青藏铁路高含冰量冻土地段路基设计

马继涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 概述

青藏铁路格尔木至拉萨段(简称“青藏铁路格拉段”)位于青藏高原腹地,线路经过多年冻土地区北界位于昆仑山北麓的西大滩,海拔高程4 350 m,线路里程DK957+640；南界位于唐古拉山南麓的安多河谷,海拔高程4 780 m,线路里程DK1513+770,青藏铁路通过多年冻土区的长度为546.43 km。多年冻土稳定性差、含冰量高,受全球气温升高、水文及水文地质等复杂因素影响,融沉、冻胀和不良冻土现象是多年冻土主要工程地质问题。

1.1 地形与地貌

多年冻土区处于青藏高原,线路通过的主要山系均呈东西走向,自北向南主要有昆仑山、可可西里山、风火山、乌丽山、开心岭及唐古拉山、头二九山,宏观地形开阔,山岭浑圆而坡度平缓,山体窄、沟谷宽,呈现“远看是山,近看平川”的高原景色。

高原上,山系与河流交替出现,形成高平原及盆地等地貌。高平原如楚玛尔河平原,盆地自北向南有北麓河盆地、乌丽盆地、沱沱河盆地、通天河盆地、温泉断陷盆地。在盆地与山系之间又通过多处谷地,自北向南主要有西大滩断陷谷地、尺曲谷地、布曲河谷地等。

线路通过的河流主要有楚玛尔河，沱沱河，通天河及其支流布曲河、扎加藏布,这些河流主要由冰川融水和大气降水补给,流量随季节变化大。

沿线寒冷干旱,气候多变,四季不明,空气稀薄,气压低,一年内冻结期长达7、8个月(每年9月至次年4、5月)。年平均气温-4～-5.2 ℃,年平均降水量248.5～290.9 mm,年平均蒸发量1 316.9～1 638.9 mm。年平均风速3.9～4.1 m/s,最大风速20～28 m/s,风向以西北、西风为主,大风多集中于10月至次年4月间。

1.2 水文地质特征

冻土区具有一定厚度的多年冻土,形成一个较完整的统一隔水层,地下水出现了冻结层上水、冻结层下水、融区水等几种特殊的地下水类型。

地下水的补给主要来自大气降水、融雪水、冰川消融水。地表水在多年冻土区汇集成溪流,在径流过程中渗入补给多年冻土区的层上水。由于冻结层的存在,多年冻土层下水不可能直接获得地表水的补给,主要通过河湖融区及冰川底部融区接受层上水或地表水补给。冻结层下水主要通过融区排泄,径流迟缓,其天然露头在旱季形成冰椎或冻胀丘。

1.3 多年冻土工程地质特征

多年冻土工程地质条件的主要控制因素有平均地温、含冰量、多年冻土上限等,这些控制因素再加上冻结层上水等水文地质条件及其组合关系，决定了多年冻土工程地质条件。

(1)年平均地温

多年冻土土体温度(简称地温)是反映多年冻土热稳定性的重要指标,一般用年平均地温(Tcp)表示,即年较差为零深度处的地温。青藏铁路通过地区的多年冻土分为4类不同地温分区[1],年平均地温分布情况见表1。低温区冻土主要分布在昆仑山区、楚玛尔河高平原边缘区、可可西里山区、风火山区、开心岭山区、唐古拉山区、头二九山区,分布长度约150 km,占多年冻土线路通过长度的30%；高温极不稳定区冻土主要分布在西大滩、楚玛尔河高平原河谷区、沱沱河、通天河、布曲、扎加藏布等大河融区与多年冻土过度地段及其他融区与多年冻土过渡地带。沿线河流河谷滩地与低阶地冻土区长约112 km,约占多年冻土区线路长度的21%。高温不稳定区多年冻土分布于除低温及高温极不稳定区以外的其他地区长228 km,约占多年冻土区线路长度的49%。

