青藏铁路多年冻土区涵洞病害机理分析

杨晓明，熊治文,赵相卿，唐彩梅

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海格尔木 816000)

青藏铁路多年冻土区涵洞病害机理分析

杨晓明1，2，熊治文1，2,赵相卿1，2，唐彩梅1，2

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海格尔木 816000)

为了防治青藏铁路多年冻土区涵洞病害，通过对4座涵洞的现场变形以及温度场监测，利用现场调查与监测数据分析，查明涵洞病害形成的7种不同原因。结果表明：青藏铁路的施工以及水热侵蚀引起地基多年冻土升温融化下沉以及冻土蠕变下沉是造成青藏铁路多年冻土区涵洞病害的主要原因。可通过减少和杜绝涵洞地基周围的水热侵蚀以及采取埋设热棒等工程措施进而达到防治涵洞病害的目的。

青藏铁路；多年冻土；涵洞; 病害；机理

青藏铁路沿线经过的多年冻土区地质条件十分复杂，不良冻土现象发育，至青藏铁路2001年修建时，穿越多年冻土区546.4 km，其中高温极不稳定区和高温不稳定区长274.25 km，低温基本稳定区和低温稳定区长170.48 km，融区长101.68 km。涵洞作为线路工程中必不可少的结构物，对线路运营起着重要作用。仅青藏铁路沿线涵洞的数量就高达621座。

自20世纪六七十年代以后，随着中小桥涵的普遍应用，在寒冷地区，尤其是青藏高原以及东北大小兴安岭地区的中小桥涵发生严重冻胀现象，对此，相继开展了桥涵地基土冻胀性研究，由此对涵洞基础冻胀问题有了初步认识；20世纪80年代至90年代相继开展了涵洞基础埋设深度问题的研究探讨；90年代后期，对人工构造物下多年冻土退化进行相关研究等。这些研究取得了一定的成果，有的已被纳入规范，但是这些研究限于当时的研究手段、条件等原因，难以满足该地区涵洞构造物的实际需要。

为了查明涵洞病害的形成原因，对涵洞病害给出了定义：把在原设计基础上涵洞在使用过程中结构发生沉降变形而影响涵洞使用功能的现象称为涵洞病害。

由于青藏铁路所处地区海拔高、年平均气温低，季节活动层厚度大，冻结深度大，冻胀作用强烈，青藏铁路现有的部分涵洞已出现了不同程度的病害问题，如涵洞内积水(冰)、涵洞基础沉降变形等问题已频有发生。青藏铁路在2006年交付运营后，涵洞冻、融病害时有发生，并有逐年增加的趋势。

经过近几年的调查研究，发现青藏铁路多年冻土区部分涵洞出现了不同程度的病害，已经影响到涵洞工程的稳定。涵洞地基土的冻胀融沉已经引起涵洞沉降严重、涵节错位、八字墙破坏、涵洞顶部渗水、涵洞洞内积水及寒季积冰等问题，导致部分涵洞濒临失效(图1～图4)。

图5 青藏铁路格拉段监测涵洞分布

图1 青藏铁路K1067+412涵节开裂

图2 青藏铁路K1112+412涵节开裂漏土

图3 青藏铁路K1087+379涵节底部过水

图4 青藏铁路K1123+372八字墙开裂

通过对青藏铁路多年冻土区沿线的多次调查发现，上述提及的涵洞病害问题呈逐年严重的发展趋势，如未及时处理，甚至可能会危及青藏铁路的运营安全。随着青藏铁路建设和运营，为了保障青藏铁路的运营安全，彻底地解决青藏铁路涵洞工程病害问题，对青藏铁路涵洞进行深入的调查研究是十分必要的，通过对青藏铁路涵洞病害的成因分析，提出相应防治措施，保证青藏铁路安全运营等方面，具有重要的现实意义。

