青藏铁路修筑后次生不良冻土现象的特征及发展趋势

于雪飞，熊治文，武小鹏，周有禄，丁惠祥

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京　100081; 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州　730000)



青藏铁路修筑后次生不良冻土现象的特征及发展趋势

于雪飞1，2，熊治文2，武小鹏2，周有禄2，丁惠祥1

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081; 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州730000)

摘要：青藏铁路的修建会形成次生不良冻土现象，次生不良冻土现象会对铁路产生诸多危害。研究青藏铁路修筑以后次生不良冻土现象的特征及发展趋势意义重大。 对青藏铁路沿线不同类型的次生不良冻土现象进行调查研究，研究青藏铁路修筑以后次生不良冻土现象产生的机理、发育特征及发展趋势。查明对青藏铁路有直接或潜在威胁的次生不良冻土现象18处，其中与路基有关的次生不良冻土现象较少；与桥梁有关的次生不良冻土现象，主要是桥下形成冰椎、冰幔等；与涵洞有关的次生不良冻土现象，主要有涵洞下沉等。研究表明：未来气温升高导致多年冻土上限附近地下冰大量融化，将会产生诸多次生不良冻土病害，影响铁路的正常运营。

关键词：青藏铁路；次生不良冻土；多年冻土区；发展趋势

1概述

不良冻土现象，是指土体在冻结和融化作用下产生的对工程有不利影响的物理地质现象。在多年冻土区修建铁路会遇到许多不良冻土现象，反过来，铁路修建又会形成新的不良冻土现象即次生不良冻土现象。青藏铁路工程的建设活动以及铁路建筑物，不可避免地会对高原多年冻土环境和水文地质的变化产生一定的影响，而且，这种影响是长期性的。因此，研究青藏铁路修筑后次生不良冻土现象的特点和发展趋势，对于防止次生不良冻土现象的发生发展，保证青藏铁路的正常运营有着非常重要的现实意义。

多年冻土地区之所以会形成次生不良地质现象，在于多年冻土地区不仅气候严寒，而且还有多年冻土层作为底板使地表水的下渗和多年冻土层上水的活动受到约束，青藏铁路的修筑改变了天然的水文地质条件，这是诱发多年冻土区次生不良地质现象的基本条件。李永强等[1]系统阐述了青藏铁路多年冻土工程地质特征，王小军等[2]调查了青藏铁路沿线不良冻土现象，余绍水等[3]对青藏铁路沿线主要次生不良冻土现象形成机理作出了分析。通过以上分析，国内对于青藏铁路修筑以后次生不良冻土现象发育特点及发展趋势鲜有相关文章报道。鉴于此，本文对青藏铁路沿线次生不良冻土现象的发育特征进行了研究，并且对次生不良冻土的发展趋势作出了预测。

2铁路修筑后次生冻土不良地质现象的特征

2.1次生不良冻土现象的主要类型

青藏铁路自从开始建设，各参建单位已经对青藏铁路可能出现灾害的地段进行了多次调查研究。结合前人调查资料，可对青藏铁路多年冻土区次生不良冻土现象进行分类。

对于次生不良冻土现象的划分，主要根据灾害发生的原因进行分类，其中热融性次生灾害是由于多年冻土融化或退化过程中，土体压缩、固结或变形、移位所引起的灾害，这种灾害可以表现为岩土体的变形和失稳，也可以表现因地表形态改变而形成的其他地质体，当其对工程产生影响以后，便表现为次生灾害[4-6]；冻胀性次生灾害主要是由于土体冻结过程中水分迁移或原位冻结产生的体积膨胀类灾害，表现为构筑物的冻胀危害或因施工造成地下水通道的改变而出现的冰锥、冰幔等；冻融性次生灾害是指由于受冻融循环的影响，岩土体材料形态或强度等物理特性发生变化所引起的灾害。根据灾害成因、破坏形式将青藏铁路次生灾害可分为三大类10种表现形式(表1)。

2.2青藏铁路修建对多年冻土区的影响

与北美和俄罗斯的高纬度多年冻土相比，青藏高原冻土具有地温高、厚度小、自身热稳定性差等特点，因此对工程活动的扰动更加敏感[7-10]。青藏铁路修建以后改变了包括微地形(边坡、坡向)、地表覆盖(植被、积雪、地表水)及浅层土体的热物理性质等在内的局地因素[11]，不可避免地会产生诸多次生不良冻土现象。

