青藏铁路碎石护坡路基长期效果分析

刘争平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司地路处，陕西西安 710043)

1 概述

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 142 km，其中穿越连续多年冻土地区长约550 km［1］。青藏铁路多年冻土路基工程采取了多种处理措施，其中采用碎石护坡路基是青藏铁路多年冻土地区主要的工程处理措施。

碎石护坡路基就是在冻土路堤的两侧边坡，铺设一定厚度的碎石，以通过碎石层的导热特性保护下伏冻土、冷却地基，确保路基的热稳定性［2］。

碎石护坡路基一般使用在高温高含冰量多年冻土地区。在路基边坡铺设碎石层时，可以根据阴阳坡侧的不同情况设置不同厚度的碎石层。相关资料表明，碎石层在寒季的当量导热系数是暖季的5～10倍，甚至更多，在夏季能够有效阻止或减缓外部热量向路基内传入，具有热“二极管”效应和遮阳作用［2-4］。两种作用的综合效果可降低多年冻土地温，有效提高路堤下的蓄冷量，对多年冻土地基起到保护作用。

为监测多年冻土路基的工程稳定性，2003年5月在青藏铁路楚玛尔河地区选择了12个路基监测断面，进行地温和沉降长期监测。里程分布范围为DK1043—DK1067，约 24 km［5-7］，其中有碎石护坡断面2个。监测工作从2003年开始，目前还在进行中，历时近11年，取得了大量的实测数据。

楚玛尔河地区处于青藏高原的腹地，具有典型的多年冻土地区特点，其路基结构具有多年冻土区路基的一般特征，经过多年来的观测，其地温变化和沉降变形也具有普遍性和代表性。本文通过地温和沉降监测数据，对青藏铁路采用碎石护坡路基的长期效果进行探讨。

2 测试断面基本情况［5］

长期监测的碎石护坡路基断面位于青藏铁路楚玛尔河地区，里程为DK1054+000，路基底宽21.6 m，顶宽7.3 m，高度3.15 m，左护坡(阳坡侧)碎石层厚度1.6 m，右护坡(阴坡侧)碎石层厚度0.8 m，路基两侧设置土护道，其中左侧宽3 m，右侧宽2 m。

根据勘测资料，本段路基下地层为第四系角砾土、黏土及砾砂，下伏第三系全风化泥岩，成岩性差。多年冻土类型为含土冰层、富冰及饱冰冻土，属于高含冰量冻土。冻土年平均地温－1.4℃。本段铁路线走向东南至西北，受日照影响，路基阴阳坡具有很强的地温差异。

本段路基在2002年5月填筑完成，即开展了冻土路基的地温及沉降长期监测。2003年10月开始铺轨并开始工程车运行作业，2006年7月正式投入运营。所以本研究项目是目前青藏铁路在运行期间对路基监测时间最长的项目。

地温测试孔及沉降观测点分别布置在左右路肩、左右坡脚，在左坡脚外20 m处布置地温测试孔作为天然孔。测试从2003年5月开始，每月测试2次，获得了大量的实测数据。2008年对部分测试孔进行了补充及维修，对测试元件进行了补充、更换及重新标定，目前本项目还在进行中。本文仅用2003—2011年的监测数据对路基长期效果进行分析，2012年、2013年资料没有纳入，但其变化趋势不受影响。

3 地温长期效果分析

对于冻土路基的地温长期效果，主要从地温等值线的形态、多年冻土上限、路基地温场对称性3个方面进行分析。

3.1 地温等值线

根据地温实测数据［5］绘制地温等值线图，地温等值线图反映了路基下地温场的分布情况。绘制不同阶段的地温等值线图，可分析路基下地温场的发展趋势。

以代表断面DK1054+000为例，根据实测数据绘制每年9—10月(即青藏铁路沿线最热月)地温等值线图。从2003—2010年路基下地温场逐年发展情况见图1。

图1 碎石护坡路基最大融深时地温等值线(单位:℃)

1)从地温等值线形态来看，碎石护坡路基整体温度场呈降温趋势。如:从 －1℃等值线来看，路基形成初期(2003年)在路基下就形成了“高温槽”，这是由于路基填筑施工蓄热所致;2004年“高温槽”范围有所扩大，说明蓄热没有消退;2005年之后，“高温槽”逐年减小，直到2010年基本消失，说明路基冷储量增加，碎石护坡对路基起到了致冷作用，有效地保护了多年冻土。

2)从路基下0℃等值线长期变化趋势看，路基下地基已经处于冷却状态，地温场已经处于长期热稳定状态，2003年0℃等值线基本呈水平线状态;2004年已经抬升至原地面附近;2005年之后0℃等值线已经抬升至路基填土中;2007年之后基本稳定在一定范围内，并且逐年变化不大。

3.2 多年冻土人为上限

多年冻土上限是多年冻土层的顶面埋深，亦即最热月时的融化深度［8-9］。多年冻土人为上限，是指路基填筑以后，在路基下形成的新的冻土上限。在地温等值线图中，冻土人为上限即是每年最热月时0℃等值线的位置。多年冻土人为上限是评价路基下冻土状态变化的重要指标。如果冻土人为上限有所抬升，则冻土冷储量增加，说明路基结构起到了保护冻土的作用;冻土人为上限若稳定在某个固定深度，则说明路基趋于稳定。反之则不然。

