青藏铁路多年冻土区桥头路基病害成因分析及整治措施研究

2013-01-17周有禄熊治文李天宝王起才

铁道标准设计 2013年10期

周有禄,熊治文,李天宝,王起才

(1.兰州交通大学土木工程学院, 兰州 730070; 2.中铁西北科学研究院有限公司, 兰州 730000)

青藏铁路建设充分吸取东北多年冻土铁路和青藏公路对冻土认识不足的经验教训,把冻土问题作为青藏铁路修筑的首要工程难题。为了给运营中的青藏铁路技术状况评价和后期病害处理提供基本依据和数据支持,建立了青藏铁路多年冻土区工程稳定性长期观测系统,其覆盖多年冻土区路基、桥梁和涵洞工程,包含3个气象站和78个观测断面,对沿线气候、冻土条件和工程水热变化及其规律等进行长期、系统、连续监测[1]。

本文采用资料调研、现场调查、理论分析和总结等研究手段,调查青藏铁路多年冻土区桥头路基病害现状,并对桥头病害的特征及下沉原因进行了分析研究,提出了相应的整治措施。并在分析的基础上对多年冻土区路基工程热稳定性变化趋势进行预测。

1 多年冻土区桥头路基病害及路基病害分类

1.1 桥头路基下沉病害

自通车运营后,青藏铁路多年冻土沿线

普遍存在桥头路基下沉问题,导致的桥头下沉病害突出,致使许多桥头路基不得不增设挡砟墙(图1)。

1.2 多年冻土区路基病害分类

铁路路基病害分类按路基断面形式可分为路堤病害和路堑病害。路堤病害主要以变形、强度为主；路堑边坡病害多与稳定相关[2]。青藏铁路多年冻土路基病害分为如下4种类型。

(1)路基下沉及开裂病害。路基下沉为热融下沉病害,包括高温高含冰量地段热融下沉、多年冻土退化引起的路基下沉、桥头路基及冻融过渡段路基下沉。路基开裂主要有寒冻裂缝、融沉裂缝和固结沉降裂缝。在青藏铁路运营早期多年冻土路堤裂缝主要为固结沉降裂缝,之后以寒冻裂缝和融沉裂缝居多,且发生频率有减少趋势。

(2)不良地质病害。主要包括热融湖、冰椎。

(3)路堑边坡病害。

(4)路基水害。主要有坡脚积水、路基过水等。

2 多年冻土区桥头路基病害的主要影响因素

2.1 运营期间气候变化及相应多年冻土条件变化特点

据风火山观测站自1976～2009年间气温资料,2006年和2009年年平均气温-4.67 ℃和-4.52 ℃，为历年最高值,而风火山1976～2005年间30年气温均值为-6.03 ℃,分别高出均值温1.36 ℃和1.51 ℃。统计运营期间4年气温均值为-5.12 ℃(表1),为历年之最,比以往4年均值(1998～2001年)高出了0.29 ℃[1]。这说明运营期间青藏铁路风火山地区气温仍处于上升趋势,青藏铁路沿线五道梁、沱沱河和安多国家气候站所观测的气温变化趋势也是如此。说明运营期间青藏铁路多年冻土区沿线气温处于上升趋势。

表1 风火山1978～2009年间气温4年均值 ℃

2.2 水文地质条件变化

青藏铁路修筑后,作为一条形构筑物,改变了原天然地表及地下水的径流条件。由于运营期间青藏铁路多年冻土区降水量大幅度增大，地表水和冻土层上水在暖季发育,个别地段路基设计排水设施泄排能力不足,导致涵洞上侧口积水,寒季形成冰椎、冰塞；路基上侧积水形成热融湖塘,坡脚和挡水埝间出现较严重积水现象；某些地段基底过水严重,路基下沉明显。另外,排水沟由于季节融化层频繁的冻融作用,使用寿命比较有限,这也是地表水穿越线路时的径流路径出现了障碍。

3 桥头路基下沉原因及整治措施研究

据现场路基病害调查,多年冻土区路基下沉比较突出的段落主要有：(1)楚玛尔河高平原K1001～K1006高温高含冰量地段；(2)唐南多年冻土南界附近K1431～K1497多年冻土退化区段；(3)多年冻土区高含冰量桥头路基；(4)融区和多年冻土区过渡段路基。桥头路基下沉问题的影响因素复杂,而各种原因所造成的冻土层融化下沉仍然是主要原因。路基下沉情况如图1、图2所示。

