新疆多年凍土地區橋涵病害調查及防治措施

秦 毅

（新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

1 多年凍土地區橋涵調查現狀

1.1 現有公路區域自然條件概述

昆侖山邊防公路哈巴克至神仙灣段，處于東經 77°50′～78°30′，北緯 35°30′～36°15′。起點從G219國道的K404+800（哈巴克）處開始，沿途經過神岔口、哈巴克達坂、黃羊灘、冰湖，終點至神仙灣邊防連神仙灣哨卡，全長約119km，沿線海拔高程約5000m，全線均為公路改建工程，設計道路等級為四級，路面為砂石路面。

本項目位于西昆侖高山地區，屬于高原亞寒帶干旱氣候。因為受高空環流、地理位置和地形地勢的影響，整體上屬于大陸性干旱氣候區。由于本項目區地形起伏大，垂直地帶性較顯著，氣候狀況有較大差異，水分、熱量的分布差異最為突出。降水在高山區多為固體降雪，從而在昆侖山高山區形成了大面積的冰川和積雪。沿線較大水系有喀喇喀什河、喀喇昆侖河、沙特巴克蘭沙河、神仙灣大溝等。短期觀測取得的天文點（5100m）及神仙灣（5370m）年降水量依次為54.6mm和67.7mm，推算沿線年降水量60～80mm。獅泉河（4278.8m）年平均氣溫僅0.4℃，極端最低氣溫-34.6℃；年平均地溫5℃，最低地溫-7.2℃。甜水海附近年平均氣溫為-4.42℃，年平均地溫-3.5℃。沿線年平均相對濕度小于40%，年蒸發量為2000～2500mm，具備凍土生成的水熱條件。

1.2 現有涵洞、過水路面的技術狀況

本項目沿線現有橋梁2座，其中中橋1座、小橋1座、涵洞37道、過水路面75段。老路橋梁結構形式為鋼桁架梁橋，設計荷載為汽—15級、掛—80級，橋面凈寬為凈—3.7m；涵洞為鋼筋混凝土蓋板明暗涵；過水路面為混凝土路面。

經調查，嚴重受損的涵洞11道，占本項目沿線涵洞總數的29.7%；一般受損的涵洞16道，占本項目沿線涵洞總數的43.2%；輕微受損或使用情況良好的涵洞10道，占本項目沿線涵洞總數的27.1%。涵洞受損最多最嚴重的部位是洞口接的附屬構造物和涵底鋪砌。嚴重破壞的過水路面41段，占本項目沿線過水路面段落總數的54.7%；一般破壞的過水路面16段，占本項目沿線過水路面段落總數的21.3%；輕微破壞或使用情況良好的過水路面18段，占本項目沿線過水路面段落總數的24.0%。過水路面破壞最多最嚴重的部位是下游垂裙掏空和路面破壞。

1.3 現有橋梁的技術狀況

（1）K0+460哈神公路大橋。路線在K0+380～K0+520處跨越喀喇喀什河，由部隊于1984年8月修建的哈神公路大橋鋼桁架梁橋，設計荷載為汽—15級、掛—80級；上部結構為鋼桁架梁，橋梁全長41.7m。鋼桁架梁長30.2m，橋面凈寬3.7m，橋面為木板搭建，現已腐朽，部分破壞。橋臺為U形臺，結構基本完好；橋下凈空2～2.2m，測量時橋下水位平均為1.0m深。橋梁長度偏短、凈空較低，原有河床被過度壓縮，過水斷面不足，造成泄洪能力不能適應河溝的排洪需要。橋面凈寬僅能滿足單車通行，達不到四級公路橋面凈寬技術標準。

（2）K11+486.50仙人橋。部隊于1984年8月修建的鋼桁架梁橋，設計荷載為汽—15級、掛—80級；上部結構為鋼桁架梁，橋梁全長19.4m。鋼桁架梁長12.4m，橋面凈寬3.7m，橋面為木板搭建，現已腐朽，部分破壞。橋臺為U形臺，結構基本完好；橋下凈空2.5～2.8m，測量時橋下水位平均為0.7m深。橋面凈寬僅能滿足單車通行，達不到四級公路橋面凈寬技術標準。以上兩橋均作為施工便橋使用，兩橋均新建。

2 橋涵工程的病害

橋涵結構物是公路工程項目的重要組成部分，也是路基橫向排水的重要工程之一。因此，一旦橋涵結構物受損，輕則危及路基穩定，發生跳車顛簸，損壞車輛機件，影響車速；重則會使交通中斷。

2.1 涵洞病害的成因

2.1.1 洞身、涵臺的開裂和下沉

涵洞在水流方向的長度一般是10m以內，其基礎形式多為分離式基礎，也有少部分整體式基礎。涵洞基礎在回凍前是埋置在季節活動層中的，加上施工過程中的擾動，大量的熱能侵入到了多年凍土層，使得多年凍土融化，承載能力下降。而這時涵洞洞身、涵臺混凝土養生時間短導致強度低，抵抗不了融化下沉產生的應力，最終使涵臺產生斷裂。寒季凍脹、暖季融沉，涵洞基礎在反復的強凍融作用下，由于基礎埋置深度不足，涵洞易產生開裂下沉或是傾斜等形式的破壞。分離式基礎的涵洞沉降縫未處理得當，通過涵底鋪砌的水部分滲漏到鋪砌層下和涵臺周圍的路基中，導致水的潛熱帶發展到多年凍土層內，改變了地基土的水熱平衡，使涵臺下沉開裂進一步擴大，更加劇了涵洞洞身的破壞。

