和田南部藏北高原地區多年凍土公路路基及邊坡處理研究

趙奇峰

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830006)

以青藏、青康、新藏等公路為依托，2002年交通部確立了《多年凍土地區公路修筑成套技術研究》項目，歷時5年系統總結了中國多年凍土區公路修筑經驗，取得了一系列理論與技術成果。目前，多年凍土路基處治中主要采取保護凍土并控制融化速率的原則，一般少冰多年凍土采用抬高路基的措施，凍土含冰量高、凍土溫度較高、凍土地質條件較差路段的處理方式主要有XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風路基、通風管路基及熱棒路基等。但多年凍土地區公路建設項目在眾多科研成果的支撐下還是不同程度地出現了路基沉陷病害。該文以G216民豐段多年凍土處治為依托，通過對多年凍土地區自然地理環境的分析，研究適用于該地區多年凍土路基及邊坡處治方案，為多年凍土處治提供借鑒。

1 項目概況

G216線民豐段部分段落位于和田南部藏北高原區，地形起伏不大，海拔4 800～5 297 m，沿線從藏北高原過渡地帶到藏北高原新藏界范圍均分布有多年凍土。其含冰土層主要為角礫土、碎石土等粗粒土，屬不融沉～弱融沉性多年凍土。其中山脊處以少冰～多冰凍土為主，溝槽中以多冰～富冰凍土為主，局部為飽冰凍土；多年凍土厚度不一，上限為1.0～1.5 m。現場實測地溫為-0.52～-1 ℃，據此評價區內多年凍土屬高溫不穩定多年凍土。

2 沿線多年凍土發育條件

(1) 氣候。新疆和田南部藏北高原地區平均海拔在4 900 m以上，主要以寒冷干旱高原氣候為主。全年降水量少，日照時間長，蒸發量大，年平均氣溫低，多風。據南端改則縣氣象站資料，改則縣年平均氣溫-0.2 ℃，1月平均氣溫-12.8 ℃，7月平均氣溫11.9 ℃；年平均降雨量189.6 mm，極端降水量最大295.8 mm(1977年)、最小84.5 mm(1982年)；降水主要集中在6—9月，降水量為170.8 mm，占全年降水總量的89.94%。受地形地貌、海拔高度及緯度差異的影響，氣溫呈明顯的地理分布特征。新疆和田南部藏北高原地區海拔比改則縣更高，區內氣候條件比改則縣更惡劣，降雨、降雪更稀少，氣溫更低，這些因素形成了多年凍土得以保存的外在條件。

(2) 地形、地質。該項目所在高原區地形起伏不大，以高原丘陵地貌和高原沖積平原地貌為主。受強烈構造運動影響，道路沿線褶皺、斷裂、儲水構造極為發育，地層主要為第四系全新統角礫，稍密～中密，充填中細砂，山前沖洪積層分布著深厚松散的礫石層，構成儲水空間和移動通道。據地質調查，地形低洼處排水不暢，多年凍土較發育；苦牙克大裂谷進入藏北高原過渡地帶為高原區水源補給區排泄通道，且覆蓋層較厚，該處多年凍土較發育；多年凍土厚度由高原平臺頂(0.8 m)至下部逐漸增大，多年凍土由少冰多年凍土逐漸變為富冰多年凍土。

(3) 水文特點。和田南部藏北高原地區地表水主要為天然湖泊，主要分布在昆侖山區羌塘高原內陸區，由昆侖山冰雪融水在低洼處形成高原湖泊。以該區降水及高山冰雪融水形成的徑流進行補給，維持湖泊面積的穩定。地表部分被第四系覆蓋，地下水多儲存于多年凍土層中，多年凍土表層一定深度內的水隨著季節交替凍融循環，為高原湖泊和地表水的重要補給源。

3 多年凍土路基的處理

3.1 處理措施

目前，凍土路基處理主要采用保護凍土并控制融化速率的原則，一般少冰多年凍土采用抬高路基的措施，但在凍土含冰量高、凍土溫度較高、凍土地質條件較差的路段，路基抬高過大已不經濟或出現高路堤問題，無法達到保護凍土并控制融化速率的目的，需進一步采用其他隔熱、自然降溫措施。主要處治措施及其優缺點見表1。

表1 多年凍土路基處治措施比選

該項目經過凍土路段多以填方通過，但局部從苦牙克大裂谷進入藏北高原過渡地帶因地形起伏較大，路線在爬升克服高差過程中不可避免地采用路塹方式通過。在多年凍土路基處治中，根據填挖情況，結合土質類別、含冰量、地溫等實際情況，考慮以上處治措施的適用特點，分別采用如下處理方案：

(1) 對于少冰、多冰凍土路段，在地基無軟弱土的前題下直接采用礫類土填筑路基，不進行特殊處理，保證路基有一定填筑高度(一般不小于3.0 m)，路基兩側做好截排水設施。在不破壞多年凍土現狀的情況下直接填筑路基可使多年凍土上限升高，但隨著路基內含水量的降低，路基上部將不受多年凍土的影響。

