东北多年冻土地区高速公路路基修筑技术与对策

西丙辰，张景致

(1.黑龙江省航道局;2.黑龙江省公路学会)

黑龙江省夏季短促而炎热，冬季漫长而寒冷。季节温差与昼夜温差大，最大温差分别为77.6℃、84.0℃，尤其是冬季，北部地区最低气温可达零下44.92℃，属于重冰冻地区，特别是大小兴安岭北坡，具有包括多年冻土和季节性冻土的广泛分布，在重冰冻地区修筑高速公路，由于冰冻和融化的影响会发生一系列的病害。如何在解决路基热稳定性的前提下，保持路基工程的长期稳定性是目前重冰冻地区公路工程研究的重要课题之一。特别是高温多年冻土地区的公路路基的热融下沉问题是至今尚未彻底解决的世界性技术难题，针对岛状多年冻土路基施工的关键技术，在交通运输部的大力支持下，启动了以部公路科学研究院为主要技术支持单位的部省联合科技支撑黑龙江省公路建设行动计划，其中解决寒区岛状冻土路基施工技术做为重点科技攻关项目，发挥科技工作在我省公路建设三年决战中的支撑作用。

黑龙江省多年冻土的分布特点是大兴安岭地区的多年冻土比小兴安岭地区的更为发育，大片的多年冻土集中在大兴安岭，而处在小兴安岭的伊春地区只有岛状和稀疏岛状冻土分布，在这一零星分布的冻土区，实际上是多年冻土与季节性冻土相互过渡的地带，亦称为南界。这点也可以从黑龙江省多年冻土分区图中看出，黑龙江省多年冻土可分为四个区，即I区—大片连续多年冻土区，Ⅱ区—岛状融区多年冻土区，Ⅲ区—岛状多年冻土区，Ⅳ区—季节性冻土区，详见黑龙江省多年冻土工程地质分区图。

多年冻土具有独特的工程性质，由于多年冻土的存在影响了地表水在垂直方向的渗透，容易使地表处于过湿状态，当多年冻土层上水发育，冻结时水分转移积聚能产生相当厚的地下冰。在多年冻土区，冬季由于气温寒冷，冻结时融冻层的冻结封闭容易使地下水受到压力而产生冰丘和冰锥的活动。由于自然受力或人为活动的破坏可能形成热融滑坍、热融沉陷以及在多年冻土层上形成的冻土沼泽等不良的工程和水文地质现象。尤其是公路沿线的水分变化对路基稳定性和冻土稳定性有较大的影响，公路所产生的严重病害，绝大多数是由于路基失去稳定性而产生的。多年冻土路基稳定性涉及多年冻土区的气候，地质地貌及路基合理高度及采取的设计结构，工程措施等多种因素，是多年冻土地区修筑公路的关键技术，也是世界上公认的技术难点之一。只有路基稳定性这一多年冻土区修筑公路的关键技术得到解决，公路的病害才会大大减少，特别是近年来我国东北、西北地区修建了很多高速公路，很多省涉及多年冻土技术问题，因此，如何防止和解决多年冻土区路基稳定性的设计及施工关键技术给我们公路建设者提出了更严峻的挑战。

在相同的年平均地温的条件下，冻土中含冰量的多少决定了路基融化后的沉降量。也就是说高含冰量的冻土路基的沉降量比低含冰量冻土大。根据实验室及室外试验统计分析：相同的融化深度(或上限变化值)情况下高含冰量冻土路基的下沉量是低含冰量的2～5倍，甚至更大，可达10～20倍。表1可以反映这个问题。

表1 多年冻土类型与工程分类

伊春至绥化公路伊春至铁力段属于岛状冻土Ⅲ区内，由于多年冻土的厚度小，地温高，对自然条件和人类生产活动所引起的环境变化更为敏感。各种迹象表明，小兴安岭地区的多年冻土处于退化状态，而且多年冻土上限也会逐年下降。

