西丙辰，張景致

(1.黑龍江省航道局;2.黑龍江省公路學(xué)會)

黑龍江省夏季短促而炎熱，冬季漫長而寒冷。季節(jié)溫差與晝夜溫差大，最大溫差分別為77.6℃、84.0℃，尤其是冬季，北部地區(qū)最低氣溫可達(dá)零下44.92℃，屬于重冰凍地區(qū)，特別是大小興安嶺北坡，具有包括多年凍土和季節(jié)性凍土的廣泛分布，在重冰凍地區(qū)修筑高速公路，由于冰凍和融化的影響會發(fā)生一系列的病害。如何在解決路基熱穩(wěn)定性的前提下，保持路基工程的長期穩(wěn)定性是目前重冰凍地區(qū)公路工程研究的重要課題之一。特別是高溫多年凍土地區(qū)的公路路基的熱融下沉問題是至今尚未徹底解決的世界性技術(shù)難題，針對島狀多年凍土路基施工的關(guān)鍵技術(shù)，在交通運(yùn)輸部的大力支持下，啟動(dòng)了以部公路科學(xué)研究院為主要技術(shù)支持單位的部省聯(lián)合科技支撐黑龍江省公路建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃，其中解決寒區(qū)島狀凍土路基施工技術(shù)做為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，發(fā)揮科技工作在我省公路建設(shè)三年決戰(zhàn)中的支撐作用。

黑龍江省多年凍土的分布特點(diǎn)是大興安嶺地區(qū)的多年凍土比小興安嶺地區(qū)的更為發(fā)育，大片的多年凍土集中在大興安嶺，而處在小興安嶺的伊春地區(qū)只有島狀和稀疏島狀凍土分布，在這一零星分布的凍土區(qū)，實(shí)際上是多年凍土與季節(jié)性凍土相互過渡的地帶，亦稱為南界。這點(diǎn)也可以從黑龍江省多年凍土分區(qū)圖中看出，黑龍江省多年凍土可分為四個(gè)區(qū)，即I區(qū)—大片連續(xù)多年凍土區(qū)，Ⅱ區(qū)—島狀融區(qū)多年凍土區(qū)，Ⅲ區(qū)—島狀多年凍土區(qū)，Ⅳ區(qū)—季節(jié)性凍土區(qū)，詳見黑龍江省多年凍土工程地質(zhì)分區(qū)圖。

多年凍土具有獨(dú)特的工程性質(zhì)，由于多年凍土的存在影響了地表水在垂直方向的滲透，容易使地表處于過濕狀態(tài)，當(dāng)多年凍土層上水發(fā)育，凍結(jié)時(shí)水分轉(zhuǎn)移積聚能產(chǎn)生相當(dāng)厚的地下冰。在多年凍土區(qū)，冬季由于氣溫寒冷，凍結(jié)時(shí)融凍層的凍結(jié)封閉容易使地下水受到壓力而產(chǎn)生冰丘和冰錐的活動(dòng)。由于自然受力或人為活動(dòng)的破壞可能形成熱融滑坍、熱融沉陷以及在多年凍土層上形成的凍土沼澤等不良的工程和水文地質(zhì)現(xiàn)象。尤其是公路沿線的水分變化對路基穩(wěn)定性和凍土穩(wěn)定性有較大的影響，公路所產(chǎn)生的嚴(yán)重病害，絕大多數(shù)是由于路基失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生的。多年凍土路基穩(wěn)定性涉及多年凍土區(qū)的氣候，地質(zhì)地貌及路基合理高度及采取的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，工程措施等多種因素，是多年凍土地區(qū)修筑公路的關(guān)鍵技術(shù)，也是世界上公認(rèn)的技術(shù)難點(diǎn)之一。只有路基穩(wěn)定性這一多年凍土區(qū)修筑公路的關(guān)鍵技術(shù)得到解決，公路的病害才會大大減少，特別是近年來我國東北、西北地區(qū)修建了很多高速公路，很多省涉及多年凍土技術(shù)問題，因此，如何防止和解決多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)給我們公路建設(shè)者提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在相同的年平均地溫的條件下，凍土中含冰量的多少決定了路基融化后的沉降量。也就是說高含冰量的凍土路基的沉降量比低含冰量凍土大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室及室外試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析：相同的融化深度(或上限變化值)情況下高含冰量凍土路基的下沉量是低含冰量的2～5倍，甚至更大，可達(dá)10～20倍。表1可以反映這個(gè)問題。

