淺析高原多年凍土路基病害成因與整治方法

李學(xué)峰

摘要：文章以青藏鐵路路基實(shí)際發(fā)生的病害為例，根據(jù)青藏鐵路所處地區(qū)多年凍土的特征，分析路基病害的成因，運(yùn)用的綜合整治方法及預(yù)防措施，以期為多年凍土路基施工、病害整治及預(yù)防提供借鑒。

Abstract： This paper takes the roadbed disease of the Beijing-Tibet Railway as an example. According to the characteristics of permafrost in the Beijing-Tibet Railway， the causes of subgrade diseases are analyzed. The paper puts forward comprehensive treatment methods and preventive measures， so as to provide experience for the construction of permafrost subgrade， prevention and cure of subgrade diseases and preventive measures.

關(guān)鍵詞：高原多年凍土；路基病害；成因；整治

Key words： plateau permafrost；subgrade disease；cause；regulation

中圖分類號(hào)：U216.42+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）05-0196-03

0 引言

青藏鐵路格爾木至拉薩段擴(kuò)能改造工程三標(biāo)段，北起唐古拉山脈，沿青藏公路蜿蜒南行，經(jīng)由安多縣、那曲地區(qū)、當(dāng)雄縣、羊八井鎮(zhèn)，穿越堆龍曲峽谷，直至拉薩市附近[1]。標(biāo)段內(nèi)所通過的連續(xù)多年凍土區(qū)的長度546.43km，里程范圍K951+450-K1497+860，其中K1404+470-K1497+860段處于多年凍土范圍內(nèi)，全長93.39km，位于安多峽谷區(qū)。

位于青藏高原的多年凍土作為一種特殊的土體，其特性：具流變性、具有長期強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度的特性，正因?yàn)檫@些特性，修筑在凍土區(qū)的工程構(gòu)筑物就一定面臨凍脹和融沉的危險(xiǎn)[2]。由于全球變暖凍土區(qū)在不斷衰退。青藏鐵路沿線分布著面積較大的多年凍土區(qū)，其活動(dòng)層的季節(jié)性融合融沉、凍脹和不良凍土現(xiàn)象每年都發(fā)生，并伴隨著各種不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1 產(chǎn)生的路基病害

作為全國面積最大的凍土地——青藏高原，凍土層正呈現(xiàn)出：凍結(jié)持續(xù)天數(shù)縮短、最大凍土深度逐漸減小等不利現(xiàn)象頻發(fā)。經(jīng)前期調(diào)查，標(biāo)段沿線分布的各類多年凍土層，凍脹融沉較為強(qiáng)烈。正持續(xù)退化的凍土區(qū)廣泛分布在從岡底斯山-念青唐古拉山北側(cè)、鐵路的南北側(cè)的30多萬平方公里的區(qū)域內(nèi)[1]。

青藏鐵路所處的高原凍土區(qū)，因融沉加劇造成地面不穩(wěn)定，次生災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害地質(zhì)問題頻現(xiàn)，極大不利于所處凍土地區(qū)的公路、鐵路等各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

青藏鐵路工程格拉擴(kuò)能改造工程三標(biāo)段范圍內(nèi)唐古拉、唐古拉南、扎加藏布、雪查瑪車站均存在凍土融化的反復(fù)凍脹、融沉等各項(xiàng)工程地質(zhì)問題，凍土沼澤（濕地）不良凍土問題以唐古拉站較為顯著。標(biāo)段內(nèi)鐵路路基凍脹、翻漿、松散凍融、融沉、低溫開裂、邊坡融沉滑塌均為多年凍土路基的主要病害表現(xiàn)。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，格拉擴(kuò)能改造工程三標(biāo)段內(nèi)存在如下路基病害形式：

①多年凍土區(qū)橋頭路基不同程度存在沉降現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為道床厚度較大、漿砌片石擋碴墻局部有破損、局部地段路肩寬度不足。

調(diào)查數(shù)據(jù)如下：K1406+498-K1426+097唐古拉車站（K1405+303）至唐古拉南車站（K1426+097）間。共計(jì)：雙側(cè)6652m。

K1426+097-K1444+980唐古拉南車站（K1426+097）至扎加藏布站（K1444+980）間，共計(jì)：雙側(cè)6806m。

K1444+980-K1484+100，扎加藏布站（K1444+980）至托居站（K1484+100）間，共計(jì)雙側(cè)7762m。

K1484+100-K1508+867，托居站（K1484+100）至安多站（K1508+867）間，共計(jì)雙側(cè)3582m。

②經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)唐古拉車站（K1405+303）至扎加藏布站（K1444+980）間均發(fā)現(xiàn)個(gè)別路基在每年6-8月存在不同程度邊坡熱融滑塌情況。表現(xiàn)形式：6-8月路基坡腳處明顯融化下陷，邊坡出現(xiàn)滑塌，9月-第二年5月均無現(xiàn)象。