1 涵洞沉降变形监测与分析

为了研究青藏铁路多年冻土区涵洞的变形特征及规律，结合青藏铁路涵洞的问题，在青藏铁路沿线选择了4处具有代表意义的涵洞开展变形、温度场监测。由于青藏铁路沿线涵洞大部分为1.0 m×1.5 m矩涵，所以选择的4座代表性涵洞均为1.0 m×1.5 m矩涵。4个涵洞里程分别为：K1087+380、K1099+119、K1154+590和K1265+119。如图5所示。

在青藏铁路多年冻土区4个监测涵洞的进出口八字墙和第一涵节设置了沉降观测点。2007年6月开始观测至2012年12月总变形量见表1。

表1 多年冻土区涵洞累计变形量统计

注：涵洞变形观测点的排序是沿拉萨方向，涵洞左侧格尔木端八字墙测点为左侧1号，第一涵节测点为左侧2号，拉萨端第一涵节测点为左侧3号，八字墙测点为左侧4号；涵洞右侧格尔木端第一涵节测点为右侧5号，八字墙测点为右侧6号，拉萨端八字墙测点为右侧7号，第一涵节测点为右侧8号。

对表1数据分析讨论可得如下结论。

(1)在所监测的4座涵洞中，进、出口第一涵节最大变形量-112 mm(K1154+590涵)。

(2)在所监测的4座涵洞中，涵洞基础1个表现为冻胀(K1099+119)，冻胀量最大25 mm；3个表现为沉降(K1087+380、K1154+590、K1265+636)沉降量分别为67mm、112 mm和83 mm。

(3)K1087+380整个涵洞两侧呈现总体沉降的趋势，左侧沉降大于右侧，从2007年至2012年年底，左侧2号监测点最大沉降超过了60 mm。而右侧最大沉降量的8号测点沉降量接近40 mm。

(4)K1099+119涵洞两侧呈现冻胀的趋势，右侧冻胀量大于左侧，但总的冻胀量不大，从2007年到2012年底5年时间最大的冻胀量不足30 mm。

(5)K1154+590涵洞呈现沉降的趋势，最大沉降量达到110 mm。这个涵洞也是监测的4座涵洞中沉降量最大的涵洞。

(6)K1265+636涵洞两侧呈现沉降的趋势，左侧沉降量远大于右侧，5年时间中，右侧8号测点最大沉降量不足20 mm，其余5、6、7测点均在15 mm左右，而左侧2号测点最大沉降量接近80 mm，其余1、3、4测点均在60 mm以上，左侧沉降主要发生在2011年7月和2012年9月份以后。

从以上变形特点中可总结出涵洞变形主要有以下特征和规律。

(1)从布设的监测点变形可得出，涵洞进出口第一涵节变形大于八字墙变形。

(2)涵洞阴面和阳面由于受太阳辐射不同而导致涵洞基础下冻土融化程度亦不同，阴面融化深度较小，而阳面融化深度较大(这与地温测试的结果相符)，因而阳面发生较大融沉，而阴面融沉很小。

(3)涵洞沉降变形总体上越来越缓慢，逐渐趋于稳定状态。

涵洞病害的发展规律是个动态的变化过程，它受到人为上限变化、水流变化、地基土温度变化等因素的相互影响，青藏铁路多年冻土区涵洞病害由于冻土环境因素影响较多，有常流水、高含冰量冻土、冻土层上水饱和、有泉水出露以及地势低洼汇集成较大水塘等。

涵洞沉降原因分析如下。

(1)涵洞工程为过水建筑，容易受到地表水以及附近水域的水热侵蚀，加之开挖涵洞基坑，致使地基多年冻土融化，涵洞工程荷载较小，允许变形较大，且由于路堤的隔热效果，对地基冻土能起到一定的保护作用，但施工活动破坏了地基水热平衡，路堤和涵洞结构改变了地基的水热交换条件，经过一段时间回冻形成了新的冻土上限。所以地基多年冻土融化导致多年冻土人为上限下移是造成涵洞沉降的一个重要原因。

