青藏铁路多年冻土路基现状及分析

郭惠芹 王李阳 王蕴嘉 陈锋 王仲锦 张千里

1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081

青藏铁路（西宁—拉萨）全长1 956 km，线路穿过多个气候区和地质构造区，地形地貌复杂；其中格尔木—拉萨段长1 142 km，约有960 km 的线路海拔超过4 000 m，穿越连续多年冻土区约550 km［1］。多年冻土路基工程的长期稳定性是青藏铁路安全运营的关键［2］。为减少冻土工程地质问题及气候变暖对多年冻土路基的影响，青藏铁路的修建采取了冷却路基的方式［3-4］，研究表明这些措施能够有效对下部多年冻土起到主动保护的作用且部分措施适用于未来气候升温1 ℃的情况［5-7］。青藏铁路自2006 年开通运营迄今16 年，多年冻土地段列车始终按100 km/h 的设计时速平稳运行，多年冻土路基总体呈稳定状态，但部分路段尤其是高含冰量冻土地段依旧存在病害［8-10］。虽然这些病害尚未对青藏铁路的运营造成重大影响，但增加了养护维修工作，同时随着气候变暖，冻土退化加剧也会对线路的安全运营造成严重威胁［11］。因此有必要针对这些病害开展详细调研，明晰病害产生的根本原因，为青藏铁路后期的运营维护提供依据，同时也为青藏高原新建铁路及其他现有冻土区铁路的设计与维护工作提供借鉴。

1 多年冻土路基工程概况

青藏铁路沿线多年冻土区地处青藏高原腹地，自北至南根据地形地貌、工程地质等划分为高平原、山区、盆地、谷地共计15 个地貌单元［12］。大部分区域出露的地层岩性以砂岩、泥岩、泥灰岩、石灰岩等为主，高平原及洪积或冲积平原区域还分布有粉土、黏土等，厚度一般小于5 m［13］。该区域内地下水可分为冻结层上水、冻结层下水以及融区水，其中冻结层上水具有含水层薄且受季节影响大、不稳定等特点，而冻结层下水一般呈液态，受季节影响小并具有承压性［14］。

多年冻土区气候具有海拔高、气压低、太阳辐射强度大、昼夜温差大、高寒等特点，此外由于地形复杂，不同下垫面如土体、冰雪、草原等导致地区气候多变，具有明显的局地小气候现象［15-16］。根据青藏铁路沿线多个气象站的数据资料对气温变化进行了分析，发现1957—2020 年青藏铁路沿线年平均气温在-2.7～-5.7 ℃，各气象站年平均气温变化趋势如图1所示。可知，各气象站年平均气温均具有升高的趋势。

图1 1957—2021年青藏铁路沿线年平均气温变化

随着气候的不断变化，青藏高原降水量也逐渐发生改变。1976—2021年青藏铁路沿线四个观测站降水量见图2。可知，年平均降水量为231.2～ 492.6 mm，降水量总体呈上升趋势，目前处在丰水期［16］。

图2 青藏铁路沿线降水量变化

青藏铁路沿线多年冻土厚度0～ 120 m 不等，天然上限深度1.0～ 5.0 m，年平均地温-0.5～-4.0 ℃［17］，但随着气候升温，多年冻土地温也有不同程度的上升［11］。铁路沿线不同多年冻土地温分区占比［18］见表1，其中T为地温。可知，高温多年冻土区占比可达50%以上，与高含冰量冻土区重叠的里程长度约为124 km［12］。

