青藏铁路多年冻土区超过上临界高度路堤的分布及特征

赵相卿，程 佳，韩龙武，蔡汉成

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

青藏铁路穿越高原多年冻土区长约547 km，是中、低纬度地带海拔最高，多年冻土分布面积最广、厚度最大、温度较低的地区，其自然条件恶劣，地质条件复杂。青藏铁路格拉段多年冻土区路堤运营以来基本保持了一种良好的运营状态[1-2]，但是由于全球气候变暖及青藏高原人为活动增加等因素的影响，近年来青藏高原降雨量逐年增加[3]，部分地段路堤发生了一定的变形等问题，影响青藏铁路的安全运营[4-8]。

目前国内外关于路堤高度对工程的稳定性影响在铁路和公路方面都有一定研究，但多集中在非多年冻土区，即一般多在软土、黄土等特殊土或软岩地基等地基类型中[9-13]。高原多年冻土区的路堤具有和普通地区完全不同的工程地质条件，路堤填筑高度导致其热学稳定性发生变化[14]，从而影响路堤力学稳定性。因此本文开展青藏铁路多年冻土区路堤高度研究。

1 多年冻土区路堤合理高度的研究现状

关于冻土区路堤合理高度的研究，国内外学者从路堤合理高度的角度出发，给出了路堤合理高度存在的环境气温和上下临界高度[15-19]。前苏联在20世纪60年代，就开始对多年冻土上路堤最佳高度进行研究。多年冻土上修筑路堤后，如果地基多年冻土的上限能够上升至基底，则路堤是不会下沉的；如果基底下存在季节活动层，则季节活动层的压缩将使路堤产生下沉。下沉量不超过允许值时，路堤的设计高度便是最佳高度[20]。20世纪70年代，前苏联研究发现，在贝阿干线的低温冻土区，仅高度小于1.5 m的石质土路堤下的多年冻土上限才下降，在用非石质土修筑的路堤下，多年冻土上限总是上升的；在高温多年冻土区，路堤下多年冻土的上限总是下降的，其下降值为2～4倍天然上限埋深[21]。美国曾于1978年和1982年，在阿拉斯加的巴罗地区，进行了北极苔原上的路堤临界高度试验。观测结果表明：在阿拉斯加的巴罗地区，用砾石修筑的路堤，其临界高度应在1 m左右[22]。

我国关于多年冻土地区路堤临界高度的研究始于20世纪60年代。为了研究青藏高原多年冻土地区路堤的合理高度，铁路冻土科研工作者从1960年开始就已在青藏高原冻土腹地的风火山北麓地下冰地段建立冻土定位观测站和路堤试验场。开展了系统的试验、观测和分析研究。在《青藏高原多年冻土地区铁路勘测设计细则》中规定：青藏高原多年冻土区的腹部地带，黏性土路堤的临界高度约为0.5 m。也就是说，高于0.5 m的黏性土路堤，地基多年冻土的天然上限是要抬升的。此外还数次进行了沿青藏公路的多年冻土路堤调查、监测和解剖[18]。

多年来，结合青藏铁路的修建，国内学者研究了青藏铁路沿线多年冻土区路堤临界高度存在的条件和计算方法，并提出了青藏铁路沿线多年冻土区路堤最小设计高度的计算方法。长安大学王铁行[17]等对青藏高原多年冻土上临界高度进行了研究，研究结果表明：对于年均气温-4 ℃，天然上限在1.95～2.95 m的场地进行了计算，其结果近似呈直线分布，得到沥青路面路堤和砂砾路面路堤上临界高度。对砂砾路面路堤，计算得到年平均气温-4.0 ℃、天然上限2.6 m场地砂砾路面路堤的上临界高度为2.7 m。

2 青藏铁路多年冻土区路堤临界高度

对于多年冻土区的普通结构路堤而言，其热稳定性与路堤高度有关，关于路堤的临界高度问题，已有的研究成果主要考虑如何保证路堤修建后人为上限不下降的问题，主要研究结论有：①年平均气温低于-3.1～-3.8 ℃和年平均地温低于-0.6～-0.7 ℃是青藏高原多年冻土区路堤临界高度存在的必要条件；②在青藏铁路沿线多年冻土区粗粒土路堤的最小填筑高度为2.3～3.5 m。

