青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基病害成因分析及整治措施研究

周有祿,熊治文,李天寶,王起才

(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)

青藏鐵路建設(shè)充分吸取東北多年凍土鐵路和青藏公路對(duì)凍土認(rèn)識(shí)不足的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),把凍土問題作為青藏鐵路修筑的首要工程難題。為了給運(yùn)營中的青藏鐵路技術(shù)狀況評(píng)價(jià)和后期病害處理提供基本依據(jù)和數(shù)據(jù)支持,建立了青藏鐵路多年凍土區(qū)工程穩(wěn)定性長期觀測(cè)系統(tǒng),其覆蓋多年凍土區(qū)路基、橋梁和涵洞工程,包含3個(gè)氣象站和78個(gè)觀測(cè)斷面,對(duì)沿線氣候、凍土條件和工程水熱變化及其規(guī)律等進(jìn)行長期、系統(tǒng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)[1]。

本文采用資料調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析和總結(jié)等研究手段,調(diào)查青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基病害現(xiàn)狀,并對(duì)橋頭病害的特征及下沉原因進(jìn)行了分析研究,提出了相應(yīng)的整治措施。并在分析的基礎(chǔ)上對(duì)多年凍土區(qū)路基工程熱穩(wěn)定性變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 多年凍土區(qū)橋頭路基病害及路基病害分類

1.1 橋頭路基下沉病害

自通車運(yùn)營后,青藏鐵路多年凍土沿線

普遍存在橋頭路基下沉問題,導(dǎo)致的橋頭下沉病害突出,致使許多橋頭路基不得不增設(shè)擋砟墻(圖1)。

1.2 多年凍土區(qū)路基病害分類

鐵路路基病害分類按路基斷面形式可分為路堤病害和路塹病害。路堤病害主要以變形、強(qiáng)度為主；路塹邊坡病害多與穩(wěn)定相關(guān)[2]。青藏鐵路多年凍土路基病害分為如下4種類型。

(1)路基下沉及開裂病害。路基下沉為熱融下沉病害,包括高溫高含冰量地段熱融下沉、多年凍土退化引起的路基下沉、橋頭路基及凍融過渡段路基下沉。路基開裂主要有寒凍裂縫、融沉裂縫和固結(jié)沉降裂縫。在青藏鐵路運(yùn)營早期多年凍土路堤裂縫主要為固結(jié)沉降裂縫,之后以寒凍裂縫和融沉裂縫居多,且發(fā)生頻率有減少趨勢(shì)。

(2)不良地質(zhì)病害。主要包括熱融湖、冰椎。

(3)路塹邊坡病害。

(4)路基水害。主要有坡腳積水、路基過水等。

2 多年凍土區(qū)橋頭路基病害的主要影響因素

2.1 運(yùn)營期間氣候變化及相應(yīng)多年凍土條件變化特點(diǎn)

據(jù)風(fēng)火山觀測(cè)站自1976～2009年間氣溫資料,2006年和2009年年平均氣溫-4.67 ℃和-4.52 ℃，為歷年最高值,而風(fēng)火山1976～2005年間30年氣溫均值為-6.03 ℃,分別高出均值溫1.36 ℃和1.51 ℃。統(tǒng)計(jì)運(yùn)營期間4年氣溫均值為-5.12 ℃(表1),為歷年之最,比以往4年均值(1998～2001年)高出了0.29 ℃[1]。這說明運(yùn)營期間青藏鐵路風(fēng)火山地區(qū)氣溫仍處于上升趨勢(shì),青藏鐵路沿線五道梁、沱沱河和安多國家氣候站所觀測(cè)的氣溫變化趨勢(shì)也是如此。說明運(yùn)營期間青藏鐵路多年凍土區(qū)沿線氣溫處于上升趨勢(shì)。

表1 風(fēng)火山1978～2009年間氣溫4年均值 ℃

2.2 水文地質(zhì)條件變化

青藏鐵路修筑后,作為一條形構(gòu)筑物,改變了原天然地表及地下水的徑流條件。由于運(yùn)營期間青藏鐵路多年凍土區(qū)降水量大幅度增大，地表水和凍土層上水在暖季發(fā)育,個(gè)別地段路基設(shè)計(jì)排水設(shè)施泄排能力不足,導(dǎo)致涵洞上側(cè)口積水,寒季形成冰椎、冰塞；路基上側(cè)積水形成熱融湖塘,坡腳和擋水埝間出現(xiàn)較嚴(yán)重積水現(xiàn)象；某些地段基底過水嚴(yán)重,路基下沉明顯。另外,排水溝由于季節(jié)融化層頻繁的凍融作用,使用壽命比較有限,這也是地表水穿越線路時(shí)的徑流路徑出現(xiàn)了障礙。

