青藏铁路多年冻土区旱桥桩基沉降病害及其治理启示

陈 继， 党海明， 美启航，4， 侯 鑫，4， 王进昌， 杨 林

（1. 中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2. 中国科学院 西北生态环境资源研究院青藏高原北麓河冻土工程与环境综合观测研究站，甘肃 兰州 730000； 3. 中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810000； 4. 中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

和路基相比，桩基础作为冷结构对地温场扰动小，承载力高，抗变形能力强，施工季节灵活，对不同地形地貌和恶劣地质条件的适应性强，后期维护少且使用寿命长，加上其对环境破坏小，兼具动物迁徙通道功能，被广泛应用于多年冻土区［1］。青藏铁路在高含冰量、极不稳定的冻土段使用了总长125 km 的旱桥，通车以来旱桥桩基的平均沉降量小于10 mm，远远小于《铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10093—2017）》中有砟桥面桥梁墩台工后均匀沉降量80 mm 的要求，确保了高温高含冰量冻土区铁路的运营安全和运营水平［2-3］。借鉴青藏铁路的成功经验，青藏直流输电工程中也广泛采用了锥柱、现场灌注等多种形式的桩基础，同样取得了良好的工程效果［4-5］。多年冻土区桩基础与非多年冻土区桩基础不同之处在于：以依附环境温度为生存条件的多年冻土区中，冻土温度的高低、含水（冰）量的多少是决定桩基础强度和稳定性的关键。在一定含水率条件下，温度的高低直接控制着多年冻土的工程性质［6］。

对于冻土区的打入桩而言，桩基的承载力主要来自于桩土界面间的附加冻结力，端承力仅占桩基承载力的一小部分，除非桩端位于基岩或融化后比较稳定的粗颗粒土上［7］。多年冻土区的附加冻结强度取决于冻土温度、土质类型、含冰量、桩的表面粗糙度以及多年冻土孔隙水的含盐量［8-11］。对于冻土区的钻孔灌注桩而言，桩基的承载力包括侧摩阻力、冻结力、桩端阻力和残余摩阻力。现场原位试验表明，桩端阻力可以达到桩基上部载荷的35.6%［1］。

多年冻土温度是桩基设计考虑的关键指标。在高温多年冻土区（>-1 ℃），如果地基土融化后是稳定的，可以按照融土来设计［8］。在融化后不稳定的冻土地区，必须预先融化、压密地基土或者冷却地基到-1 ℃以下。桩基的插入深度、桩径必须满足最大设计容许荷载及其沉降变形要求。冻土变形具有黏塑性特征。当桩基的上部及其自身荷载超过冻土的极限强度时，桩基就进入了具有恒定速度的黏塑性流动阶段［12］。桩基施工及其水化热对冻土尤其是高温冻土的热扰动较为剧烈。在处于多年冻土区过渡带的极高温冻土区，混凝土入模温度为11 ℃的情况下，试桩灌注280 天后，仍存在大部分未冻结的融土层。如果在夏季施工入模温度较高的混凝土，可能导致桩基础区域内多年冻土的完全退化［13］。与入模温度相比，水化热对多年冻土的扰动更加显著，且持续时间更长［14-15］。低温冻土区，入模50 天后，桩身温度显著高于天然场地；高温冻土区，入模100天后，试桩还未完全回冻［16］。钢筋混凝土的导热系数较高，无论桩基周围有无保温层，桩基周围的冻融过程都将被增强［17-18］。

气候变暖也会导致桩基周围多年冻土活动层厚度的增加和冻土厚度的减薄［19-21］，并进而导致桩基和多年冻土之间附加冻结力的减小［22］，危害桩基础的稳定。

青藏铁路唐古拉山多年冻土区1401 旱桥桩基发生了较为严重的沉降，本文将主要介绍此处旱桥桩基的病害发展及治理过程，探讨其形成原因，并给出此类病害防治的一些建议。

1 场地介绍

青藏铁路1401 病害旱桥位于唐古拉山主脊北坡［图1（a）］，总长约600 m。每个旱桥桥墩由四个单桩组成的桩群来支撑，桩长均为21 m，桩径为1.2 m［图2（a）］。在旱桥服役期内，单桩的允许沉降量为80 mm，相邻桩基的允许不均匀沉降量为40 mm。该旱桥的所有桩基均在2006 年以前完工。旱桥纵向地质剖面见图1（c）。

图1 1401旱桥场地概况［26-27］Fig.1 The location of the Qinghai-Tibet Railway in the Tibetan Plateau （a） and the Geomorphology of the land-bridge of 1401 milestone in the Qinghai-Tibet Railway （b） and its longitudinal section （c）［26-27］