图1 桥头路基

图2 非桥头路基

3.1 多年冻土区桥头路基下沉

3.1.1 桥头路基下沉特征

根据现场调查,多年冻土区部分桥头路基目前还处于缓慢下沉中。其中部分桥梁自2010年4月以来大约2年内多数桥头路基年沉降量大于20 mm,轨面与路基面高差普遍大于标准值98 cm,年沉降量和道床厚度均大于全线平均值(据青藏铁路长期观测系统的研究成果)。说明病害桥梁的桥头路基已经发生了大量下沉,且沉降仍在发展之中,这些桥梁桥头路基仍未达到稳定状态。

从病害分布及发育情况来看,出现沉降较大的桥头路基多位于高含冰量多年冻土区,地表水、冻结层上水发育,且多数路基坡脚有积水现象,这说明与冻土密切相关。同时也发现与一般地区桥头路基下沉存在许多相似之处。

3.1.2 桥头路基下沉原因分析

桥头路基下沉影响因素比唐南退化多年冻土区路基下沉与楚玛尔河高平原高温高含冰量多年冻土路基下沉要复杂,与其他地段路基相比,桥头路基有如下两点值得关注。

(1)桥头路基是三维受热,而其他地段路基是二维受热。一般地段路基主要是路基面及坡面二维受热,桥头路基除此二维外,还有桥台及护锥面受热。

(2)桥头路基易受地表水及冻结层上水的热侵蚀。

总的来说,桥头路基沉降影响因素既有一般地区的共同因素,又有冻土地区的特殊因素,并且往往是这些因素共同作用的结果。桥头路基下沉可归纳出如下5个主要影响因素。

(1)填料压实度不够

台背填筑一般在桥台构筑物施工完后,台后路基土体受到施工作业空间的限制,桥台台背填土难以压实。多年冻土地区,台背多采用粗颗粒土回填,填料孔隙率大,施工中可达到的压实程度有限。在回填土自重、车辆的垂直荷载与振动荷载作用下,填料易产生压缩沉降。

(2)列车动载

桥台与台后路基的刚度差异也是造成桥台和台后填土不均匀沉降的原因之一。桥台具有较大的整体刚度,而与之相连接的路基属于柔性结构物,两者有明显的刚度差异,必然引起路基与桥台之间产生较大的塑性变形,产生不均匀下沉。

(3)水的热侵蚀

由于热侵蚀导致路基地基下多年冻土融化,引起路基热融下沉,此是多年冻土区路基沉降的典型形式。导致这种热融下沉的主要原因是地表水、上坡侧冻结层上水。下面结合具体实例分述之。

①地表水

以多年冻土区桥头路基变形较大的K973+551多跨T形梁为例,分析地表积水对桥头路基沉降的影响。K973+551位于高含冰量多年冻土区,沿线路前进方向左高右低,自然斜坡坡率5°,地表主要为冲洪积角砾土,植被稀疏,天然上限2.5～3.0 m。

表2和表3为K973+551桥头路基钻探所得路肩两侧工程地质情况。桥头路基阳坡侧自路肩下8.5～9.2 m为含土冰层,而其下却出现了一厚1.3 m融土夹层。据现场含水率试验结果,8.0～10.5 m间路基土体含水量皆在50%以上,均达过饱和。多年冻土层中融化夹层是怎么来的？从地形地貌(自然斜坡)、路基结构(片石路基)及两侧排水条件(坡脚积水)综合判断,热侵蚀是由于路基下过水造成的。而正是这种热融下沉,导致了路基较大的下沉量。

表2 K973+551桥桥头路基右(阳侧)路肩钻孔资料

表3 K973+551桥桥头路基左(阴侧)路肩钻孔资料

②冻结层上水

K1161+481桥位于大片连续多年冻土区,为山间盆地地形,地势起伏较大,植被覆盖率30%～50%。线路左侧设有防风挡沙墙。桥下发育1条深约2 m的冲沟,冲沟内冰雪融水,从右至左流过。路基采用碎石护坡,坡脚两侧单排热棒防护。地层自上而下为碎石土、含砾砂黏土、粗砂、泥岩等,冻土上限2.7 m,此桥位于高含冰多年冻土区,台前钻探发现,路基地基下发育厚层地下冰。桥头路基下6.5 m处冻结层上水富集,呈饱水状态。冻结层上水对其下伏多年冻土的热侵蚀导致高含冰量多年冻土融化,产生路基热融下沉。

(4)片石路基的片石层下陷

青藏铁路多年冻土区片石路基修筑时,首先将原地表压密,在其上铺设不小于0.3 m厚粗颗粒土垫层,垫层上表面做成拱状,再在上填筑片石层。桥头路基基底易过水。受外来水的侵蚀,地基下多年冻土易产生热融下沉,促使片石层下陷成为一积水囊道。这一方面增加了水对地基下卧多年冻土的热侵蚀,另一方面在上部荷载的作用下,片石易陷入地基土内,片石空隙被土体充填,使片石作用失效。水的热侵蚀和片石层失效又反过来加大了地基冻土的热融下沉。如此恶性循环,导致片石路基片石层不断下陷,产生较大沉降。

