俄罗斯楚科奇地区多年冻土技术方案研究

杜江

摘要 文章结合俄罗斯远东地区多年冻土路基处治前期研究实例，通过收集俄罗斯地区多年冻土路基处理方法，对俄罗斯地区现状道路多年冻土路基病害进行调查。借鉴俄罗斯多年冻土地区成功实践经验，并吸取多年冻土处治失败案例的教训，进一步研究和优化多年冻土处治措施。结合项目所在区域特点，在对楚科奇地区多年冻土特性研究基础上，以提高冻土上限为目的，提出符合楚科奇地区的多年冻土处治方案。

关键词 多年冻土；路基病害；冻土上限

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0086-03

0 引言

多年冻土是指冻结状态持续三年以上的含冰冻土层，多年冻土分为上下两层，上层每年寒季冻结、暖季融化，称为季节性冻融层，下层全年处于冻结状态，称为永冻层，永冻层的顶面称为多年冻土上限[1]。据统计，多年冻土覆盖了全球1/4的陆地，纬度和垂直地带性明显，主要分布在高纬度和高海拔地区。在北极圈以北的北冰洋沿岸地区广泛分布着北半球最大的冻土分布区域，其中冻土分布最广的国家是俄罗斯和加拿大。

1 工程概况

该项目位于俄罗斯楚科奇自治区，隶属远东联邦区。西北与雅库特交界，西南与马加丹大区接壤，南与堪察加边疆区毗邻，东部与美国有海上边界，是世界上最东北的边疆地区，东与美国毗邻。该项目为巴伊姆矿区至比利比诺的新建公路，全长约206 km，含道路、大安玉河桥、小安玉河桥、7座中桥及134道涵洞。全线设计时速70 km/h（山区段30 km/h），按双向两车道标准建设。

2 沿线周边地形地貌

楚科奇地处俄罗斯东北部，地势起伏较大，多属楚科奇山脈东部，最高峰海拔1 158 m，北部和沿岸均为狭长平原，境内地势起伏较大，地势平坦，楚科奇半岛地表的多年冻土随季节变化而广泛发展。

项目地区海拔在180～600 m，沿山丘边缘展现，沿河设置，水资源较为丰富，分布有大安玉河、小安玉河及众多河流。项目区域河流的水源主要是雨雪，具有长期封冻，许多河流的河床都结冰到底部，冰坝广泛形成。

3 沿线不良地质及特殊性岩土

项目区域气候属于大陆性气候。冬天极其严酷而且时间长（11月—次年4月）。年平均最高温度为?8.5 ℃，年平均最低温度为?12.4 ℃，具体温度统计如表1所示。

项目区域位于I1连续永久冻土区，年平均积雪天数212 d。每年冰冻期9个月，冰冻期为10月—次年6月。年均138 d见不到太阳，1月和12月为极夜，6月和7月为极昼。冻土及冻岩带厚度达420 m，年变化层底部温度达?8 ℃。

4 俄罗斯地区冻土研究

4.1 俄罗斯道路等级

俄罗斯道路分级标准的制定原则综合考虑交通需求和道路状况，确保道路安全、高效和可持续发展。根据国际标准和国内实际情况，俄罗斯将道路分为5级，道路分级如表2所示。

4.2 俄罗斯地区公路压实技术要求

俄罗斯地区按照路基设计规范中，路基强度基本指标是路基土压实度，俄罗斯地区路基压实度要求如表3所示。

4.3 俄罗斯公路路基回弹模量

由于俄罗斯地区常年平均气温非常低，均位于零摄氏度以下，道路路基处治方案有其本身的特点。根据俄罗斯规范规定，路堤回弹模量设计值E按公式（1）确定。

（1）

式中，EH——路基土回弹模量，根据查表（详见表4）或者通过试验确定（MPa）；ET——沼土回弹模量，通过压缩或压模试验确定（MPa）。

在俄罗斯，为保证路基作业区的稳定和强度，当路基回弹模量值低于容许值时，应采取如下处理措施：

（1）路基的湿度状况可以通过防水、隔热、排水以及使用土工合成材料制成的渗水层进行有效调节[2]。

（2）采用砌石护坡或反压护坡阻止路表水渗入路基内部。

（3）在路床范围内采用透水性材料。

（4）俄罗斯多年冻土地基沉降计算。在俄罗斯地区，根据俄罗斯规范中路基沉降按公式（2）确定路基沉降，公式如公式（2）所示：

式中，β——无量纲系数，取0.8；σzp，i——第i层土壤在竖向荷载作用下的竖向附加应力值（kPa）；hi——第i层图厚度（m）；Ei——土层压缩模量值（kPa）。

（5）俄罗斯地区多年冻土设计思路。在俄罗斯，解决多年冻土问题的主要思路是提高多年冻土的上限，通过填筑护道，给地基层保温，同时确保多年冻土上的路堤稳定性，使地基层始终位于永久冻土层，对于处于季节冻融层的路堤，路基填料要采用非冻胀性的碎石土填筑，多年冻土处治典型断面如图1所示。