(2)如果采用的涵洞结构形式不尽合理或基础埋置深度不足，就会在土的冻胀应力的作用下使涵洞产生不均匀变形，造成涵洞管身脱节、错位、端翼墙开裂、外倾等，形成涵洞病害。

2 涵洞地温场监测及分析

图6为K1087+380涵2012年左侧进口测温孔年平均地温曲线，在7.7 m处地温为-1.3 ℃，地温较低，表明涵洞基础下的多年冻土的稳定性仍然较好。

图6 K1087+380涵洞断面年平均地温曲线

K1099+119涵洞断面位于可可西里山区，该段线路走向南偏西75°，涵洞左侧为阳侧，受线路阴阳面的影响，左侧地温高于右侧地温。涵洞进出口地基下2 m处平均地温相差0.5 ℃(图7)，虽然左侧地温曲线形态呈吸热型，但两侧1 m以下的平均地温均在-1.0 ℃以下，说明涵洞基础下的多年冻土是稳定的。

图7 K1099+119涵洞断面年平均地温曲线

K1154+590涵洞断面位于风火山山区，该段线路走向南偏西55°，涵洞左侧为阳侧。从涵洞进出口测温孔年平均地温曲线(图8)可以看出，左侧地温高于右侧地温，由于线路阴阳面的影响，涵洞左侧(涵洞出口)地基下3 m处平均地温接近于0.0 ℃，与右侧同深度地温相差1.5 ℃。左侧地温曲线形态在3 m以下呈吸热型。从总的地温曲线变化分析，涵洞右侧(进口)基础下的多年冻土是稳定的。涵洞左侧(出口)基础下的多年冻土受地形的影响吸热较大，处于退化状态。

图8 K1154+590涵洞断面年平均地温曲线

K1265+636涵洞断面位于通天河盆地，该段线路走向南偏东13°，涵洞右侧为阳侧。从涵洞进出口测温孔年平均地温曲线(图9)可以看出，涵洞左右侧的地温都比较高，8 m处的地温约-0.7 ℃。该涵洞左侧(进水口)虽然是阴侧，但地温仍然高于右侧，主要原因是该涵洞左侧地形低洼，经常积水所致。从地温沿深度的变化曲线分析，该涵洞基础下的多年冻土属高温不稳定多年冻土，需以后多加关注。

图9 K1265+636涵洞断面年平均地温曲线

从以上涵洞地温场监测数据中可总结出涵洞地温场主要有以下特点：

(1)涵洞受阴阳坡的影响，阳侧温度高于阴侧温度；

(2)当涵洞某一侧地基受到附近水域的水热侵蚀时，该侧地温明显高于另一侧且影响地温的深度也远大于阴阳坡的影响，也就是说水热侵蚀对涵洞地温的影响远大于太阳辐射的影响，同时说明水热侵蚀是涵洞地温场的最主要影响因素。

3 人为上限

位于多年冻土的这4个断面2007年和2012年人为上限的差值见表2。

表2 2007年和2012年人为上限及其变化

注：人为上限差值正值表示人为上限上升，负值表示人为上限下降。

从表2可看出，在2007年至2012年期间，所监测的4座涵洞中，除K1154+590涵和K1265+636涵的个别位置涵洞人为上限略有下降外，其余监测点均呈上升状态。说明涵洞基础在修建初期受到冻土开挖以及水热侵蚀等因素影响时造成人为上限下降后，随时间的推移，人为上限呈上升趋势。

4 涵洞病害成因分析

4.1 地表和地下水与温度的相互作用因素

较为常见的有涵底混凝土麻面破坏，由于涵洞过水不畅，通过涵洞的水在泥沙、杂物等的保水作用下，滞留在洞中，通过毛细作用进入混凝土表面，伴随着冻融循环，混凝土形成麻面，混凝土被层层侵蚀，直至完全破坏。

