古洛鐵路多年凍土特征與工程對策

甄慶廷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300142)

古蓮至洛古河鐵路古蓮至月牙湖段位于黑龍江省加格達奇地區的漠河縣境內，全線均處于我國大興安嶺高緯度多年凍土區，為近30多年來在高緯度凍土區實施的第一條鐵路項目，是中國最北端的鐵路，線路基本呈近東西向展布，正線全長約33.0 km，為有砟軌道。

1　古洛鐵路沿線自然環境特征

1.1　地形地貌特征

線路所處地貌主要為低山區，地勢西高東低，一般海拔在520～650 m，相對高差100～130 m，坡度多在10°～15°，最大可達35°。局部線路行進在河谷階地及緩山坡。線路跨越的主要河流有古蓮河、霍拉盆河等，常年流水，均屬黑龍江水系。

1.2　氣候及植被特征

沿線屬寒溫帶大陸性中低山地氣候，冬季嚴寒漫長，夏季短促而溫暖，每年僅兩個月無霜期，9月中旬開始結冰降雪，春秋季節多風。按鐵路工程氣候分區屬嚴寒地區。歷年年平均氣溫-3.8 ℃；歷年極端最高氣溫38.0 ℃；歷年極端最低氣溫-48.1 ℃；歷年最冷月平均氣溫-29.0 ℃；歷年平均降水量431.2 mm；歷年平均蒸發量845.8 mm；歷年平均相對濕度70%；最大積雪深度45 cm；最大風速16 m/s。

沿線植被非常發育，均為次生森林，以落葉松、樟松、樺樹為主，在大喬木林間長有興安杜鵑、水冬瓜、櫝柿、雅格達等灌木。地下有長年不化的多年凍土層，山陰坡及谷地低矮灌木叢綿密交錯，潮濕地帶長滿喜濕石松類植物。寬谷地多被森林覆蓋，局部地段有古河道及牛軛湖封閉演變的“塔頭式”草甸和沼澤。

1.3　地層巖性及水文地質特征

沿線覆蓋層主要為第四系粉質黏土、泥炭、中砂、礫砂、細角礫土、粗角礫土、塊石土，一般厚1.0～3.6 m，最厚6.7 m；下伏白堊系下統(K1)泥質礫巖、含礫砂巖，元古界(Pt)片麻巖及澄江期(γ2)混合花崗巖，全風化至弱風化，局部基巖出露。

沿線地下水類型主要為凍結層上水、凍結層下水及凍結層間水。凍結層上水主要分布在沿線丘陵、低山緩坡、溝谷及霍拉盆盆地內，巖性為碎石類土、砂類土及黏性土層，含水性弱；凍結層下水主要分布于河谷盆地區和基巖山區；凍結層間水分布于多年凍土層內部的融區。

2　古洛鐵路多年凍土特征

2.1　古洛鐵路多年凍土類型及分布特征

沿線普遍處于多年凍土區，屬高緯度不連續多年凍土。依據勘探成果，山體北坡為少冰凍土；南坡為少冰凍土—富冰凍土；溝谷及沼澤為富冰凍土—飽冰凍土，局部為含土冰層。受河流影響，在古蓮河和霍拉盆河附近分布有島狀融區，多年凍土的上限為0.3～1.8 m，下限一般為25～38 m，局部下限為90 m。主要的不良凍土現象有熱融滑塌、凍脹丘，融沉等。

2.2　古洛鐵路多年凍土地溫特征

地溫是凍土動態特征的重要標志，地溫狀況是決定多年凍土生存和發育最基本的條件。一定深度的鉆孔地溫曲線可反映該處凍土的現狀和變化趨勢，地溫曲線是分析多年凍土地溫隨深度變化的有效工具。采用熱敏電阻對多年凍土的地溫進行了觀測，沿線21個鉆孔的地溫曲線如圖1所示。

