馬繼濤

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 概述

青藏鐵路格爾木至拉薩段(簡稱“青藏鐵路格拉段”)位于青藏高原腹地,線路經(jīng)過多年凍土地區(qū)北界位于昆侖山北麓的西大灘,海拔高程4 350 m,線路里程DK957+640；南界位于唐古拉山南麓的安多河谷,海拔高程4 780 m,線路里程DK1513+770,青藏鐵路通過多年凍土區(qū)的長度為546.43 km。多年凍土穩(wěn)定性差、含冰量高,受全球氣溫升高、水文及水文地質(zhì)等復(fù)雜因素影響,融沉、凍脹和不良凍土現(xiàn)象是多年凍土主要工程地質(zhì)問題。

1.1 地形與地貌

多年凍土區(qū)處于青藏高原,線路通過的主要山系均呈東西走向,自北向南主要有昆侖山、可可西里山、風(fēng)火山、烏麗山、開心嶺及唐古拉山、頭二九山,宏觀地形開闊,山嶺渾圓而坡度平緩,山體窄、溝谷寬,呈現(xiàn)“遠(yuǎn)看是山,近看平川”的高原景色。

高原上,山系與河流交替出現(xiàn),形成高平原及盆地等地貌。高平原如楚瑪爾河平原,盆地自北向南有北麓河盆地、烏麗盆地、沱沱河盆地、通天河盆地、溫泉斷陷盆地。在盆地與山系之間又通過多處谷地,自北向南主要有西大灘斷陷谷地、尺曲谷地、布曲河谷地等。

線路通過的河流主要有楚瑪爾河，沱沱河，通天河及其支流布曲河、扎加藏布,這些河流主要由冰川融水和大氣降水補給,流量隨季節(jié)變化大。

沿線寒冷干旱,氣候多變,四季不明,空氣稀薄,氣壓低,一年內(nèi)凍結(jié)期長達(dá)7、8個月(每年9月至次年4、5月)。年平均氣溫-4～-5.2 ℃,年平均降水量248.5～290.9 mm,年平均蒸發(fā)量1 316.9～1 638.9 mm。年平均風(fēng)速3.9～4.1 m/s,最大風(fēng)速20～28 m/s,風(fēng)向以西北、西風(fēng)為主,大風(fēng)多集中于10月至次年4月間。

1.2 水文地質(zhì)特征

凍土區(qū)具有一定厚度的多年凍土,形成一個較完整的統(tǒng)一隔水層,地下水出現(xiàn)了凍結(jié)層上水、凍結(jié)層下水、融區(qū)水等幾種特殊的地下水類型。

地下水的補給主要來自大氣降水、融雪水、冰川消融水。地表水在多年凍土區(qū)匯集成溪流,在徑流過程中滲入補給多年凍土區(qū)的層上水。由于凍結(jié)層的存在,多年凍土層下水不可能直接獲得地表水的補給,主要通過河湖融區(qū)及冰川底部融區(qū)接受層上水或地表水補給。凍結(jié)層下水主要通過融區(qū)排泄,徑流遲緩,其天然露頭在旱季形成冰椎或凍脹丘。

1.3 多年凍土工程地質(zhì)特征

多年凍土工程地質(zhì)條件的主要控制因素有平均地溫、含冰量、多年凍土上限等,這些控制因素再加上凍結(jié)層上水等水文地質(zhì)條件及其組合關(guān)系，決定了多年凍土工程地質(zhì)條件。