从保护冻土出发，单纯地考虑路堤高度时，热稳定的影响是比较简单的，因为路堤高度大，意味着从上界面流向地中的热量传递过程中，热阻增大，堤体的热储(热容和相变热)也增加。增加路堤高度，有利于热稳定。但是该结论受到2个条件限制：第1个限制是路堤高度不能过低，第2个限制是路堤高度不能过高。亦即习惯称之“下临界高度”和“上临界高度”。

路堤的上临界高度,是指施工竣工后堤身与基底天然上限在第1个寒季冻结衔接的最大填筑高度,是热稳定性的路堤高度,并非常规设计规范所规定的由填料性质、地形(地面横坡)、构造界限所限的堤高。

路堤高度过低，是因为路堤天然建筑场地受堤体的压密排水，使天然土层的热阻减小和热储减小，而堤体增加的热阻和热储尚不足以补偿前者的减小，因此，反馈影响导致整体的热稳定状况恶化。

路堤高度过高，是堤体冬令期的冷储能力超过了环境气候对堤体在冬令期内可能的冷储能力，使夏令期施工赋予堤体的总热储，在当年的冬令期内不能全部消除，在堤体内形成残留融化区。该融化区常与堤体下天然季节层相衔接，以致连续几年，甚至多年不能消失，这种状况是路堤热稳定性所不允许存在的。

路堤的最大填筑高度由区域冻结能力控制，与施工工艺、施工季节有十分密切的关系。寒季填筑的路堤，填方高度不受热工计算要求的控制，主要考虑力学稳定问题；暖季施工的路堤，则必须考虑填料带入堤身的热量散逸速度。

路堤基底天然上限上升的必要条件是，工程所在地区气候冻结能力必须大于融化能力。消耗于季节融化层冻结衔接后所剩下来的冻结能力，称为过余(潜在)冻结能力。当区域气候的过余冻结能力大时，在该地修筑路堤的上临界高度也大。在一般情况下，当把融冻深度看作地表积温的函数时，可用地表积温来衡量冻结与融化能力。由于年平均地表温度t0可用下式表示。

(1)

式中：∑(+tτ)和∑(-tτ)分别为地表正积温、负积温，即1年内地表日平均正温或负温度值之和(℃·d)；τw为年周期(365 d)。

因此，当|∑(+tτ)|>|∑(-tτ)|时，t0>0 ℃，此时零振幅深度地温(多年地温)tcp>0 ℃,无多年冻土层；对于放热型或稳定型的多年冻土地区(即地表年均温低于或等于温度零振幅深度地温)，当|∑(+tτ)|=|∑(-tτ)|时，t0=0 ℃，tcp≥0 ℃，无多年冻土层，或呈零梯度多年冻土层。以上情况均无法利用过余冻结能力。只有在|∑(+tτ)|<|∑(-tτ)|时，才能考虑过余冻结能力的利用，而且当|∑(+tτ)|≪|∑(-tτ)|时，t0≪0 ℃，tcp≪0 ℃即地表正、负积温差越大，多年地温越低，过余冻结能力越大。

当以地表年均温t0<℃作为多年冻土存在和发育的前提条件，由于青藏高原不同下垫面下的多年平均地面温度比年平均气温要高2～4 ℃或更大，因而可以认为：当年均气温为-2～-4 ℃以上时，才有可能存在过余冻结能力；若年平均气温高于或等于-2～-4 ℃，就必须根据土质、含水量、朝向和地形等条件，综合考虑路堤冻土核问题。青藏高原连续多年冻土地区年平均气温一般为-4～-6 ℃，正、负积温差较大(差值1 500～2 400 ℃·d，负积温是正积温的3～8倍)，有较充分的过余冻结能力，因此能使一定高度的新填土层冻结并与多年冻土衔接。