3 橋頭路基下沉原因及整治措施研究

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路基病害調(diào)查,多年凍土區(qū)路基下沉比較突出的段落主要有：(1)楚瑪爾河高平原K1001～K1006高溫高含冰量地段；(2)唐南多年凍土南界附近K1431～K1497多年凍土退化區(qū)段；(3)多年凍土區(qū)高含冰量橋頭路基；(4)融區(qū)和多年凍土區(qū)過渡段路基。橋頭路基下沉問題的影響因素復(fù)雜,而各種原因所造成的凍土層融化下沉仍然是主要原因。路基下沉情況如圖1、圖2所示。

圖1 橋頭路基

圖2 非橋頭路基

3.1 多年凍土區(qū)橋頭路基下沉

3.1.1 橋頭路基下沉特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,多年凍土區(qū)部分橋頭路基目前還處于緩慢下沉中。其中部分橋梁自2010年4月以來大約2年內(nèi)多數(shù)橋頭路基年沉降量大于20 mm,軌面與路基面高差普遍大于標(biāo)準(zhǔn)值98 cm,年沉降量和道床厚度均大于全線平均值(據(jù)青藏鐵路長期觀測(cè)系統(tǒng)的研究成果)。說明病害橋梁的橋頭路基已經(jīng)發(fā)生了大量下沉,且沉降仍在發(fā)展之中,這些橋梁橋頭路基仍未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

從病害分布及發(fā)育情況來看,出現(xiàn)沉降較大的橋頭路基多位于高含冰量多年凍土區(qū),地表水、凍結(jié)層上水發(fā)育,且多數(shù)路基坡腳有積水現(xiàn)象,這說明與凍土密切相關(guān)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)與一般地區(qū)橋頭路基下沉存在許多相似之處。

3.1.2 橋頭路基下沉原因分析

橋頭路基下沉影響因素比唐南退化多年凍土區(qū)路基下沉與楚瑪爾河高平原高溫高含冰量多年凍土路基下沉要復(fù)雜,與其他地段路基相比,橋頭路基有如下兩點(diǎn)值得關(guān)注。

(1)橋頭路基是三維受熱,而其他地段路基是二維受熱。 一般地段路基主要是路基面及坡面二維受熱,橋頭路基除此二維外,還有橋臺(tái)及護(hù)錐面受熱。

(2)橋頭路基易受地表水及凍結(jié)層上水的熱侵蝕。

總的來說,橋頭路基沉降影響因素既有一般地區(qū)的共同因素,又有凍土地區(qū)的特殊因素,并且往往是這些因素共同作用的結(jié)果。橋頭路基下沉可歸納出如下5個(gè)主要影響因素。

(1)填料壓實(shí)度不夠

臺(tái)背填筑一般在橋臺(tái)構(gòu)筑物施工完后,臺(tái)后路基土體受到施工作業(yè)空間的限制,橋臺(tái)臺(tái)背填土難以壓實(shí)。多年凍土地區(qū),臺(tái)背多采用粗顆粒土回填,填料孔隙率大,施工中可達(dá)到的壓實(shí)程度有限。在回填土自重、車輛的垂直荷載與振動(dòng)荷載作用下,填料易產(chǎn)生壓縮沉降。

(2)列車動(dòng)載

橋臺(tái)與臺(tái)后路基的剛度差異也是造成橋臺(tái)和臺(tái)后填土不均勻沉降的原因之一。橋臺(tái)具有較大的整體剛度,而與之相連接的路基屬于柔性結(jié)構(gòu)物,兩者有明顯的剛度差異,必然引起路基與橋臺(tái)之間產(chǎn)生較大的塑性變形,產(chǎn)生不均勻下沉。

(3)水的熱侵蝕

由于熱侵蝕導(dǎo)致路基地基下多年凍土融化,引起路基熱融下沉,此是多年凍土區(qū)路基沉降的典型形式。導(dǎo)致這種熱融下沉的主要原因是地表水、上坡側(cè)凍結(jié)層上水。下面結(jié)合具體實(shí)例分述之。

①地表水

以多年凍土區(qū)橋頭路基變形較大的K973+551多跨T形梁為例,分析地表積水對(duì)橋頭路基沉降的影響。K973+551位于高含冰量多年凍土區(qū),沿線路前進(jìn)方向左高右低,自然斜坡坡率5°,地表主要為沖洪積角礫土,植被稀疏,天然上限2.5～3.0 m。