(2) 富冰凍土填方路段采用片塊石通風路基，片塊石分2層填筑。上層采用規格10～15 cm的片塊石，厚度0.2 m；下層采用規格不小于20 cm的片塊石，厚度0.8 cm。片塊石層和路面結構層之間采用不小于30 cm厚的砂礫石填筑，路基兩側做好截排水設施(見圖1)。

圖1 片塊石通風路基斷面示意圖(單位：cm)

(3) 對于低填及挖方段，路面底部以下鋪設砂礫石防凍層，換填路面結構層以下1.5 m砂礫石，兩側設置加深邊溝，挖方邊坡坡率1∶1.5。受造價限制，挖方坡面未采取隔熱保溫措施(見圖2)。

圖2 低填及挖方段多年凍土換填示意圖(單位：cm)

(4) 路基、路面分期實施。XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風路基、通風管路基及熱棒路基有一定效果，但還不能完全解決多年凍土帶來的問題，建成初期依然會出現很多病害，特別是多年凍土段采用瀝青面層鋪筑后病害比砂石路面明顯增加(瀝青面層和半剛性基層脫離現象嚴重、水泥穩定砂礫基層在低溫條件下不易形成板體、路基路面出現融沉變形沉陷)，路基在建成后通過長時間在自然條件下達到新的平衡后才能穩定。因此，路基、路面應分期實施，路面在路基建成通車2～4年后鋪筑，這樣既有利于病害處治，也可避免浪費大量資金。

3.2 施工中遇見的問題及解決方案

多年凍土路段一般建議在寒季施工，但該項目區海拔高度在4 800 m以上，寒季溫度較低，通常在-20 ℃以下，如此高的海拔和低溫對施工中的給養帶來極大挑戰，施工成本巨大，在寒季施工不現實。為此，施工單位不得不在夏季對多年凍土段進行施工。由于氣溫較高，地表的多年凍土融化使表層土體含水量增高，部分低洼處接近飽和狀態，過高的含水量造成地基承載力極低，給施工帶來極大不便。針對這種情況，考慮到施工的便利性和可行性，對原設計處理措施進行調整。

(1) 少冰、多冰未進行特殊處理凍土的段落，施工過程中出現表層凍土融化現象，造成施工機械和人員無穩定的施工平臺，無法進行正常施工。為此，在地表填筑一層不小于50 cm的片塊石作為施工平臺，再進行正常路基填筑。

(2) 挖方段多年凍土在路基開挖后出現凍土快速融化現象，無法進行填前碾壓及路基換填砂礫施工。為便于施工并避免路基出現沉陷病害，調整下部換填方案，將多年凍土路床底部換填70 cm砂礫石防凍層調整為換填70 cm片塊石(見圖3)。

圖3 低填及挖方段多年凍土換填片塊石示意圖(單位：cm)

(3) 該項目在多年凍土段受地形限制出現較多挖方路基，多年凍土挖方一般建議在寒季施工，但受環境限制，該項目在夏季施工，采用挖掘機對挖方段多年凍土進行開挖。根據現場挖方情況，少冰多年凍土邊坡在開挖至1∶1～1∶1.35時基本穩定，且邊坡滲水較少，邊坡坡率可適當調整；多冰及富冰多年凍土挖方邊坡按設計1∶1.5進行開挖，開挖后凍土直接暴露于地表，邊坡凍土出現快速融化情況，邊坡開挖十幾分鐘后即有融水滲出，但邊坡整體較穩定，未出現邊坡垮塌現象。現場調查發現自然穩定邊坡的坡率為1∶1.3～1∶1.5，實踐表明開挖邊坡坡率采用1∶1.5是穩定、可行的。另外，受施工季節影響，該項目開挖邊坡處于融化滲水狀態，對邊坡進行隔熱保溫防護施工較困難，效果也十分有限，如果造價有限，對挖方邊坡可不進行防護，讓其自行融化穩定。

4 結論

(1) XPS擠塑保溫板隔熱路基、片塊石通風路基、通風管路基及熱棒路基等多年凍土處治措施在實際應用中有各自的優缺點，從已建成道路使用效果來看，片塊石通風路基是處理多年凍土最直接、最有效且施工較方便的一種措施，多年凍土地區工程建設中可重點考慮采用。

(2) 多年凍土區因其特殊的地質條件，對工程項目有著長期的影響，從節約造價及工程項目耐久性考慮，有條件的項目在項目立項初期應考慮路基和路面分期實施。

(3) 地基土中含水量大是造成多年凍土病害的根本原因，在路基范圍做好截、排水設施降低地基的含水率可降低多年凍土上限并有效減輕多年凍土融沉病害。