图2 6#病害桥墩不同治理阶段桩墩剖面图（格尔木到拉萨方向）Fig.2 Pier sections at different stages of treatment （Gelmu to Lhasa）

距该旱桥南侧约40 km 的气象站1998—2006年数据表明，该处的年平均气温在-6.5～-6.0 ℃之间，年平均降水量在250～300 mm［23］，以固体降水为主，年均蒸发量大于1 700 mm，定时最大风速28.6 m·s-1，瞬时最大风速40.0 m·s-1，属高原大陆性半干旱气候区。该旱桥地处大片连续多年冻土区，沿着活跃断层的地下水流或异常地热也会导致多年冻土的完全退化［24］，间歇分布着地质构造或湖塘融区［25］。

桥址区地面高程5 035～5 040 m，局地地形较为平缓，植被盖度整体在10%以下。在桩基南侧边坡的坡脚部位，发育着沼泽化草甸。旱桥西北侧有一小河，距离旱桥约60 m，沟内常年有流水，水量随季节波动较大［图1（b）］。地下水由冻结层上水及冻结层下水构成。冻结层上水分布连续，埋深随季节变化较大，约0～2.5 m，主要赋存于第四系冰水沉积砂类土、碎石类土层中，受左侧斜坡坡面水、大气降水补给，向右侧冲沟排泄，水量受季节影响较大。冻结层下水主要赋存于侏罗系泥灰岩节理裂隙中，具有承压性，顶板位于多年冻土下限处，水量较大，钻孔揭穿后一般可涌出地面。2010 年病害治理勘探期间，冻结层下承压水水头高度最高可达5.5～6.0 m；2014 年勘探期间，冻结层下承压水水头高度最高为0.10～0.20 m［28］。

桥址区表层为第四系全新统冰水沉积松散堆积层，下伏侏罗系泥灰岩。松散堆积层主要为粉细砂、砾砂、角砾土及圆砾土，厚度为3.0～12.8 m，分布于地表，5#～8#墩松散层厚度>5 m，其中6#墩处厚度最大，其余墩台厚度一般为3 m（图1）。泥灰岩为下伏基岩，泥质胶结为主，局部夹钙质胶结夹层，黏土矿物含量高，岩质较软，成岩差［28］。

桥址区多年冻土发育，上限以下主要为饱冰冻土、富冰冻土，局部发育有多冰冻土和含土冰层，年平均地温分区为高温极不稳定区TCP-Ⅰ，融沉分级为Ⅳ级强融沉［28］。多年冻土层地层以泥灰岩为主，仅在上部有薄层卵砾石层。该路段在原设计中采用的是路基，勘察中发现该路段地处高温高含冰量多年冻土区，后来被调整为旱桥。考虑到青藏高原地区气候变暖的趋势更加强烈，该处旱桥桩基的承载力是按照冻土融化来考虑的。

2 病害发展及治理过程

2006 年7 月1 日青藏铁路通车运营后，6#、7#墩附近地表在冬季发育冰椎，有可能上顶净空较低的桥梁梁体。为消除潜在不利影响，在桥梁7#墩右侧（下坡侧）施工一泄水井，该井深入冻土下限以下，伴随冻土层下承压水的自流，冰椎病害的治理取得了良好效果。

冰椎病害消除后，青藏铁路运营维护部门发现冰椎病害位置附近的旱桥墩台存在不均匀沉降，并且这种沉降有缓慢加剧的趋势。为准确把握沉降变形的现状及趋势，2009 年1 月开始对这些墩台开展沉降变形监测。监测桩基沉降的基准点固定于一根埋深15 m的钢管上，距离桩基础约20 m。为了防止钢管的冻拔，钢管穿在一个PVC 套管内，在钢管底部焊接了一个较大尺寸的圆盘，并且在钢管和PVC 套管之间的空隙内注满了润滑油脂来减少钢管和PVC 套管之间的摩擦力。沉降观测点设在各墩的承台处。

2009 年的监测结果表明，6#墩当年沉降变形量达到了37 mm（图3）。考虑到桩基沉降变形随时间而逐渐减小的一般发生规律，2007—2009 年底的工后沉降应大于80 mm 的工后沉降设计限值。热棒作为一种可以快速降低冻土地温的工程措施，由于其施工简单、对现有工程扰动小且对施工场地要求较低，在青藏铁路建设和后期补强阶段都得到了广泛应用，并取得了良好效果［6］。2010 年2 月，第一次采用热管对病害桥墩予以补强。热棒额定功率300 W，全长11 m，插入地下9 m［图2（b）］。措施完工后一年，6#墩沉降量增加了68 mm。从2009 年1 月至2011 年10 月，6#墩北侧沉降116 mm、东侧145 mm、南侧125 mm，平均年沉降量为45 mm。