当路堤填筑地段的气候存在过余冻结能力时，如果路堤人为上限hT小于路堤高度H和基底天然上限h0之和，即hT

当冻土核升入堤身后，就存在堤高与冻结能力的平衡问题。由于路堤的断面形式、填料性质、表面状态均有利于寒季的散热，因而虽然存在暖季阳坡水平热流对堤身的加热作用，堤身的年际冻深仍然大于天然地层的可能冻深。但由于新填路堤填料带入堤身的热量，需消耗一部分过余冻结能力，影响了堤身及其基底的温度分布。这一部分热量对路堤冻结状况的影响，随路堤高度和施工季节的不同而变化。

以往的研究结果表明：我国风火山地区铁路试验路堤自上而下的冻深应为4.8～5.7 m。回冻高度约为整个冻深的36%，则路堤的冻深应为7.5～9.0 m。即当天然上限为1.5 m时，路堤的填筑高度若控制在6.0～7.5 m，则已最大限度地使用了当年区域气候的冻结能力和多年冻土层的回冻能力，没有余力去继续冷却上下零度等温线衔接区的高温冻土区。经试验工程观测资料所证实的风火山地区黏性土填筑的路堤，其Hmax≤7.5 m，为避免在基底附近形成融化夹层，该地暖季路堤的最大填筑高度，应控制在7.5 m以下。

也就是说我国青藏高原风火山地区用细粒土填筑的试验路堤，从热学上说，经过1个冻融循环路堤—地基内冻土能够衔接的最大路堤高度为7.5 m，那么这个研究成果是否能够用于进行界定青藏铁路高路堤的临界高度不得而知。因此，有必要对青藏铁路路堤工程地温监测的长期监测数据展开分析，确定青藏铁路沿线多年冻土区的路堤中是否存在不衔接冻结状态即存在融化夹层现象。

3 长期监测系统地温监测数据分析

青藏铁路冻土区工程长期观测系统共建设地温和变形观测断面78处，其中路堤稳定性地温和变形观测断面66处，桥梁基础稳定性地温和变形观测断面4处，涵洞基础稳定性地温和变形观测断面8处。

为了弄清多年冻土区路堤自上而下的冻结深度问题，从长期监测系统中选择其中的融区监测断面来进行路堤的冻结深度实测数据分析，其中为普通路堤结构形式且数据链完整的共有4个，里程分别为K954+185，K1 190+650，K1 431+480，K1 497+845。

在这4个监测断面中，左、右路肩下路堤冻结过程曲线如图1—图4所示。从图中可以看出，线路走向对路肩的冻结过程有较大影响，整体来说阴坡侧路肩下路堤冻结深度均比阳坡侧大，冻结持续时间更长。其路肩冻结深度特征见表1。

从表1可以看出，路堤的冻结深度和其所处地段气候环境有一定相关性，与多年冻土一样，其路肩下的冻结深度和海拔高度、纬度、路堤高度和太阳辐射等有一定的相关性影响。

从这4个路堤的冻结过程曲线图结合其工程环境特征中可以得到的主要结论如下。

(1)在青藏铁路沿线多年冻土区中的融区普通路堤结构，其左右路肩的冻结深度为2.8～6.8 m之间，其中阳坡侧路肩下冻结深度在2.8～6.5 m之间，阴坡侧路肩的冻结深度在3.3～6.8 m之间。

(2)左右路肩下冻结深度的阴阳坡效应明显，受线路走向的影响，阴坡路肩下冻结深度均大于阳坡路肩，线路走向越趋于东西向，两侧路肩下冻结深度差异越大，阴坡侧冻结深度是阳坡侧的1.04～1.71倍。

(3)从监测到的数据来看，唐古拉山垭口附近的K1 341+480监测断面海拔最高，其路堤自上而下的冻结深度达到最大，两侧路肩分别为6.5和6.8 m，其余地段相对冻结深度相对较小。

因此，在目前的青藏铁路沿线多年冻土区中，普通路堤结构的自上而下的冻结深度影响范围在2.8～6.8 m之间，最大不超过6.8 m。反过来如果说路堤填筑高度超过6.8 m，那么可以推断，6.8 m以下的路堤及地基必然以消耗多年冻土层中的冷量为代价形成新的稳定的路堤地温场，使其多年冻土浅层地温升高成为必然，这样会给多年冻土区高温高含冰量路堤的稳定性带来不利的影响。