2.1.2 涵洞進出水口的破壞

涵洞進出水口的破壞是本項目多年凍土區涵洞分項工程中最多、受損最嚴重的病害。它包括端墻、八字墻的開裂，八字墻傾斜、下沉和急流槽的破損、坍塌等形式。

本項目多年凍土區的涵洞洞口附屬工程都是混凝土或漿砌片塊石圬工結構，其特點是抗壓強度大，但抗拉、抗剪強度小。錐坡破壞的主要原因是：

（1）錐心填土的壓實度不夠；

（2）錐坡基礎的埋置深度不足；

（3）錐坡的砌筑厚度偏薄；

（4）錐坡采用的片石尺寸小、強度低、砂漿強度等級低以及地質條件差等。

涵洞一字墻和八字墻產生傾斜、下沉和裂縫的主要原因是：

（1）開挖基坑后暴露時間過長，大量的太陽輻射熱能進入到了多年凍土層；

（2）設計的變形縫、沉降縫，施工中不能嚴格按照設計要求去做（不設或將縫勾抹）；

（3）基坑回填土的壓實度不足，且回填料的含泥量偏大。

2.1.3 涵底鋪砌的損壞

涵底鋪砌損壞的主要表現形式是涵底鋪砌斷裂、鋪砌下地基土及基礎產生沉降和鋪砌凍脹開裂破碎等。這主要是由于涵底鋪砌抗凍脹、融沉強度過低造成的。涵底鋪砌的破壞產生漏水，導致水的潛熱帶發展到多年凍土層內，使得多年凍土融化、上限下移，并導致地基土喪失或降低承載力，涵洞基礎下沉，從而影響了整個涵洞的正常使用和涵洞附近的路基穩定性。

2.1.4 泥石流淤塞及洞內冰塞

在較陡的由風化碎屑覆蓋表面的山坡上，融凍泥石流溝谷下泄到涵洞內堆積堵塞。冰塞多發生在排泄泉水的涵洞內。

另外，涵洞施工不合理會導致涵洞的破壞，養護不及時會加劇涵洞的破壞程度。總之，本項目多年凍土地區的涵洞工程主要病害是由于凍脹和融沉產生的各種破壞。如何防治混凝土的凍脹和融沉，就成為在多年凍土地區修筑涵洞工程的重中之重。

2.2 橋梁病害的成因

調查表明，基礎的凍脹和融沉，是多年凍土區橋梁穩定性破壞的主要原因。一些橋梁，由于基礎埋置深度不夠，防凍脹措施不力，基礎凍脹、沉降變形過大，導致橋梁毀壞。多年凍土地區橋梁病害產生的原因，可歸納為以下幾個方面。

2.2.1 多年凍土地區的環境變化

因為多年凍土地區橋梁的施工和運營，改變了原有路段地表的熱平衡條件，使得原有路基的多年凍土產生了衰退和融化，從而引起橋梁基礎下沉。其中一種狀況為橋梁施工完成后的短時間內，墩、臺就產生沉降，引起整座橋梁的結構變形。因為在混凝土施工過程中產生的熱量大量傳入，使得地基凍土融化引起下沉。明挖基礎通常在暖季施工，基坑暴露時間較長，更易引起這種病害。另一種狀況為在建筑物恒載長期作用下引起的下沉。原因是地基凍土含冰量較大，且多年凍土的溫度較高，在長期恒載作用下，地基凍土產生了蠕變引起沉降。

2.2.2 橋梁基礎活動層的凍、融循環

橋梁基礎埋置深度較淺且防凍脹能力差，臺背回填壓實度不夠，在凍、融交替作用下，導致墩、臺身和鋪砌嚴重變形甚至開裂，凍脹變形和融化下沉等病害。對明挖基礎而言，主要導致橋梁錐坡以及鋪砌等橋梁附屬工程的破壞；對于深基礎，如果樁基礎埋藏深度不足，也可導致墩、臺身和鋪砌工程嚴重變形或開裂，甚至引起橋面產生不均勻變形。

2.2.3 凍、融循環和冰蝕對鋼筋混凝土結構的影響

根據現場調查和走訪，在青藏高原的多年凍土地區，一年中出現正、負溫交替次數高達180次左右。嚴酷的氣候條件和鋼筋混凝土抗凍耐久性能不足，從而導致了混凝土剝蝕、脫落等形式的破壞。

