浅析高原多年冻土路基病害成因与整治方法

李学峰

摘要：文章以青藏铁路路基实际发生的病害为例，根据青藏铁路所處地区多年冻土的特征，分析路基病害的成因，运用的综合整治方法及预防措施，以期为多年冻土路基施工、病害整治及预防提供借鉴。

Abstract： This paper takes the roadbed disease of the Beijing-Tibet Railway as an example. According to the characteristics of permafrost in the Beijing-Tibet Railway， the causes of subgrade diseases are analyzed. The paper puts forward comprehensive treatment methods and preventive measures， so as to provide experience for the construction of permafrost subgrade， prevention and cure of subgrade diseases and preventive measures.

关键词：高原多年冻土；路基病害；成因；整治

Key words： plateau permafrost；subgrade disease；cause；regulation

中图分类号：U216.42+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0196-03

0 引言

青藏铁路格尔木至拉萨段扩能改造工程三标段，北起唐古拉山脉，沿青藏公路蜿蜒南行，经由安多县、那曲地区、当雄县、羊八井镇，穿越堆龙曲峡谷，直至拉萨市附近[1]。标段内所通过的连续多年冻土区的长度546.43km，里程范围K951+450-K1497+860，其中K1404+470-K1497+860段处于多年冻土范围内，全长93.39km，位于安多峡谷区。

位于青藏高原的多年冻土作为一种特殊的土体，其特性：具流变性、具有长期强度远远低于瞬时强度的特性，正因为这些特性，修筑在冻土区的工程构筑物就一定面临冻胀和融沉的危险[2]。由于全球变暖冻土区在不断衰退。青藏铁路沿线分布着面积较大的多年冻土区，其活动层的季节性融合融沉、冻胀和不良冻土现象每年都发生，并伴随着各种不良地质现象。

1 产生的路基病害

作为全国面积最大的冻土地——青藏高原，冻土层正呈现出：冻结持续天数缩短、最大冻土深度逐渐减小等不利现象频发。经前期调查，标段沿线分布的各类多年冻土层，冻胀融沉较为强烈。正持续退化的冻土区广泛分布在从冈底斯山-念青唐古拉山北侧、铁路的南北侧的30多万平方公里的区域内[1]。

青藏铁路所处的高原冻土区，因融沉加剧造成地面不稳定，次生灾害频发，灾害地质问题频现，极大不利于所处冻土地区的公路、铁路等各种基础设施建设。

青藏铁路工程格拉扩能改造工程三标段范围内唐古拉、唐古拉南、扎加藏布、雪查玛车站均存在冻土融化的反复冻胀、融沉等各项工程地质问题，冻土沼泽（湿地）不良冻土问题以唐古拉站较为显著。标段内铁路路基冻胀、翻浆、松散冻融、融沉、低温开裂、边坡融沉滑塌均为多年冻土路基的主要病害表现。

现场调查发现，格拉扩能改造工程三标段内存在如下路基病害形式：

①多年冻土区桥头路基不同程度存在沉降现象，主要表现为道床厚度较大、浆砌片石挡碴墙局部有破损、局部地段路肩宽度不足。

调查数据如下：K1406+498-K1426+097唐古拉车站（K1405+303）至唐古拉南车站（K1426+097）间。共计：双侧6652m。

K1426+097-K1444+980唐古拉南车站（K1426+097）至扎加藏布站（K1444+980）间，共计：双侧6806m。

K1444+980-K1484+100，扎加藏布站（K1444+980）至托居站（K1484+100）间，共计双侧7762m。

K1484+100-K1508+867，托居站（K1484+100）至安多站（K1508+867）间，共计双侧3582m。

②经调查发现唐古拉车站（K1405+303）至扎加藏布站（K1444+980）间均发现个别路基在每年6-8月存在不同程度边坡热融滑塌情况。表现形式：6-8月路基坡脚处明显融化下陷，边坡出现滑塌，9月-第二年5月均无现象。

2 路基病害成因

针对标段内路基病害成因进行分析

2.1 多年冻土工程地质条件是产生冻土路基病害的根本原因

对于多年冻土，平均地温、其含冰量、多年冻土天然上限等方面均为多年冻土工程地质条件的主控方向。以上几个主控因素加上冻结层上含水量等地质水文条件，尤其这几大要素的组合，直接决定了多年冻土的工程地质状况，因受多年冻土的工程地质状况影响，高原冻土地区路基工程产生了不同于其他地区的特殊性病害形式：桥头路基沉降、路基开裂等。

2.2 外部条件变化是影响冻土稳定性的直接原因

①路基作为跨越各种地址、地锚、冻土环境的长距离带状结构物、具有与大自然接触广泛的特点，影响路基基底下多年冻土地基的热稳定性的因素有气温、年平均地温、太阳辐射、冻结层上水、路基结构形式、路基边坡朝向、施工季节、施工方式等。

②多年冻土段存在水文及水温地质条件复杂等因素，水所携带的热量日积月累降低了多年冻土相对的热稳定，多年冻土的天然冻结深度发生改变，冻结深度的不稳定，融沉界限下降，直至不良冻土问题出现。

③建设期间，桥台基坑开挖及桩基、大体积混凝土浇筑，破坏了原有的冻土环境，对冻土产生极大扰动，路桥过渡段基底下卧多年冻土的工程性质因此也受到不利影响，从而造成冻土的天然上限值下降，多年冻土逐步融化下沉。endprint