表1 多年凍土類型與工程分類

伊春至綏化公路伊春至鐵力段屬于島狀凍土Ⅲ區(qū)內(nèi)，由于多年凍土的厚度小，地溫高，對自然條件和人類生產(chǎn)活動(dòng)所引起的環(huán)境變化更為敏感。各種跡象表明，小興安嶺地區(qū)的多年凍土處于退化狀態(tài)，而且多年凍土上限也會逐年下降。

黑龍江省伊春至綏化高速公路是國家高速公路7918網(wǎng)中的縱1線、鶴崗至大連高速公路的聯(lián)絡(luò)線，編號G1111，新建高速公路全長236.097 km，批準(zhǔn)初步設(shè)計(jì)總概算核定為67.8億元，該工程項(xiàng)目已于2009年5月開工，預(yù)計(jì)2011年9月竣工交付使用。本項(xiàng)目位于松嫩平原與小興安嶺山脈銜接處，地理位置在東徑128°02'～128°50'，北緯 47°01'～47°22'，行政區(qū)劃屬于伊春地區(qū)，自然區(qū)劃為Ⅱ1、Ⅰ2區(qū)，伊春至聯(lián)合位于Ⅰ2區(qū)邊緣，即北部島狀多年凍土區(qū)，聯(lián)合至鐵力為Ⅱ1區(qū)，即東北東部山地濕潤地區(qū)。

路線范圍內(nèi)有多處多年凍土，分布在林區(qū)塔頭路段，覆蓋塔頭等植被，多年凍土一般厚3～5m，最大達(dá)12m，局部地段多年凍土凍深在季節(jié)性凍土范圍內(nèi)，但由于植被覆蓋良好，基本不融化，凍土類型有多冰凍土，富冰凍土飽冰凍土，含土冰層等，本地區(qū)屬于退化多年凍土區(qū)，屬于溫凍土，對于飽冰凍土及含土冰層，由于融沉性較強(qiáng)，路基施工后，會產(chǎn)生較大變型，富冰凍土，多冰凍土巖石一般為砂礫或基巖，融后變形較小，該項(xiàng)目多年島狀凍土路段的工程性質(zhì)和水文地質(zhì)現(xiàn)象，在我省北部地區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目中具有代表性。