(1)年平均地溫

多年凍土土體溫度(簡稱地溫)是反映多年凍土熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo),一般用年平均地溫(Tcp)表示,即年較差為零深度處的地溫。青藏鐵路通過地區(qū)的多年凍土分為4類不同地溫分區(qū)[1],年平均地溫分布情況見表1。低溫區(qū)凍土主要分布在昆侖山區(qū)、楚瑪爾河高平原邊緣區(qū)、可可西里山區(qū)、風(fēng)火山區(qū)、開心嶺山區(qū)、唐古拉山區(qū)、頭二九山區(qū),分布長度約150 km,占多年凍土線路通過長度的30%；高溫極不穩(wěn)定區(qū)凍土主要分布在西大灘、楚瑪爾河高平原河谷區(qū)、沱沱河、通天河、布曲、扎加藏布等大河融區(qū)與多年凍土過度地段及其他融區(qū)與多年凍土過渡地帶。沿線河流河谷灘地與低階地凍土區(qū)長約112 km,約占多年凍土區(qū)線路長度的21%。高溫不穩(wěn)定區(qū)多年凍土分布于除低溫及高溫極不穩(wěn)定區(qū)以外的其他地區(qū)長228 km,約占多年凍土區(qū)線路長度的49%。

表1 青藏高原多年凍土的地溫分區(qū)

(2)含冰量

根據(jù)總含水率,多年凍土分為少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層。少冰凍土、多冰凍土稱為低含冰量凍土,富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層稱為高含冰量凍土?？辈焯矫髟?46.43 km連續(xù)多年凍土中,高含冰量凍土為223.16 km,占續(xù)多年凍土總長41%,多冰、少冰凍土為221.59 km,融區(qū)為101.68 km,見表2。

表2 多年凍土特征分布 km

(3)多年凍土上限

根據(jù)地溫觀測、綜合勘探、融化速度計算等方法對多年凍土進(jìn)行統(tǒng)計分析,在昆侖山、風(fēng)火山、烏麗山、唐古拉山等山區(qū)上限深度較淺,一般為2～3 m,西大灘斷陷谷地、楚瑪爾河高平原、沱沱河盆地、通天河盆地、溫泉斷陷盆地、布曲河谷地等平坦地區(qū)上限深度較深,一般為2～5 m。

(4)不良凍土現(xiàn)象

線路通過地區(qū)的各類不良凍土現(xiàn)象危害較大,但較易通過地面調(diào)查圈定。因此,可以通過優(yōu)化線路平面位置加以避繞或合理設(shè)置工程類別通過。但工程修建和活動會不可避免地改變地表水、地下水徑流條件和其他環(huán)境條件,誘發(fā)產(chǎn)生新的不良凍土現(xiàn)象。不良凍土分布情況及對工程的影響見表3。

表3 不良凍土分布情況及對工程的影響

2 路基工程特殊性問題

受多年凍土工程地質(zhì)特性的影響,路基工程將產(chǎn)生不同于一般地區(qū)的特殊性問題,主要表現(xiàn)為地基融沉、路塹邊坡溜坍，不同結(jié)構(gòu)物、不同地質(zhì)條件在銜接部位附近的不均勻沉降及路基開裂等。

2.1 地基融沉

在多年凍土天然上限附近往往存在厚層地下冰和高含冰量凍土,由于其埋藏淺,受氣候、生態(tài)、微地貌、水文條件等天然因素和各種人為活動的影響，很容易融化,天然上限下降,融化后的土體在其自重作用下發(fā)生融沉,導(dǎo)致路基沉降變形。典型路基融沉變形如圖1所示。

圖1 國外某多年凍土鐵路

圖2 多年凍土融化引起邊坡溜坍

2.2 路塹邊坡溜坍

多年凍土融化并引起土體溜坍(見圖2)。路塹挖方對整個溫度場產(chǎn)生極為不利的影響,下臥多年凍土的工程性質(zhì)將發(fā)生顯著變化,一旦凍土路塹開挖,凍土埋藏深度將變淺或完全暴露在大氣當(dāng)中,冰開始融化,土體飽水,強度急劇下降。如果處理不當(dāng),將會引起路塹邊坡開裂、下滑、溜坍。