表1　次生不良冻土现象类型

铁路修建破坏了脆弱的冻土环境，改变了地表状态和土体内部的冰-水平衡状态[12]，导致冻土中的地下冰融化，产生了人为干扰的热融湖塘和洼地，引起地表积水和季节融化层中含水率增加。热融洼地积水长期暴露在大气中，水温较高，促使多年冻土上限处地下冰继续融化，地面下沉而逐渐形成热融湖塘。此外，铁路修建改变了原有的地表水和地下水径流条件，造成路基附近积水。在夏季，水流对路基周围土体冲刷、掏蚀，使得铁路路基沉陷；在冬季，冻胀问题普遍，冻胀丘和冰锥发展速度较快，产生的冻胀力使得铁路路基产生不均匀沉降[13]。

2.3青藏铁路沿线次生不良冻土现象的调查结果分析

为了更好地了解和掌握青藏铁路修建引起的次生不良冻土现象，课题组对青藏铁路沿线多年冻土区不良冻土现象进行了调查，查明对路基、桥涵有直接或潜在威胁的次生不良冻土现象18处，详见表2。

调查总结如下所述。

(1)与路基有关的次生不良冻土现象较少，例如K1312+640～K1312+703处的路基滑坍。其形成原因是由于路基上方排水不畅，地表水及雨水浸泡路基土，造成下部地基土(粉质黏土)饱水呈软塑至流塑状，在桥台缺口填筑时，下部土体来不及排水固结，支撑不住上部高填方土体荷载，在上部填方土体不密实的情况下，从填方土体中部(即线路中线处)产生滑坍。

(2)对桥梁有影响的次生不良冻土现象，主要是桥下形成冰椎、冰幔等。按其形成原因可分为4种情况：①K1138+776日尔拉玛中桥、K1181+803以桥代路特大桥等桥梁下面的冰椎和冰幔，均是由于桥梁附近地下水受承压作用溢出地表后边流边冻而形成的。其中，K1181+803以桥代路特大桥冰椎现已顶到桥墩承台底面，对桥梁的安全性构成威胁，应立即采取处理措施，其它冰椎和冰幔尚未对桥梁造成危害。②K1229+290原为涵洞，现为小桥，上侧仍有冰椎和冰幔，是由于打测温孔时打出承压水，水在压力作用下溢

表2　次生不良冻土现象调查结果

出地面冻结形成的。③K1183+891尺之中桥等桥梁下面的冰椎、冰幔都是河水结冰形成的。④K1206+856大桥、K1208+068大桥，其下方与公路之间均形成冰椎、冰幔，是由于公路涵洞结冰堵塞，造成铁路和公路之间积水结冰形成的。

(3)与涵洞有关的次生不良冻土现象，按其形成原因可分为两种情况。① K1352+6961-3.0 m矩涵下沉，其形成原因主要是由于涵址处地势低洼排水不畅，地表水和雨水在涵址处聚集，积水渗入地基造成基底蓄热，致使地基富冰冻土融化导致涵洞下沉。由此引起路基下沉形成横向裂缝，裂缝宽度3～4 cm，裂缝间距21 m。②K1615+650涵洞、K1616+640涵洞、K1616+780涵洞右侧冰幔，主要是因为涵洞修筑后过水断面减小从而改变了地表水的径流条件，加之涵址处地势低洼、施工后没有对涵洞两侧水流条件进行很好的顺通，水的流动受到限制在寒冷的气候条件下逐渐结冰形成的。

3青藏铁路次生不良冻土现象的发展趋势

3.1沿线多年冻土退化范围的趋势及对铁路的影响

青藏高原的气温近几十年来呈现明显上升的趋势[14]。据青藏高原101个气象台1961～2000年气温资料统计[15]，40年来青藏高原气温平均升高大约0.70 ℃，升高速率约为0.017 ℃/a，远远大于中国气温的平均升温速率0.005 ℃/a。从多年冻土分区变化情况来看，如果采用气温升高1 ℃进行数值模拟预测，结果表明：50年后气温升高1 ℃，青藏铁路沿线约有1.7%极不稳定多年冻土(Ⅰ区)退化为季节性冻土，极不稳定型多年冻土约增加8%，不稳定型多年冻土(Ⅱ区)约增加5%，基本稳定型(Ⅲ区)和稳定型多年冻土(Ⅳ区)地温均会升高[16-17]。尽管上述推测很多不确定性，但青藏高原在未来30～50年内退化趋势将是明显的。