对DK1054+000断面，左右路肩处冻土人为上限逐年变化曲线见图2。

图2 碎石护坡路基左右路肩处冻土人为上限逐年变化曲线

由图2可见:碎石护坡路基冻土人为上限从2003—2005年有大幅抬升，从2006年之后逐渐趋于稳定，并逐渐稳定在2.6～2.7 m。所以碎石护坡路基的降温效果显著，路基下冷储量增加，路基结构起到了保护冻土的效果。路基下地温场趋于稳定，长期效果好。

另外，路基左侧路肩处冻土人为上限略高于右侧，主要原因是左侧碎石护坡厚度1.6 m，右侧厚度0.8 m，其制冷效果略好于右侧;但是从2006年以后左右侧差异来看，最大约10 cm，可见两侧冻土人为上限基本趋于一致，亦即采用不同厚度碎石层起到了减小路基内部温度差异的作用。

3.3 地温场对称性

路基下地温场左右侧的对称性反映碎石护坡调整地温场的效果。若对称性好，则路基下地温场分布均匀，路基的稳定性好;对称性不好，则稳定性差。

从图1来看，碎石护坡路基的路基本体中，左右侧地温场的对称性较好，冻土人为上限处的等温线形态呈现为左右侧较好的对称梯形，而且2006年之后左右侧冻土人为上限差异较小，在10 cm以内。可见，碎石护坡路基对于调整路基阴阳坡的人为上限具有显著作用。

但是，路基左侧坡脚处地温有增高的迹象。左侧坡脚处－0.5℃线在2009年之后有所下降，主要是左侧碎石护坡范围未到底以及施工便道人为干扰所致，故还需进一步监测分析。

4 沉降变化长期效果分析

从2003年7月1日至2011年7月1日路基沉降曲线(图3)来看，碎石护坡路基的沉降表现为前期沉降较大，后期逐渐减小，至2011年路基总沉降量56～80 mm，路基左右两侧沉降差在20 mm以内;且2007年之后，沉降曲线呈现有规律的起伏，表现出暖季沉降、寒季冻胀的特性，每年的沉降量均在10 mm以内，沉降曲线也更加明显地趋于平缓，说明路基沉降长期发展逐渐稳定。

图3 碎石护坡路基沉降曲线

由图3可知，2007年之后路基总沉降变化速率约为10 mm/年，小于《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)所要求的沉降速率50 mm/年的要求［10］，所以采用碎石护坡路基能够满足路基沉降要求。

5 结论及建议

1)在高含冰量多年冻土地区，采用碎石护坡路基能够有效地增加地基中的冷储量，具有很好地冷却地基，保护多年冻土的效果。冻土地温总体上呈现降低趋势，竣工后2年内冻土人为上限明显抬升，2005年以后上限变化基本稳定，冻土路基逐渐呈现出热稳定状态。

2)碎石护坡路基左右侧地温场的对称性较好，2006年之后左右侧冻土人为上限的差异在10 cm以内。可见，碎石护坡路基对于调整路基阴阳坡侧的冻土人为上限有显著作用。

3)碎石护坡路基能够有效控制路基沉降变形。前期沉降较大，后期逐渐减小，2007年后每年的沉降量均在10 mm以内，路基已经呈现出长期稳定状态。

4)从铁路工务养护维修的角度考虑，碎石护坡施工对铁路运行影响小，故对于冻土铁路运营期间的病害治理，可采用碎石护坡措施进行路基补强。

［1］铁道第一勘察设计院集团有限公司.青藏铁路多年冻土工程地质勘察报告［R］.西安:铁道第一勘察设计院集团有限公司，2000.

［2］刘争平.青藏铁路多年冻土区碎石护坡路基长期稳定性研究［J］.铁道标准设计，2010(增1):56-59.

［3］HARRIS S A，PEDERSEN D E.Thermal regimes beneath coarse blocky materials［J］.Permafrostand periglacial processes，1998，20(9):107-120.

［4］赫贵生，丁靖康，李永强.倾填碎石层的热传输特性及其应用［J］.冰川冻土，2000，22(增):33-37.

［5］铁道第一勘察设计院集团有限公司.青藏铁路楚玛尔河地区路基地温及沉降监测报告［R］.西安:铁道第一勘察设计院集团有限公司，2012.

［6］刘争平.青藏铁路楚玛尔河地区多年冻土路基长期监测与研究［C］//青藏铁路技术研讨会会议文集.西宁:青藏铁路公司，2011:92-94.

［7］徐志英，牛富俊.青藏铁路楚玛尔河地区冻土路基地温状况分析［J］.路基工程，2011(3):5-8.

［8］中华人民共和国建设部.GB 50324—2001 冻土工程地质勘察规范［S］.北京:中国计划出版社，2001.

［9］祁辉，胡相钰，李廷刚，等.高速铁路路基防冻胀结构设计方法的研究［J］.铁道建筑，2013(4):98-100.

［10］中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.