多年冻土路基基底处理及路基填筑施工技术探讨

戴文革

【摘 要】多年冻土路基工程质量的控制及冻融、冻胀病害的预防是这个地区路基施工技术的关键，在施工过程中结合设计单位对于地表浅层黏性土层、粉砂层及局部地段的饱冰、含土冰层砾砂层采用挖除换填弱冻胀性土的措施；对于地面横坡较陡且冻结层上水较为发育地段，于较高处路堤坡脚或路堑堑顶挡水埝中设置挡水板，冻土沼泽的地段于两侧护道中设置挡水板的设计要求，根据施工现场的实际情况制定了具体的施工方案及工艺。在施工过程中，我们不断改进完善施工方案，其施工技术和施工工艺填补了国内同类工程施工的空白，并积累了宝贵的经验，对今后类似工程的施工具有重要的借鉴作用和推广价值。

【关键词】多年冻土；路基处理；路基填筑；施工技术

大兴安岭地区是我国多年冻土分布的主要地区之一，是高纬度古代冰川沉积残留物在长期历史条件下积累形成的。多为富冰冻土、局部为含土冰层，多年冻土的上限为0.3～1.8m、下限25～38m、局部下限为90m。在此种地质条件下新修建铁路不仅给施工带来了很大困难，而且可能产生冻胀、沉融等不良路基病害。多年冻土具有的流变性、沉融性和冻胀性对铁路建设影响严重。由多年冻土引起的主要地质问题有：沉融、冻胀和冰锥、冻胀丘、融冻泥流、沼泽湿地、厚层地下冰等不良地质现象。融沉是指多年冻土融化，使建在多年冻土区的建筑物地基变形和破坏，主要表现为路基下沉、路基向阳侧边坡和路肩開裂及下滑、路堑边坡溜塌等。冻胀是土体冻结时产生的最重要的物理一力学过程，是因为水由液体变成了固体，体积膨胀增大而产生的，表现为地表的不均匀升高变形。伴随土的冻胀，在建筑基础表面将作用冻胀力，从而产生冻胀变形，严重时将引起建筑物的破坏。在诸多不良冻土地质现象中，对温度变化最为敏感且对铁路路基的修筑影响最大而且不容易绕避的主要是厚层地下冰，其融化时产生大的下沉量会引起工程建筑物的严重变形和破坏。因此如何正确合理的选择施工工艺成为了解决路基施工的技术关键。

1 多年冻土路基工程概况

古莲至洛古河线古莲至月牙湖段位于黑龙江省大兴安岭地区漠河县境内。线路自富西线古莲站中心K679+500引出，跨古莲河、漠古公路后沿古莲河南岸并行八支线溯河西进，至DK15+000m预留古莲林场站后线路继续西行，跨霍拉盆河至古莲河露天煤矿南侧边缘，经新设月牙湖站（DK31+550m），止于月牙湖站外DK33+070m。本工程正线里程33.4公里，线路所处主要地貌为低山区，地势西高东低，一般山高在520-650米，相对高差100-130米，坡度多在10-15度，局部可达到35度。本段路基设计个别路基工点65处（28.452公里），占线路长度84.147%，路基工点主要为多年冻土路基，其中冻土低路堤18处（4.245公里），冻土路堤30处（17.784公里），冻土路堑15处（6.184公里），冻土沼泽地段路基2处（0.239公里）。古莲至月牙湖段工程路基类型主要为多年冻土路基，其中冻土低路堤14处3.935Km，冻土路堤30处17.647 Km，冻土路堑14处7.108 Km，冻土沼泽地段路基1处0.202 Km，占线路总长度的85.5%。

多年冻土路基工程质量的控制及冻融、冻胀病害的预防是这个地区路基施工技术的关键，我们在施工过程中结合设计单位对于地表浅层黏性土层、粉砂层及局部地段的饱冰、含土冰层砾砂层采用挖除换填弱冻胀性土的措施；对于地面横坡较陡且冻结层上水较为发育地段，于较高处路堤坡脚或路堑堑顶挡水埝中设置挡水板，冻土沼泽的地段于两侧护道中设置挡水板的设计要求，根据施工现场的实际情况制定了具体的施工方案及工艺。但设计要求冻土路基及路堑基底处理要在秋冬、冬春交替季节（气温在0℃左右）施工，由于受总体工期的限制，在夏季也必须进行冻土路堤及基底处理，施工方案随之也进行了优化。

