凍土鐵路涵洞施工對(duì)地基土地溫的影響研究

師高鵬

摘 要：隨著科技的迅速發(fā)展，人們對(duì)交通的需求也與日俱增。從第一條鐵路的建設(shè)通行，到鐵路網(wǎng)線(xiàn)四通八達(dá)，曾經(jīng)的“勸君更盡一杯酒，西出陽(yáng)關(guān)無(wú)故人”在今天看了已經(jīng)是無(wú)需擔(dān)心的事情。然而，我國(guó)國(guó)土廣闊，雖然鐵路的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是對(duì)于一些地質(zhì)特殊的凍土地區(qū)（如西部青藏地區(qū)），這些地區(qū)的鐵路修建仍是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。文章首先根據(jù)凍土地區(qū)鐵路事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析凍土鐵路涵洞施工對(duì)地基土地溫的影響，最后對(duì)凍土地區(qū)涵洞開(kāi)挖的注意事項(xiàng)加以討論并提出相應(yīng)的措施、建議。

關(guān)鍵詞：凍土涵洞；鐵路施工；地基土溫

文章以青藏鐵路為例，分析凍土鐵路涵洞施工對(duì)地基土地溫的影響，然后對(duì)凍土地區(qū)涵洞開(kāi)挖的注意事項(xiàng)加以討論并提出相應(yīng)的措施、建議。有“世界屋脊”之稱(chēng)的青藏高原地處我國(guó)第一級(jí)階梯，西起帕米爾高原，并向東延伸至川西、滇北的橫斷山脈；北起昆侖山，南到喜馬拉雅山，總跨度可達(dá)200多萬(wàn)平方千米，跨越了將近10個(gè)緯度之多，其平均海拔可達(dá)4500米之高。青藏鐵路全長(zhǎng)一共有1000多座涵洞，由于其獨(dú)特的地理位置，所以當(dāng)?shù)爻Ｄ旰涓稍?，氣候多變，?jīng)常會(huì)發(fā)生冰雹、雷暴、霜凍、寒潮等大氣現(xiàn)象；春秋季節(jié)短暫、四季不明，植被稀疏，個(gè)別地段有嚴(yán)重的沙化現(xiàn)象。由此，對(duì)于青藏鐵路涵洞設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的鐵路完全不同，必須給予高度重視。由于施工地的地質(zhì)及水文條件不盡相同，凍土的地溫特征也有很大的差異，所以涵洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮涵址處凍土地溫及其變化，并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

1 凍土地區(qū)鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外關(guān)于凍土鐵路的發(fā)展情況

自1892年第一條凍土區(qū)鐵路的興建，其至今己運(yùn)營(yíng)了一百多年。目前俄羅斯共通過(guò)多年凍土區(qū)的鐵路長(zhǎng)達(dá)15000千米；而在加拿大，自南向北也有三條鐵路干線(xiàn)穿越了凍土帶，其總產(chǎn)度長(zhǎng)度大概有2000千米；此外，在美國(guó)阿拉斯加的多年凍土區(qū)上也修建了阿拉斯加鐵路，其全長(zhǎng)是750千米。這些在高緯度凍土區(qū)修筑的鐵路，在推動(dòng)了人們對(duì)凍土鐵路施工問(wèn)題的研究的同時(shí)，也加深了各界對(duì)凍土區(qū)土質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

1.2 我國(guó)凍土地區(qū)的鐵路發(fā)展

我國(guó)幅員遼闊，所以?xún)鐾练植家蚕鄬?duì)較為分散。

青藏高原多年凍土面積為150萬(wàn)平方千米，占全國(guó)總凍土面積的84.75%之多，而其他凍土面積只有27萬(wàn)平方千米。由此，青藏高原的凍土問(wèn)題，倍受重視。1960年，我國(guó)鐵道部專(zhuān)門(mén)為此成立了青藏高原鐵路科學(xué)技術(shù)研究所，從此對(duì)凍土鐵路工程技術(shù)開(kāi)展了全面、系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)相關(guān)科研部門(mén)努力，對(duì)于青藏凍土鐵路問(wèn)題上取得了一定的研究成果。

2 凍土鐵路涵洞施工對(duì)地基土地溫的影響

從1960年開(kāi)始，中科院冰川所以及鐵道部高原所對(duì)青藏多年凍土區(qū)的自然環(huán)境和凍土特征進(jìn)行了全面考察。建立了凍土定位觀(guān)測(cè)站，為進(jìn)行凍土工程的研究打下了深厚的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)高原氣象、多年凍土地溫場(chǎng)、凍土熱力學(xué)等凍土基本性質(zhì)以及參數(shù)的試驗(yàn)和研究，在凍土鐵路涵洞施工方面取得了一定的成果。為分析涵洞對(duì)該類(lèi)凍土地基的適應(yīng)性提供有力的依據(jù)。