5 俄罗斯地区多年冻土道路病害分析

通过调查俄罗斯地区公路病害并总结病害成因，分析研究结果具体如下：

（1）由于对多年冻土发生病害机制认识不足，处治方案很难适应复杂的冻土地质条件。尤其是在含冰量相对较高的冻土路段，冻土路基处理往往采用允许多年冻土局部融化的设计思路，但由于支撑设计的勘察资料与实际地质状况存在较大的差异性，高含冰量的冻土地基实际发生的沉降远大于计算沉降，使得路基沉降变形及病害发展远高于预期[3]。

（2）冻土工程技术措施缺乏适应性，导致设计效果不尽如人意。采用一般的路基高度的设计思路通常只适用于与低温基本稳定区，并且具有一定的局限性，因此，采用一般的路基高度的设计思路很难保证地基冻结的状态能够一直持续下去，这对高温条件下温度变化更为敏感的线路安全稳定将产生长远的影响。与路基高度措施类似的问题还有土护道保温措施。但基底多年冻土地温可通过设置土质护道有效降低。护道表面的年均温度只有在温度较低的冻土区才会比冻土区的自然状态温度低。整个冬季由于公路沿线地表积雪的影响，对冬季基础降温散热不利，形成了厚而结实的雪盖层[3]。

（3）截排水措施薄弱，多年的观测数据表明，由于常年地表水和地下水的渗透及渗流作用，导致路基沉陷和形变病害频发，甚至导致路基出现塌陷，在地下水和地表水富集的路段，这些问题表现得尤其突出。根据现场路基冻土病害调查，往往在路基坡脚附近设置排水沟的路段，冻土地基首先产生热融沉陷，但若在路基坡脚20 m以外修建排水沟，容易导致路基坡脚与排水沟之间出现积水现象，坡脚积水加剧多年冻土病害的产生。加强道路地表水和地下水的截流引排，是防止多年冻土路基病害的必要措施，因此，要加强线路地表水的截排。

6 针对楚科奇地区多年冻土处治方案

项目前期进行了长期调查研究，发现该地区多年冻土病害呈现如下特点：病害发生频率高、病害持续时间长、病害一旦发生，处治难度大等。针对以上特点，并结合已有处治经验，推荐采取的处治措施如下：

6.1 隔热材料技术

针对既有公路冻土工程施工及运营期间暴露出来的问题，特别是对含冰量大、沉陷量大的地区，建议加强冻土保护的设计原则：一是加强包括地表植被覆盖，以起到对冻土地温的保护作用。二是包括聚苯乙烯、聚氨酯等隔热材料等新材料、新工艺的应用。

6.2 抛石护坡技术

根据以往项目多年冻土处治经验，采用块石满铺路基，对保护多年冻土起到明显作用。通过设置试验段采用抛石护坡满铺路基，试验结果表明，采用抛石护坡满铺的路基经过两次冻融循环，地基地温下降约0.8 ℃，多年冻土上限高度抬升约1.2 m，充分表明抛石护坡对降低地基地温效果明显。其工作原理是在寒冷季节，块石间较大的孔隙产生空气对流作用，块石间冷空气的对流利于地基充分散热而使冻土地基地温有效降低，其冷却效果与块石大小、空隙率等密切相关[3]。

6.3 热棒导热技术

采用导热介质对地基冻土层进行主动降温，目前国内外多采用氟利昂、氨水作为导热材料。其工作原理是利用管内导热介质的气化吸热作用，依靠冷凝器与蒸发器的温差，在冬季大气温度低于冻土地温时，通过对流循环将基底热量传导到大气中，达到冷却地基的作用。热虹吸管可以在大气温度比冻土温度高的情况下自动停止工作，不会把大气的热量带到地基里面去[3]。

6.4 关注全球气候变化带来的冲击

全球变暖導致地表温度变化，严重影响多年冻土稳定性，考虑公路运营的周期较长，多年冻土设计必须考虑全球气候变暖导致地温逐渐上升对冻土退化的影响，特别是含冰量较高的冻土路段，应采取必要的预防性措施，弥补地温上升对多年冻土造成的影响。

7 结语

通过实地调查和技术交流，冻土工程的知识有了进一步提高。认真总结和吸取项目周边既有路基冻土病害的经验教训，进一步研究优化冻土病害处治措施，通过对楚科奇地区多年冻土技术的研究实践，完善多年冻土设计理论，在主动冷却理念研究基础上，采取主动降温措施，或以桥代路的措施，对高温极不稳定区域的冻土层含量较高的地段和冻土不良现象较为发展的地段进行主动降温，以提高多年冻土上限。

参考文献

[1]房建宏. 青藏高原东部多年冻土区高速公路建设适应性对策研究[D]. 北京：北京交通大学， 2017.

[2]叶里扎列夫（Elizarev Andrei）. 中俄路基设计方法和指标对比与分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2018.

[3]钱征宇. 俄罗斯贝阿铁路多年冻土工程技术综述[J]. 中国铁路， 2022（5）： 29-34.