表2和表3為K973+551橋頭路基鉆探所得路肩兩側(cè)工程地質(zhì)情況。橋頭路基陽坡側(cè)自路肩下8.5～9.2 m為含土冰層,而其下卻出現(xiàn)了一厚1.3 m融土夾層。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)含水率試驗(yàn)結(jié)果,8.0～10.5 m間路基土體含水量皆在50%以上,均達(dá)過飽和。多年凍土層中融化夾層是怎么來的？從地形地貌(自然斜坡)、路基結(jié)構(gòu)(片石路基)及兩側(cè)排水條件(坡腳積水)綜合判斷,熱侵蝕是由于路基下過水造成的。而正是這種熱融下沉,導(dǎo)致了路基較大的下沉量。

表2 K973+551橋橋頭路基右(陽側(cè))路肩鉆孔資料

表3 K973+551橋橋頭路基左(陰側(cè))路肩鉆孔資料

②凍結(jié)層上水

K1161+481橋位于大片連續(xù)多年凍土區(qū),為山間盆地地形,地勢(shì)起伏較大,植被覆蓋率30%～50%。線路左側(cè)設(shè)有防風(fēng)擋沙墻。橋下發(fā)育1條深約2 m的沖溝,沖溝內(nèi)冰雪融水,從右至左流過。路基采用碎石護(hù)坡,坡腳兩側(cè)單排熱棒防護(hù)。地層自上而下為碎石土、含礫砂黏土、粗砂、泥巖等,凍土上限2.7 m,此橋位于高含冰多年凍土區(qū),臺(tái)前鉆探發(fā)現(xiàn),路基地基下發(fā)育厚層地下冰。橋頭路基下6.5 m處凍結(jié)層上水富集,呈飽水狀態(tài)。凍結(jié)層上水對(duì)其下伏多年凍土的熱侵蝕導(dǎo)致高含冰量多年凍土融化,產(chǎn)生路基熱融下沉。

(4)片石路基的片石層下陷

青藏鐵路多年凍土區(qū)片石路基修筑時(shí),首先將原地表壓密,在其上鋪設(shè)不小于0.3 m厚粗顆粒土墊層,墊層上表面做成拱狀,再在上填筑片石層。橋頭路基基底易過水。受外來水的侵蝕,地基下多年凍土易產(chǎn)生熱融下沉,促使片石層下陷成為一積水囊道。這一方面增加了水對(duì)地基下臥多年凍土的熱侵蝕,另一方面在上部荷載的作用下,片石易陷入地基土內(nèi),片石空隙被土體充填,使片石作用失效。水的熱侵蝕和片石層失效又反過來加大了地基凍土的熱融下沉。如此惡性循環(huán),導(dǎo)致片石路基片石層不斷下陷,產(chǎn)生較大沉降。

以K973+551為例。由于上側(cè)地表水的侵蝕,導(dǎo)致了凍土上限下降,同時(shí)凍土層內(nèi)出現(xiàn)了融化夾層,這必然會(huì)導(dǎo)致凍土地基部分產(chǎn)生一定的熱融下沉,使片石層下陷、積水。圖3是2009年在K973+551左右兩側(cè)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔所得含水率隨深度變化曲線。圖3中很明顯左路肩基底有非常嚴(yán)重的積水現(xiàn)象。且現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),橋頭路基下沉量較大的區(qū)段陰側(cè)片石護(hù)道片石倒傾,擋水埝與路基坡腳因排水不暢存在積水。K973+551橋頭路基累計(jì)變形曲線見圖4。

圖3 K973+551橋頭路肩左右兩側(cè)總含水率隨深度變化對(duì)比曲線

圖4 K973+551 橋頭路基累計(jì)變形曲線

片石層因地基熱融下沉破壞了基底過水條件,導(dǎo)致基底形成積水囊道。路基本體自重及列車動(dòng)荷載下,片石陷入地基土內(nèi)引起的路基大量沉降,顯然是路基熱侵蝕、列車動(dòng)荷載綜合作用的結(jié)果。青藏鐵路多年凍土橋頭過渡段采用片石路基較為普遍。從橋頭路基病害發(fā)生特點(diǎn)來看,路基下沉都普遍較大。如此大的沉降除了高含冰量熱融下沉外,片石層下陷是另一個(gè)主要原因。