表1 青藏铁路沿线不同多年冻土地温分区占比

青藏铁路多年冻土路基长度为426.4 km，约占多年冻土区线路长度的78%。作为多年冻土地段占比最大的基础类型，其稳定性对青藏铁路的安全运营具有重要意义，而路基的稳定性又与下覆多年冻土热稳定性密切相关。青藏铁路沿线多年冻土具有地温变化复杂、热稳定性差、含冰量高、对温度变化敏感、受太阳辐射影响强烈、坡向效应明显等特点［18-19］。因此，为保证青藏铁路多年冻土路基的长期稳定性，同时考虑到未来全球变暖对多年冻土的影响，采用了冷却路基的设计，见图3。主要包括片石气冷路基、碎石（片石）护道（坡）、热棒路基等及其不同形式的组合［3］，其中片石气冷+碎石护坡、块石护道-碎石护坡能够适应未来气候升温1.0 ℃带来的影响［11］。施工完成后多年冻土地区设置片石气冷路基长度为117.69 km，碎石护坡为127.00 km，热棒路基为32.00 km［1］。

图3 冷却路基结构形式

2 多年冻土路基服役状态

2017—2019 年青藏铁路K720+000 —K1425+000段路基秋检评定情况见表2。其中多年冻土段（K951+452—K1425+000）为473.55 km，约占该段路基里程的77.73%。由表2 可知，各年该段路基合格率均在96%以上，其中2019 年该段合格率为97.69%，失格率为2.31%，失格里程19.64 km，说明青藏铁路开通运营将近15 年后，多年冻土已经基本稳定，路基情况整体良好，仅部分路基段存在病害。

表2 青藏铁路格拉段路基秋检评定情况

2010—2018 年期间对青藏铁路47 段路基开展了专项整治，整治里程累计21.582 km，其中多年冻土路基长度为21.157 km。整治内容包括路基沉降变形、坡脚积水、路基开裂、路肩宽度不足、排水不良，这六种病害类型累计整治里程占比分别为47.51%、33.11%、7.64%、2.58%、1.28%。可以看出，路基沉降变形和坡脚积水为主要整治内容，其整治里程占比均超过30%。

病害整治采取的补强措施为增设热棒、排水沟、坡脚增设土护道、片石护坡、积水坑填筑、保温盲沟、裂缝注浆、挡砟墙等，这些措施在47 段路基病害整治区段分别应用了35、21、19、18、8、5、4、4段，其中热棒、土护道、片石护坡主要起冷却路基、保护下部多年冻土的作用，排水沟、坡脚增设土护道则是防止路基坡脚积水现象的产生，减少侧向热侵蚀对多年冻土路基稳定性的影响。

经过上述病害整治后，多年冻土路基依旧存在路基沉降变形、排水不良、路肩宽度不足、路基开裂、坡面变形、沙害等问题，其中路基沉降变形、排水不良、路肩宽度不足最为明显。2019 年青藏铁路K720+000 —K1425+000 区段内这三种病害路基两侧累计长度分别为23.62、34.54、9.38 km，可见路基沉降变形和排水不良问题依旧突出。

3 多年冻土路基病害分布及成因分析

3.1 多年冻土路基病害分布情况

47 项专项整治中的病害在青藏铁路不同区段的长度占比分布情况及高温冻土、高含冰量冻土分布情况见表3。

表3 不同区段冻土类型、路基病害分区占比分布情况

由表3 可知：①谷地、平原、盆地区域病害占比较大，山区地段较少。这是由于谷地、盆地区域地形平坦或略有起伏但存在洼地，路基周围更容易形成汇水条件，进而引起路基病害［14］。另外，西大滩断陷谷地、唐古拉山及山间盆地分别位于多年冻土的北界和南界，冻土地温较高退化明显，病害整治长度占比超过20%。②高温冻土占比较多的地段，路基病害占比较大。随着高温冻土长度占比增加，病害长度占比增加（图4），说明多年冻土路基病害与下伏多年冻土的地温有关。这是由于高温冻土的物理力学性质在温度影响下会发生实质性的变化［20］，在较高温度下冻土压缩量高于低温状态，高温高含冰量冻土的压缩系数在高温区间随温度的升高而增大［21］，基底多年冻土的压缩变形能够导致路基产生不均匀沉降，影响路基结构的稳定性。③高含冰量冻土占比高且高温冻土占比低的区段路基病害占比相对较少。K1064+257—K1116+282 区段高含冰量冻土占比达74.96%，但路基病害长度占比低于0.5%。这是由于高温冻土占比较少，大多数多年冻土处于低温冻结状态。低温多年冻土区路基填筑后其下部多年冻土上限抬升且较为稳定，更有利于路基工程的长期稳定［22］。