图1 K954+185路堤冻结过程曲线

图2 K1 190+650路堤冻结过程曲线

图3 K1 431+480路堤冻结过程曲线

图4 K1 497+845路堤冻结过程曲线

表1 长期观测系统融区路堤监测断面路肩冻结深度表

注：黑体数字为阴坡侧路肩下冻结深度。

4 多年冻土区路基地温变化特征

在长期监测系统的共计66个路堤监测断面中的多年冻土区路堤共计55个，其中填筑高度(路堤中心高度)大多在2～4 m。

由于长期监测系统于2006年年底全部建成，因此通过建设完成至2007年底数据分析其上限变化和是否存在融化夹层，通过监测数据分析得到存在融化夹层的监测断面有3个，即K1 156+650，K1 480+150，K1 496+751的监测断面存在融化夹层，其中后2个监测断面路堤高度分别为2.7和5.8 m，均未超过6 m且为冻结层上水过水断面，由于受到冻结层上水的热侵蚀较为严重从而导致人为上限不断下降，高含冰量冻土融化导致路堤沉降变形，这种情况以K1 496+750路堤监测断面代表，如图5所示。

图5 K1 496+750路堤断面地基多年冻土变化情况(单位：cm)

长期监测系统中，填高超过7.0 m的冻土路堤监测断面只有K1 156+650，路堤中心填筑高度达到了10 m，填筑高度超过了既有研究成果中的上临界高度。

K1 156+650监测断面所处的地貌单元属风火山区，位于风火山南坡，地形起伏较大，地势右高左低(如图6所示)，地面高程范围约4 790～4 805 m，该段天然场地年平均地温为-1.1 ℃，天然上限为1.22 m。该段路堤中心高度为10 m，2007年6月该段路堤边坡增设片石护坡，即由普通路堤改为片石护坡路堤。

如图7所示，K1 156+650监测断面天然测温孔天然上限为1.22 m，年平均地温在-1.1 ℃，根据天然孔地温结合地质资料判断，本段路堤处于低温低含冰量基本稳定多年冻土区。

图7 K1 156+650监测断面天然测温孔年平均地温曲线

2006年7月—2008年6月共计2年来，K1 156+650路堤的左、右路肩下年平均地温变化曲线如图8所示。从图8可以看出：(1)左路肩(阳坡侧)下多年冻土上限深度已经深达16 m，地温曲类型线为吸热型，即深处的年平均地温比浅层高，地基多年冻土处于退化状态；(2)右路肩(阴坡侧)下年平均地温曲线类型为放热型，即深处年平均地温大于浅层地温。受铺设片石护坡的影响，右路肩下2007年—2008年度年平均地温比2006年—2007年度地温低，地基土年平均温度在逐步降低。

图8 K1 156+650处路堤左右路肩下年平均地温特征曲线

讨论路堤的热平衡状态可以从其浅层积温的变化进行分析。2006—2008年K1 156+650处天然监测孔和路肩监测孔的浅层(0.5，1.0和1.5 m)地温积温见表2。

从监测断面正、负积温差值来看：(1)左路肩(阳坡侧)0.5～1.5 m内积温差值为正，也就是说阳坡侧路肩下正积温大于负积温，外界带来的热量大于冷量，对路堤及其地基土有升温作用，导致下伏多年冻土处于升温退化状态。(2)右路肩(阴坡侧)0.5～1.5 m内积温差值为负，其绝对值大于同深度天然孔的数据，也就是说阴坡侧路肩下外界带来的冷量大于热量，对路堤有降温作用。(3)在铺设片石护坡后，路堤两侧传入路堤中的热量均有降低，其中阴坡侧降低较为明显有利于降低和保护地基多年冻土。

表2 K1 156+650路堤断面浅层积温

另外，从图9—图11所示的K1 156+650处路堤右路肩(阴坡侧)2006年—2008年不同深度的地温变化来看，2007年年中铺设片石护坡以来，右侧路肩下地温在逐渐降低，且10～13 m深度处地温由正转负，融化夹层消失多年冻土上限抬升。人为上限从13 m以下(测温孔深13 m，且13 m深度处地温接近0 ℃)上升至5 m。

