青藏鐵路多年凍土區橋頭路基病害成因分析及整治措施研究

周有祿,熊治文,李天寶,王起才

(1.蘭州交通大學土木工程學院, 蘭州 730070; 2.中鐵西北科學研究院有限公司, 蘭州 730000)

青藏鐵路建設充分吸取東北多年凍土鐵路和青藏公路對凍土認識不足的經驗教訓,把凍土問題作為青藏鐵路修筑的首要工程難題。為了給運營中的青藏鐵路技術狀況評價和后期病害處理提供基本依據和數據支持,建立了青藏鐵路多年凍土區工程穩定性長期觀測系統,其覆蓋多年凍土區路基、橋梁和涵洞工程,包含3個氣象站和78個觀測斷面,對沿線氣候、凍土條件和工程水熱變化及其規律等進行長期、系統、連續監測[1]。

本文采用資料調研、現場調查、理論分析和總結等研究手段,調查青藏鐵路多年凍土區橋頭路基病害現狀,并對橋頭病害的特征及下沉原因進行了分析研究,提出了相應的整治措施。并在分析的基礎上對多年凍土區路基工程熱穩定性變化趨勢進行預測。

1 多年凍土區橋頭路基病害及路基病害分類

1.1 橋頭路基下沉病害

自通車運營后,青藏鐵路多年凍土沿線

普遍存在橋頭路基下沉問題,導致的橋頭下沉病害突出,致使許多橋頭路基不得不增設擋砟墻(圖1)。

1.2 多年凍土區路基病害分類

鐵路路基病害分類按路基斷面形式可分為路堤病害和路塹病害。路堤病害主要以變形、強度為主；路塹邊坡病害多與穩定相關[2]。青藏鐵路多年凍土路基病害分為如下4種類型。

(1)路基下沉及開裂病害。路基下沉為熱融下沉病害,包括高溫高含冰量地段熱融下沉、多年凍土退化引起的路基下沉、橋頭路基及凍融過渡段路基下沉。路基開裂主要有寒凍裂縫、融沉裂縫和固結沉降裂縫。在青藏鐵路運營早期多年凍土路堤裂縫主要為固結沉降裂縫,之后以寒凍裂縫和融沉裂縫居多,且發生頻率有減少趨勢。

(2)不良地質病害。主要包括熱融湖、冰椎。

(3)路塹邊坡病害。

(4)路基水害。主要有坡腳積水、路基過水等。

2 多年凍土區橋頭路基病害的主要影響因素

2.1 運營期間氣候變化及相應多年凍土條件變化特點

據風火山觀測站自1976～2009年間氣溫資料,2006年和2009年年平均氣溫-4.67 ℃和-4.52 ℃，為歷年最高值,而風火山1976～2005年間30年氣溫均值為-6.03 ℃,分別高出均值溫1.36 ℃和1.51 ℃。統計運營期間4年氣溫均值為-5.12 ℃(表1),為歷年之最,比以往4年均值(1998～2001年)高出了0.29 ℃[1]。這說明運營期間青藏鐵路風火山地區氣溫仍處于上升趨勢,青藏鐵路沿線五道梁、沱沱河和安多國家氣候站所觀測的氣溫變化趨勢也是如此。說明運營期間青藏鐵路多年凍土區沿線氣溫處于上升趨勢。

表1 風火山1978～2009年間氣溫4年均值 ℃

2.2 水文地質條件變化

青藏鐵路修筑后,作為一條形構筑物,改變了原天然地表及地下水的徑流條件。由于運營期間青藏鐵路多年凍土區降水量大幅度增大，地表水和凍土層上水在暖季發育,個別地段路基設計排水設施泄排能力不足,導致涵洞上側口積水,寒季形成冰椎、冰塞；路基上側積水形成熱融湖塘,坡腳和擋水埝間出現較嚴重積水現象；某些地段基底過水嚴重,路基下沉明顯。另外,排水溝由于季節融化層頻繁的凍融作用,使用壽命比較有限,這也是地表水穿越線路時的徑流路徑出現了障礙。