图4 多年冻土路基病害长度与高温冻土相关性分析

3.2 多年冻土路基病害成因分析

与非冻土区路基不同，在多年冻土区修建路基，工程活动对下伏多年冻土造成热扰动，引起冻土上限下降、冻土温度升高融化，并伴随一系列不良地质问题如热融湖塘等，导致路基产生不均匀变形、开裂等病害，威胁路基稳定性。多年冻土路基的稳定性与路基下部多年冻土上限的位置、形态密切相关。多年冻土路基变形实际上是包括下部多年上限形态变化在内的土体冷生过程的力学表现，当路基多年冻土上限高于天然上限时，即多年冻土上限呈上凸形态，路基相对稳定，反之路基则会发生融沉变形［23］。此外，周围水热环境变化也会对多年冻土路基的稳定性产生重要影响。前述47段多年冻土路基病害专项整治中，有20 段路基沉降变形与坡脚积水共同出现。这是由于积水下渗过程中，一方面会造成地基土含水量增加，土体软化，强度降低，进而导致路基稳定性降低；另一方面积水会对多年冻土路基造成严重的水热侵蚀，引起多年冻土退化，诱发多年冻土路基产生热融沉陷、路基开裂等问题［24-25］。

通过对现有研究资料分析发现，青藏铁路沿线大部分路基病害如一般路基段沉降变形、桥头路基沉降变形、路基开裂等主要发生在高温高含冰量多年冻土地段，同时伴随着坡脚积水、冻结层上水发育、冻土退化、路基下部温度场不对称等现象［26-28］。多年冻土区铁路运营期间多年冻土场变化和水热防护不足是引起多年冻土路基病害产生的主要原因。

在多年冻土区修筑路基，打破了原有天然地基与大气之间的热平衡，填筑初期路基填料存储的热量会引起多年冻土场温度升高并融化，此时路基多年冻土上限低于天然上限，即多年冻土上限呈下凹形态。正常情况下经过几个冻融循环后，由于路基填料热量的散失、路基热阻效应、不同路基结构的冷却作用以及与环境之间持续的热交换，路基下部形成冻土核，多年冻土上限最终发展为有利于路基稳定的上凸形态［23，29］。但是由于路基的修筑及施工扰动如周边取土等，改变了地表状态和地表水、地下水的渗流路径并引起周围多年冻土融化，同时由于大气降水增加和地形地貌的影响，不仅造成地表积水现象，还会引起冻结层上水发生变化［30-31］。冻结层上水（2～ 4 ℃）的渗流和携带大量热量的地表积水的入渗对基底多年冻土造成长期的热侵蚀［32-34］，导致多年冻土融化，引起路基多年冻土上限形态发生改变［35-36］。这种变化包括三个方面：①路基下部多年冻土上限表现为持续发展的下凹形态，如图5（a）所示；②路基下部呈上凸形态的多年冻土上限由于水热侵蚀作用凸起的冻土核发生融化，路基多年冻土上限逐渐低于天然上限，多年冻土上限转变为下凹形态，如图5（b）所示；③路基多年冻土上限呈上凸形态，但坡脚位置由于地表积水下部多年冻土融化加剧，冻土上限下降，导致多年冻土上限上凸程度增大，如图5（c）所示。