2.路基基底处理及路基填筑施工

2.1 冻土施工原则

对于冻土路基施工而言，保护冻土、控制融化、破坏冻土原则是路基施工应该遵从的原则。

（1）保护冻土原则：指应用该原则设计、施工的路基在规定的使用年限内，能保持其热稳定性。即人为上限始终控制在指定的深度范围内，保持其下卧多年冻土的冻结状态。

（2）控制融化原则：指在设计使用年限内允许所设计的路基基底（或边坡）多年冻土逐渐完全融化或产生局部融化，而且经融化下沉变形量计算，可以将融化速率和深度控制在路基稳定性所允许的变形范围之内。

（3）破坏冻土原则：指在设计文件中规定在施工过程中将基底（或边坡）多年冻土融化或清除（全部或达到设计深度），并将融化后的水份疏干。

本项目设计要求路基施工采用的是破坏冻土原则，既将路基地表浅层黏性土层、粉砂层及局部地段的饱冰、含土冰层砾砂层采用挖除换填弱冻胀性土的措施。路基填筑施工工艺与其他地区施工区别不大。设计要求冻土路基及路堑基底处理要在秋冬、冬春交替季节（气温在0℃左右）施工，但由于受总体工期的限制，在夏季也进行了基底换填施工。为减少气温对基底多年冻土的影响，在施工过程中尽量选择夜间施工，同时不大面积开挖，采取分段开挖分段封闭的方式组织施工，一般在开挖前就准备好换填料，开挖20米左右马上进行回填处理，尽量压缩基底多年冻土的暴露时间，将热融影响降低到最低限。如若在基底开挖至设计标高以后发现冻土融化了一些，马上采取抛石挤淤的方式进行处理，然后在其上在填筑弱膨胀土。这样也很好地解决了夏季施工对冻土的影响。

图2-1 融化地段基底抛石处理

2.2 冻土路基施工方案

2.2.1基底处理

多年冻土地区路堤基底的处理，视工程的具体情况而定。对于无冻土现象的路堤基底，按照设计文件办理即可。一般为挖除基底的粉土等软弱土层，换填渗水土、粗颗粒土或圆砾土，然后填筑路堤。为减轻基底湿度，施工前做好排水系统，排水沟的设置宜宽而浅，排除地表积水，待地表晾晒后方可进行路堤填筑。对于冰椎、冻胀丘的路堤基底，主要采取排水疏干的方式或路基外侧积冰冻结的方式。对于多年冻土沼泽地段，主要采取排水疏干后的处理。首先在基底加设保温材料，随后填筑一定高度的渗水性填料，然后采用有相当隔水性能的土作为路堤填料，最后或与路堤同时填筑两侧的保温护道。

2.2.2 填料

多年冻土的存在，影响雨水的垂直渗透，使地表长期处于过湿状态。为求路基免受冻害，路堤填料最好采用渗水性土壤，便于大量采取，而且冬季易予开挖。施工中应尽量利用挖方或扩大路堑的渗水性土壤作为填料，也可以选择有渗水性土壤的取土坑集中采取。

2.2.3 路基工程类型的划分及各类型路基的施工措施

零填、挖方与低路堤（H≤0.25最小设计填土高度H0）— 最不稳定路基：这类路基由于多年冻土基底年融化深度最大，因此表现在年融化下沉变形量也最大。这类路段由于形成较深的融化盘，融化盘不易排水固结。对这类路基最好处理方式是换填砂砾石。对这类路堤最好施工季节是冬季开挖，因本标段路堑路段很少，施工速度较快，能够排水、能够在一个施工季度内完成路堑开挖、换填、支挡工程等，冻土段可采用爆破施工法挖方；

低于临界高度的路堤（0.25H0

高于临界高度（H≥H0）但有路基積水影响的路堤—亚稳定路基：在亚稳定路基内，冻结过程天然融化层吸水聚冰，融化过程融冰排水固结。路基变形主要是天然融化层吸水聚冰，融化过程融冰排水固结。路基变形主要是天然融化层和填土自身的压密变形和冻胀。在基底面与路基主体之间铺设20—40CM厚的粗颗粒土层，既可以加快路基填土排水固结，又可以有效地减少冻胀。路基填土要求采用渗水土，施工方法和一般地区铁路类似。

高于临界高度﹙H﹥H0﹚—稳定路段：这类路段路基变形仅发生于填土路堤与天然季节融化层之内，但由于路基的压密作用，每年发生的融沉和冻胀仅限于自身有限水分的相变，因此变形量一般均很小，认为残余变形主要是路基填土在荷载作用下压密的结果。该类路基施工条件较好，可以按常规方法施工。另外要按照计算得出的数据严格控制夏季施工进度，防止超填造成融土核，否则将造成较大的工后沉降。