以K973+551为例。由于上侧地表水的侵蚀,导致了冻土上限下降,同时冻土层内出现了融化夹层,这必然会导致冻土地基部分产生一定的热融下沉,使片石层下陷、积水。图3是2009年在K973+551左右两侧现场钻孔所得含水率随深度变化曲线。图3中很明显左路肩基底有非常严重的积水现象。且现场调查发现,桥头路基下沉量较大的区段阴侧片石护道片石倒倾,挡水埝与路基坡脚因排水不畅存在积水。K973+551桥头路基累计变形曲线见图4。

图3 K973+551桥头路肩左右两侧总含水率随深度变化对比曲线

图4 K973+551 桥头路基累计变形曲线

片石层因地基热融下沉破坏了基底过水条件,导致基底形成积水囊道。路基本体自重及列车动荷载下,片石陷入地基土内引起的路基大量沉降,显然是路基热侵蚀、列车动荷载综合作用的结果。青藏铁路多年冻土桥头过渡段采用片石路基较为普遍。从桥头路基病害发生特点来看,路基下沉都普遍较大。如此大的沉降除了高含冰量热融下沉外,片石层下陷是另一个主要原因。

3.2 整治措施

3.2.1 多年冻土路基下沉治理措施

(1)治理原则：防排水先行；注重热学补强。

(2)对于坡脚积水,宜采取设置保温护道(黏性土填筑)将积水挤离坡脚,同时完善纵向排水系统,利用涵洞、桥梁等既有排水设施予以排除。

(3)路基热防护措施可采用片石护坡、遮阳板、热棒路基等结构形式。实践证明,对普通路基坡面采用加盖片石层补强措施后的当年或次年,人为上限可发生一定的抬升。

从以上分析可知,路基压实度不足在桥头路基的前期下沉中可能占有较大比重,但在运营期不是主要因素。造成桥头路基较大下沉的主要原因是外来水热侵蚀,一方面导致地基冻土受水的热侵蚀产物热融下沉,一方面路基本体内受外来水作用土体强度较低，扩大了刚度差异和列车动载效果，产生了较大压缩沉降。再者,对于片石路基,路基基底积水的产生，使片石层片石陷入地基土内引起较大路基下沉。基于以上认识和多年冻土区工程的特点,桥头路基沉降治理的原则是“先治水,后补强”。

3.2.2 防排水措施

当已有排水设施不能满足排水要求时,应根据具体情况修复或重建排水沟、地表积水段落设置挡水保温护道、设置竖向挡水板的方式减少水对多年冻土的热侵蚀。

3.2.3 热防护措施

解决水的热侵蚀问题后,为了尽快恢复多年冻土地基的热平衡,宜采取一定的热防护措施。对于地基地温场已受到强烈热扰动的情况,可设置单侧或双侧热棒来调节地温场。同时,对桥头路基和桥台护锥坡面用片石层覆盖,调整桥头路基表面受热状态。

4 多年冻土区路基热稳定性变化趋势

据五道梁、风火山、沱沱河及安多气象站资料,年平均气温在最近30多年升温趋势明显,地表温随之升温,其升温速率比气温更快。气温的升高主要在寒季,暖冬现象越来越严重。以风火山为例,1976～2009年的34年间,气温升温速率为0.046 2 ℃/年,年平均地表温在最近34年(1976～2009年)升温速率是0.077 3 ℃/年,地表温升温速率几乎是气温升温速率的2倍[1]。

随着气温地表温的不断升温,多年冻土退化趋势越来越显著,特别是青藏铁路沿线南北界、融区边缘和高温多年冻土区。多年冻土退化主要表现为路堤地基下冻土上限的不断下降和上限附近冻土地温的不断升高。

5 结语

(1)首次划分了运营以来青藏铁路冻土路基工程病害类型,将多年冻土路基病害类型分为路基下沉、不良地质病害、路堑边坡病害及水害等四类。

(2)提出对多年冻土退化引起的路基下沉,应采取以下措施进行治理：首先做好地表水和冻结层上水防排,切断外来水的热侵蚀；其次,增设片石护坡,减少路堤两侧向路堤本体传热,缓解多年冻土退化速率；再次,在高含冰量地段增设热棒,以防止高含冰量冻土层迅速融化导致路基突发性沉陷,危及青藏铁路运营安全；最后,尽快恢复路基两侧地表植被。

(3)提出对于桥头路基下沉病害,应采用“先治水,后补强”的原则,先做防排水措施,再采取热棒或片石护坡措施。在片石路基段下沉严重地段,应对片石层进行注浆加固。

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