图3 6#墩累计沉降变形过程Fig.3 The accumulated settlement deformation process of Pier No.6

为确保铁路安全运营，2011年10月至2012年5月，加固治理了1#～9#墩。4#～8#墩承台东西两侧各增设1个由2根直径1 m 帮桩支撑的钢筋混凝土承台，其中4#～6#墩桩长40 m，7#、8#墩桩长45 m［图2（c）］。在施工帮桩和承台期间，第二次采用热棒加固桩基，热棒总长19 m，插入地下17 m。

帮桩、承台及第二次热管措施施工期间及完工后，旱桥墩台的沉降速率仍然比较大。2011年11月至2012 年5 月，6#墩沉降63 mm；2012 年6 月至2012年11 月，6#墩沉降71 mm。2011 年11 月到2012 年11 月期间的沉降量几乎等于2009 年1 月年到2011年9月期间的沉降量，严重威胁了铁路的运营安全。

2012—2013年冬季，对1#～9#墩的桩基础第三次采用了热棒措施，补充了大量增强型热棒。热棒外径105 mm，额定功率400 W，插入地下23 m，热棒纵向间距和横向间距均缩小至1.6 m［图2（d）］。

该次治理后，2013年和2014年的沉降量分别为64 mm、61 mm，与2012年相比，减少约50%。自2015年开始，沉降速率显著减小。2015年、2016年、2017年的沉降量分别为12.0 mm、5.0 mm和4.5 mm。

以上监测数据证实，当前的加固措施发挥了较好的稳定效果，1401旱桥桩基已基本稳定。

3 病害原因探讨

该旱桥桩基的承载力在设计阶段是按照融土来考虑的，即使多年冻土退化甚至融化，桩基的承载力也不会小于设计值。对于少冰冻土而言，冻土融化不会产生融沉问题，桩土之间的摩擦力、桩端阻力能够确保桩基的承载力达到设计值；对于高含冰量冻土而言，冻土退化将导致地面的沉降变形［29］。假设冻土退化后，桩基没有下沉，那么发生下沉的那部分土层将对桩基形成负的摩阻力，导致桩基承载力下降及可能的沉降病害。病害旱桥地处高温冻土区，且富冰冻土及饱冰冻土发育，冻土退化势必产生沉降变形。

影响冻土热状况的因素包括全球气候变化和人类工程活动［30］。在人类工程活动的影响下，多年冻土区的冻融过程加剧，冻土地温升高，多年冻土上限下降［31-35］。在青藏工程走廊带，从1996 年到2007年，高温冻土区公路路基下上限增加率变化范围介于17.4～25.8 cm·a-1之间，平均值为22.5 cm·a-1；6 m 深冻土年平均温度的升温速率介于0.018～0.087 ℃·a-1，10 m 深冻土年平均温度的升温速率介于0.022～0.052 ℃·a-1。在气候变化影响下，青藏公路沿线多年冻土监测场地活动层厚度处于持续增加过程，活动层厚度增加速率达11.2 cm·a-1，高平原高温多年冻土区，多年冻土升温速率为0.023 ℃·a-1［32］。从距离病害旱桥最近的安多气象站2001—2011 年的气温数据来看，过去十年的平均增温幅度达到了1.091 ℃，沿线气候变暖势必将导致该旱桥部位多年冻土的剧烈退化。在2001 年青藏铁路第一次勘察期间，1401旱桥桥址区的冻土上限在2.5～3.3 m，2010 年病害勘察发现，此处冻土上限已增加至2.8～3.5 m。

旱桥桩基在铁路通车前第一次施工期间，由于夏季施工、较高的入模温度加上混凝土水化热的影响，可能导致多年冻土的剧烈退化，并且在较长时间可能都无法完全回冻［36-37］。铁路通车后，因6#墩发育冰椎，在附近打了一眼泄水井。该泄水井深入冻土下限以下，随着承压水的流出，对冻土造成了严重的热侵蚀。通车前，旱桥桩基施工勘察时各桩基的冻土下限基本一致，2010 年病害勘察时6#墩冻土下限已经从2001年的31 m 上升到20 m。2011年10 月病害治理期间，在6#墩下游侧又施工泄压井一眼，同时对病害旱桥又增设了帮桩予以加固。此次病害治理期间，冻结层下承压水水头高度最高可达5.5～6.0 m；2014 年勘探期间，冻结层下承压水水头高度最高仅为0.1～0.2 m。承压水水头高度的巨大变化，表明该期间涌出了大量承压水。在混凝土帮桩施工过程中，除了施工扰动、桩基水化热的影响，还发生了大约100 m3混凝土在桩底流失的情况，再加上大量承压水外泄带来的热扰动，6#墩桩底的多年冻土温度显著升高，冻土下限进一步抬升、冻土温度升高。

