利用熱棒陣對多年凍土區橋墩進行主動熱防護研究

孫 田， 郭宏新， 周天寶， 索華寧， 董添春， 張明國

（1. 江蘇中圣高科技產業有限公司，江蘇 南京 210003； 2. 中國鐵路青藏集團有限公司，青海 西寧 810007；3. 南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

青藏鐵路經過海拔最高的多年凍土地區，自然條件惡劣，工程地質條件復雜，其中穿越多年凍土區橋梁共有447座，總長118.6 km，約占鐵路沿線各橋梁總長的七成，保證多年凍土區橋梁穩定對青藏鐵路的可持續安全運營意義重大。青藏鐵路K1401特大橋是最為典型橋梁之一，它共有10 個橋墩，每墩設計有4 根樁，青藏鐵路通車運營期間各個墩臺有不同程度的沉降，其中6#墩沉降最為嚴重。

關于青藏鐵路多年凍土地區橋梁橋墩沉降機理和保護措施方面，很多學者進行了分析研究，沉降的主要原因是樁側水熱效應導致多年凍土與樁凍結應力減弱，甚至凍土退化引起不均勻法向凍脹增加，造成樁身承載性能下降，加速樁基沉降［1-6］，為保護凍土和樁基的穩定性，應高度關注水熱交換問題，施工和病害治理時盡量減小對凍土的熱擾動［7-8］。熱棒是一種無源高效傳熱裝置，因施工擾動小、快速回凍降溫明顯，在寒區工程中應用廣泛。特別是其可不破壞現有工程體系，在工程運行期間仍可施工，成為寒區既有工程病害整治的主要措施［9-10］。學者們通過現場監測、室內試驗以及數值模擬等［11-18］手段對熱棒工作效能主要影響因素、熱棒選型與布置方式對熱棒降溫冷卻效果進行了系統研究，發現雙側熱棒路基的長期降溫效果明顯強于單側熱棒路基，斜插式熱棒路基強于直插式熱棒路基，熱棒實際埋深應主要參考初始凍土上限。數值分析和現場試驗證明，熱棒群在快速降溫和溫度場調控方面效果好，可抬高凍土上限，保護淺埋隧道口凍土穩定［19-20］。熱棒在輸電線塔基地溫控制中也效果明顯，這可以通過高密度電法、地探雷達和現場鉆探相結合的方法進行驗證［21-23］。學者們通過將熱棒植入混凝土樁中形成熱樁，并開展室內模型試驗，研究在不同功率與埋設方式條件下熱樁冷卻效果，與無熱棒混凝土樁比較，試驗發現：熱棒能有效提高樁與凍土間凍結速率和凍結強度，是無熱棒情況下凍結速率的2.5 倍、凍結強度的1.5 倍；熱樁的冷卻范圍可覆蓋樁周圍2倍樁徑范圍內的區域，為寒區樁基施工和熱防護提供新思路［24-25］。采用熱棒技術對樁基礎進行熱防護，抵擋樁周凍土熱侵蝕和降低土體溫度，提高樁側凍結應力，因此采用熱棒技術治理橋墩沉降病害具有重要實用價值。

本文以青藏鐵路K1401 特大橋橋墩為研究治理對象，設計一種主動熱防護的熱棒陣治理方法，并開展現場試驗研究。以2018年10月—2020年12月監測數據分析熱棒陣對橋墩保護的降溫效能，探討治理橋墩沉降新方法，為此類凍土區內的橋梁設計、整治提供借鑒。

1 試驗區基本工況

現場試驗特大橋位于青藏鐵路唐古拉站與唐古拉北站之間，起訖里程K1401+570.56～K1401+903.43，孔跨樣式為10～32 m 梁橋，全長332.87 m。地形略有起伏，地表植被覆蓋率5%～10%，植被稀疏，呈戈壁荒漠地貌景觀，如圖1所示。多年凍土為飽冰-富冰凍土、高溫極不穩定區、強融沉，修建初期多年凍土上限約3 m。垂直鐵路走向方向，多年凍土厚度呈現中部薄、兩端厚的總體特征，最薄處位于鐵路正下方；沿鐵路走向方向，多年凍土呈現中部薄，兩端厚的特征。橋墩區右側約80 m 處有一條常年有水小型沖溝。地下水主要為凍結層上水及凍結層下水，凍結層上水在埋深2.5 m 以內的砂類土、碎石類土層中。凍結層下水具有承壓性，橋墩基礎底部位于多年凍土下限處，處于凍結層下水富集區域。