图5 冻结层上水对多年冻土场的影响

多年冻土上限持续下凹将引发路基沉降变形问题。尽管呈上凸形态的冻土上限有利于多年冻土路基的稳定，但由于路基结构内部存在冻融交界面将引起路基边坡稳定性问题［37］，当多年冻土上限上凸程度逐渐增大还会引起路基开裂及边坡滑塌等问题。此外，冻结层上水汇集与冻土融化均会增大土体含水量，引起土体强度降低，而高含冰量冻土的融化往往还伴随着较大的压缩变形，两者共同作用下路基变形将进一步发展。

4 多年冻土路基补强措施

针对多年冻土路基沉降、开裂等问题主要采取了片石加高路肩，增设土护道、片石护坡、热棒、排水盲沟等综合补强措施［2，8-9］。通过对路基沉降严重地段进行综合整治，路基稳定性得到明显提高。例如2007—2010 年青藏铁路K1496+750 断面每年沉降量均大于5 cm，截至2009 年累计沉降量超过20 cm，超出TB 10001—2016《铁路路基设计规范》要求范围，且路基一侧存在积水问题。随后根据路基沉降变形和积水问题，该断面2010 年增设块石护坡，2011 年路基右侧低洼地段垫土，2012年增设热棒。

K1496+750 断面2007—2016 年年沉降量及累计沉降变化曲线见图6。可知，该断面路基由于采取了补强措施，年沉降量逐渐减小并逐渐趋于稳定，采取路基补强措施后累计沉降曲线分三个阶段，即普通路基期间沉降加速增长阶段、块石护坡期间沉降缓速增加阶段、块石护坡+增设热棒期间沉降变形稳定阶段，沉降速率的显著降低说明采取的补强措施能够起到减缓多年冻土路基沉降、提高多年冻土热稳定性的作用。

图6 K1496+750断面沉降量变化

综合补强措施中如片石护坡、增设热棒等大多遵循主动降温、冷却地基、保护冻土的原则，忽略了水热侵蚀对多年冻土的影响，因此对多年冻土路基补强过程中还需要采取相应的防排水措施，如对坡脚积水采取填筑、增设反压护道，冻结层上水活跃地段通过埋设土工布或隔水板等方式阻断水的渗流等［27］。

此外，气温升高引起多年冻土退化，具体表现为活动层厚度增加、多年冻土温度升高、多年冻土上限下降、冻土面积减少等。根据前面的分析，路基下部多年冻土退化引起的融沉变形将导致路基产生不均匀变形，影响线路的安全运营。因此在多年冻土路基维护过程中还需考虑气候升温对冻土的影响并及时或提前采取补强措施。

5 结语

青藏铁路格拉段自建成通车以来，多年冻土基本稳定，建设期间及运营期间采取的防护措施效果良好，能够保证路基整体的稳定性，仅在个别地段存在较大变形。

多年冻土路基病害主要为路基沉降、排水不良。热稳定性是多年冻土路基保持长期稳定的核心，路基下部多年冻土场变化与水热防护不足是引起路基病害的根本原因。多年冻土路基设计及施工过程中采取的措施主要遵循主动降温、冷却地基、保护冻土。尽管也采用了部分防排水措施，但是对路基的水热防护设计及研究仍存在不足。因此，多年冻土路基维护过程中除采取保护多年冻土的措施外，还需采取路基水热防护措施，以保证多年冻土路基的稳定。

对于常见且病害成因清晰的病害路段，仍可沿用当前的增设土护道、片石护坡、热棒、排水盲沟等综合补强措施。对于病害反复出现的特殊路段，需重新进行勘察，综合考虑病害发生地段水文地质、地温变化、地形地貌、路基结构形式、路基沉降及水平位移情况等因素，对病害成因进行分析，制定相应措施。

青藏铁路的设计能够满足目前气候升温带来的影响，但是随着气候升温幅度和升温速率的增加，由冻土升温和退化引起的路基稳定性问题会随之增多，需开展更高升温条件下现有冻土保护措施的有效性及补强措施的研究。