多年凍土地區富冰、飽冰段公路路基施工技術研究

羅余良

摘 要：在高原多年凍土區，鐵路、公路等建設面臨著大量嚴峻的工程問題。因多年凍土熱敏感強，其熱穩定性極差，在外界氣溫變化及人為對其周邊環境的影響下，極易出現融沉、凍脹、流變移位等凍土地質災害，使道路路基發生下陷、坍塌等破壞，甚至使工程嚴重毀壞而廢棄、重建。，通過采用隔熱層、片塊石、通風管及熱棒法等新技術對富冰、飽冰多年凍土的路基進行處治，維持和改善多年凍土的地溫場，保證了富冰、飽冰多年凍土區的公路路基工程的長期穩定性。

關鍵詞：富冰、飽冰多年凍土；隔熱層法；片塊石法；通風管法；熱棒法

中圖分類號：U416.168 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0108-02

多年凍土區工程設計及建設需要解決的關鍵問題是，如何使多年凍土地溫場維持原狀或得到改善，以確保其處于凍結的穩定狀態或將其地熱狀態控制在一個可接受的變化限度內，從而確保多年凍土區建筑地基的長期穩定。

1 工程概況

共和至玉樹（結古）公路改擴建工程GYⅡ-SGC5標段，起點訖樁號K336+000～K376+000，全線長40km，凍土路基段長28.2km。采用高速公路建設標準，設計速度80km/h，為分離式路基，路基寬度10m。路線經苦海灘、醉馬灘、紅土坡埡口，該區是島狀和連續多年凍土分布區，第四松散堆積物分布廣泛，冰緣作用十分發育，熱融湖塘，熱融洼地，冰脹丘，凍土草沼等冰緣地貌較普遍。

K347+100～K354+550、K355+950～K357+500兩段路線海拔位于4134m～4485m間，年平均最低氣溫-10.3℃～ -6.1℃，因其特殊的地理環境和氣候條件，形成了“富冰、飽冰” 凍土，凍結深度2.0～3.0m，融化等級為Ⅲ～Ⅳ級，融沉或強融沉，屬于極差工程地質路段。

共和至玉樹（結古）高速公路是我國第一條穿越多年凍土區的高速公路。公路等級高，對設計及施工質量也就提出了更高要求。為了解決“富冰、飽冰”多年凍土給路基帶來的隱患，本項目中研究和探索了該凍土地質條件下的道路修筑新技術和新方法，解決了“富冰、飽冰”多年凍土區修筑路基存在的工程地質問題。

2 富冰、飽冰路基施工技術

項目施工時結合高原多年凍土地區道路設計類型及實際特點，以保護凍土，綜合治理為原則，充分借鑒鐵路、公路專業在類似項目的成功經驗，并經反復比選及優化，制定了科學合理的凍土處治方案。并認真研究每道施工工序，制定標準，不斷地完善和總結。順利完成施工任務，在隨后多年監測及質量跟蹤結果表明，所采用的多年凍土路基修筑技術措施是科學合理的，為高原凍土地區道路施工提供借鑒。

針對本項目為高溫多年凍土不穩定路基的情況，分別采用隔熱層、片塊石路基、通風管路基、熱棒路基等多種主動降溫的工程措施。

2.1 隔熱層路基

隔熱層路基在路基本體中增設工業隔熱材料，使路基熱阻增大，能有效阻止大氣（太陽）熱量傳入路基下凍土的處理措施?？梢云鸬窖泳弮鐾镣嘶氨Ｗo凍土的作用。

隔熱層路基主要適用于低溫多年凍土路段，宜在下列情況下使用：

（1）受路線縱坡控制，路基高度小于路基臨界高度或大于3.5m路段；

（2）路塹處或翻越埡口處，以保護下伏多年凍土的路段；

（3）因融化盤偏移而使引發路基不均勻沉降及路基病害路段。

要求隔熱材料導熱系數<0.025W/（m·K），吸水率<0.5%，密度>43kg/m3，其抗壓強度>580kPa。本項目采用擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS）作為隔熱材料。隔熱板設置寬度大于路面寬，路基兩側各加寬60cm，隔熱板橫坡與路面相同，隔熱板上下設置厚度>20cm的砂礫層。

2.2 片塊石路基

片塊石路基為通風路基，利用不均勻溫度場情況下空氣密度不同，較輕熱空氣上浮而促使空氣對流的特性。通風片塊石宜一次性傾填到位，在增加石塊間空隙的同時也加快了施工進度。夏季，外界熱量以熱傳導方式進入路基中、底部，因通風片塊石路基中存在大量空隙，空隙中溫度升高的空氣上浮形成上升氣流，冷空氣填補下部。即空隙中上升氣流將熱量帶走，從而使路基底部持續保持較低氣溫。同時路基中存在的大量空隙也能有效阻止熱量的傳入；冬季，外界高密度冷空氣下沉而置換空隙中的熱空氣，使路基及地基得到冷卻。片塊石路基利用高原凍土區負積溫遠大于正積溫的氣候特征，有效地將路基熱量散發出去，使路基保持低溫，維持及改善了路基溫度場，從而保護多年凍土不出現融化現象。