圖1 青藏鐵路K1401特大橋位置圖Fig. 1 Location map of Bridge K1401 of the Qinghai-Xizang （Tibet） Railway

青藏鐵路運營期間，發現該橋各橋墩均有不同程度的沉降。從2009 年2 月開始對橋梁樁基進行垂直沉降觀測，沉降觀測點設在各墩的承臺處。自建成運營以來，大部分橋墩的垂直沉降變化較小，年累計變形量小于7 mm，基本穩定，但K1401 特大橋6#橋墩持續沉降。2012年對6#橋墩進行了第一次加固，采用在6#橋墩兩側增設4 根直徑1 m、長度40 m 樁的方法，與既有橋墩一起澆筑新承臺，使基礎形成整體，增設一排長20 m 的熱棒，熱棒埋地深度17 m。據監測，施工期間（2011—2012 年）6#橋墩累計沉降量超過210 mm，2013 年年內累計沉降量71 mm，2014 年年內累計沉降量57 mm。2015 年8月，You 等［26］采用高密度電法、探地雷達、地形測繪等綜合物探方法，對橋墩及附近區域的凍土上限、下限、厚度進行了聯合勘察、綜合反演。高密度電法反演顯示，6#橋墩凍土厚度小于20 m，電阻率從地表至約-8 m 左右深度呈現高阻特征，說明6#橋墩熱棒發揮了冷卻效果，其凍結程度較好，有助于橋墩穩定，但其作用的水平范圍和深度均有限。橋墩基礎施工導致樁基附近的多年凍土融化，施工完成后，混凝土樁基作為傳熱的良導體，加之承壓凍結層下水的影響，融化的多年凍土層難以恢復凍結，這使得橋樁與土壤的凍結力、摩擦力以及樁端承載力等不足以使橋墩在荷載作用下保持長期穩定。2015 年期間又采取熱棒加密治理，仍未取得良好的效果。綜上，樁基加固施工后，樁基沉降變形有所改善，但沉降量仍較大，治理6#橋墩沉降問題采取的措施應盡可能減小熱擾動，同時還應增大熱棒布置范圍，能夠長期維持樁基承載的穩定性。

2 熱棒陣設計思路與布置方案

6#橋墩沉降量持續增大的原因包括全球氣溫的升高、樁基礎深入多年凍土層中的熱擾動、凍結層上水熱交換、凍結層下水熱侵蝕等，其核心問題是凍土受到熱擾動、多余熱量侵蝕，進而引起了凍土的融化，產生了不同程度的橋墩沉降病害。為此設計熱棒陣，通過主動降溫實現保護橋墩周圍凍土的熱穩定性。

2.1 設計思路

圖2 為單排熱棒和熱棒陣作用簡要原理圖，其能更好解釋熱棒陣作用原理。從圖中可以看出，左圖單排熱棒的外側受熱侵蝕影響，外側凍結區會縮減，造成凍結區不穩定；而右圖熱棒陣外側形成的凍結阻隔區抵御熱侵蝕，保護內側凍結區的穩定。第一次加固單排熱棒形成的凍核區與外側水產生熱交換，熱棒實際有效凍結半徑和凍結區溫降程度不足，凍核區抵御外界熱侵蝕能力弱，進而沉降治理控制效果不強。增設的第二排熱棒，使得熱棒間有效凍結半徑和凍結區溫降程度進一步增加，在外界熱侵蝕影響下，熱棒外側的凍結區隨時間周期無法增強甚至縮減。第三次采用熱棒陣加固措施后，沉降效果得到有效控制。新增的熱棒主要用來進一步降低凍核區的凍土溫度，提高冷儲量，較靠近橋墩的熱棒埋深可減少2～4 m，相鄰兩排熱棒間距應不大于2 m。

圖2 單排熱棒和熱棒陣作用簡要示意圖Fig. 2 Brief schematic diagram of action of single row thermosyphon （a） and thermosyphon group （b）

