古洛鐵路多年凍土特征與工程對策

甄慶廷

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津　300142)

古蓮至洛古河鐵路古蓮至月牙湖段位于黑龍江省加格達(dá)奇地區(qū)的漠河縣境內(nèi)，全線均處于我國大興安嶺高緯度多年凍土區(qū)，為近30多年來在高緯度凍土區(qū)實施的第一條鐵路項目，是中國最北端的鐵路，線路基本呈近東西向展布，正線全長約33.0 km，為有砟軌道。

1　古洛鐵路沿線自然環(huán)境特征

1.1　地形地貌特征

線路所處地貌主要為低山區(qū)，地勢西高東低，一般海拔在520～650 m，相對高差100～130 m，坡度多在10°～15°，最大可達(dá)35°。局部線路行進(jìn)在河谷階地及緩山坡。線路跨越的主要河流有古蓮河、霍拉盆河等，常年流水，均屬黑龍江水系。

1.2　氣候及植被特征

沿線屬寒溫帶大陸性中低山地氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季短促而溫暖，每年僅兩個月無霜期，9月中旬開始結(jié)冰降雪，春秋季節(jié)多風(fēng)。按鐵路工程氣候分區(qū)屬嚴(yán)寒地區(qū)。歷年年平均氣溫-3.8 ℃；歷年極端最高氣溫38.0 ℃；歷年極端最低氣溫-48.1 ℃；歷年最冷月平均氣溫-29.0 ℃；歷年平均降水量431.2 mm；歷年平均蒸發(fā)量845.8 mm；歷年平均相對濕度70%；最大積雪深度45 cm；最大風(fēng)速16 m/s。

沿線植被非常發(fā)育，均為次生森林，以落葉松、樟松、樺樹為主，在大喬木林間長有興安杜鵑、水冬瓜、櫝柿、雅格達(dá)等灌木。地下有長年不化的多年凍土層，山陰坡及谷地低矮灌木叢綿密交錯，潮濕地帶長滿喜濕石松類植物。寬谷地多被森林覆蓋，局部地段有古河道及牛軛湖封閉演變的“塔頭式”草甸和沼澤。

1.3　地層巖性及水文地質(zhì)特征

沿線覆蓋層主要為第四系粉質(zhì)黏土、泥炭、中砂、礫砂、細(xì)角礫土、粗角礫土、塊石土，一般厚1.0～3.6 m，最厚6.7 m；下伏白堊系下統(tǒng)(K1)泥質(zhì)礫巖、含礫砂巖，元古界(Pt)片麻巖及澄江期(γ2)混合花崗巖，全風(fēng)化至弱風(fēng)化，局部基巖出露。

沿線地下水類型主要為凍結(jié)層上水、凍結(jié)層下水及凍結(jié)層間水。凍結(jié)層上水主要分布在沿線丘陵、低山緩坡、溝谷及霍拉盆盆地內(nèi)，巖性為碎石類土、砂類土及黏性土層，含水性弱；凍結(jié)層下水主要分布于河谷盆地區(qū)和基巖山區(qū)；凍結(jié)層間水分布于多年凍土層內(nèi)部的融區(qū)。

2　古洛鐵路多年凍土特征

2.1　古洛鐵路多年凍土類型及分布特征

沿線普遍處于多年凍土區(qū)，屬高緯度不連續(xù)多年凍土。依據(jù)勘探成果，山體北坡為少冰凍土；南坡為少冰凍土—富冰凍土；溝谷及沼澤為富冰凍土—飽冰凍土，局部為含土冰層。受河流影響，在古蓮河和霍拉盆河附近分布有島狀融區(qū)，多年凍土的上限為0.3～1.8 m，下限一般為25～38 m，局部下限為90 m。主要的不良凍土現(xiàn)象有熱融滑塌、凍脹丘，融沉等。

2.2　古洛鐵路多年凍土地溫特征

地溫是凍土動態(tài)特征的重要標(biāo)志，地溫狀況是決定多年凍土生存和發(fā)育最基本的條件。一定深度的鉆孔地溫曲線可反映該處凍土的現(xiàn)狀和變化趨勢，地溫曲線是分析多年凍土地溫隨深度變化的有效工具。采用熱敏電阻對多年凍土的地溫進(jìn)行了觀測，沿線21個鉆孔的地溫曲線如圖1所示。

圖1　古洛鐵路實測地溫曲線

從圖1可以看出：古洛鐵路沿線地表1.5～2.0 m范圍內(nèi)地溫受氣溫影響較大，其下地溫大部分均大于-0.5 ℃，曲線類型多屬于正梯度溫度曲線，屬高溫極不穩(wěn)定多年凍土，其熱穩(wěn)定性差，極易在施工或熱擾動下產(chǎn)生融化或衰退，從而產(chǎn)生大量下沉，對建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