3 橋頭路基下沉原因及整治措施研究

據現場路基病害調查,多年凍土區路基下沉比較突出的段落主要有：(1)楚瑪爾河高平原K1001～K1006高溫高含冰量地段；(2)唐南多年凍土南界附近K1431～K1497多年凍土退化區段；(3)多年凍土區高含冰量橋頭路基；(4)融區和多年凍土區過渡段路基。橋頭路基下沉問題的影響因素復雜,而各種原因所造成的凍土層融化下沉仍然是主要原因。路基下沉情況如圖1、圖2所示。

圖1 橋頭路基

圖2 非橋頭路基

3.1 多年凍土區橋頭路基下沉

3.1.1 橋頭路基下沉特征

根據現場調查,多年凍土區部分橋頭路基目前還處于緩慢下沉中。其中部分橋梁自2010年4月以來大約2年內多數橋頭路基年沉降量大于20 mm,軌面與路基面高差普遍大于標準值98 cm,年沉降量和道床厚度均大于全線平均值(據青藏鐵路長期觀測系統的研究成果)。說明病害橋梁的橋頭路基已經發生了大量下沉,且沉降仍在發展之中,這些橋梁橋頭路基仍未達到穩定狀態。

從病害分布及發育情況來看,出現沉降較大的橋頭路基多位于高含冰量多年凍土區,地表水、凍結層上水發育,且多數路基坡腳有積水現象,這說明與凍土密切相關。同時也發現與一般地區橋頭路基下沉存在許多相似之處。

3.1.2 橋頭路基下沉原因分析

橋頭路基下沉影響因素比唐南退化多年凍土區路基下沉與楚瑪爾河高平原高溫高含冰量多年凍土路基下沉要復雜,與其他地段路基相比,橋頭路基有如下兩點值得關注。

(1)橋頭路基是三維受熱,而其他地段路基是二維受熱。 一般地段路基主要是路基面及坡面二維受熱,橋頭路基除此二維外,還有橋臺及護錐面受熱。

(2)橋頭路基易受地表水及凍結層上水的熱侵蝕。

總的來說,橋頭路基沉降影響因素既有一般地區的共同因素,又有凍土地區的特殊因素,并且往往是這些因素共同作用的結果。橋頭路基下沉可歸納出如下5個主要影響因素。

(1)填料壓實度不夠

臺背填筑一般在橋臺構筑物施工完后,臺后路基土體受到施工作業空間的限制,橋臺臺背填土難以壓實。多年凍土地區,臺背多采用粗顆粒土回填,填料孔隙率大,施工中可達到的壓實程度有限。在回填土自重、車輛的垂直荷載與振動荷載作用下,填料易產生壓縮沉降。

(2)列車動載

橋臺與臺后路基的剛度差異也是造成橋臺和臺后填土不均勻沉降的原因之一。橋臺具有較大的整體剛度,而與之相連接的路基屬于柔性結構物,兩者有明顯的剛度差異,必然引起路基與橋臺之間產生較大的塑性變形,產生不均勻下沉。

(3)水的熱侵蝕

由于熱侵蝕導致路基地基下多年凍土融化,引起路基熱融下沉,此是多年凍土區路基沉降的典型形式。導致這種熱融下沉的主要原因是地表水、上坡側凍結層上水。下面結合具體實例分述之。

①地表水

以多年凍土區橋頭路基變形較大的K973+551多跨T形梁為例,分析地表積水對橋頭路基沉降的影響。K973+551位于高含冰量多年凍土區,沿線路前進方向左高右低,自然斜坡坡率5°,地表主要為沖洪積角礫土,植被稀疏,天然上限2.5～3.0 m。

表2和表3為K973+551橋頭路基鉆探所得路肩兩側工程地質情況。橋頭路基陽坡側自路肩下8.5～9.2 m為含土冰層,而其下卻出現了一厚1.3 m融土夾層。據現場含水率試驗結果,8.0～10.5 m間路基土體含水量皆在50%以上,均達過飽和。多年凍土層中融化夾層是怎么來的？從地形地貌(自然斜坡)、路基結構(片石路基)及兩側排水條件(坡腳積水)綜合判斷,熱侵蝕是由于路基下過水造成的。而正是這種熱融下沉,導致了路基較大的下沉量。