2.2 布置方案

針對6#橋墩設計熱棒陣方案如圖3～4 所示，第一次加固既有熱棒15支（長度20 m），在右側新增加18 支熱棒（長度17 m），用來阻隔外界熱侵蝕，一般熱棒凍結有效半徑在2 m 左右，考慮快速凍結提高降溫能效，本試驗熱棒間距布設1.5 m 左右。同時設置測溫孔5 個，其中①號測溫孔與熱棒同孔，②、③和④號測溫孔分別距離熱棒1 m、2 m 和3 m，⑤號測溫孔距離外側熱棒5 m。①號測溫孔內布置測點4 個，②～⑤號測溫孔內布置測點15 個，豎直方向詳細間距見圖4。圖5為橋墩熱棒陣的現場照片。

圖3 橋墩熱棒陣及測溫孔布置平面圖Fig. 3 Layout plan of thermosyphon group and temperature measuring holes around the bridge pier

圖4 ①～⑤號測溫孔測點布置示意圖Fig. 4 Profiles of measuring points of temperature measuring holes ①～⑤

圖5 橋墩熱棒陣的現場照片Fig. 5 On site photo of thermosyphon group around the bridge pier

3 結果與分析

3.1 熱棒工作狀態

熱棒棒身溫度變化與大氣溫度變化規律具有一致性，且在寒季冷凝段溫度高于空氣溫度，說明熱棒工作正常。以時間軸為橫坐標，選擇埋設熱棒日為坐標原點，每周周一所測溫度為該周溫度代表值。數據統計日期為2018 年10 月14 日—2020 年12 月22 日，歷經兩個冬季。選擇①號測溫孔1 號和2號測溫點溫度為表征溫度，1號測溫點表征空氣溫度，2 號測溫點表征熱棒棒身溫度，所測溫度變化曲線繪制于圖6。由圖可知，兩者曲線波動變化趨勢一致，第0～20 周棒身溫度隨空氣溫度降低而降低，且兩者溫度相接近，此時熱棒已啟動工作，且明顯降低了周圍土體溫度；在第20～45 周，空氣溫度從-10 ℃升高到3 ℃，而棒身溫度僅升高至-1 ℃，說明熱棒在第一個冬季啟動期間的冷儲量較大程度抵御了外界的熱侵蝕；第45周以后的溫度曲線變化規律仍與上述現象相符，同時在第100 周左右的棒身峰值溫度已略低于第45周左右的棒身峰值溫度，說明熱棒維持著周圍土體的熱穩定性。由以上可知，熱棒工作狀態正常，且能有效降低周圍土體溫度。

3.2 水平方向降溫規律

為研究熱棒陣在水平方向不同距離降溫效果，分析了②～⑤測溫孔-3 m 深度處的測溫變化，并將溫度時程曲線繪制于圖7。可以發現，距離熱棒陣越近，降溫速度越快，降溫幅度越大。

圖7 熱棒陣附近各測溫孔-3 m深度處地溫時程曲線Fig. 7 Time varying curves of ground temperature at -3 m depth of the temperature measuring holes near thermosyphon group

在第10周（2019年12月24日），②～⑤測溫孔的溫度分別為-5.7 ℃、-2.6 ℃、-1.4 ℃和-0.7 ℃，熱棒工作已超2 個月，熱棒周邊2 m 范圍內降溫明顯，距離熱棒5 m 處凍土溫度沒有明顯變化。快速降溫過程一直持續到第21周（2019年3月6日）左右，②～⑤測溫孔凍土溫度分別降低至-8.3 ℃、-6.6 ℃、-6.5 ℃和-5.1 ℃，相比回填時溫度，分別降溫7.2 ℃、6.3 ℃、5.7 ℃和4.4 ℃，平均降溫5.9 ℃左右。第25周后（2019年4月16日），各個測溫孔顯示地溫上升，在第50周（2019年9月24日）升高到最大值，②～⑤測溫孔凍土溫度分別升高至-1.7 ℃、-1.3 ℃、-1.2 ℃和-0.9 ℃，較最低水平上升幅度分別為6.6 ℃、5.3 ℃、5.4 ℃和4.2 ℃。第50 周（2019年9 月27 日）氣溫繼續降低，熱棒又開始工作，凍土溫度又開始降低，到第75周（2020年3月17日），②～⑤測溫孔凍土溫度分別降低至-8.6 ℃、-6.9 ℃、-6.8 ℃和-5.3 ℃，與一年前相比，各測溫孔地溫略有降低，同比降低約0.2 ℃。之后的地溫變化規律與2019 年相似，第107 周（2020 年10 月27 日）②～⑤測溫孔凍土溫度分別回升至-2.4 ℃、-1.8 ℃、-1.5 ℃和-0.9 ℃，與2019 年同期地溫相比，下降幅度分別為0.6 ℃、0.5 ℃、0.4 ℃和0.1 ℃。