3.2 整治措施

3.2.1 多年凍土路基下沉治理措施

(1)治理原則：防排水先行；注重?zé)釋W(xué)補(bǔ)強(qiáng)。

(2)對(duì)于坡腳積水,宜采取設(shè)置保溫護(hù)道(黏性土填筑)將積水?dāng)D離坡腳,同時(shí)完善縱向排水系統(tǒng),利用涵洞、橋梁等既有排水設(shè)施予以排除。

(3)路基熱防護(hù)措施可采用片石護(hù)坡、遮陽板、熱棒路基等結(jié)構(gòu)形式。實(shí)踐證明,對(duì)普通路基坡面采用加蓋片石層補(bǔ)強(qiáng)措施后的當(dāng)年或次年,人為上限可發(fā)生一定的抬升。

從以上分析可知,路基壓實(shí)度不足在橋頭路基的前期下沉中可能占有較大比重,但在運(yùn)營期不是主要因素。造成橋頭路基較大下沉的主要原因是外來水熱侵蝕,一方面導(dǎo)致地基凍土受水的熱侵蝕產(chǎn)物熱融下沉,一方面路基本體內(nèi)受外來水作用土體強(qiáng)度較低，擴(kuò)大了剛度差異和列車動(dòng)載效果，產(chǎn)生了較大壓縮沉降。再者,對(duì)于片石路基,路基基底積水的產(chǎn)生，使片石層片石陷入地基土內(nèi)引起較大路基下沉。基于以上認(rèn)識(shí)和多年凍土區(qū)工程的特點(diǎn),橋頭路基沉降治理的原則是“先治水,后補(bǔ)強(qiáng)”。

3.2.2 防排水措施

當(dāng)已有排水設(shè)施不能滿足排水要求時(shí),應(yīng)根據(jù)具體情況修復(fù)或重建排水溝、地表積水段落設(shè)置擋水保溫護(hù)道、設(shè)置豎向擋水板的方式減少水對(duì)多年凍土的熱侵蝕。

3.2.3 熱防護(hù)措施

解決水的熱侵蝕問題后,為了盡快恢復(fù)多年凍土地基的熱平衡,宜采取一定的熱防護(hù)措施。對(duì)于地基地溫場(chǎng)已受到強(qiáng)烈熱擾動(dòng)的情況,可設(shè)置單側(cè)或雙側(cè)熱棒來調(diào)節(jié)地溫場(chǎng)。同時(shí),對(duì)橋頭路基和橋臺(tái)護(hù)錐坡面用片石層覆蓋,調(diào)整橋頭路基表面受熱狀態(tài)。

4 多年凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性變化趨勢(shì)

據(jù)五道梁、風(fēng)火山、沱沱河及安多氣象站資料,年平均氣溫在最近30多年升溫趨勢(shì)明顯,地表溫隨之升溫,其升溫速率比氣溫更快。氣溫的升高主要在寒季,暖冬現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。以風(fēng)火山為例,1976～2009年的34年間,氣溫升溫速率為0.046 2 ℃/年,年平均地表溫在最近34年(1976～2009年)升溫速率是0.077 3 ℃/年,地表溫升溫速率幾乎是氣溫升溫速率的2倍[1]。

隨著氣溫地表溫的不斷升溫,多年凍土退化趨勢(shì)越來越顯著,特別是青藏鐵路沿線南北界、融區(qū)邊緣和高溫多年凍土區(qū)。多年凍土退化主要表現(xiàn)為路堤地基下凍土上限的不斷下降和上限附近凍土地溫的不斷升高。

5 結(jié)語

(1)首次劃分了運(yùn)營以來青藏鐵路凍土路基工程病害類型,將多年凍土路基病害類型分為路基下沉、不良地質(zhì)病害、路塹邊坡病害及水害等四類。

(2)提出對(duì)多年凍土退化引起的路基下沉,應(yīng)采取以下措施進(jìn)行治理：首先做好地表水和凍結(jié)層上水防排,切斷外來水的熱侵蝕；其次,增設(shè)片石護(hù)坡,減少路堤兩側(cè)向路堤本體傳熱,緩解多年凍土退化速率；再次,在高含冰量地段增設(shè)熱棒,以防止高含冰量凍土層迅速融化導(dǎo)致路基突發(fā)性沉陷,危及青藏鐵路運(yùn)營安全；最后,盡快恢復(fù)路基兩側(cè)地表植被。

(3)提出對(duì)于橋頭路基下沉病害,應(yīng)采用“先治水,后補(bǔ)強(qiáng)”的原則,先做防排水措施,再采取熱棒或片石護(hù)坡措施。在片石路基段下沉嚴(yán)重地段,應(yīng)對(duì)片石層進(jìn)行注漿加固。

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