2.3　古洛鐵路多年凍土工程地質(zhì)分區(qū)特征

根據(jù)多年凍土的年平均地溫狀況及多年凍土在平面及剖面上的分布特征、土的含冰量及土的類別、地溫觀測結(jié)果，沿線多年凍土可劃分為高溫極不穩(wěn)定凍土區(qū)(年平均地溫tcp≥-0.5 ℃)、高溫不穩(wěn)定凍土區(qū)(-1.0 ℃≤tcp<-0.5 ℃)、低溫基本穩(wěn)定凍土區(qū)(-2.0 ℃≤tcp<-1.0 ℃)和河床融區(qū)。主要分區(qū)情況見表1。

表1　古洛鐵路多年凍土分區(qū)

從表1可以看出：

①多年凍土在平面分布上不連續(xù)，多年凍土與融區(qū)相間出現(xiàn)，存在凍融過渡問題。沿線河床融區(qū)主要分布于古蓮河和霍拉盆河范圍內(nèi)。

②高溫極不穩(wěn)定凍土區(qū)范圍較大，高達(dá)83%，少部分屬于高溫不穩(wěn)定多年凍土和低溫基本穩(wěn)定多年凍土，對鐵路工程的安全穩(wěn)定帶來極為不利的影響。

測試分區(qū)成果表明，高溫區(qū)主要分布于河谷盆地區(qū)，低溫區(qū)主要分布于低山區(qū)。

3　工程對策

根據(jù)古洛鐵路多年凍土的特征，研究確定了“以填代挖、少挖多填”的設(shè)計原則，線路盡量利用地形地貌與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)配合，集中取土，以減少對天然植被的破壞。針對覆蓋層較薄、基巖風(fēng)化層穩(wěn)定性好、以高溫極不穩(wěn)定凍土為主的特點，路基工程采取了破壞凍土的設(shè)計原則，主要采取了以下工程對策。

3.1　控制基底融沉量

對于凍土路堤，凍土低路堤，凍土沼澤路堤，土質(zhì)路塹等淺層黏性土層、粉砂層，以及局部地段的飽冰凍土、含土冰層，采取挖除換填弱凍脹性土措施，控制基底融沉量。

3.2　嚴(yán)格控制路基填料細(xì)粒(d≤0.075 mm)含量

要求填料滿足：碎石類土細(xì)粒含量不大于15%，砂類土細(xì)粒含量不大于5%。基床以下浸水部分填筑細(xì)粒含量小于10%、滲透系數(shù)大于10-3cm/s的巨粒土。

3.3　系統(tǒng)的截排水設(shè)計

采用擋水埝攔截和排除地表水，采用埋置隔水板隔斷凍結(jié)層上水，全方位對流向路基本體的水進(jìn)行攔截、隔斷和排除，最大限度地避免水對多年凍土的不良影響。同時做好路基與橋涵、車站排水的銜接，形成完整的排水系統(tǒng)。

路塹側(cè)溝及低路堤換填地段兩側(cè)坡腳外均設(shè)置側(cè)溝或排水溝，排水出口與橋涵設(shè)計結(jié)合，保證水流的順暢。側(cè)溝或排水溝采用C35素混凝土U形構(gòu)件，側(cè)溝外側(cè)設(shè)置一層土工膜防滲布(750 g/m2)包裹。

3.4　路堤式路塹

在土質(zhì)路塹中采用路堤式路塹，即在路塹內(nèi)采用滿足防凍脹要求的填料填筑高0.64 m、邊坡率1∶1.5的路堤來保證路基的穩(wěn)定性。典型路堤式路塹的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　典型路堤式路塹結(jié)構(gòu)(單位：m)

4　結(jié)論

古洛鐵路是目前我國最北端的鐵路，全部位于高緯度不連續(xù)多年凍土區(qū)，以高溫極不穩(wěn)定凍土為主。山體北坡多為少冰凍土；南坡多為少冰凍土—富冰凍土；溝谷及沼澤為富冰凍土—飽冰凍土，局部為含土冰層。

根據(jù)沿線覆蓋層較薄和以高溫極不穩(wěn)定多年凍土為主的特點，設(shè)計充分利用了基巖風(fēng)化層穩(wěn)定性好的特性，采用了破壞凍土的設(shè)計原則，通過控制基底融沉量、填料的細(xì)粒含量、系統(tǒng)的排水設(shè)計和路堤式路塹等設(shè)計措施，保證了多年凍土區(qū)路基的穩(wěn)定，經(jīng)施工運營檢驗效果良好，采用的工程措施對高緯度多年凍土區(qū)的工程設(shè)計具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

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