結合圖7可知，熱棒陣周邊均有明顯降溫，⑤測溫孔可表征天然地溫，經過一個冬季的工作，最大降溫幅度超過8 ℃，平均降幅超過3 ℃，-3 m 深度處的降溫至-6 ℃，熱棒工作的第二個冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續降低，冬季最大降溫值在第一個冬季基礎上再降約0.2 ℃，經過2 年，距離熱棒1 m、2 m、3 m 處多年凍土地溫累計降幅1.2 ℃、1.5 ℃和0.7 ℃，熱棒周邊3 m范圍內平均降溫幅度1.1 ℃。

圖8 為第21 周不同深度下地溫沿水平距離變化，可以看出，熱棒陣外側不同深度地溫在0～2 m 內降溫比較明顯，2～5 m 內仍存在降溫效果。可見熱棒陣擴大了凍結區域范圍，增大了有效凍結半徑，并降低凍土溫度。熱棒陣降溫后，內側熱棒為外側熱棒降溫效能輔助增強，使得外側熱棒周邊低溫冰核區域增大，通過熱傳導的方式將“冷量”向更遠處凍土傳遞。采用熱棒陣方案后，增大了有效凍結半徑，可有效保護多年凍土上限不下移。

圖8 第21 周（2019-03-10）不同深度處沿水平距離的地溫變化Fig. 8 Ground temperature changes along horizontal distance at different depths in 21st week （2019-03-10）

3.3 豎直方向降溫規律

將②測溫孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度處所測溫度時程曲線繪制于圖9。可以看出，在歷經兩個凍融循環后，隨著埋深的增加，在垂直方向上地溫曲線向下波動明顯，熱棒對多年凍土的降溫幅度減小。在第一個冬季，距離熱棒陣外側1 m 的-3 m、-9 m和-15 m深度處地溫分別降幅8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，熱棒工作的第二個冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續降低，-3 m、-9 m 和-15 m 深度處多年凍土冬季最大降溫在第一個冬季基礎上分別再降約0.2 ℃、0.7 ℃和0.4 ℃。這主要有兩方面的原因：①深層多年凍土溫度較上層低，與空氣溫度之間溫差較小；②熱棒冷凝段液化的工質回流到深層凍土區域的溫度較淺層的高，回流過程中發生熱量交換。

圖9 距外側熱棒1 m處測溫孔不同埋深處地溫隨時間變化曲線Fig. 9 Time varying curves of ground temperature at different depths of the temperature measuring hole 1 m away from the outer thermosyphon

為了反映熱棒埋深范圍內溫度變化情況，本文從監測時間段內選取2020 年12 月1 日、2019 年12月1日、2018年12月1日進行對比分析，選取距外側熱棒1 m 的測溫數據繪制于圖10，并用天然孔地溫作為對照。從圖中可以看出，隨著時間推移，凍土溫降明顯，在埋深2～15 m 范圍內，每經歷一個冬季溫降幅度在1 ℃左右，說明熱棒陣工作后使得周圍土體溫度持續降低，能提供更多的冷儲量。此外，經歷兩個凍融循環后，不同深度下的冬季谷值地溫和夏季峰值地溫均明顯下降，這是因為熱棒啟動后在第一個周期內產生的冷儲量抵御暖季熱侵蝕后仍有余量，使得周圍土體在第二個周期內累計冷儲量進一步增多，冬季地溫持續降低，抵御熱侵蝕能力更強，造成暖季峰值地溫增幅降低。

圖10 距外側熱棒1 m土體溫度剖面Fig. 10 Profile of ground temperature 1 m away from the outer thermosyphon