2.1 由于青藏高原的特殊施工環(huán)境，適合采用冬季的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝。因?yàn)槎臼┕た梢詼p小對(duì)涵洞明挖基礎(chǔ)的凍土熱擾動(dòng)，減少了基底凍土回凍時(shí)間，從而滿(mǎn)足了減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng)。

2.2 在施工的影響下，離地表近的土層在建涵的初期，其涵內(nèi)淺層地溫上升趨勢(shì)明顯；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，上升幅度將會(huì)變小，最終地溫逐漸趨于穩(wěn)定；此外，多年凍土層在施工的影響下，將會(huì)有部分的融化現(xiàn)象，且在隨后的2～3年內(nèi)這種凍融交替的現(xiàn)象會(huì)時(shí)常發(fā)生。故由于施工給凍土環(huán)境造成的影響在兩年的時(shí)間里不能完全消散。

2.3 在夏季，涵洞內(nèi)的地基土地溫要比洞口低。這種差異距離地表越近，其表現(xiàn)越明顯；雖然涵內(nèi)淺層負(fù)溫波動(dòng)幅度比洞口大，但是其總的波動(dòng)幅度卻比洞口要小。所以表明路堤和涵洞具有保溫、隔熱的效果，氣溫對(duì)洞口地溫的影響比對(duì)洞內(nèi)的大。

2.4 通過(guò)對(duì)涵洞不同部位、不同深度的多年凍土人為上限的試驗(yàn)，得出結(jié)論，之所以洞口處的凍土人為上限通常情況下要比洞身中部的凍土上限影響大，是因?yàn)槎瓷硎艽髿獾挠绊懸榷纯谔幟黠@。

3 凍土地區(qū)涵洞開(kāi)挖注意事項(xiàng)及措施

從多年凍土地區(qū)的氣候條件來(lái)看，青藏鐵路一年當(dāng)中分暖季與寒季。從保護(hù)凍土的觀(guān)點(diǎn)考慮，凍土地區(qū)涵洞開(kāi)挖的施工季節(jié)，最好選擇在寒季；但是，如果考慮到施工的人員與機(jī)具，在暖季是更好的選擇。由此，要根據(jù)涵洞地基土不同的地質(zhì)條件，選擇合理的施工季節(jié)。對(duì)于地表干燥、地基良好的凍土區(qū)，可在暖季（6～9月份）施工；然而那些地表相對(duì)松軟、濕潤(rùn)、地基土含冰量大的凍土區(qū)，還應(yīng)盡量在暖、寒季交替時(shí)期（4～6月或9～10月）進(jìn)行施工。以上無(wú)論哪種施工方法，都要盡量避免基坑的長(zhǎng)時(shí)間暴露（最好是在15天以?xún)?nèi)），此外，還要注意日曬與積雪的影響。涵洞的整體施工時(shí)間盡可能縮短在50天以?xún)?nèi)。合理安排涵洞基礎(chǔ)的施工季節(jié)對(duì)提高施工質(zhì)量，減少涵洞病害，提高工程質(zhì)量有很大關(guān)系。

凍土地區(qū)涵洞開(kāi)挖要注意，為了減少人為對(duì)涵基多年凍土的水熱干擾，施工人員的生活區(qū)，盡量設(shè)置在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)的地方；在涵洞的施工現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)派有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行同步監(jiān)督，按照規(guī)定嚴(yán)格控制施工進(jìn)度，以保證工程的質(zhì)量強(qiáng)度。

提升高原凍土區(qū)公路涵洞開(kāi)挖效果的施工措施有：第一、做好高原凍土地區(qū)公路涵洞開(kāi)挖施工準(zhǔn)備；第二、加大高原凍土區(qū)涵洞混凝土澆筑質(zhì)量管理；第三、提升高原凍土區(qū)公路涵洞涵身施工質(zhì)量；最后、做好高原凍土區(qū)公路涵洞涵背的回填。

4 結(jié)束語(yǔ)

青藏鐵路獨(dú)特的地理位置、惡劣自然條件以及脆弱的生態(tài)環(huán)境，這些問(wèn)題是鐵路建設(shè)過(guò)程中所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高原凍土地區(qū)公路施工的過(guò)程中，涵洞作為施工的主要內(nèi)容，加大對(duì)公路涵洞開(kāi)挖施工的研究，能夠促進(jìn)高原凍土地區(qū)涵洞施工的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)對(duì)多年凍土與融區(qū)過(guò)渡段的涵洞的施工過(guò)程中以及建成后沿涵洞軸向的地溫和凍土人為上限的變化情況分析，從而得出結(jié)論。因?yàn)楦咴瓋鐾恋貐^(qū)涵洞施工的難度大、條件復(fù)雜。所以在施工的過(guò)程中，除了要加大對(duì)涵洞開(kāi)挖施工工藝的使用，還應(yīng)該提升對(duì)涵洞開(kāi)挖規(guī)范施工的管理力度，從而使高原凍土地區(qū)涵洞施工的質(zhì)量得到保證。

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