4.2 地基活动层的冻胀与融沉作用因素

涵洞结构冻胀、融沉变形，在多年冻土地区的涵洞工程中是普遍存在的。在多年冻土地区，涵洞地基活动层土体，每年都要经受一次冻融循环。在此过程中，地基土的冻结和融化，都将引起涵洞基础的冻胀变形和融化下沉变形。由于地基活动层土体的结构、组成成分、含水条件和冻结边界条件等都是动态变化的，故涵洞基础的冻胀、融沉变形也是动态变化的。当这种变形超过涵洞结构的允许值时，便造成涵洞工程的破坏。

涵洞结构的冻胀、融沉变形的大小，主要取决于地基土体类型、水分条件、基础埋深、冻结边界条件以及涵洞基础防冻胀措施的有效性等。由于涵洞基础的埋深一般较浅，不少涵洞的基础甚至埋在活动层中，气温和地表条件的变化，都直接影响涵洞的稳定。在基础埋深合适(基础下地基土无冻融循环)，涵洞人为上限相对稳定时，涵洞结构一般无冻胀、融沉变形。但是，在某些特殊情况下，涵洞人为上限波动值超过设计安全界限，地基活动层深入基础底面以下时，仍有可能使涵洞的不均匀冻胀和融沉变形值超过涵洞结构的允许值。在这种情况下，涵洞结构的变形破坏还是可能发生的。

4.3 地基多年冻土的衰退和融化

地基多年冻土的衰退和融化引起的涵洞变形，是多年冻土地区涵洞结构破坏的主要原因。

在铁路运营过程中，路基维修、养护施工引起的路基系统多年冻土环境变化(如植被覆盖度的变化、地表吸收率的变化、涵洞进出口积水等)，使多年冻土的温度状况发生了变化，而地表温度场的变化，使融化层有逐渐发展加厚的趋势，使多年冻土的上限下降，危害涵洞结构。同时基坑开挖使地基内部分多年冻土融化，并且在建筑物荷载和土体自重压力的作用下冻土内部融化孔隙水会流失，孔隙会剧烈减少，造成土体的较大变形和基础沉降，这种变形可能是不均匀的，因为外界对冻土地基温度的影响是不均匀的，所以造成的融沉也是不相等的。

因此，冻土环境的改变是地基多年冻土产生衰退和融化的主要原因。而涵底铺砌损坏，地表水下渗，形成地下渗流的热侵蚀，则是地基多年冻土出现衰退和融化的另一重要原因。

地基多年冻土温度升高时，基础的蠕变下沉将增大。而地基多年冻土融化产生的融化下沉和压密下沉，会使涵洞基础出现大量下沉变形。因此，地基多年冻土的衰退和融化，也是多年冻土地区涵洞产生变形破坏的主要原因。

4.4 涵洞换热边界条件的影响

涵洞和路涵过渡段的换热边界条件与一般路基不同。一般路基的传热可看作是二维的，而涵洞和路涵过渡段的换热是三维的。这种换热条件的差异，导致涵洞路基的冻结、融化深度增大(与涵洞影响范围以外路堤相比)，因而，涵洞路基的冻胀、融沉变形增加，引起涵洞路基病害。

另外，涵洞遮断了太阳的直接辐射，洞中气温较低，易形成涵洞冰塞、结构冻裂等病害。

4.5 冰劈作用

水冻结时体积膨胀产生的“冰劈”作用(或称“千斤顶效应”)，是涵洞混凝土构件和浆砌片石破坏的主要原因。

4.6 涵洞修建过程对原地层水热条件的改变

在涵洞修筑过程中，伴随着施工中热量的介入，使地温升高，基底冻土融化，人为上限下移，降低了地基的承载能力，发生了不均匀沉降，导致涵洞基础、洞身、洞口开裂及变形。

4.7 涵洞的通风作用改变了多年冻土的水热平衡条件

由于涵洞的通风作用改变了多年冻土的水热条件，致使涵洞中部多年冻土上限上升，而涵端和洞口多年冻土上限下降，导致涵洞中的冻胀融沉不均匀程度加剧，使涵洞两端及洞身产生开裂、下沉等病害，而产生开裂和下沉等病害后，排入涵洞的水，部分渗漏于铺砌层以下，水中的潜热进入了多年冻土层内，又使多年冻土上限下移，季节活动层增厚，冻胀、融沉再次加剧。当涵洞难以抵挡这种反复冻胀、融沉作用时，就加剧产生了涵洞的不同类型、不同程度的病害。