3.4 斷面溫度場降溫效能

為進一步直觀分析熱棒陣在水平和垂直方向的影響范圍，基于熱棒陣附近各測溫孔的地溫數據，將熱棒陣附近的2020年1月1日及2020年3月1日的溫度場分別繪制于圖11 和圖12。①號測溫孔位于熱棒陣內，受雙排熱棒影響溫度最低，其余四個測溫孔的溫度隨著距熱棒距離的增加溫度也逐漸升高，說明熱棒的降溫效果隨著水平距離的增加而減小。在水平方向，熱棒陣對5 m 范圍內的凍土均有一定的冷卻作用，但從3 月1 日的等溫線變化趨勢可以看出，距熱棒陣3 m 以內的降溫效果最顯著。在垂直方向上，熱棒的降溫效果也呈現出隨著深度的增加而逐漸減小的趨勢，最有效的冷卻深度在-11 m以內。

圖11 2020年1月1日熱棒陣溫度場Fig. 11 Temperature field of thermosyphon group on January 1， 2020

圖12 2020年3月1日熱棒陣溫度場Fig. 12 Temperature field of thermosyphon group on March 1， 2020

對比圖11 和圖12 可知，隨工作時間的增加，熱棒的冷卻范圍呈顯著增大的趨勢，其中-4 ℃等溫線2個月期間在水平方向上擴大了近1.8 m。并且，隨著熱棒工作時間的增長，在熱棒冷卻范圍增大的同時，熱棒陣周圍的溫度分布也變得比較均勻。

3.5 沉降變形分析

圖13 為6#橋墩逐年沉降量變化曲線，該橋墩進行了三次沉降病害治理。第一次加固采用單排熱棒，2012—2014 年間橋墩沉降速度明顯減緩，但每年沉降量仍然大于50 mm；第二次加固增設熱棒，熱棒回凍、降溫效果進一步提高，2015—2017 年間橋墩每年沉降量逐年減少，控制在10 mm 量級；熱棒陣施工完成后，2018—2020 年期間沉降變形得到徹底控制，沉降量不超過3 mm。2012 年和2015 年加固措施采用單排熱棒布置方式，與未采取加固措施相比，沉降控制效果明顯，可見采取熱棒技術治理沉降可行性強，但由于6#橋墩所處位置地下水豐富，加之工程施工擾動等因素影響，使得單排熱棒治理沉降效果無法得到有效控制。

圖13 橋墩逐年沉降量變化曲線Fig. 13 Change curve of the bridge pier settlement by year

結合上述，結合溫度分布場可知，熱棒之間的凍結核溫度降溫明顯且區域范圍內溫度相對均勻分布，溫度的降低有利于提高樁與凍土之間的凍結強度；外側熱棒溫度場分布相比內側溫度高，但其使周圍巖土體一直處于凍結狀態，能夠抵御熱量。外側熱棒保護內側熱棒儲冷凍結的區域不受影響，使得熱棒之間的凍結核溫度逐步降低。外側熱棒凍結形成冰幕，有效阻止外界凍結層上下水和外界環境的熱交換，阻隔了內側熱棒凍結區受外界熱侵蝕，直接保護和維持內排熱棒凍結區的穩定發展，降低橋墩樁基附近多年凍土溫度，使樁基凍結力和承載力增強，有效保護橋墩的長期穩定性。

4 結論

多年凍土區橋墩沉降主要原因是施工熱擾動和地下水的熱交換侵蝕所致。在典型橋墩開展熱棒陣試驗研究，通過地溫和沉降變形監測相結合的方法，分析得到熱棒陣能夠有效保護橋墩穩定，主要成果如下：

（1）水平方向上，熱棒陣周邊3 m 范圍內均有明顯降溫，測溫孔監測最大溫降值超8 ℃左右，-3 m深度處第一個冬季平均降溫至-6 ℃左右，經過兩個冬季后熱棒周邊3 m范圍內平均降溫幅度1.1 ℃。

（2）豎直方向上，隨著埋深的增加，熱棒對多年凍土的降溫幅度減小，第一個冬季，測溫孔-3 m、-9 m 和-15 m 深度處最大降溫幅度分別為8.3 ℃、3.9 ℃和2.4 ℃，第二個冬季，熱棒周邊多年凍土溫度持續降低，不同埋深平均降幅超過0.4 ℃。

（3）熱棒陣施工完成后，沉降變形得到徹底控制。外側熱棒形成的凍結區冰幕，阻隔了外界熱侵蝕；內側熱棒凍結區穩定發展，使樁基凍結力和承載力增強，有效保護了橋墩的長期穩定性。