表2 K973+551橋橋頭路基右(陽側)路肩鉆孔資料

表3 K973+551橋橋頭路基左(陰側)路肩鉆孔資料

②凍結層上水

K1161+481橋位于大片連續多年凍土區,為山間盆地地形,地勢起伏較大,植被覆蓋率30%～50%。線路左側設有防風擋沙墻。橋下發育1條深約2 m的沖溝,沖溝內冰雪融水,從右至左流過。路基采用碎石護坡,坡腳兩側單排熱棒防護。地層自上而下為碎石土、含礫砂黏土、粗砂、泥巖等,凍土上限2.7 m,此橋位于高含冰多年凍土區,臺前鉆探發現,路基地基下發育厚層地下冰。橋頭路基下6.5 m處凍結層上水富集,呈飽水狀態。凍結層上水對其下伏多年凍土的熱侵蝕導致高含冰量多年凍土融化,產生路基熱融下沉。

(4)片石路基的片石層下陷

青藏鐵路多年凍土區片石路基修筑時,首先將原地表壓密,在其上鋪設不小于0.3 m厚粗顆粒土墊層,墊層上表面做成拱狀,再在上填筑片石層。橋頭路基基底易過水。受外來水的侵蝕,地基下多年凍土易產生熱融下沉,促使片石層下陷成為一積水囊道。這一方面增加了水對地基下臥多年凍土的熱侵蝕,另一方面在上部荷載的作用下,片石易陷入地基土內,片石空隙被土體充填,使片石作用失效。水的熱侵蝕和片石層失效又反過來加大了地基凍土的熱融下沉。如此惡性循環,導致片石路基片石層不斷下陷,產生較大沉降。

以K973+551為例。由于上側地表水的侵蝕,導致了凍土上限下降,同時凍土層內出現了融化夾層,這必然會導致凍土地基部分產生一定的熱融下沉,使片石層下陷、積水。圖3是2009年在K973+551左右兩側現場鉆孔所得含水率隨深度變化曲線。圖3中很明顯左路肩基底有非常嚴重的積水現象。且現場調查發現,橋頭路基下沉量較大的區段陰側片石護道片石倒傾,擋水埝與路基坡腳因排水不暢存在積水。K973+551橋頭路基累計變形曲線見圖4。

圖3 K973+551橋頭路肩左右兩側總含水率隨深度變化對比曲線

圖4 K973+551 橋頭路基累計變形曲線

片石層因地基熱融下沉破壞了基底過水條件,導致基底形成積水囊道。路基本體自重及列車動荷載下,片石陷入地基土內引起的路基大量沉降,顯然是路基熱侵蝕、列車動荷載綜合作用的結果。青藏鐵路多年凍土橋頭過渡段采用片石路基較為普遍。從橋頭路基病害發生特點來看,路基下沉都普遍較大。如此大的沉降除了高含冰量熱融下沉外,片石層下陷是另一個主要原因。

3.2 整治措施

3.2.1 多年凍土路基下沉治理措施

(1)治理原則：防排水先行；注重熱學補強。

(2)對于坡腳積水,宜采取設置保溫護道(黏性土填筑)將積水擠離坡腳,同時完善縱向排水系統,利用涵洞、橋梁等既有排水設施予以排除。

(3)路基熱防護措施可采用片石護坡、遮陽板、熱棒路基等結構形式。實踐證明,對普通路基坡面采用加蓋片石層補強措施后的當年或次年,人為上限可發生一定的抬升。

從以上分析可知,路基壓實度不足在橋頭路基的前期下沉中可能占有較大比重,但在運營期不是主要因素。造成橋頭路基較大下沉的主要原因是外來水熱侵蝕,一方面導致地基凍土受水的熱侵蝕產物熱融下沉,一方面路基本體內受外來水作用土體強度較低，擴大了剛度差異和列車動載效果，產生了較大壓縮沉降。再者,對于片石路基,路基基底積水的產生，使片石層片石陷入地基土內引起較大路基下沉。基于以上認識和多年凍土區工程的特點,橋頭路基沉降治理的原則是“先治水,后補強”。