圖1　古洛鐵路實測地溫曲線

從圖1可以看出：古洛鐵路沿線地表1.5～2.0 m范圍內地溫受氣溫影響較大，其下地溫大部分均大于-0.5 ℃，曲線類型多屬于正梯度溫度曲線，屬高溫極不穩定多年凍土，其熱穩定性差，極易在施工或熱擾動下產生融化或衰退，從而產生大量下沉，對建筑物的穩定性產生較大影響。

2.3　古洛鐵路多年凍土工程地質分區特征

根據多年凍土的年平均地溫狀況及多年凍土在平面及剖面上的分布特征、土的含冰量及土的類別、地溫觀測結果，沿線多年凍土可劃分為高溫極不穩定凍土區(年平均地溫tcp≥-0.5 ℃)、高溫不穩定凍土區(-1.0 ℃≤tcp<-0.5 ℃)、低溫基本穩定凍土區(-2.0 ℃≤tcp<-1.0 ℃)和河床融區。主要分區情況見表1。

表1　古洛鐵路多年凍土分區

從表1可以看出：

①多年凍土在平面分布上不連續，多年凍土與融區相間出現，存在凍融過渡問題。沿線河床融區主要分布于古蓮河和霍拉盆河范圍內。

②高溫極不穩定凍土區范圍較大，高達83%，少部分屬于高溫不穩定多年凍土和低溫基本穩定多年凍土，對鐵路工程的安全穩定帶來極為不利的影響。

測試分區成果表明，高溫區主要分布于河谷盆地區，低溫區主要分布于低山區。

3　工程對策

根據古洛鐵路多年凍土的特征，研究確定了“以填代挖、少挖多填”的設計原則，線路盡量利用地形地貌與周圍環境協調配合，集中取土，以減少對天然植被的破壞。針對覆蓋層較薄、基巖風化層穩定性好、以高溫極不穩定凍土為主的特點，路基工程采取了破壞凍土的設計原則，主要采取了以下工程對策。

3.1　控制基底融沉量

對于凍土路堤，凍土低路堤，凍土沼澤路堤，土質路塹等淺層黏性土層、粉砂層，以及局部地段的飽冰凍土、含土冰層，采取挖除換填弱凍脹性土措施，控制基底融沉量。

3.2　嚴格控制路基填料細粒(d≤0.075 mm)含量

要求填料滿足：碎石類土細粒含量不大于15%，砂類土細粒含量不大于5%?；惨韵陆糠痔钪毩：啃∮?0%、滲透系數大于10-3cm/s的巨粒土。

3.3　系統的截排水設計

采用擋水埝攔截和排除地表水，采用埋置隔水板隔斷凍結層上水，全方位對流向路基本體的水進行攔截、隔斷和排除，最大限度地避免水對多年凍土的不良影響。同時做好路基與橋涵、車站排水的銜接，形成完整的排水系統。

路塹側溝及低路堤換填地段兩側坡腳外均設置側溝或排水溝，排水出口與橋涵設計結合，保證水流的順暢。側溝或排水溝采用C35素混凝土U形構件，側溝外側設置一層土工膜防滲布(750 g/m2)包裹。

3.4　路堤式路塹

在土質路塹中采用路堤式路塹，即在路塹內采用滿足防凍脹要求的填料填筑高0.64 m、邊坡率1∶1.5的路堤來保證路基的穩定性。典型路堤式路塹的結構如圖2。

圖2　典型路堤式路塹結構(單位：m)

4　結論

古洛鐵路是目前我國最北端的鐵路，全部位于高緯度不連續多年凍土區，以高溫極不穩定凍土為主。山體北坡多為少冰凍土；南坡多為少冰凍土—富冰凍土；溝谷及沼澤為富冰凍土—飽冰凍土，局部為含土冰層。

根據沿線覆蓋層較薄和以高溫極不穩定多年凍土為主的特點，設計充分利用了基巖風化層穩定性好的特性，采用了破壞凍土的設計原則，通過控制基底融沉量、填料的細粒含量、系統的排水設計和路堤式路塹等設計措施，保證了多年凍土區路基的穩定，經施工運營檢驗效果良好，采用的工程措施對高緯度多年凍土區的工程設計具有一定的借鑒和指導意義。

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