图9 K1 156+650处路堤右路肩测温孔地温曲线

从图12所示K1 156+650处路堤左路肩(阳坡侧)2006年—2008年左路肩下多年冻土地温变化曲线来看：增设片石护坡后，不同深度地基土温度有所降低，且在地基多年冻土地温也在降低，人为上限从16 m升至14 m。

图10 K1 156+650处路堤右路肩测温孔地温曲线

图11 K1 156+650处路堤右路肩下融化进程曲线

图12 K1 156+650处路堤左路肩测温孔地温曲线

综上所述，K1 156+650监测断面的人为上限变化过程(如图13所示)数据分析可以得出以下结论：(1)由于路堤填高较大(中心填高大于10 m)，截至2007年6月，两侧路肩下地基多年冻土人为上限和天然上限相比下降，地温升高，因线路走向近东西向，阳坡侧(左路肩)人为上限下降4.5 m左右，阴坡侧(右路肩)人为上限下降3 m左右且在10～13 m存在融化夹层；(2)2007年6月增设片石护坡后，经过1个寒季至2008年6月，左侧路肩下人为上限(负温区)上升了2 m，右侧路肩融化夹层消失，人为上限抬升至路肩下5.0 m左右。

图13 K1 156+650处路堤人为上限(单位：cm)

新形成的人为上限位置附近冻土温度较高(接近0 ℃)由于高温冻土具有较强的流变特性，所以其力学稳定性较差，因此上限抬升并不能保证该路堤稳定不变形，如在上限抬升的2008年，其左路肩变形量仍有16 mm(见表3)。由于该断面位于少冰冻土区，其地基多年冻土升温或融化后变形较小。

基于上述分析，将青藏铁路多年冻土区上临界高度的定义为：经过1个冻融循环，自上而下的冻结能力不能冻透的路堤高度，此类路堤下的地基土活动层完全以消化多年冻土的冷量来完成回冻。

表3 K1 156+650监测断面左右路肩变形

根据此定义，沿线路堤的临界高度是不一致的，在多年冻土区腹地的越岭地段(昆仑山、风火山、唐古拉山)，其年平均气温和地温均较低，冻土环境相似，路堤的临界高度为7 m左右，在地势相对较低，气温、地温相对较高的其他地貌单元中，路堤临界高度则相对较低。

在穿越多年冻土区的15个地貌单元中，在地势相对较为平坦的高平原、断陷盆地及谷地中，路堤高度相对较小，一般为2～4 m，这种高度的路堤无论从热学上还是普通地区路堤的力学概念上都不能称之为高路堤。

由于受到线路设计纵坡的影响，在铁路穿越一些山区中斜坡和沟谷微地貌单元时，青藏铁路路堤工程不可避免地出现了一些填方大于7.0 m的路堤临界高度以上段落，主要分布于昆仑山、风火山、唐古拉山等地貌单元中。

5 结 论

(1)通过对沿线多年冻土区中融区路堤冻结深度和冻土区路堤监测断面实测地温监测数据分析，得到了青藏铁路多年冻土区临界高度：在多年冻土区，经过1个寒季—暖季的冻融循环，将自上而下的冻结能力不能冻透的路堤高度作为上临界值，青藏铁路多年冻土区路堤上临界值在7 m左右，地势相对较低、气温、地温相对较高的其他地貌单元中，路堤临界高度则相对较低。青藏铁路多年冻土区上大于临界高度的路堤主要分布于昆仑山、风火山、唐古拉山等山区地貌单元中。

(2)填筑高度高于上临界值的路堤，地基土活动层完全以消化多年冻土的冷量来完成回冻，从而引起地基多年冻土温度升高，上限下移，冻土融化，导致多年冻土区路堤产生不均匀变形，为线路安全运营带来隐患。

(3)由于青藏铁路多年冻土区路堤变形是一个缓慢、渐进式的过程，因此建议在以后的工作中继续对多年冻土区大于上临界高度的路堤稳定性给予关注。