2.2.4 设置护道或护脚

为使衔接的多年冻土层上填筑的路堤稳定，设计采用在其两侧设置1米高，2米宽的渗水护道。一般情况下，当路堤高度大于其季节融化深度时，采用渗水护道，其结构形式、高度、宽度、边坡坡率及顶面横坡按设计尺寸施工。渗水护道可与路堤同时填筑，其填料、分层厚度、压实质量标准与路堤相同；也可于路堤填筑后接着填筑，填料可就地取材，压实质量标准要符合设计要求，压实层的虚铺厚度与压实遍数根据不同填料和压实机具经试验确定。但注意填筑材料不能与路堤填料相混。渗水护道施工时要做好防排水系统，在基底、坡脚、填层面均不得积水。渗水护道的填料采用粗颗粒土。冻土块不可作为护道的填料。渗水护道的基底可不做处理，在护道填筑前要进行平整。

2.2.5 泥沼冻土地带路堤

不论何类沼泽，施工中均不挖除换土，但应设置护道并按路堤高度、季节冻层厚度，施工季节等因素推算路堤预加沉落高度，于施工中一次加足。

沼泽地带于冬季先铺做底层，待暖季再填筑路堤。

2.3 冻土路堑施工

多年冻土地区的路堑施工对多年冻土的热干扰最为严重，开挖和处理不当，可导致多年冻土大量融化，使施工无法进行，严重影响路基工程的稳定。因此路堑施工前，要根据土质、水文、冻层等资料，针对不同情况慎重决定应否保护多年冻层，选择最恰当的施工方法。路堑开挖前，要进行路堑范围内的地质复查工作，准确把握地质空间分布情况，为施工方法的确定提供有力的依据。地质复查的同时，按设计要求做好堑顶排水系统及土石方施工临时排水系统；进行施工阶段的测量放线，订设桩撅；选好弃土场地，按多年冻土地区环境保护要求修建临时施工便道；编制施工组织设计时，重点放在减少多年冻土的暴露时间；制定爆破方案，优先选用机械方式开挖，其次为人工开挖，不得以时方可采用爆破法开挖。路堑在厚层多冰冻土和富冰冻土分布区，采用保护多年冻土的原则开挖，选择稳定冻结期，即每年的11月中旬至次年四月中旬进行施工。在稳定冻结期，可以最大可能地减少多年冻土上限的降低幅度。边坡在冻结状态下土体强度较高，有时相当于次坚石（Ⅳ类）的强度，在这种状态下，有利于边坡稳定，便于支挡工程的施工。

2.3.1 低含土冰量冻土分布区段的路堑

可于全年安排施工，冬季施工中密切注意地下水的活动，防止切断地下水流，造成冬季堑内冰椎危害；夏季施工时，密切注意地质的变化，若低含冰量冻土中含有高含冰量冻土，要按高含冰量冻土的施工要求办理。低含冰量冻土的路堑宜在暖季施工，工期可拉长一些，水平分层，逐层下挖，使冻层较平缓地逐渐下降，切忌一次掏槽，深挖到底，后再刷坡的施工方法。对于细粒土壤融化后承载力不足要采取换土措施或保护地基下冻结层的办法。

路堑开挖至路肩设计标高以下0.6m时，将其表面进行平整后，进行基床表层的填筑。基床表层的填筑完成后，按设计要求再进行边坡刷坡和处理，然后进行路基面整平并修建侧沟和侧沟平台，注意开挖时不得破坏边坡坡脚。低含冰量冻土路堑中间含有高含冰量冻土地段时，要按设计要求做好两种路堑基床的过渡，以便减小基床的不均匀冻胀和基床刚度的不均匀性。低含冰量冻土路堑局部含有高含冰量冻土时，施工中要予以挖出，并用融化的低含冰量土体回填、夯实。挖除深度为低含冰量冻土天然上限的1.5倍。

2.3.2 高含冰量冻土分布地段的路堑

宜在冬季施工，可保证冻层不为施工破坏，利于堑底及边坡保温层和防护层的设置。施工方法为全断面分层分段开挖的方法施工，开挖一段，防护一段。各工序要统筹安排，前后衔接，连续进行，包括准备工作、开挖、回填和整平四个环节。开挖的程序包括两个方面：松土和弃土作业；回填作业要快速完成，回填顺序为由里到外、由高到底逐段填筑；整平作业主要为清坡、清沟和路堑成型。