2.3 不同地質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)物不均勻沉降

不同的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸,對多年凍土溫度場產(chǎn)生不同的影響,溫度場的差異又反過來影響下臥多年凍土的工程性質(zhì),引起路堤與路塹、路堤與橋在交接處附近產(chǎn)生不均勻沉降,影響線路的平順性。

融區(qū)附近的多年凍土對環(huán)境變化極為敏感,氣溫波動、人類活動極易引起多年凍土力學(xué)性質(zhì)及強度指標(biāo)變化,導(dǎo)致在多年凍土與融區(qū)交接處路基產(chǎn)生不均勻變形,也影響線路的平順性。

2.4 凍脹

在路基本體內(nèi)含水量較高時,細(xì)顆粒土地基和路基填料由于寒季的凍結(jié)作用易產(chǎn)生較大的凍脹變形,導(dǎo)致鐵路軌道的不平順性,對行車速度和安全造成不良影響。

2.5 裂縫

在反復(fù)的凍結(jié)和融化作用下,最大融化深度范圍內(nèi)的路基土體相應(yīng)地發(fā)生凍脹和融沉變形,導(dǎo)致路基土體強度下降,尤其在凍脹和融沉變形較大的表層,土體強度下降幅度較大。由于路基陰陽坡受太陽輻射強度差別的影響,導(dǎo)致路基溫度場、多年凍土人為上限的橫向不對稱,產(chǎn)生橫向的不均勻沉降。兩方面因素導(dǎo)致多年凍土路基易出現(xiàn)縱向裂縫(見圖3)。裂縫寬度在幾毫米甚至幾十毫米,長度在幾米甚至幾十米。

圖3 路基裂縫

3 多年凍土路基設(shè)計原則

多年凍土工程地質(zhì)條件取決于多年凍土地溫、含冰量、凍土上限及不良凍土現(xiàn)象等因素,也受包括氣候、生態(tài)、微地貌、水文條件及人類活動等外部因素的影響。而路基是跨越各種地質(zhì)、地貌、凍土環(huán)境的長距離帶狀結(jié)構(gòu)物,具有與大自然接觸廣的特點,氣溫、年平均地溫、含冰量、太陽輻射、凍結(jié)層上水、路基結(jié)構(gòu)形式、路基邊坡朝向、施工季節(jié)、施工方式等都會影響路基基底下多年凍土地基的熱穩(wěn)定性,應(yīng)根據(jù)綜合條件采取相應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)與處理措施。

多年凍土的生存和發(fā)展,不僅和目前的地層巖性、含冰量、年均地溫等凍土本身性狀息息相關(guān),其熱穩(wěn)定狀態(tài)還受氣溫變化的直接影響,尤其在全球氣候轉(zhuǎn)暖的大背景下,多年凍土對路基工程長期穩(wěn)定性的影響是必須考慮的。根據(jù)對青藏高原未來氣候變化的預(yù)測研究,采取的工程結(jié)構(gòu)與處理措施應(yīng)確保未來50年氣溫升高1℃的情況下路基工程穩(wěn)定,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高路基工程抵御升溫的能力。

高含冰量凍土,在工程地質(zhì)復(fù)雜地段、水文及水文地質(zhì)條件復(fù)雜地段、與融區(qū)交界的地段,無論采取何種保護多年凍土的措施或延緩多年凍土融化速率的措施,路基融沉、開裂、沉降都比較嚴(yán)重,不宜以路基通過。

4 多年凍土路基設(shè)計

經(jīng)過近半個世紀(jì)的實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識的艱苦探索,對多年凍土的認(rèn)識水平在不斷提高,設(shè)計理念在不斷更新,處理措施在不斷完善,形成了成套高含冰量凍土地段不同綜合條件等級下的處理技術(shù)(見表4)。處理技術(shù)以凍土地基熱穩(wěn)定為核心,以凍土年平均地溫、含冰量、凍土上限、不良凍土現(xiàn)象、水文地質(zhì)條件及路基高度等為基礎(chǔ),充分考慮全球氣溫升高的影響,形成了青藏鐵路一整套保護多年凍土的工程措施。

