青藏鐵路碎石護坡路基長期效果分析

劉爭平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司地路處，陜西西安 710043)

1 概述

青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1 142 km，其中穿越連續多年凍土地區長約550 km［1］。青藏鐵路多年凍土路基工程采取了多種處理措施，其中采用碎石護坡路基是青藏鐵路多年凍土地區主要的工程處理措施。

碎石護坡路基就是在凍土路堤的兩側邊坡，鋪設一定厚度的碎石，以通過碎石層的導熱特性保護下伏凍土、冷卻地基，確保路基的熱穩定性［2］。

碎石護坡路基一般使用在高溫高含冰量多年凍土地區。在路基邊坡鋪設碎石層時，可以根據陰陽坡側的不同情況設置不同厚度的碎石層。相關資料表明，碎石層在寒季的當量導熱系數是暖季的5～10倍，甚至更多，在夏季能夠有效阻止或減緩外部熱量向路基內傳入，具有熱“二極管”效應和遮陽作用［2-4］。兩種作用的綜合效果可降低多年凍土地溫，有效提高路堤下的蓄冷量，對多年凍土地基起到保護作用。

為監測多年凍土路基的工程穩定性，2003年5月在青藏鐵路楚瑪爾河地區選擇了12個路基監測斷面，進行地溫和沉降長期監測。里程分布范圍為DK1043—DK1067，約 24 km［5-7］，其中有碎石護坡斷面2個。監測工作從2003年開始，目前還在進行中，歷時近11年，取得了大量的實測數據。

楚瑪爾河地區處于青藏高原的腹地，具有典型的多年凍土地區特點，其路基結構具有多年凍土區路基的一般特征，經過多年來的觀測，其地溫變化和沉降變形也具有普遍性和代表性。本文通過地溫和沉降監測數據，對青藏鐵路采用碎石護坡路基的長期效果進行探討。

2 測試斷面基本情況［5］

長期監測的碎石護坡路基斷面位于青藏鐵路楚瑪爾河地區，里程為DK1054+000，路基底寬21.6 m，頂寬7.3 m，高度3.15 m，左護坡(陽坡側)碎石層厚度1.6 m，右護坡(陰坡側)碎石層厚度0.8 m，路基兩側設置土護道，其中左側寬3 m，右側寬2 m。

根據勘測資料，本段路基下地層為第四系角礫土、黏土及礫砂，下伏第三系全風化泥巖，成巖性差。多年凍土類型為含土冰層、富冰及飽冰凍土，屬于高含冰量凍土。凍土年平均地溫－1.4℃。本段鐵路線走向東南至西北，受日照影響，路基陰陽坡具有很強的地溫差異。

本段路基在2002年5月填筑完成，即開展了凍土路基的地溫及沉降長期監測。2003年10月開始鋪軌并開始工程車運行作業，2006年7月正式投入運營。所以本研究項目是目前青藏鐵路在運行期間對路基監測時間最長的項目。

地溫測試孔及沉降觀測點分別布置在左右路肩、左右坡腳，在左坡腳外20 m處布置地溫測試孔作為天然孔。測試從2003年5月開始，每月測試2次，獲得了大量的實測數據。2008年對部分測試孔進行了補充及維修，對測試元件進行了補充、更換及重新標定，目前本項目還在進行中。本文僅用2003—2011年的監測數據對路基長期效果進行分析，2012年、2013年資料沒有納入，但其變化趨勢不受影響。

3 地溫長期效果分析

對于凍土路基的地溫長期效果，主要從地溫等值線的形態、多年凍土上限、路基地溫場對稱性3個方面進行分析。

3.1 地溫等值線

根據地溫實測數據［5］繪制地溫等值線圖，地溫等值線圖反映了路基下地溫場的分布情況。繪制不同階段的地溫等值線圖，可分析路基下地溫場的發展趨勢。

以代表斷面DK1054+000為例，根據實測數據繪制每年9—10月(即青藏鐵路沿線最熱月)地溫等值線圖。從2003—2010年路基下地溫場逐年發展情況見圖1。

圖1 碎石護坡路基最大融深時地溫等值線(單位:℃)

1)從地溫等值線形態來看，碎石護坡路基整體溫度場呈降溫趨勢。如:從 －1℃等值線來看，路基形成初期(2003年)在路基下就形成了“高溫槽”，這是由于路基填筑施工蓄熱所致;2004年“高溫槽”范圍有所擴大，說明蓄熱沒有消退;2005年之后，“高溫槽”逐年減小，直到2010年基本消失，說明路基冷儲量增加，碎石護坡對路基起到了致冷作用，有效地保護了多年凍土。

2)從路基下0℃等值線長期變化趨勢看，路基下地基已經處于冷卻狀態，地溫場已經處于長期熱穩定狀態，2003年0℃等值線基本呈水平線狀態;2004年已經抬升至原地面附近;2005年之后0℃等值線已經抬升至路基填土中;2007年之后基本穩定在一定范圍內，并且逐年變化不大。

