n系數(shù)比天然地表略大，整體呈現(xiàn)放熱效應(yīng)；陽坡側(cè)路基凍脹、融沉變形大于陰坡側(cè)路基，造成路基左右沉降不均勻的現(xiàn)象，對(duì)青藏鐵路的運(yùn)營(yíng)造成隱患。

4.2 地溫

依托長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)，分析可得青藏高原多年凍土區(qū)鐵路路基變形過程與地溫的年波動(dòng)變化關(guān)系(圖6)。青藏鐵路路肩變形，在2006年到2010年中隨地溫的年波動(dòng)變化而變化，其變化以年為區(qū)段可分為凍脹和融沉兩部分。當(dāng)?shù)販亟档汀⑼馏w凍結(jié)時(shí)，變形表現(xiàn)為凍脹變形；當(dāng)?shù)販厣摺⑼馏w融化時(shí)，變形表現(xiàn)為下沉變形；同時(shí)，從圖6可知，鐵路路基凍脹變形速率小于融沉變形速率，路基變形整體趨勢(shì)為下沉變形，符合上文所述路基變形第二特征。

從青藏高原多年凍土區(qū)鐵路路基變形與地溫波動(dòng)關(guān)系(圖6)中變形過程可以得出，凍土路基的凍脹變形時(shí)間在11月份到次年4月之間，沉降變形時(shí)間在5月到12月之間，符合凍土路基變形的時(shí)間變化特點(diǎn)。

圖6 凍土路基變形與地溫波動(dòng)變化關(guān)系

4.3 太陽輻射、氣溫、水分遷移

太陽輻射、路基填筑體表面與大氣的熱交換、水分遷移引起的熱交換是路基熱量的主要來源，熱量向溫度較低的凍土傳送，凍土中冰融化從而產(chǎn)生融沉現(xiàn)象，造成路基的變形。

在當(dāng)前熱質(zhì)綜合輸運(yùn)課題上，溫度、輻射熱和水分等作為混合邊界，溫度仍然是連續(xù)作用的最主要的邊界條件[10]。特別是年度總積溫(融化指數(shù))與多年凍土的年最大融化深度有著十分密切的關(guān)系，如圖7所示，其最大融深與融化指數(shù)呈正比，。所以，溫度、水分、太陽輻射是影響多年凍土區(qū)路基變形的主要因素之一。

圖7 可可西里山天然地表最大融深與融化指數(shù)(1984～1990年)關(guān)系[10]

4.4 工程措施

人為活動(dòng)在一定程度上會(huì)使多年凍土區(qū)形成新的上限——人為上限。青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程，針對(duì)不同的凍土條件和工程地質(zhì)條件，采用了大量的熱棒、碎石護(hù)坡、片石路基等防護(hù)措施[11]。各種措施通過改變熱量傳遞中輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流3種方式的途徑和過程，在一定程度上減小傳入路基基底多年凍土中的熱量，降低多年凍土地溫，地基多年凍土強(qiáng)度增加，從而減小多年凍土路基的變形。

5 結(jié)論

通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)青藏鐵路沿線氣候、路基地溫、路基變形、凍土條件和工程水熱變化等進(jìn)行長(zhǎng)期、系統(tǒng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行綜合分析，可得出以下結(jié)論。

(1)青藏鐵路多年凍土區(qū)鐵路路基左右路肩變形量不同，具有一定的不均勻性，主要原因是路基兩側(cè)所接受的太陽輻射和水文條件較大差異所造成的。

(2)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形主要由凍脹和融沉兩部分組成，每年12月份到次年1月份之間，凍土路基以凍脹變形為主；每年4月到7月底之間，凍土路基以融沉為主；其他時(shí)間，路基的變形處于融沉和凍脹變形的轉(zhuǎn)變期，但路基變形整體趨勢(shì)以融沉為主。

(3)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形主要與土體年平均地溫、凍土工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，路基的變形主要發(fā)生于高溫高含冰量路段，土體含冰量與融化下沉變形量呈等比關(guān)系。

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