3 橋涵結構物病害的防治原則

在多年凍土地區修建橋涵工程，進行橋涵基礎設計時，除考慮常規的基礎變形因素外，更多的應該考慮與溫度有密切關系的有效應力作用和水潛熱對橋涵基礎穩定性的影響。對多年凍土地區橋涵工程的基礎進行設計時，應采取有效的措施，使得涵洞在施工和使用期間保持其所要求的熱狀態，這就是多年凍土地區橋涵工程防止凍害產生的基本原則。為此在橋涵的設計施工過程中，采取必要的工程措施，不改變或是盡量少改變多年凍土的水熱平衡，減少或消除季節活動層的凍脹影響。防止橋涵工程凍害產生的方法有多種，但可歸結為以下4種基本方法。

（1）減少施工對多年凍土的熱擾動。

（2）消除或削弱季節活動層的凍脹和融沉。改變（換填）橋涵地基土就是一種減弱地基土凍脹的措施。換填地基土是指用粗砂礫石等非（弱）凍脹性材料置換天然地基的凍脹性土，用來削弱或是基本消除地基土的凍脹作用。

由凍脹及凍脹力變化規律可知，水分條件是決定性因素。只要可以控制住水源的產生，同樣可以達到削減或消除地基土凍脹的目的。

因此，應做到以下3點。

①橋涵施工時，開挖的基坑應盡快將水排走，不得在基坑內留有積水。

②橋涵在使用期內，應注意在涵底、沉降縫等處不漏水、不滲水；橋梁、涵洞排水通暢，進出水口不得積水。

③橋涵在施工和使用過程中，橋涵內不得積水、不得冰塞，不得淤砂。

（3）增強橋涵結構物抵抗和適應凍融變形的能力。

（4）人工冷卻橋涵基礎。采用人工冷卻橋涵結構物的地基，減少或是削弱凍土活動層凍脹、融沉量，能夠達到防治涵洞凍害的效果。通常采用熱樁制冷技術，就可以使多年凍土的地基溫度降低，強化多年凍土地基的穩定性，滿足橋涵結構物防凍融破壞的要求。

4 設計中的處理措施

本項目改建設計中共設中橋4座、小橋3座、涵洞136道，其中鋼波紋管涵115道、鋼筋混凝土蓋板涵21道。本項目改建設計中均設置橋涵跨越溝槽，不設置過水路面。

在下列情形下適宜優先考慮鋼波紋管涵：

（1）不良地質段落的橋涵結構物，包括多年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等；

（2）人力資源缺乏或是高危險、高原缺氧地區的工程項目；

（3）砂石料場資源缺乏的地區，水泥、鋼材等運距較遠的地區；

（4）能夠解決北方嚴寒地區及凍土地區對橋梁、涵洞等混凝土結構物的破壞問題（凍脹與融沉）；

（5）現場安裝不需使用大型設備，安裝方便。

鋼波紋管涵的基礎埋置深度應視管徑及地質條件而定。鋼波紋管涵的基礎一般采用砂礫墊層，厚度為波紋管直徑的0.5～0.55倍，最小厚度不小于0.6m，最大厚度不大于1.5m。砂礫最大粒徑不超過50mm，粉黏粒含量不超過3%，壓實度為90%～93%，管兩側填料與基底材料相同。當地下水位較高時，換填分兩層，下層為片塊石，上層為天然砂礫。鋼波紋管涵內外壁涂抹熱瀝青2道，每道厚1.5mm，鋼波紋管涵洞涵底縱坡大于3%時，內壁涂抹2cm厚聚合物（環氧樹脂）類水泥砂漿，范圍為下半個涵管。在泥石流堆積扇或排泄砂石流量大、流速高的區段，優先考慮鋼筋混凝土蓋板涵。

本項目中，小橋橋墩、臺基礎均選用鉆孔灌注樁基礎。空心板梁底板應預留排水通氣孔，排水通氣孔直徑5cm。橋涵混凝土采用抗凍水泥混凝土，混凝土抗凍級別應為F300。所有橋涵構造物（基礎表面及墩臺身在臨土面下）須涂抹兩層熱瀝青防腐，每層厚1.5mm。橋涵基礎澆筑（砌筑）后，應在地基土凍結前回填覆蓋。

漿砌工程砌體砌筑后應隨時將縫位刮深2～3cm，用M10細砂砂漿勾出平縫或1～1.5cm深的凹縫，嚴禁勾凸縫；砌體砌筑后應立即覆蓋灑水養生，養生期不應少于14d。砌體砌筑工程低溫施工必須采取早強或保溫抗凍措施。

施工技術人員的生活區應選在遠離施工現場處，以減少人為活動對橋涵多年凍土地基的干擾。在暖季施工時，一定要注意防止基坑暴露時間過長。基坑暴露時間一般不宜超過15d，而小型結構物的施工時間不宜超過50d。只有當基礎所需要的建筑材料、機具和墊層所用砂礫全部備齊后，才可以開挖基坑。如果基坑開挖后，發現基礎全部或部分埋在純冰層或含土冰層上，應立即采取保溫措施并提高基礎埋置深度，減少施工對多年凍土產生的熱擾動。因此，選擇合理的施工季節、施工方法，縮短施工工期，是減少施工對多年凍土產生熱擾動最有利的措施。

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