3.2.2 防排水措施

當已有排水設施不能滿足排水要求時,應根據具體情況修復或重建排水溝、地表積水段落設置擋水保溫護道、設置豎向擋水板的方式減少水對多年凍土的熱侵蝕。

3.2.3 熱防護措施

解決水的熱侵蝕問題后,為了盡快恢復多年凍土地基的熱平衡,宜采取一定的熱防護措施。對于地基地溫場已受到強烈熱擾動的情況,可設置單側或雙側熱棒來調節地溫場。同時,對橋頭路基和橋臺護錐坡面用片石層覆蓋,調整橋頭路基表面受熱狀態。

4 多年凍土區路基熱穩定性變化趨勢

據五道梁、風火山、沱沱河及安多氣象站資料,年平均氣溫在最近30多年升溫趨勢明顯,地表溫隨之升溫,其升溫速率比氣溫更快。氣溫的升高主要在寒季,暖冬現象越來越嚴重。以風火山為例,1976～2009年的34年間,氣溫升溫速率為0.046 2 ℃/年,年平均地表溫在最近34年(1976～2009年)升溫速率是0.077 3 ℃/年,地表溫升溫速率幾乎是氣溫升溫速率的2倍[1]。

隨著氣溫地表溫的不斷升溫,多年凍土退化趨勢越來越顯著,特別是青藏鐵路沿線南北界、融區邊緣和高溫多年凍土區。多年凍土退化主要表現為路堤地基下凍土上限的不斷下降和上限附近凍土地溫的不斷升高。

5 結語

(1)首次劃分了運營以來青藏鐵路凍土路基工程病害類型,將多年凍土路基病害類型分為路基下沉、不良地質病害、路塹邊坡病害及水害等四類。

(2)提出對多年凍土退化引起的路基下沉,應采取以下措施進行治理：首先做好地表水和凍結層上水防排,切斷外來水的熱侵蝕；其次,增設片石護坡,減少路堤兩側向路堤本體傳熱,緩解多年凍土退化速率；再次,在高含冰量地段增設熱棒,以防止高含冰量凍土層迅速融化導致路基突發性沉陷,危及青藏鐵路運營安全；最后,盡快恢復路基兩側地表植被。

(3)提出對于橋頭路基下沉病害,應采用“先治水,后補強”的原則,先做防排水措施,再采取熱棒或片石護坡措施。在片石路基段下沉嚴重地段,應對片石層進行注漿加固。

[1] 中鐵西北科學研究院.青藏高原風火山地區氣候和凍土變化特征及趨勢報告[R].蘭州：中鐵西北科學研究院,2010.

[2] 邱國慶,程國棟,周幼吾,郭東信,李樹德. 中國凍土[M].北京：科學出版社,2000.

[3] 林戰舉,牛富俊,許健.多年凍土區青藏鐵路沿線次生凍融災害及成因初步分析[J].工程地質學報,2008,16(S)：666-673.

[4] 俞祁浩,劉永智,童長江.青藏公路路基變形分析[J].冰川凍土,2002,24(5)：623-627．

[5] 程國棟,何 平. 多年凍土地區線性工程建設[J].冰川凍土,2001,23(3)：213-217.

[6] 竇建明,胡長順. 多年凍土地區路基設計原則及其應用[J].冰川凍土,2001,23(4)：402-406.

[7] 施雅風,沈永平,胡汝驥.西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號、影響和前景初步探討[J].冰川凍土,2002,24(3)：219-226.

[8] 曹玉新,張魯新,許蘭民,韓利民.青藏鐵路凍土區路基工程安全可靠性監測技術研究[J].工程地質學報,2006(6)：841-846.

[9] 張明革.多年凍土區路基工程病害的成因分析及防治措施[J].鐵道建筑技術,2003(S1)：27-29．

[10] 石剛強,李永強.多年凍土區鐵路運營初期路基工程狀態研究[J].鐵道工程學報,2012(5)：14-17.

[11] 劉爭平.青藏鐵路多年凍土區碎石護坡路基長期穩定性研究[J].鐵道標準設計,2010,(S1)：56-59.

[12] 李忠,唐義彬.青藏高原清水河多年凍土區鐵路路基沉降變形特征研究[J].鐵道標準設計,2005(10)：17-20.