3.2 多年凍土人為上限

多年凍土上限是多年凍土層的頂面埋深，亦即最熱月時的融化深度［8-9］。多年凍土人為上限，是指路基填筑以后，在路基下形成的新的凍土上限。在地溫等值線圖中，凍土人為上限即是每年最熱月時0℃等值線的位置。多年凍土人為上限是評價路基下凍土狀態變化的重要指標。如果凍土人為上限有所抬升，則凍土冷儲量增加，說明路基結構起到了保護凍土的作用;凍土人為上限若穩定在某個固定深度，則說明路基趨于穩定。反之則不然。

對DK1054+000斷面，左右路肩處凍土人為上限逐年變化曲線見圖2。

圖2 碎石護坡路基左右路肩處凍土人為上限逐年變化曲線

由圖2可見:碎石護坡路基凍土人為上限從2003—2005年有大幅抬升，從2006年之后逐漸趨于穩定，并逐漸穩定在2.6～2.7 m。所以碎石護坡路基的降溫效果顯著，路基下冷儲量增加，路基結構起到了保護凍土的效果。路基下地溫場趨于穩定，長期效果好。

另外，路基左側路肩處凍土人為上限略高于右側，主要原因是左側碎石護坡厚度1.6 m，右側厚度0.8 m，其制冷效果略好于右側;但是從2006年以后左右側差異來看，最大約10 cm，可見兩側凍土人為上限基本趨于一致，亦即采用不同厚度碎石層起到了減小路基內部溫度差異的作用。

3.3 地溫場對稱性

路基下地溫場左右側的對稱性反映碎石護坡調整地溫場的效果。若對稱性好，則路基下地溫場分布均勻，路基的穩定性好;對稱性不好，則穩定性差。

從圖1來看，碎石護坡路基的路基本體中，左右側地溫場的對稱性較好，凍土人為上限處的等溫線形態呈現為左右側較好的對稱梯形，而且2006年之后左右側凍土人為上限差異較小，在10 cm以內。可見，碎石護坡路基對于調整路基陰陽坡的人為上限具有顯著作用。

但是，路基左側坡腳處地溫有增高的跡象。左側坡腳處－0.5℃線在2009年之后有所下降，主要是左側碎石護坡范圍未到底以及施工便道人為干擾所致，故還需進一步監測分析。

4 沉降變化長期效果分析

從2003年7月1日至2011年7月1日路基沉降曲線(圖3)來看，碎石護坡路基的沉降表現為前期沉降較大，后期逐漸減小，至2011年路基總沉降量56～80 mm，路基左右兩側沉降差在20 mm以內;且2007年之后，沉降曲線呈現有規律的起伏，表現出暖季沉降、寒季凍脹的特性，每年的沉降量均在10 mm以內，沉降曲線也更加明顯地趨于平緩，說明路基沉降長期發展逐漸穩定。

圖3 碎石護坡路基沉降曲線

由圖3可知，2007年之后路基總沉降變化速率約為10 mm/年，小于《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)所要求的沉降速率50 mm/年的要求［10］，所以采用碎石護坡路基能夠滿足路基沉降要求。

5 結論及建議

1)在高含冰量多年凍土地區，采用碎石護坡路基能夠有效地增加地基中的冷儲量，具有很好地冷卻地基，保護多年凍土的效果。凍土地溫總體上呈現降低趨勢，竣工后2年內凍土人為上限明顯抬升，2005年以后上限變化基本穩定，凍土路基逐漸呈現出熱穩定狀態。

2)碎石護坡路基左右側地溫場的對稱性較好，2006年之后左右側凍土人為上限的差異在10 cm以內。可見，碎石護坡路基對于調整路基陰陽坡側的凍土人為上限有顯著作用。

3)碎石護坡路基能夠有效控制路基沉降變形。前期沉降較大，后期逐漸減小，2007年后每年的沉降量均在10 mm以內，路基已經呈現出長期穩定狀態。

4)從鐵路工務養護維修的角度考慮，碎石護坡施工對鐵路運行影響小，故對于凍土鐵路運營期間的病害治理，可采用碎石護坡措施進行路基補強。

［1］鐵道第一勘察設計院集團有限公司.青藏鐵路多年凍土工程地質勘察報告［R］.西安:鐵道第一勘察設計院集團有限公司，2000.

［2］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(增1):56-59.

［3］HARRIS S A，PEDERSEN D E.Thermal regimes beneath coarse blocky materials［J］.Permafrostand periglacial processes，1998，20(9):107-120.

［4］赫貴生，丁靖康，李永強.傾填碎石層的熱傳輸特性及其應用［J］.冰川凍土，2000，22(增):33-37.

［5］鐵道第一勘察設計院集團有限公司.青藏鐵路楚瑪爾河地區路基地溫及沉降監測報告［R］.西安:鐵道第一勘察設計院集團有限公司，2012.

［6］劉爭平.青藏鐵路楚瑪爾河地區多年凍土路基長期監測與研究［C］//青藏鐵路技術研討會會議文集.西寧:青藏鐵路公司，2011:92-94.

［7］徐志英，牛富俊.青藏鐵路楚瑪爾河地區凍土路基地溫狀況分析［J］.路基工程，2011(3):5-8.

［8］中華人民共和國建設部.GB 50324—2001 凍土工程地質勘察規范［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［9］祁輝，胡相鈺，李廷剛，等.高速鐵路路基防凍脹結構設計方法的研究［J］.鐵道建筑，2013(4):98-100.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.