5 涵洞病害防治措施

对于多年冻土区涵洞的病害预防，首先在涵洞工程设计中，应根据设涵地段多年冻土的工程地质条件、冻土环境特征、拟建涵洞结构(力学和传热学)特点，合理选择冻土地基设计原则、合理的涵洞结构类型、通过热工计算确定合理的涵洞基础埋深等条件，使涵洞结构与地基设计原则相统一，使涵洞工程与多年冻土环境最相容，实现涵洞工程地基基础的长期稳定。

对于多年冻土区涵洞病害的整治应采用防排水、保温及改变地表条件等综合措施，减缓涵洞的沉降变形。

(1)在地表水、冻结层上水发育地段采用顺坡修复或重建排水沟、局部地段设置挡水保温护道、加设竖向挡水板的方式减少水对多年冻土的热侵蚀，进而保护多年冻土的热稳定。

(2)采用注浆方法来处理涵洞下沉引起的道砟层厚度过大问题，以减少降水沿路基纵向向台后路基的流动、补给。

(3)在涵洞左右两侧插入热棒，用来抬升人为上限，降低多年冻土地温，增加地基的承载力。

6 结论

(1)青藏铁路多年冻土区涵洞病害的成因并不是单一的，而是由以上7种因素综合作用形成，沉降、冻胀、填土压力三者相互联系。青藏铁路的施工以及水热侵蚀引起地基多年冻土升温融化，多年冻土退化，人为上限下降，高含冰量地基多年冻土融化下沉以及冻土蠕变下沉是造成青藏铁路多年冻土区涵洞病害的主要原因。

(2)多年冻土区涵洞病害的发展规律是个动态的变化过程，它受到人为上限变化、水流变化、地基土温度变化等因素的相互影响，青藏铁路多年冻土区涵洞病害由于冻土环境因素影响较多，有常流水、高含冰量冻土、冻土层上水饱和、有泉水出露以及地势低洼汇集成较大水塘等。

(3)通过合理化设计、施工同时减少和杜绝涵洞地基周围的水热侵蚀以及采取埋设热棒等工程措施，可以抬升人为上限，增强地基土的冻结强度，消除地基多年冻土退化所产生的融化下沉量，进而达到防治涵洞病害的目的。

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Analysis of Culvert Defects Mechanism in Permafrost Region of Qinghai-Tibet Railway

YANG Xiao-ming1，2, XIONG Zhi-wen1，2, ZHAO Xiang-qing1，2, TANG Cai-mei1，2

(1.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of CREC， Lanzhou 730000， China;2.Qinghai Province Key Laboratory of Frozen Soil and Environment Engineering， Geermu 816000， China)

In order to control the culvert defects in permafrost region of Qinghai-Tibet railway， seven causes of the culvert defects are identified based on the monitoring of deformation and temperature field of four culverts， and field investigation and monitoring data analysis. The results show that the construction of Qinghai-Tibet railway and water erosion having resulted in ground temperature rising and permafrost thaw settlement subsidence and the creep of frozen soil are the root causes for the culvert defects in permafrost regions of Qinghai-Tibet railway. Reducing and preventing water and thermal erosion around culvert foundation and the use of buried hot rod are the effective measures to control the culvert defects.

Qinghai-Tibet railway; Permafrost; Culvert; Defects; Mchanism

2015-03-26；

2015-04-23

中国中铁股份有限公司科技研究开发课题(重点-64-2011)

杨晓明(1982—)，男，工程师，2005年毕业于北京交通大学，工学学士，E-mail:happysky5@163.com。

1004-2954(2015)09-0087-06

TU471.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.020