片塊石路基宜使用于地表徑流較發育或地下泉水發育的高溫凍土區，也常用于高含冰凍土區融化夾層發育的路基病害的治理。

片塊石路基采用較堅硬巖石填筑，要求石料強度>30MPa。粒徑控制在10～30cm范圍內。鋪筑層數根據路基高度、路面結構層厚度等合理確定，頂面宜位于路床頂面以下30～50cm。鋪筑厚度一般宜為1.0～1.5m，分兩層鋪筑：下層0.8～1.0m采用規格大于20cm片塊石；上層0.2～0.5m采用規格10～15cm片塊石。

片塊石層底部鋪設砂礫層等輔助防護結構；頂部鋪設土工布及層厚30cm的砂礫層。

2.3 通風管路基

通風管路基工作機理：在寒冷季節冷空氣由于具有較大密度，在自重和風的作用下將管中熱空氣擠出，不斷將周圍土體中熱量帶走，達到保護地基土凍結狀態的目的。

通風管路基可用于路基高度大于2m的高溫高含冰量多年凍土路段。

通風管通常采用鋼筋砼預制管，內徑宜大于路基高度的1/8，通常為0.3～0.4m；壁厚宜采用5～8cm；管徑與長度比值應大于0.01。

通風管埋設深度根據當地主導風向與風速、地表徑流、風沙及積雪等自然因素綜合確定。埋深為3～5倍管徑，布設在路床頂面以下距地表0.5～0.7m范圍內，底部設置不小于30cm的中粗砂墊層，兩端伸出路堤長度不少于30cm。

2.4 熱棒路基

熱棒是一種單向傳熱元件（無源制冷熱虹吸管），當底部環境溫度高于上部時，熱棒底部（蒸發段）管內工質受熱成氣態上升，至受環境冷空氣影響的上部（熱棒冷凝段）后冷凝成液態，在重力作用下流回管底。在工質循環蒸發、冷凝過程中，將底部環境熱量持續送往上部，不斷降低底部環境溫度，起到保護路基下凍土的作用。

熱棒路基可用于極高溫多年凍土區或凍土退化區，通常埋設在路基兩側；熱棒還可用于因融化盤偏移而導致路基不均勻沉陷、縱向裂縫等病害的治理。

本項目熱棒工質采用液氨，管殼采用碳鋼及不銹鋼兩種，要確保其不少于30年的使用壽命。熱棒埋設深度宜為多年凍土人為上限以下1.0～2.5m。布設間距宜為有效作用半徑1.5～2.5倍；設置方式有單棒豎置、單棒斜置、雙棒豎置和雙棒斜置等，可參考以下原則：

（1）在不影響棒制冷效果的前提下宜斜置，宜斜置為75°。

（2）在極高溫凍土區與凍土退化區宜埋置雙向熱棒，路基要確保適當填筑高度。

（3）在中高溫凍土區，如人為凍土上限較高時宜雙向熱棒。

（4）因陰陽坡影響融化盤產生偏移時，在陽坡設置單向熱棒。其結構見圖1。

3 處理措施對地基變形的影響

本項目施工時各選擇一段路基分別采用隔熱層、片塊石、通風管及熱棒法進行凍土的處治。并對凍土路段進行持續的沉降觀測，圖2為典型路基斷面中部沉降量變化曲線。

圖中曲線表明，采用上述方法進行凍土處治的路基均在填筑后產生一定數值的沉降，是因填筑活動對凍土環境及凍土本身的熱擾動及填土蓄熱使部分凍土產融化，及本身壓縮變形而產生沉降；入冬后，隨著外界氣溫降低及填土蓄熱消散，路基凍土上限升高，使路基產生凍脹變形，使得采用片塊石、通風管及熱棒法進行凍土處理的路基面標高有所抬升，春季后路基又開始沉降，至次年入冬以后沉降已趨于穩定，因經歷兩個凍融循環，路基的人為上限逐漸形成并基本穩定，可見采用上述方法進行凍土處理能達到使凍土長期穩定的目的。

采用隔熱層進行凍土處治路段，因為隔熱層阻止了熱量傳遞，使填土蓄熱的消散及環境溫度影響凍土的速度大為減緩，故在第一個凍隔循環中，路基處于蓄熱融化凍土及壓縮變形為主導的過程，所以處于不斷沉降的狀態，但在第二凍融期時，路基凍土人為上限也已形成并基本穩定，同樣起到長期保護路基穩定的目的。

4 結語

現場沉降監測及工程實踐證明，本項目采用的隔熱層、片塊石、通風管及熱棒法進行凍土處治取得了良好效果，降低了凍土溫度，使路基凍土上限抬高，保證了富冰、飽冰凍土區路基工程的長期穩定。

參考文獻

[1]吳志豎.青藏鐵路凍土區土體冷生過程對路基變形影響[J].巖土力學，2007（7）.

[2]陳瑞亮.凍土在土木工程中的危害及其治理[J].長江工程職業技術學院學報，2010（3）.

[3]張魯新，熊治文，韓龍武.青藏鐵路凍土環境和凍土工程[M].北京：人民交通出版社，2011.