黑龙江省伊春至绥化高速公路是国家高速公路7918网中的纵1线、鹤岗至大连高速公路的联络线，编号G1111，新建高速公路全长236.097 km，批准初步设计总概算核定为67.8亿元，该工程项目已于2009年5月开工，预计2011年9月竣工交付使用。本项目位于松嫩平原与小兴安岭山脉衔接处，地理位置在东径128°02'～128°50'，北纬 47°01'～47°22'，行政区划属于伊春地区，自然区划为Ⅱ1、Ⅰ2区，伊春至联合位于Ⅰ2区边缘，即北部岛状多年冻土区，联合至铁力为Ⅱ1区，即东北东部山地湿润地区。

路线范围内有多处多年冻土，分布在林区塔头路段，覆盖塔头等植被，多年冻土一般厚3～5m，最大达12m，局部地段多年冻土冻深在季节性冻土范围内，但由于植被覆盖良好，基本不融化，冻土类型有多冰冻土，富冰冻土饱冰冻土，含土冰层等，本地区属于退化多年冻土区，属于温冻土，对于饱冰冻土及含土冰层，由于融沉性较强，路基施工后，会产生较大变型，富冰冻土，多冰冻土岩石一般为砂砾或基岩，融后变形较小，该项目多年岛状冻土路段的工程性质和水文地质现象，在我省北部地区高速公路建设项目中具有代表性。

由于该项目沿线冻土路段分布较广，为了保证通过多年冻土区段路基稳定耐久，设计部门深入调查沿线的自然条件，充分了解掌握各有关自然因素的变化规律及地质水文情况并分析已有公路的设计、施工、科研试验及运营期出现的病害。通过完善、准确、可靠的外业调查和工程地质勘察资料为依据，充分考虑冻土条件，并对沿线的气象，降水量、风速、日照、地温、覆盖层厚度，地表植被，冰冻及融化时间，沿线的地形地貌，多年冻土的分布厚度成份，冰冻构造，冻土的物理，热物理及土力学性质，季节性融化层和季节性结冰层的深度，冻融过程和形成规律以及用于评价冻土工程地质条件变化特征的相关数据和资料进行认真的调查和分析，同时根据外业钻探、取样、雷达检测等手段绘制详细的工程地质图表，并展开相应的室内试验，通过挖探等手段，准确界定岛状冻土的位置，上限、下限，为科学合理的路基设计方案提供依据。

黑龙江省公路勘察设计院于2008年9月底完成初步设计编制工作，在外业勘测调查中，本段共完成地质钻孔215个，其中调查多年冻土的钻孔57个，累计进尺2 235m，其中调查多年冻土进尺332m，根据地勘结果，最终确定全线岛状冻土路段总长度4 983m，占路线总长的2.1%。冻土路段主要是在K41+93～K47+560解放林场经营所区间，沿线呈间断，零星分布，其中最长的段路为570m最短为45m。多年冻土在平面上的零星分布表明冻土还在消融，范围在逐渐缩小，也反映出现存多年冻土的退化趋势，横向上多年冻土分布也不一致，个别路段路基下仅一侧(阴坡)残存多年冻土，路基下多年冻土沿深度方向的分布则较复杂，多年冻土的剖面特征多呈现梯形或透镜状，层厚一般不大，路基下冻土人为上限较深，绝大部分在5～8m，个别较浅最浅的2.6m，通过相关物理，力学指标土工实验，结果得知，沿线土质天然含水量在29.4～47.69之间，K42～K45段冻土类型以富冰冻土，饱冰冻土为主，融沉等级Ⅲ—V，融沉类型为融沉，强融沉，融沉系数16.6 ～69.2。

在初步设计路线方案中，设计部门十分注重地质选线的原则，选线尽可能避开多年冻土段，若无法避开，对于饱冰冻土及含土冰层，根据冻土下限分别采用清除冻土，复合地基或以桥代路的处理方案。

针对该段冻土的特点，设计单位采取了相应的工程措施，在不改变或少尽量改变冻土环境的条件下，一般采用保护冻土的原则，对少冰冻土和多冰冻土路段以及含水量较小颗粒较粗的富冰冻土可按不破坏冻土的原则设计，对于不考虑冻土影响的情况，如粗颗粒解冻胀性土的冻融影响较少，可按一般路基设计，多年冻土地区路基宜选用掺水性能良好或水稳定性好的粗颗粒土如碎砾石土，天然砂砾等填筑，当缺少粗颗粒土时才能用细颗粒土填筑，但在低洼湿地，则应在基底铺筑粗颗料毛细隔断层，以防止路基冻胀，为了保护多年冻土不发生融化一般要做好排水工程，由于水流带有一定的热量，它对冻土的融化往往起到明显的作用，从而引起较大的病害。