2.3 路基、桥台对冻土工程性质影响不同

標段内路基与桥台的材料构成不同、结构的形式不一、几何尺寸各异，同时地区太阳辐射不同，引起的温度改变及效应不同，从而对路基填料的稳定性产生较大差异影响，尤其衔接处附近极易产生不均匀沉降，直至路基病害的发生。

3 路基病害综合治理

路基病害处理施工：边坡防护工程、路基加固工程。

根据多年冻土区的支挡、防护建筑物不采用浆砌片石结构[3]的原则，标段内桥头路基病害处理采用浸塑网片隔离加干砌片石护肩的处理方案，部位路段采取防冻胀护道（坡脚下倾填片石）、干砌片石护坡、热管。

①标段内干砌片石护肩（坡）因邻近营业线施工，采用浸塑网片防护栅栏隔离施工。防护栅栏最内侧的结构物边缘，与线路中心线大于铁路建筑限界，不损坏道床坡脚，浸塑网片隔离在道碴下坡脚位置设置。

干砌片石抗压强度不小于MU30[4]。片石厚度应在15-20cm之间，为保证运营安全，采用干砌片石加高路肩至道床顶面下0.45m（或与既有挡碴墙顶面齐平），干砌片石顶面宽度0.8m，顶面采用5cm厚M10砂浆抹面。既有线路采用碎石护坡形式的则干砌片石垛加高、加宽以满足路肩要求。在桥头附近1m长度范围内设置干砌片石垛对端部进行加高、加宽封闭，如图1所示。

②为保证路基的边坡、坡脚稳定，可采取坡脚处施做防冻涨护道（倾填片石）的原则，为保护路堤、坡脚不因冻土的季节性变化而引起路基面、坡脚处高低起伏而损坏路基。路基的填筑高度>3m时，路基路堤两侧设置防冻涨倾填片石护道，高度、宽度必须大于当地冬季的最大冻结深度，倾填片石的选用原则与干砌片石一致，干码。

③热管与通风管。

铁路路基两旁设置热管，地面以上高约2m，埋入地下5m。热管为中空式，内部灌有液态氨。工作原理：每当路基外空气温度低于路基内部时，热管中液态氮则气化，氨变为气体后密度变小，上升到热管的顶部，通过热管外分布的散热片使热量传递给空气，气态氨因失去热量再次冷却变为液态氨，因密度增大、重力作用下再次返回热管的底部。由此周而复始，最关键一点，热管仅能单向传导热量，传导方向：只能从地下向热管顶部传递，反之则不能传导。热管相当于一台天然的制冷空调，完全不受动力系统约束。同时在路基的水平方向设置通风管（与热管的垂直方向设置相反），路基内外产生温差时，通风管则利用空气对流的远离将热量排出，温度降低，使多年冻土区的冻土临界点提升，从而保证下部冻土的稳定，如图2所示。

4 路基病害预防措施

多年冻土路基在坚持“主动降温、冷却地基、保护冻土”的思路同时，广泛应用片石气冷、碎石护坡、热管等主动保护冻土措施[3]。结合既有路基建设及运营养护维修工程实践经验，采用片石气冷、碎石护坡（路基）、热管、保温护道、挖除换填等综合措施保护多年冻土。施工中要保证将既有路基、既有冻土的热扰动降低到最低程度。

①重视多年冻土环境保护，不得在高含冰量冻土分布地段取土，不宜在植被覆盖良好的地段取土弃土。施工便道远离路堤坡脚、路堑顶部至少20m，并不得在路堤坡脚与排水沟间扰动。

②施工前通过现场复查、核对设计文件，了解路基所处位置的冻土分布类型、冻土上限、地面水及热融、冰丘、冻土沼泽等情况[1]。施工生产严格依照：保持地温、保护冻土生态平衡、保持地表附着物的原则。

③路基施工应选择合理的施工季节和时段。

1）青藏高原太阳辐射强烈，高含冰量地段路基开挖可在12月-来年2月、6月-8月施工，路基基地、边坡换填等施工应6月底前完工。2）路堤段填筑可在9月-11月、3月-5月施工，一天中高温时间段应避免施工。

④多年冻土区路堤填筑可在不清除地表植被的地面上直接施工。根据冻土区最大冻结深度、冻土含冰量、地表植被覆盖种类、地温、基础岩土性质等因素，选择热管、通风管、保温护道（倾填片石）、碎石护坡、片石气冷、保温材料、换填渗水土、排水管等各种路基处理措施及多种措施的组合运用保护多年冻土，对既有路基、冻土层的的热扰动降到最低限度。

5 结论

多年冻土在我国分布较广，多年冻土路基研究发展较晚，近些年由于基础设施建设的大力推进，路基病害的整治与防治措施研究发展迫在眉睫，文章通过青藏铁路工程路基病害整治及施工措施实例出发，将路基病害产生的形式、综合整治的措施详细描述，通过实例证明多年冻土路基病害的严重性及根据路基病害的不同形式选择相对应的治理方法，以期将多年冻土路基病害降低至最低程度，并得到完全根治的目的。

参考文献：

[1]陈海平.青藏铁路格拉段扩能改造方案分析及实施建议[J].铁道运输与经济，2015.

[2]胥俊德.青藏高原多年冻土区建筑基础工程施工和质量控制及环境保护[J].甘肃科技，2015.

[3]中华人民共和国行业标准.青藏铁路高原多年冻土区工程设计暂行规定（2003年局部修订版）[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[4]中华人民共和国行业标准.TB 10414-2003，铁路路基工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2004.endprint