表4 高含冰量凍土地段不同綜合條件等級下的處理技術(shù)

4.1 高含冰量凍土地段路堤設(shè)計

(1)綜合條件等級“一般”地段

①路基面兩側(cè)預(yù)留沉落加寬值0.40～0.60 m。

②路基兩側(cè)設(shè)置碎石護坡。碎石護坡陽坡側(cè)寬1.60 m,陰坡側(cè)寬0.80 m；陰陽坡不明顯時,兩側(cè)均為1.60 m。碎石粒徑為5～8 cm。

③碎石護坡下部設(shè)置片石護道,片石護道高1.50 m,陽坡側(cè)伸出碎石護坡2.50 m,陰坡側(cè)伸出碎石護坡2.0 m。片石粒徑為10～30 cm,片石抗壓強度不小于30 MPa。

④為防止裂縫發(fā)生,填土高度大于3 m時,在路堤上部2 m范圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵；填土高度大于6 m時,在路堤上部4 m范圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵。土工格柵鋪設(shè)間距0.9 m,最上一層距離路基面0.4 m。

路基斷面形式見圖4。

圖4 綜合等級為“一般”地段的路基斷面形式(單位：m)

(2)綜合條件等級“較差”地段

①路基面兩側(cè)預(yù)留沉落加寬值0.40～0.60 m；兩側(cè)設(shè)置土護道,寬度2.0 m。

②為防止基床凍脹,基底挖除換填粗顆粒土,換填厚度為1.4倍的天然上限,但不超過4.0 m。

③于路基面下0.80 m處鋪設(shè)隔熱保溫材料。隔熱保溫材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%應(yīng)變條件下的抗壓強度大于600 kPa,吸水率不大于4%,在-45 ℃低溫下凍融循環(huán)200次抗拉強度不小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值,具有長期的抗老化性能。為防止施工過程中對保溫材料的破壞,保溫材料上下各鋪0.10 m厚中粗砂墊層保護。

④于路基兩側(cè)護道中心位置交錯設(shè)置熱管,沿線路縱向間距2.8 m,斜插式,與豎直線夾角13°。熱管其他技術(shù)性能要求如下：熱管單根長度7.0 m,直徑89 mm,翅片厚度不小于1.9 mm,冷凝段1.5 m,絕熱段1.5 m,蒸發(fā)段4 m,埋入5.5 m,外露長度1.5 m；屈服強度σs>290 N/mm ,抗拉強度σb>480 N/mm。冷凝器采用螺旋翅片,翅片表面應(yīng)平整、無開口。路基斷面形式見圖5。

圖5 綜合等級為“較差”地段的路基斷面形式(單位：m)

(3)綜合條件等級“差”且路堤高度≥2.50 m的地段

①路基面兩側(cè)預(yù)留沉落加寬值0.40～0.60 m。

②當(dāng)填土高度3.5 m>H≥2.5 m時,于基底設(shè)置1.0 m厚片石層,填土高度H≥3.5 m時,設(shè)置1.2 m厚片石層。片石粒徑10～30 cm。為防止片石層上部填土進(jìn)入片石空隙,于片石層頂部依次設(shè)置0.2 m厚碎礫石層和0.2 m厚中粗砂墊層過渡。為防止基底積水或地面積水進(jìn)入基底,片石層施工前先于基底填筑一層土拱,土拱自路基中心向外設(shè)排水橫坡(斜坡時為單面坡),土拱最小厚度不小于0.3 m。

③路基兩側(cè)設(shè)置不同厚度的碎石護坡：陽坡側(cè)寬1.60 m,陰坡側(cè)寬0.80 m,陰陽坡不明顯時,兩側(cè)寬度均為1.60 m。碎石粒徑5～8 cm。