多年冻土地区的路基填筑高度，应特殊考虑采用路基保温高度，同时应设置保温护坡道和护脚，在饱冰冻土及地下冰地段填筑路堤当靠近基底仍然有饱冰冻土或地下冰层，并且有可能融化时，在填方坡脚一侧或两侧设置保温护坡道或护脚，计算表明，在路基侧设置护坡道和护脚对路中多年冻土上限变化有着十分明显的有利于热稳定性的影响。

为确保路基的稳定性，对普通公路当前最可行的途径就是采用保温法，除了抬高路基高度以外，以路面基层以下路基中铺设隔热材料也是增大路堤热阻，减少传入冻土路基中热量的一种重要措施，铺设隔热材料后，冷季近地表面路基温度的变化即温度梯度明显大于未铺设隔热材料的路基，暖季则相反，这些差异与隔热材料的性状有关，与其自身的隔热效果一致，我省在伊春至嘉阴公路路基施工中采用过，效果较好。但要求在冬季施工，这样隔热材料下面的土体温度较低，更有利于隔热材料优越性能的发挥，有利于以后运营期路基体的热量循环与交换。

而对于交通量大，设计使用寿命较长、投资较大的高速公路项目，对路基稳定性要求相对较高，因此对于多年冻土埋藏较浅的(小于3m)宜采用完全清除的处理方案，清基深度应清到少冰冻土的砂砾层，但对于旧路帮宽的项目，为保证原旧路的整体稳定性，不宜采用清除的方案，宜采用复合地基的处理方案，复合地基的处理深度要考虑冻土层以下的土质情况综合设定。

多年冻土埋深大于3m的路段，宜采用设置复合地基的处理方案。冻土处理深度依据钻探资料确定，应穿透高含冰量的冻层，若下部为少冰冻土的砂砾，粗砂或泥岩，则采用柔性桩(碎石桩)：若下部土质为粘性土，或含冰量大的砂砾层，则采用刚性桩(水泥搅拌桩，CFG桩)。

对于设置复合地基的路段，表层的泥炭层可不清除，直接填筑60cm厚的砂砾进行复合地基施工的设计方案。

对于埋置深度大于8m，并且冻土层比较复杂，土质不良的路段，可考虑以桥代路的方案，桥梁下部设计桩长要考虑冻土全部融化的条件进行设计。

根据地质调查报告的结果，对于伊绥公路K41+93～K49+560冻土段，施工图设计最终确定采用冻土路基清除处理设计方案，长度为2086m，采用CFG复合桩基础方案路段145m，对于最长的570m冻土段则采用以桥代路的设计方案，全线以桥代路段设置桥梁6座总长2 752m，桥梁上部结构采用20mT梁桥面连续，下部采用肋扳式桥台或柱式桥台、柱式桥墩钻孔桩基础。

随着全球气侯变暖，和人类活动使多年冻土的稳定状况发生了变化，黑龙江省北部寒区现存的多年冻土出呈现出逐步退化的趋势。加之我省多年岛状冻土成分差异大，不稳定，变化复杂等，对它的认识深度有限。高速公路多年冻土区路基稳定问题是一个长期需要不断创新研究的问题。我们将建立长期冻土地温及水分观测场并进行观测，对不同的路基工程技术方案在期工程间与施工后进行观测(水分、地温变形)对相关资料和数据进行分析，同时要建立科学的冻土区路基稳定评价体系，确立冻土热稳定性评价指标，探索路基修建后冻土变化和路基结构层之间的关系，更好的探索解决多年冻土区路基稳定性这一世界性技术难题，降低冻土融沉和冻胀变形对公路造成的损坏，使公路基础设施耐久性达到设计使用年限和保证行车安全。