高含冰量冻土路堑的边坡和基床的换填材料、厚度、铺设方法按设计文件执行或按试验决定。基床、边坡换填粘性土时，底部要做0.5m的卵碎石土作垫层，并夯实碾压，压实质量标准同基床底层，碾压合格后进行粘性土填筑；基床表层0.6m用卵碎石分两层填筑，每层填0.3m厚，边坡填土分层填筑压实。基床、边坡全部换填卵石土时，基床部分的填筑要满足TB10001-99规范标准；基床上部所设复合土工织物防渗层要做成自中心向两侧侧沟成4%的坡度。边坡填土分层填筑压实。基床设隔热层时，隔热层上、下中粗砂缓冲层必须压实，并妥善保护，既确保隔热层上填土得到压实又不损伤和压缩隔热层。路堑全部换填完成后，方可进行边坡整修、路基面平整、边坡表面处理，最后修建水沟和侧沟平台。高含冰量冻土地段路堑开挖前，必须做好临时保温措施，备好临时保温材料。对于保温层和防护层，冬季施工时要有烘干或预热融化等工序，于温棚内进行或待融冻初期迅速短期完成。开挖的松土作业又分为松土机松土开挖法和钻孔爆破松土开挖法两种。松土机松土开挖需要大马力的机械设备（250马力以上），适于冻土开挖的松齿结构的松土机。钻孔爆破松土开挖采用深孔或深孔药壶爆破方式。开挖的弃土作业，横向推置于堑侧开挖界限30m以外；上限以下含土冰层或饱冰冻土，视路堑长度，采用纵向一次推出或设横向通道（锁口）分段推出的方法，推弃于堑外适当地点。锁口的位置要与路堑开挖的松土方式同时进行，间距以100m左右为宜。200m以下的路堑宜两端相向开挖，并在堑口下方设锁口；200m以上的路堑可分段施工，增设中部横向锁口。推土应由高往低推进。开挖至换填阶段，应对暴露的冰层做昼盖夜开的简易遮挡防护，以减少热融影响。切忌雨季施工，避免增加土质含水量和雨季水渗透，破坏冻层。

2.3.3 石质冻土路堑施工

石质冻土路堑的开挖方式与一般非冻土石质路堑开挖方法相同。开挖前首先做好临时排水系统，施工中随时将渗出的地下水排出施工场地。边坡要按照设计要求做好坡面防护，在地下水出露地段要做好排水设备。路堑开挖至路肩标高以下0.6m，将其表面整平，并做成向两侧呈4%排水坡，表面凹坑用混凝土补平。基床表层底部设0.1m的中粗砂垫层，在垫层上分两层填筑卵碎石土，每层均为0.25m。

2.3.4 半填半挖地段

当设计无特殊要求时，宜在冬季安排施工，施工时严禁扰动填挖边坡以外的原有覆盖层，填挖范围内覆盖层经施工挖除后，应加做保温层及防护层。挖方自坡顶下挖，填方自下分层夯实，并沿挖方坡顶外5—10m处挖宽0.5m沟槽，槽身要镶入多年冻土层0.5m，槽内夯填粘质土，防止水流渗入。

2.3.5 低填浅挖地段

低填浅挖和零断面地带的地表覆盖层应予铲除，如基底为粗粒土时，不需特殊处理。基底为细料土壤时，需采取换填和保护多年冻土层不被破坏的措施。换土施工宜在冬季进行。换土槽设横向及纵向的泄水坡，并每隔10m做横向盲沟，以便排除槽内积水。挖槽纵向两端应以不陡于1：10斜度深入不需换填的土壤中。槽两侧可做成垂直或5：1的斜坡。

2.4高寒地区多年冻土施工注意事项

保护多年冻土地基的热状态平衡。施工中千方百计减少热融，严格保护自然植被，地表覆盖层；科学合理安排施工季节；组织快速施工，施工一次到位；搞好临时保温措施，通畅施工排水。在富冰冻土、饱冰冻土或含土冰層地段路堤施工中，各种机械车辆不得在路堤基底与排水沟之间地带行走，并尽量少设穿行通道，保持地表平顺完整。暖季修筑不需处理的低路堤时，要在最大季节融化前一次填筑完成。

多年冻土路基施工必须防止地表水流入或渗水基底和边坡。在冻土现象地段，要密切观察注意不良地质的活动变化。在开挖沟道或取土时，必须注意冻土融化及边坡坍塌而影响路基稳定。开挖不宜过深，防止地下水露出形成病害。

路基的防护与加固，首先考虑保温，以免冻融作用下引起多年冻土的融化变形。遇沼泽或流动状态的土壤内修建路基，宜安排在冬季施工。

3. 结论

本文对大兴安岭多年冻土地区的铁路路基施工技术进行了研究，要求在施工中严格按规范和设计图施工，严格执行环境保护措施。大兴安岭冻土地区施工有效工期短，多年冻土非常娇贵，稍有破坏后果很难设想，因此要快速施工，如何正确合理的选择施工工艺成为了解决路基施工的技术关键。另外也对多年冻土地区的排水及挡水系统的施工工艺作了详细论述。冻土铁路路基的稳定问题仍需要进一步进行研究和探讨。

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