④碎石護坡下部設(shè)置片石護道,片石護道伸出碎石護坡外2.0 m。片石護道高度與基底片石層高度一致。片石粒徑10～30 cm。

⑤為防止裂縫發(fā)生,在路堤內(nèi)鋪設(shè)土工格柵。

路基斷面型式見圖6。

圖6 綜合條件等級為“差”且填土高度大于2.5 m地段路基斷面形式(單位：m)

(4)綜合條件等級“差”且路堤高度<2.50 m的地段

當(dāng)填土高度小于2.50 m時,其處理措施同綜合等級為“較差”地段。

4.2 高含冰量凍土地段路塹設(shè)計

路塹邊坡坡率1∶1.75。為保護路塹邊坡下的高含冰量凍土,邊坡超挖厚度為1.4倍的天然上限但不超過4.0 m,換填粗顆粒土保溫,塹頂采用包角形式,高度0.8 m,并設(shè)置SBS等隔水材料。填筑保溫層前,在開挖的路塹邊坡上設(shè)2.0 m寬臺階,臺階與保溫層間鋪設(shè)4.0 m寬的土工格柵,使保溫層與其下多年凍土的緊密結(jié)合,防止因保溫層沿?fù)Q填開挖面蠕滑導(dǎo)致的塹頂開裂。

為防止基床凍脹變形,挖除換填粗顆粒土,換填厚度為1.4倍的天然上限但不超過4.0 m；路基面下0.2 m處鋪設(shè)復(fù)合土工膜防水下滲。

若基底換填層下仍有高含冰量凍土,路基面下0.80 m處鋪設(shè)保溫材料,保溫材料采用聚苯乙烯板(XPS),厚度0.08 m,10%應(yīng)變條件下的抗壓強度大于600 kPa,于其上下各鋪0.10 m厚中粗砂墊層保護。在兩側(cè)側(cè)溝平臺中部交錯設(shè)置熱管保護多年凍土,沿線路縱向間距2.8 m,熱管單根長度12.0 m,直徑89 mm,外露長度2.5 m(冷凝段),埋入9.5 m。

塹頂外側(cè)設(shè)置擋水埝,當(dāng)凍結(jié)層上水發(fā)育時,為阻擋凍結(jié)層上水滲入路塹,在擋水埝下設(shè)置SPRE隔水材料。

路基面兩側(cè)預(yù)留沉落加寬值0.40～0.60 m。

側(cè)溝采用“U”形混凝土預(yù)制件拼裝,側(cè)溝平臺寬2.0 m。路基斷面形式見圖7。

圖7 高含冰量凍土路塹斷面形式(單位：m)

5 結(jié)束語

青藏鐵路多年凍土地區(qū)路基長度為423.52 km,以橋代路長度87.5 km。其中高含冰量凍土路基工程長度155.53 km,低含冰量凍土路基工程長度182.81 km,融區(qū)路基工程長度85.18 km。高含冰量凍土采用片石氣冷路堤長度為117.69 km,碎石護路堤長度為127.00 km, 熱管路基長度為32.6 km,凍土加筋路基長度為81.75 km。

2006年7月1日青藏鐵路開通運營以來,列車在多年凍土地區(qū)按設(shè)計速度100 km/h運行平穩(wěn),多年凍土地區(qū)路基工程沉降變形穩(wěn)定可控,多年凍土路基片石氣冷、碎石護坡、熱管、排水、以橋代路等多年凍土路基工程成套工程技術(shù)措施安全可靠。

[1]鐵一院.青藏鐵路高原多年凍土區(qū)工程設(shè)計暫行規(guī)定[S].蘭州：鐵一院，2001

[2]中國科學(xué)院寒區(qū)早區(qū)環(huán)境與工程研究所.青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)[R].蘭州：中國科學(xué)院寒區(qū)早區(qū)環(huán)境與工程研究所,2002

[3]秦大河.中國西部環(huán)境演變評估[M].北京：科學(xué)出版社,2002