2 路基病害成因

針對標(biāo)段內(nèi)路基病害成因進(jìn)行分析

2.1 多年凍土工程地質(zhì)條件是產(chǎn)生凍土路基病害的根本原因

對于多年凍土，平均地溫、其含冰量、多年凍土天然上限等方面均為多年凍土工程地質(zhì)條件的主控方向。以上幾個(gè)主控因素加上凍結(jié)層上含水量等地質(zhì)水文條件，尤其這幾大要素的組合，直接決定了多年凍土的工程地質(zhì)狀況，因受多年凍土的工程地質(zhì)狀況影響，高原凍土地區(qū)路基工程產(chǎn)生了不同于其他地區(qū)的特殊性病害形式：橋頭路基沉降、路基開裂等。

2.2 外部條件變化是影響凍土穩(wěn)定性的直接原因

①路基作為跨越各種地址、地錨、凍土環(huán)境的長距離帶狀結(jié)構(gòu)物、具有與大自然接觸廣泛的特點(diǎn)，影響路基基底下多年凍土地基的熱穩(wěn)定性的因素有氣溫、年平均地溫、太陽輻射、凍結(jié)層上水、路基結(jié)構(gòu)形式、路基邊坡朝向、施工季節(jié)、施工方式等。

②多年凍土段存在水文及水溫地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，水所攜帶的熱量日積月累降低了多年凍土相對的熱穩(wěn)定，多年凍土的天然凍結(jié)深度發(fā)生改變，凍結(jié)深度的不穩(wěn)定，融沉界限下降，直至不良凍土問題出現(xiàn)。

③建設(shè)期間，橋臺(tái)基坑開挖及樁基、大體積混凝土澆筑，破壞了原有的凍土環(huán)境，對凍土產(chǎn)生極大擾動(dòng)，路橋過渡段基底下臥多年凍土的工程性質(zhì)因此也受到不利影響，從而造成凍土的天然上限值下降，多年凍土逐步融化下沉。endprint

2.3 路基、橋臺(tái)對凍土工程性質(zhì)影響不同

標(biāo)段內(nèi)路基與橋臺(tái)的材料構(gòu)成不同、結(jié)構(gòu)的形式不一、幾何尺寸各異，同時(shí)地區(qū)太陽輻射不同，引起的溫度改變及效應(yīng)不同，從而對路基填料的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大差異影響，尤其銜接處附近極易產(chǎn)生不均勻沉降，直至路基病害的發(fā)生。

3 路基病害綜合治理

路基病害處理施工：邊坡防護(hù)工程、路基加固工程。

根據(jù)多年凍土區(qū)的支擋、防護(hù)建筑物不采用漿砌片石結(jié)構(gòu)[3]的原則，標(biāo)段內(nèi)橋頭路基病害處理采用浸塑網(wǎng)片隔離加干砌片石護(hù)肩的處理方案，部位路段采取防凍脹護(hù)道（坡腳下傾填片石）、干砌片石護(hù)坡、熱管。

①標(biāo)段內(nèi)干砌片石護(hù)肩（坡）因鄰近營業(yè)線施工，采用浸塑網(wǎng)片防護(hù)柵欄隔離施工。防護(hù)柵欄最內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)物邊緣，與線路中心線大于鐵路建筑限界，不損壞道床坡腳，浸塑網(wǎng)片隔離在道碴下坡腳位置設(shè)置。

干砌片石抗壓強(qiáng)度不小于MU30[4]。片石厚度應(yīng)在15-20cm之間，為保證運(yùn)營安全，采用干砌片石加高路肩至道床頂面下0.45m（或與既有擋碴墻頂面齊平），干砌片石頂面寬度0.8m，頂面采用5cm厚M10砂漿抹面。既有線路采用碎石護(hù)坡形式的則干砌片石垛加高、加寬以滿足路肩要求。在橋頭附近1m長度范圍內(nèi)設(shè)置干砌片石垛對端部進(jìn)行加高、加寬封閉，如圖1所示。

②為保證路基的邊坡、坡腳穩(wěn)定，可采取坡腳處施做防凍漲護(hù)道（傾填片石）的原則，為保護(hù)路堤、坡腳不因凍土的季節(jié)性變化而引起路基面、坡腳處高低起伏而損壞路基。路基的填筑高度>3m時(shí)，路基路堤兩側(cè)設(shè)置防凍漲傾填片石護(hù)道，高度、寬度必須大于當(dāng)?shù)囟镜淖畲髢鼋Y(jié)深度，傾填片石的選用原則與干砌片石一致，干碼。