表1 青藏高原多年冻土的地温分区

(2)含冰量

根据总含水率,多年冻土分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层。少冰冻土、多冰冻土称为低含冰量冻土,富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层称为高含冰量冻土。勘察探明在546.43 km连续多年冻土中,高含冰量冻土为223.16 km,占续多年冻土总长41%,多冰、少冰冻土为221.59 km,融区为101.68 km,见表2。

表2 多年冻土特征分布 km

(3)多年冻土上限

根据地温观测、综合勘探、融化速度计算等方法对多年冻土进行统计分析,在昆仑山、风火山、乌丽山、唐古拉山等山区上限深度较浅,一般为2～3 m,西大滩断陷谷地、楚玛尔河高平原、沱沱河盆地、通天河盆地、温泉断陷盆地、布曲河谷地等平坦地区上限深度较深,一般为2～5 m。

(4)不良冻土现象

线路通过地区的各类不良冻土现象危害较大,但较易通过地面调查圈定。因此,可以通过优化线路平面位置加以避绕或合理设置工程类别通过。但工程修建和活动会不可避免地改变地表水、地下水径流条件和其他环境条件,诱发产生新的不良冻土现象。不良冻土分布情况及对工程的影响见表3。

表3 不良冻土分布情况及对工程的影响

2 路基工程特殊性问题

受多年冻土工程地质特性的影响,路基工程将产生不同于一般地区的特殊性问题,主要表现为地基融沉、路堑边坡溜坍，不同结构物、不同地质条件在衔接部位附近的不均匀沉降及路基开裂等。

2.1 地基融沉

在多年冻土天然上限附近往往存在厚层地下冰和高含冰量冻土,由于其埋藏浅,受气候、生态、微地貌、水文条件等天然因素和各种人为活动的影响，很容易融化,天然上限下降,融化后的土体在其自重作用下发生融沉,导致路基沉降变形。典型路基融沉变形如图1所示。

图1 国外某多年冻土铁路

图2 多年冻土融化引起边坡溜坍

2.2 路堑边坡溜坍

多年冻土融化并引起土体溜坍(见图2)。路堑挖方对整个温度场产生极为不利的影响,下卧多年冻土的工程性质将发生显著变化,一旦冻土路堑开挖,冻土埋藏深度将变浅或完全暴露在大气当中,冰开始融化,土体饱水,强度急剧下降。如果处理不当,将会引起路堑边坡开裂、下滑、溜坍。

2.3 不同地质条件下结构物不均匀沉降

不同的结构形式、几何尺寸,对多年冻土温度场产生不同的影响,温度场的差异又反过来影响下卧多年冻土的工程性质,引起路堤与路堑、路堤与桥在交接处附近产生不均匀沉降,影响线路的平顺性。

融区附近的多年冻土对环境变化极为敏感,气温波动、人类活动极易引起多年冻土力学性质及强度指标变化,导致在多年冻土与融区交接处路基产生不均匀变形,也影响线路的平顺性。

2.4 冻胀

在路基本体内含水量较高时,细颗粒土地基和路基填料由于寒季的冻结作用易产生较大的冻胀变形,导致铁路轨道的不平顺性,对行车速度和安全造成不良影响。

2.5 裂缝

在反复的冻结和融化作用下,最大融化深度范围内的路基土体相应地发生冻胀和融沉变形,导致路基土体强度下降,尤其在冻胀和融沉变形较大的表层,土体强度下降幅度较大。由于路基阴阳坡受太阳辐射强度差别的影响,导致路基温度场、多年冻土人为上限的横向不对称,产生横向的不均匀沉降。两方面因素导致多年冻土路基易出现纵向裂缝(见图3)。裂缝宽度在几毫米甚至几十毫米,长度在几米甚至几十米。

图3 路基裂缝

3 多年冻土路基设计原则

多年冻土工程地质条件取决于多年冻土地温、含冰量、冻土上限及不良冻土现象等因素,也受包括气候、生态、微地貌、水文条件及人类活动等外部因素的影响。而路基是跨越各种地质、地貌、冻土环境的长距离带状结构物,具有与大自然接触广的特点,气温、年平均地温、含冰量、太阳辐射、冻结层上水、路基结构形式、路基边坡朝向、施工季节、施工方式等都会影响路基基底下多年冻土地基的热稳定性,应根据综合条件采取相应的工程结构与处理措施。