多年冻土退化，将会造成新的次生不良冻土现象并对工程稳定性造成不利影响。在多年冻土的退化过程中，一方面表现在多年冻土的热状态变化，另一方面则是多年冻土厚度减少，多年冻土上限埋深逐渐增大。多年冻土的退化对青藏铁路路基工程稳定性的影响主要表现在：由于上部多年冻土温度变化较大，导致上限附近地下冰大量融化，产生次生不良冻土病害；同时，也使多年冻土处于极高的温度状态，使多年冻土具有较强的流变性，导致路基基底土体产生较大的塑性变形。

3.2多年冻土区次生不良冻土现象发展趋势及对青藏铁路的影响

随着未来时间气温的升高，季节融化层厚度不断增大，多年冻土上限逐渐下降，使原来主要依靠大气降水补给的冻土层上水，又增加了一项位于多年冻土层顶板的地下冰不断融化成水的补给。这就更增大了冻土层上水含水层的厚度及其活动能力，加上气候变暖后引起冬季冻结速度的大大减少等因素的影响，将出现一个热融沉陷、热融滑坍和中小型冰椎、冻胀丘等冷生作用特别活跃的时期。另外，当不断退化的多年冻土层使路基基底出现贯通融区时，则沿着贯通融区向上排泄的承压冻土层下水，还将发生使路基在冬季遭受大型冰椎和大型冻胀丘等次生不良作用危害的问题，给铁路工程的稳定性造成很大的影响。

综上所述，伴随着全球气候的不断升温，与“水”、“热”有直接关系的多年冻土会逐渐退化，厚层地下冰发生融化，多年冻土上限下降，产生新的不良冻土现象，土工建筑物的稳定性遭到破坏，因此，在青藏铁路修筑过程中，就应该采取考虑气候升温条件下的工程设计原则，动态设计，动态补强，注重工程质量和对多年冻土与生态环境的保护，增强铁路工程抵御多年冻土退化和次生不良冻土现象的能力。

4结论

(1)青藏铁路修筑以后改变了高原多年冻土环境及水文地质条件，不可避免地对路基、桥梁、涵洞等产生了不同类型的次生灾害。

(2)次生不良冻土现象对铁路存在潜在的危害，主要表现为路基的沉陷、侧向侵蚀，桥梁下形成的冰锥、冰幔等，涵洞下沉、排水不畅等。对此要及早予以重视，并遵循减小地表扰动、恢复环境、保护冻土的原则进行防治。

(3)随着未来气温的升高，冻土层上水活动能力变强，加上气候变暖后引起冬季冻结速度的大大减少等因素的影响，将出现一个热融沉陷、热融滑坍和中小型冰椎、冻胀丘等冷生作用活跃的时期。

(4)全球气候的不断升温，多年冻土会逐渐退化，厚层地下冰发生融化，多年冻土上限下降，产生诸多次生不良冻土现象，对此应当引起重视，采取动态防治的原则予以治理。

参考文献：

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收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-11-21

作者简介：于雪飞(1988—)，男，硕士研究生，E-mail：798681091@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0043-04

中图分类号：U213.1+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.010

Characteristics and Developing Trend of Secondary Unfavorable Phenomena of Permafrost after Construction of Qinghai Tibet Railway

YU Xue-fei1，2, XIONG Zhi-wen2, WU Xiao-peng2, ZHOU You-lu2, DING Hui-xiang1

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China;2.Northwest Research Institute Co.， Ltd. of CREC， Lanzhou 730000， China)

Abstract：The construction of Qinghai Tibet Railway is likely to result in secondary unfavorable phenomena of permafrost， which may cause a lot of damages to the railway. It’s of great Significance to conduct researches on the characteristics and development law of secondary unfavorable phenomena of permafrost after the construction of Qinghai Tibet Railway. In this paper， the secondary unfavorable phenomena of permafrost along the Qinghai Tibet Railway is investigated and classified， and the mechanism， the characteristics and development trend of the secondary unfavorable phenomenon after the construction of Qinghai Tibet railway are studied. There are 18 secondary unfavorable phenomena having direct or potential threat to the Qinghai Tibet Railway. There are only a few secondary unfavorable phenomena related to the roadbed; the phenomena related to the bridge are mainly ice cone and ice mantle， the phenomenon related to culvert is mostly culvert sinking. Future temperature rise causing melting of underground ice near the upper limit of the permafrost may result in lots of secondary unfavorable phenomena that affect the normal operation of the railway．

Key words：Qinghai-Tibet Railway; Secondary unfavorable phenomenon of permafrost; Permanent permafrost region; Developing trend