③熱管與通風(fēng)管。

鐵路路基兩旁設(shè)置熱管，地面以上高約2m，埋入地下5m。熱管為中空式，內(nèi)部灌有液態(tài)氨。工作原理：每當(dāng)路基外空氣溫度低于路基內(nèi)部時(shí)，熱管中液態(tài)氮?jiǎng)t氣化，氨變?yōu)闅怏w后密度變小，上升到熱管的頂部，通過熱管外分布的散熱片使熱量傳遞給空氣，氣態(tài)氨因失去熱量再次冷卻變?yōu)橐簯B(tài)氨，因密度增大、重力作用下再次返回?zé)峁艿牡撞俊Ｓ纱酥芏鴱?fù)始，最關(guān)鍵一點(diǎn)，熱管僅能單向傳導(dǎo)熱量，傳導(dǎo)方向：只能從地下向熱管頂部傳遞，反之則不能傳導(dǎo)。熱管相當(dāng)于一臺(tái)天然的制冷空調(diào)，完全不受動(dòng)力系統(tǒng)約束。同時(shí)在路基的水平方向設(shè)置通風(fēng)管（與熱管的垂直方向設(shè)置相反），路基內(nèi)外產(chǎn)生溫差時(shí)，通風(fēng)管則利用空氣對流的遠(yuǎn)離將熱量排出，溫度降低，使多年凍土區(qū)的凍土臨界點(diǎn)提升，從而保證下部凍土的穩(wěn)定，如圖2所示。

4 路基病害預(yù)防措施

多年凍土路基在堅(jiān)持“主動(dòng)降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土”的思路同時(shí)，廣泛應(yīng)用片石氣冷、碎石護(hù)坡、熱管等主動(dòng)保護(hù)凍土措施[3]。結(jié)合既有路基建設(shè)及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用片石氣冷、碎石護(hù)坡（路基）、熱管、保溫護(hù)道、挖除換填等綜合措施保護(hù)多年凍土。施工中要保證將既有路基、既有凍土的熱擾動(dòng)降低到最低程度。

①重視多年凍土環(huán)境保護(hù)，不得在高含冰量凍土分布地段取土，不宜在植被覆蓋良好的地段取土棄土。施工便道遠(yuǎn)離路堤坡腳、路塹頂部至少20m，并不得在路堤坡腳與排水溝間擾動(dòng)。

②施工前通過現(xiàn)場復(fù)查、核對設(shè)計(jì)文件，了解路基所處位置的凍土分布類型、凍土上限、地面水及熱融、冰丘、凍土沼澤等情況[1]。施工生產(chǎn)嚴(yán)格依照：保持地溫、保護(hù)凍土生態(tài)平衡、保持地表附著物的原則。

③路基施工應(yīng)選擇合理的施工季節(jié)和時(shí)段。

1）青藏高原太陽輻射強(qiáng)烈，高含冰量地段路基開挖可在12月-來年2月、6月-8月施工，路基基地、邊坡?lián)Q填等施工應(yīng)6月底前完工。2）路堤段填筑可在9月-11月、3月-5月施工，一天中高溫時(shí)間段應(yīng)避免施工。

④多年凍土區(qū)路堤填筑可在不清除地表植被的地面上直接施工。根據(jù)凍土區(qū)最大凍結(jié)深度、凍土含冰量、地表植被覆蓋種類、地溫、基礎(chǔ)巖土性質(zhì)等因素，選擇熱管、通風(fēng)管、保溫護(hù)道（傾填片石）、碎石護(hù)坡、片石氣冷、保溫材料、換填滲水土、排水管等各種路基處理措施及多種措施的組合運(yùn)用保護(hù)多年凍土，對既有路基、凍土層的的熱擾動(dòng)降到最低限度。

5 結(jié)論

多年凍土在我國分布較廣，多年凍土路基研究發(fā)展較晚，近些年由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力推進(jìn)，路基病害的整治與防治措施研究發(fā)展迫在眉睫，文章通過青藏鐵路工程路基病害整治及施工措施實(shí)例出發(fā)，將路基病害產(chǎn)生的形式、綜合整治的措施詳細(xì)描述，通過實(shí)例證明多年凍土路基病害的嚴(yán)重性及根據(jù)路基病害的不同形式選擇相對應(yīng)的治理方法，以期將多年凍土路基病害降低至最低程度，并得到完全根治的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳海平.青藏鐵路格拉段擴(kuò)能改造方案分析及實(shí)施建議[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2015.

[2]胥俊德.青藏高原多年凍土區(qū)建筑基礎(chǔ)工程施工和質(zhì)量控制及環(huán)境保護(hù)[J].甘肅科技，2015.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).青藏鐵路高原多年凍土區(qū)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定（2003年局部修訂版）[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB 10414-2003，鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2004.endprint