多年冻土的生存和发展,不仅和目前的地层岩性、含冰量、年均地温等冻土本身性状息息相关,其热稳定状态还受气温变化的直接影响,尤其在全球气候转暖的大背景下,多年冻土对路基工程长期稳定性的影响是必须考虑的。根据对青藏高原未来气候变化的预测研究,采取的工程结构与处理措施应确保未来50年气温升高1℃的情况下路基工程稳定,在此基础上进一步提高路基工程抵御升温的能力。

高含冰量冻土,在工程地质复杂地段、水文及水文地质条件复杂地段、与融区交界的地段,无论采取何种保护多年冻土的措施或延缓多年冻土融化速率的措施,路基融沉、开裂、沉降都比较严重,不宜以路基通过。

4 多年冻土路基设计

经过近半个世纪的实践、认识、再实践、再认识的艰苦探索,对多年冻土的认识水平在不断提高,设计理念在不断更新,处理措施在不断完善,形成了成套高含冰量冻土地段不同综合条件等级下的处理技术(见表4)。处理技术以冻土地基热稳定为核心,以冻土年平均地温、含冰量、冻土上限、不良冻土现象、水文地质条件及路基高度等为基础,充分考虑全球气温升高的影响,形成了青藏铁路一整套保护多年冻土的工程措施。

表4 高含冰量冻土地段不同综合条件等级下的处理技术

4.1 高含冰量冻土地段路堤设计

(1)综合条件等级“一般”地段

①路基面两侧预留沉落加宽值0.40～0.60 m。

②路基两侧设置碎石护坡。碎石护坡阳坡侧宽1.60 m,阴坡侧宽0.80 m；阴阳坡不明显时,两侧均为1.60 m。碎石粒径为5～8 cm。

③碎石护坡下部设置片石护道,片石护道高1.50 m,阳坡侧伸出碎石护坡2.50 m,阴坡侧伸出碎石护坡2.0 m。片石粒径为10～30 cm,片石抗压强度不小于30 MPa。

④为防止裂缝发生,填土高度大于3 m时,在路堤上部2 m范围内铺设土工格栅；填土高度大于6 m时,在路堤上部4 m范围内铺设土工格栅。土工格栅铺设间距0.9 m,最上一层距离路基面0.4 m。

路基断面形式见图4。

图4 综合等级为“一般”地段的路基断面形式(单位：m)

(2)综合条件等级“较差”地段

①路基面两侧预留沉落加宽值0.40～0.60 m；两侧设置土护道,宽度2.0 m。

②为防止基床冻胀,基底挖除换填粗颗粒土,换填厚度为1.4倍的天然上限,但不超过4.0 m。

③于路基面下0.80 m处铺设隔热保温材料。隔热保温材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%应变条件下的抗压强度大于600 kPa,吸水率不大于4%,在-45 ℃低温下冻融循环200次抗拉强度不小于设计标准值,具有长期的抗老化性能。为防止施工过程中对保温材料的破坏,保温材料上下各铺0.10 m厚中粗砂垫层保护。

④于路基两侧护道中心位置交错设置热管,沿线路纵向间距2.8 m,斜插式,与竖直线夹角13°。热管其他技术性能要求如下：热管单根长度7.0 m,直径89 mm,翅片厚度不小于1.9 mm,冷凝段1.5 m,绝热段1.5 m,蒸发段4 m,埋入5.5 m,外露长度1.5 m；屈服强度σs>290 N/mm ,抗拉强度σb>480 N/mm。冷凝器采用螺旋翅片,翅片表面应平整、无开口。路基断面形式见图5。

图5 综合等级为“较差”地段的路基断面形式(单位：m)