由于該項(xiàng)目沿線凍土路段分布較廣，為了保證通過多年凍土區(qū)段路基穩(wěn)定耐久，設(shè)計(jì)部門深入調(diào)查沿線的自然條件，充分了解掌握各有關(guān)自然因素的變化規(guī)律及地質(zhì)水文情況并分析已有公路的設(shè)計(jì)、施工、科研試驗(yàn)及運(yùn)營期出現(xiàn)的病害。通過完善、準(zhǔn)確、可靠的外業(yè)調(diào)查和工程地質(zhì)勘察資料為依據(jù)，充分考慮凍土條件，并對沿線的氣象，降水量、風(fēng)速、日照、地溫、覆蓋層厚度，地表植被，冰凍及融化時(shí)間，沿線的地形地貌，多年凍土的分布厚度成份，冰凍構(gòu)造，凍土的物理，熱物理及土力學(xué)性質(zhì)，季節(jié)性融化層和季節(jié)性結(jié)冰層的深度，凍融過程和形成規(guī)律以及用于評價(jià)凍土工程地質(zhì)條件變化特征的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查和分析，同時(shí)根據(jù)外業(yè)鉆探、取樣、雷達(dá)檢測等手段繪制詳細(xì)的工程地質(zhì)圖表，并展開相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)，通過挖探等手段，準(zhǔn)確界定島狀凍土的位置，上限、下限，為科學(xué)合理的路基設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院于2008年9月底完成初步設(shè)計(jì)編制工作，在外業(yè)勘測調(diào)查中，本段共完成地質(zhì)鉆孔215個(gè)，其中調(diào)查多年凍土的鉆孔57個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺2 235m，其中調(diào)查多年凍土進(jìn)尺332m，根據(jù)地勘結(jié)果，最終確定全線島狀凍土路段總長度4 983m，占路線總長的2.1%。凍土路段主要是在K41+93～K47+560解放林場經(jīng)營所區(qū)間，沿線呈間斷，零星分布，其中最長的段路為570m最短為45m。多年凍土在平面上的零星分布表明凍土還在消融，范圍在逐漸縮小，也反映出現(xiàn)存多年凍土的退化趨勢，橫向上多年凍土分布也不一致，個(gè)別路段路基下僅一側(cè)(陰坡)殘存多年凍土，路基下多年凍土沿深度方向的分布則較復(fù)雜，多年凍土的剖面特征多呈現(xiàn)梯形或透鏡狀，層厚一般不大，路基下凍土人為上限較深，絕大部分在5～8m，個(gè)別較淺最淺的2.6m，通過相關(guān)物理，力學(xué)指標(biāo)土工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得知，沿線土質(zhì)天然含水量在29.4～47.69之間，K42～K45段凍土類型以富冰凍土，飽冰凍土為主，融沉等級Ⅲ—V，融沉類型為融沉，強(qiáng)融沉，融沉系數(shù)16.6 ～69.2。

在初步設(shè)計(jì)路線方案中，設(shè)計(jì)部門十分注重地質(zhì)選線的原則，選線盡可能避開多年凍土段，若無法避開，對于飽冰凍土及含土冰層，根據(jù)凍土下限分別采用清除凍土，復(fù)合地基或以橋代路的處理方案。

針對該段凍土的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位采取了相應(yīng)的工程措施，在不改變或少盡量改變凍土環(huán)境的條件下，一般采用保護(hù)凍土的原則，對少冰凍土和多冰凍土路段以及含水量較小顆粒較粗的富冰凍土可按不破壞凍土的原則設(shè)計(jì)，對于不考慮凍土影響的情況，如粗顆粒解凍脹性土的凍融影響較少，可按一般路基設(shè)計(jì)，多年凍土地區(qū)路基宜選用摻水性能良好或水穩(wěn)定性好的粗顆粒土如碎礫石土，天然砂礫等填筑，當(dāng)缺少粗顆粒土?xí)r才能用細(xì)顆粒土填筑，但在低洼濕地，則應(yīng)在基底鋪筑粗顆料毛細(xì)隔斷層，以防止路基凍脹，為了保護(hù)多年凍土不發(fā)生融化一般要做好排水工程，由于水流帶有一定的熱量，它對凍土的融化往往起到明顯的作用，從而引起較大的病害。

多年凍土地區(qū)的路基填筑高度，應(yīng)特殊考慮采用路基保溫高度，同時(shí)應(yīng)設(shè)置保溫護(hù)坡道和護(hù)腳，在飽冰凍土及地下冰地段填筑路堤當(dāng)靠近基底仍然有飽冰凍土或地下冰層，并且有可能融化時(shí)，在填方坡腳一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置保溫護(hù)坡道或護(hù)腳，計(jì)算表明，在路基側(cè)設(shè)置護(hù)坡道和護(hù)腳對路中多年凍土上限變化有著十分明顯的有利于熱穩(wěn)定性的影響。