无论是冻土上限加深、冻土下限抬升，还是冻土温度升高，都将导致该旱桥桩基周边冻土层的升温及融化压缩变形，对桩基产生负摩阻力，桩基承载力下降，墩台沉降变形增加。

除了负摩阻力的影响以外，6#墩冻土下限从地表以下31 m上升到20 m，富冰及饱冰泥灰岩地层的融化压缩，桩端阻力下降，桩基承载减小，也可能是导致桩基沉降的另一个主要因素。

伴随着气候和施工对冻土的热扰动，桩基表现出了与冻土变化较为一致的沉降变形。在旱桥冰椎病害治理前，除了早期的施工热扰动之外，多年冻土主要受气候变暖的影响，冻土退化较慢，桩基沉降变形都在允许值以内，没有对桩基沉降构成显著的危害。在冰椎治理以后，地下承压水对排泄通道附近的多年冻土构成了较为明显的热侵蚀，导致冻土温度的升高和多年冻土底板的上升，桩基沉降显著增加。在施工帮桩的2011 年8 月12 日到11 月11 日期间，泄水井内大量承压水的排出、施工和水化热，以及大量混凝土流失造成的剧烈热扰动，冻土温度剧烈升高、冻土下限显著上升，导致2011年8月到2012年8月的沉降量达到了126 mm，相当于治理前的3倍。泄水井的排水作用不仅仅发生在帮桩施工期间，直到2014年，承压水的水头才显著降低，排水量才大幅度减小。在此期间，由于增强热棒的冷却作用，虽然6#墩位置的冻土下限变化较小，但是相邻区域的冻土下限继续抬升，冻土温度也在升高［27］，因此2013年、2014年的桩基沉降量仍然较大。2015 年，随着承压水压力的下降，泄水量显著减小，热侵蚀强度降低，再加上热管的主动冷却作用，桩周冻土温度下降，多年冻土下限加深，桩土冻结力、桩端承载力增加，桩基沉降病害才得以有效治理。

冻土热状况变化所造成的影响，除了桩基沉降受到的施工扰动以外，在一年内也具有显著的季节性。在每年的2 月到8 月，桩基基本稳定；在9 月到第二年的1月，桩基沉降变形快速增加（图3）。这种变形规律同样也与冻土的热状况有密切联系。将桩周冻土温度从-0.3 ℃下降到-1.0 ℃，可使桩基承载力增大2.5 倍，若温度降到-2.0 ℃，承载力则增大3.8倍［38］。由于冻土中，温度波传递的滞后性，每年2 月到8 月活动层以下的冻土温度较低，承载力较高，桩基较为稳定；在9 月到第二年的1 月，活动层以下的浅部多年冻土层温度较高，是桩基沉降的主要发生阶段。

4 治理启示

青藏铁路1401 旱桥的桩基病害自2009 年监测、2010 年到2013 年期间的勘察和治理，直到2016年桥墩基本稳定，前后经历了8年，在此期间列车运营时速显著下降，严重降低了该段线路的运营质量。为提高冻土区旱桥的运营水平，降低病害旱桥桩基的维护成本，预防以后类似问题的发生，结合该旱桥的病害治理过程及致灾机理分析，可以得到如下启示。

（1）冻土桩基病害治理周期长，治理难度大，需要在勘察、设计阶段充分重视多年冻土区旱桥桩基的设计。在高温高含冰量多年冻土区，冻土层下有软弱地层时，应严禁桩端位于软弱地层。如果多年冻土和软弱土层均较厚，可以考虑桩端位于冻土层中，并对桩周和桩端冻土做降温处理。

（2）当前桩基病害表明，冻土升温及厚度减薄导致冻结力、桩端阻力下降及负摩阻力出现，是桩基承载力下降、沉降病害发生的根本原因。为确保桩基稳定，在建设和运营阶段，应尽可能避免对桩周冻土有严重热侵蚀的工程活动。

（3）对冻土层下承压水的揭露必须做好充分论证，包括承压水量的调查、泄水通道大小、位置及施工过程中各种探测孔的封堵，否则可能对多年冻土产生强烈的热扰动，从而导致多年冻土的剧烈退化。

（4）在全球气候变暖的背景下，应加强对旱桥病害的早期诊断及治理，除了铁路运营部门的反馈之外，可以在每年对高温高含冰量冻土区的旱桥桩基开展至少每年一次的定期三维变形监测，以便在早期发现潜在病害桩基。

（5）桩基承载力由整个桩体共同决定，普通措施难以在较短时间内对中部至底部桩体及桩周冻土发挥冷却作用。在防治冻土桩基沉降病害时，建议采用热棒措施，有利于快速降低中部至底部桩体及桩周冻土温度、提高桩基承载力。