(3)综合条件等级“差”且路堤高度≥2.50 m的地段

①路基面两侧预留沉落加宽值0.40～0.60 m。

②当填土高度3.5 m>H≥2.5 m时,于基底设置1.0 m厚片石层,填土高度H≥3.5 m时,设置1.2 m厚片石层。片石粒径10～30 cm。为防止片石层上部填土进入片石空隙,于片石层顶部依次设置0.2 m厚碎砾石层和0.2 m厚中粗砂垫层过渡。为防止基底积水或地面积水进入基底,片石层施工前先于基底填筑一层土拱,土拱自路基中心向外设排水横坡(斜坡时为单面坡),土拱最小厚度不小于0.3 m。

③路基两侧设置不同厚度的碎石护坡：阳坡侧宽1.60 m,阴坡侧宽0.80 m,阴阳坡不明显时,两侧宽度均为1.60 m。碎石粒径5～8 cm。

④碎石护坡下部设置片石护道,片石护道伸出碎石护坡外2.0 m。片石护道高度与基底片石层高度一致。片石粒径10～30 cm。

⑤为防止裂缝发生,在路堤内铺设土工格栅。

路基断面型式见图6。

图6 综合条件等级为“差”且填土高度大于2.5 m地段路基断面形式(单位：m)

(4)综合条件等级“差”且路堤高度<2.50 m的地段

当填土高度小于2.50 m时,其处理措施同综合等级为“较差”地段。

4.2 高含冰量冻土地段路堑设计

路堑边坡坡率1∶1.75。为保护路堑边坡下的高含冰量冻土,边坡超挖厚度为1.4倍的天然上限但不超过4.0 m,换填粗颗粒土保温,堑顶采用包角形式,高度0.8 m,并设置SBS等隔水材料。填筑保温层前,在开挖的路堑边坡上设2.0 m宽台阶,台阶与保温层间铺设4.0 m宽的土工格栅,使保温层与其下多年冻土的紧密结合,防止因保温层沿换填开挖面蠕滑导致的堑顶开裂。

为防止基床冻胀变形,挖除换填粗颗粒土,换填厚度为1.4倍的天然上限但不超过4.0 m；路基面下0.2 m处铺设复合土工膜防水下渗。

若基底换填层下仍有高含冰量冻土,路基面下0.80 m处铺设保温材料,保温材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%应变条件下的抗压强度大于600 kPa,于其上下各铺0.10 m厚中粗砂垫层保护。在两侧侧沟平台中部交错设置热管保护多年冻土,沿线路纵向间距2.8 m,热管单根长度12.0 m,直径89 mm,外露长度2.5 m(冷凝段),埋入9.5 m。

堑顶外侧设置挡水埝,当冻结层上水发育时,为阻挡冻结层上水渗入路堑,在挡水埝下设置SPRE隔水材料。

路基面两侧预留沉落加宽值0.40～0.60 m。

侧沟采用“U”形混凝土预制件拼装,侧沟平台宽2.0 m。路基断面形式见图7。

图7 高含冰量冻土路堑断面形式(单位：m)

5 结束语

青藏铁路多年冻土地区路基长度为423.52 km,以桥代路长度87.5 km。其中高含冰量冻土路基工程长度155.53 km,低含冰量冻土路基工程长度182.81 km,融区路基工程长度85.18 km。高含冰量冻土采用片石气冷路堤长度为117.69 km,碎石护路堤长度为127.00 km, 热管路基长度为32.6 km,冻土加筋路基长度为81.75 km。

2006年7月1日青藏铁路开通运营以来,列车在多年冻土地区按设计速度100 km/h运行平稳,多年冻土地区路基工程沉降变形稳定可控,多年冻土路基片石气冷、碎石护坡、热管、排水、以桥代路等多年冻土路基工程成套工程技术措施安全可靠。

[1]铁一院.青藏铁路高原多年冻土区工程设计暂行规定[S].兰州：铁一院，2001

[2]中国科学院寒区早区环境与工程研究所.青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应[R].兰州：中国科学院寒区早区环境与工程研究所,2002

[3]秦大河.中国西部环境演变评估[M].北京：科学出版社,2002