為確保路基的穩(wěn)定性，對普通公路當(dāng)前最可行的途徑就是采用保溫法，除了抬高路基高度以外，以路面基層以下路基中鋪設(shè)隔熱材料也是增大路堤熱阻，減少傳入凍土路基中熱量的一種重要措施，鋪設(shè)隔熱材料后，冷季近地表面路基溫度的變化即溫度梯度明顯大于未鋪設(shè)隔熱材料的路基，暖季則相反，這些差異與隔熱材料的性狀有關(guān)，與其自身的隔熱效果一致，我省在伊春至嘉陰公路路基施工中采用過，效果較好。但要求在冬季施工，這樣隔熱材料下面的土體溫度較低，更有利于隔熱材料優(yōu)越性能的發(fā)揮，有利于以后運(yùn)營期路基體的熱量循環(huán)與交換。

而對于交通量大，設(shè)計(jì)使用壽命較長、投資較大的高速公路項(xiàng)目，對路基穩(wěn)定性要求相對較高，因此對于多年凍土埋藏較淺的(小于3m)宜采用完全清除的處理方案，清基深度應(yīng)清到少冰凍土的砂礫層，但對于舊路幫寬的項(xiàng)目，為保證原舊路的整體穩(wěn)定性，不宜采用清除的方案，宜采用復(fù)合地基的處理方案，復(fù)合地基的處理深度要考慮凍土層以下的土質(zhì)情況綜合設(shè)定。

多年凍土埋深大于3m的路段，宜采用設(shè)置復(fù)合地基的處理方案。凍土處理深度依據(jù)鉆探資料確定，應(yīng)穿透高含冰量的凍層，若下部為少冰凍土的砂礫，粗砂或泥巖，則采用柔性樁(碎石樁)：若下部土質(zhì)為粘性土，或含冰量大的砂礫層，則采用剛性樁(水泥攪拌樁，CFG樁)。

對于設(shè)置復(fù)合地基的路段，表層的泥炭層可不清除，直接填筑60cm厚的砂礫進(jìn)行復(fù)合地基施工的設(shè)計(jì)方案。

對于埋置深度大于8m，并且凍土層比較復(fù)雜，土質(zhì)不良的路段，可考慮以橋代路的方案，橋梁下部設(shè)計(jì)樁長要考慮凍土全部融化的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告的結(jié)果，對于伊綏公路K41+93～K49+560凍土段，施工圖設(shè)計(jì)最終確定采用凍土路基清除處理設(shè)計(jì)方案，長度為2086m，采用CFG復(fù)合樁基礎(chǔ)方案路段145m，對于最長的570m凍土段則采用以橋代路的設(shè)計(jì)方案，全線以橋代路段設(shè)置橋梁6座總長2 752m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20mT梁橋面連續(xù)，下部采用肋扳式橋臺或柱式橋臺、柱式橋墩鉆孔樁基礎(chǔ)。

隨著全球氣侯變暖，和人類活動(dòng)使多年凍土的穩(wěn)定狀況發(fā)生了變化，黑龍江省北部寒區(qū)現(xiàn)存的多年凍土出呈現(xiàn)出逐步退化的趨勢。加之我省多年島狀凍土成分差異大，不穩(wěn)定，變化復(fù)雜等，對它的認(rèn)識深度有限。高速公路多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定問題是一個(gè)長期需要不斷創(chuàng)新研究的問題。我們將建立長期凍土地溫及水分觀測場并進(jìn)行觀測，對不同的路基工程技術(shù)方案在期工程間與施工后進(jìn)行觀測(水分、地溫變形)對相關(guān)資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)要建立科學(xué)的凍土區(qū)路基穩(wěn)定評價(jià)體系，確立凍土熱穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)，探索路基修建后凍土變化和路基結(jié)構(gòu)層之間的關(guān)系，更好的探索解決多年凍土區(qū)路基穩(wěn)定性這一世界性技術(shù)難題，降低凍土融沉和凍脹變形對公路造成的損壞，使公路基礎(chǔ)設(shè)施耐久性達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限和保證行車安全。